Оглавление

Понятие мультимедиа 3

Аппаратные средства обработки мультимедиа 5

Видеосистема 5

Организация экранной поверхности и вывод на экран 7

LCD-монитор 11

Видеоадаптер 14

Звуковая карта 17

CD-DVD дисковод 19

CD 19

DVD 21

Web - камера 22

Заключение 24

Библиографический список 26

Основной 26

Дополнительный 26

Интернет ресурсы 26 

Понятие мультимедиа

     Мультимедиа — это взаимодействие визуальных и аудиоэффектов под управлением интерактивного программного обеспечения с использованием современных технических и программных средств, они объединяют текст, звук, графику, фото, видео в одном цифровом представлении. Например, в одном объекте-контейнере  может содержаться текстовая, аудиальная, графическая и видеоинформация, а также, возможно, способ интерактивного взаимодействия с ней.

     Термин  мультимедиа также, зачастую, используется для обозначения носителей информации, позволяющих хранить значительные объемы данных и обеспечивать достаточно быстрый доступ к ним (первыми  носителями такого типа были CD — compact disk). В таком случае термин мультимедиа означает, что компьютер может использовать такие носители и предоставлять информацию пользователю через все возможные виды данных, такие как аудио, видео, анимация, изображение и другие в дополнение к традиционным способам предоставления информации, таким как текст.

     Мультимедиа может быть грубо классифицировано как линейное и нелинейное.

     Аналогом  линейного способа представления  может являться кино. Человек, просматривающий  данный документ никаким образом  не может повлиять на его вывод.

     Нелинейный  способ представления информации позволяет  человеку участвовать в выводе информации, взаимодействуя каким-либо образом  со средством отображения мультимедийных данных. Участие человека в данном процессе также называется «интерактивностью». Такой способ взаимодействия человека и компьютера наиболее полным образом  представлен в категориях компьютерных игр. Нелинейный способ представления  мультимедийных данных иногда называется «гипермедиа».

     В качестве примера линейного и  нелинейного способа представления  информации, можно рассматривать  такую ситуацию, как проведение презентации. Если презентация была записана на пленку и показывается аудитории, то при этом способе донесения информации просматривающие данную презентацию не имеют возможности влиять на докладчика. В случае же живой презентации, аудитория имеет возможность задавать докладчику вопросы и взаимодействовать с ним прочим образом, что позволяет докладчику отходить от темы презентации, например поясняя некоторые термины или более подробно освещая спорные части доклада. Таким образом, живая презентация может быть представлена, как нелинейный (интерактивный) способ подачи информации.

     Мультимедиа находит своё применение в различных  областях, таких как реклама, искусство, образование, индустрия развлечений, техника, медицина, математика, бизнес, научные исследования и пространственно-временные приложения.

     В образовании мультимедиа используется для создания компьютерных учебных  курсов (популярное название CBT - Computer Based Training) и справочников, таких как энциклопедии и сборники. CBT позволяет пользователю пройти через серию презентаций, тематического текста и связанных с ним иллюстраций в различных форматах представления информации.

     Разработчики  программного обеспечения могут  использовать мультимедиа в компьютерных симуляторах чего угодно: от развлечения  до обучения, например: военного или  производственного обучения. Мультимедиа  для программных интерфейсов  часто создаётся как коллаборация между креативными профессионалами и разработчиками программного обеспечения.

     В промышленном секторе мультимедиа  используют как способ презентации  информации для акционеров, руководства  и коллег. Мультимедиа также полезно  в организации обучения персонала, рекламы и продаж продукта по всему миру посредством фактически неограниченных веб-технологий.

     В математических и научных исследованиях  мультимедиа в основном используется для моделирования и симуляции. Например: учёный может взглянуть на молекулярную модель какого-либо вещества и манипулировать ею с тем, чтобы получить другое вещество.

     Врачи также могут получить подготовку с помощью виртуальных операций или симуляторов человеческого  тела, поражённого болезнью, распространённой вирусами и бактериями, таким образом пытаясь разработать методики её предотвращения.

Аппаратные  средства обработки  мультимедиа

     Мультимедийное  аппаратное обеспечение — это  оборудование, необходимое для создания, хранения и воспроизведения мультимедийного  программного обеспечения. К нему относятся  монитор, видеокарта, звуковая карта, звуковые колонки, CD-DVD дисковод, Web-камера, цифровая камера.

     В последние годы класс аппаратных средств мультимедиа бурно развивается. Так, в него вошли устройства для  обработки телевизионных сигналов и воспроизведения телепрограмм (ТВ-тюнеры), аппаратные средства для обработки сжатой видеоинформации (MPEG-декодеры).

     Рассмотрим  основные компоненты мультимедийного  компьютера. Сосредоточив основное внимание на видеосистеме, как одной из важнейших систем в обработке мультимедийной информации.

Видеосистема

     Задача  компьютерной видеосистемы – представить  информацию в привычной для пользователя форме, то есть в виде букв, цифр, рисунков, видеокадров. В своей эволюции видеосистема ПК прошла два этапа. Современная  система способна организовать вывод  на экран трёхмерного динамического  изображения – системы 3D. Предшествующий этап условно можно назвать –  «до появления 3D». На этапе «до появления 3D» разработчиками были заложены основные положения функционирования видеосистем:

• Изображение на экране строится из точек. Экран организован в виде матрицы точек.
• Точка описывается цветом. Кадр изображения составляет множество точек разного цвета.
• Сведения о цвете всех точек экранной матрицы хранятся в специальном блоке памяти (кадровом буфере).
• Экранные кадры  готовятся заранее, выводятся на экран в готовом виде без малейших изменений. Для изменения изображения должно быть заменено содержимое кадрового буфера

     На  начальном этапе вопрос создания динамического изображения даже не поднимался. Ресурсов не хватало. Картинку на экран монитора видеосистема получала в уже готовом виде. Сформировать её собственными силами она была не в состоянии. Кадр требовалось подготовить заранее.

     Для того, чтобы информация могла проделать путь из памяти на экран монитора, пройти преобразование от множества цифровых кодов до зримо воспринимаемой картинки компьютерная видеосистема должна располагать определёнными ресурсами (рисунок 1)

1

Адаптер

6

2

5

4

   3

Монитор

Рисунок 1

1. Отображаемая  панель. Местом размещения видеоинформации в ПК является монитор.
2. Видеобуфер (видео-ОЗУ, видео память). Блок специализированной памяти, хранящий в кодированном виде  предназначенный для отображения видеокадр. Чаще всего размещается на плате видеоконтроллера. В случае интегрированного видео в материнскую плату, размещается в ОЗУ системного блока. Рабочий режим видео памяти значительно отличается от реализуемого в компьютере ОЗУ, здесь нет случайно чередующихся обращений для считывания и записи. Сначала проводится запись массива, затем его считывание. В настоящее время существуют механизмы ускорения этого процесса, например механизм построения двухпортовой памяти (запись/чтение).
3. Видеоинтерфейс. Информационный канал, по которому данные об изображении из видеопамяти передаются на выводящую систему монитора. Делится на аналоговый (VGA, SVGA) и цифровой (EGA, DVI, HDMI).
4. Блок вывода. Непосредственно организует последовательный вывод изображения на экран. В мониторах с ЭЛТ управляет движением электронного луча и интенсивностью излучения, в плоских мониторах – управляет светопроводимостью слоя жидких кристаллов, в плазменной панели – механизмом воздействия на ионизированный газ.
5. Управляющий контроллер. Электронный блок, организующий работу всей видеосистемы. Может быть интегрирован в материнскую плату.
6. Блок хранения видеоинформации. Жесткий диск, CD-DVD, SD, флеш-память.

Организация экранной поверхности  и вывод на экран

     Из  всех компонентов ПК пользователь, тем более, если речь идет о мультимедиа  технологиях, чаще всего имеет дело с экраном монитора. В качестве примера рассмотрим систему с ЭЛТ-монитором.

     Площадь экрана организована в виде множества  точек, составленных матрицей с двумя  параметрами: количество точек в  строке и число строк. Любое изображение формируется из точек, и чем их больше на единицу площади, тем оно чётче. Например, 800х600 говорит о том, что в строке 800 точек и на экране отображено 600 строк. Точка получила название пиксель (pixel). Чем мельче точка, тем их больше на единицу площади. Это соотношение составляет один из основных параметров монитора – разрешающая способность.

     В памяти изображение сохраняется в виде информации о цвете всех точек экрана. Оттенок свечения отдельной точки является результатом смешения трех компонентов – образующих цветов: красного (Red), зеленого(Green) и синего (Blue). Данные о каждом из них хранятся в памяти в цифровой форме и вместе составляют код цвета точки (RGB-код). Для сохранения в памяти информации об одной цветовой составляющей отводится до 8 бит, соответственно вся информация о цвете может занимать до 24 бит или 3 байта. При трехбайтном кодировании палитру составляют 16 М оттенков ().

     Внутренняя  поверхность экрана ЭЛТ-монитора покрыта слоем люминофора, вещества способного светиться под воздействием потока электронов. Затем не неё накладывается тонкая металлическая фольга – маска, площадь которой пронизана большим количеством мелких отверстий. Размер отверстия в маске (его ещё часто называет зерном) – техническая характеристика, определяющая максимально достижимое для монитора разрешение. Для устройств различных классов оно составляет: 0,41; 0,39; 0,31; 0,28; 0,26 и др. Поток электронов через отверстие в маске попадает на люминофор и вызывает его свечение.

     Данные о цвете всех составляющих точек последовательно извлекаются из видеопамяти, передаются на контроллер и, если интерфейс аналоговый, попадают в блок цифроаналоговых преобразований – DAC (Digital to Analog Converter). Коды разделяются на три составляющих, каждая из которых используется для формирования отдельного аналогового сигнала. По видеоинтерфейсу сигналы подаются на монитор. Форма кодированных передаваемых сигналов определяет тип интерфейса.

     Поток электронов в точку экрана направляет специальное устройство, получившее название «электронная пушка». В составе монитора их три – по одной на каждый образующий цвет. Они расположены на одной платформе и сфокусированы та точку, находящуюся на внутренней стороне экрана монитора. Специальная «отклоняющая система» поворачивает блок «электронных пушек». Аналоговые видеосигналы, поступающие на монитор, используются для управления интенсивностью излучения «электронных пушек». Выше напряжение сигнала, выше интенсивность излучения «пушки», ярче соответствующий образующий цвет.

     Под управлением «отклоняющей системы» в определённый момент времени все  три луча оказываются нацеленными  на одну из точек. «Пушки» включаются, три цветовых луча попадают в точку. Образующие цвета смешиваются, и  формируют оттенок ее свечения. Цветовые лучи последовательно «пробегают»  по точкам всех строк, поочередно фокусируясь  на каждой из них. Однократный проход лучей по экрану высвечивает кадр изображения. В течение одной  секунды этот процесс повторяется  необходимое число раз.

     Четкость  изображения на экране во многом зависит  от соответствия размера площади  экрана, на котором происходит фокусировка  лучей (цветовое пятно), и размера  отверстия в маске. В мониторе, при работе в режимах с предельным для него разрешением, размеры цветового  пятна и зерна примерно равны. Задача отклоняющей системы –  навести цветовые лучи на отверстие  в маске. Расплывчатый контур цветового  пятна убирается, цветная точка  приобретает четкость.

     Кадровый  буфер хранит сведения о цвете  всех точек, составляющих кадр изображения (рисунок 2.а). Для вывода на экран  определенного количества кадров в  минуту требуется заполнение соответствующее  числу раз содержимого кадрового  буфера. Размер кадрового буфера напрямую связан с разрешающей способностью реализуемого видеорежима и используемой цветовой палитрой. Нетрудно подсчитать необходимый объем памяти для вывода на экран разрешением 1024 х 768 статичного изображения:

     1024 х 768 = 786432 пикселя х 24 бит/пиксель  = 18874368 бит = 2349296 байт = 2,25 Мбайт

     Поскольку объем модулей памяти кратен степеням двойки 256, 512 Кбайт, 1, 2, 4 Мбайт для  поддержки такого режима необходимо минимум 4 Мбайта.

G

B

Code Pixel 1 (CP1)

R

G

B 

Code Pixel 2 (CP2)

R

G

B 

Code Pixel N (CPN)

а) 
 

б)

CP1

.   .   .

CP2

CPN

CP1

CP2

CPN

CP1

CP2

CPN

.   .   .

.   .   .

.   .   .

.   .   .

Строка 1

Строка 2

Строка N

Рисунок 2

     Экран монитора – двумерная поверхность. Компьютерная память одномерна, у неё  одна координата – линейный адрес. Экранная матрица при размещении в памяти представляется в виде вектора, составленного из последовательности строк (рисунок 2.б).

LCD-монитор

     Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и  располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного  жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

     Каждый  пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными  электродами, и двух поляризационных  фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны (рисунок 3). В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Рисунок 3

     Поверхность электродов, контактирующая с жидкими  кристаллами, специально обработана для  изначальной ориентации молекул  в одном направлении. В TN-матрице  эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким  образом, что до второго фильтра  плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже  без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного  света, ячейку можно считать прозрачной.

     Если  же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться  в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При  этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически  все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять  степенью прозрачности.

     Если  постоянное напряжение приложено в  течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать  из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

     Во  всей матрице можно управлять  каждой из ячеек индивидуально, но при  увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому  практически везде применяется  адресация по строкам и столбцам.

     Проходящий  через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют  искусственный источник света, кроме  независимости от внешнего освещения  это также стабилизирует свойства полученного изображения.

     Таким образом, полноценный монитор с  ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной  видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с  элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые  характеристики важнее других.

     Рассмотрим  важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией;
• размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;
• соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.);
• видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.    Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;
• яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр;
• время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:

время буферизации (input lag). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20—50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс;

 время переключения  — именно оно указывается в  характеристиках монитора. Высокое  значение ухудшает качество видео;  методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех  мониторах заявленное время переключения  составляет 2—6 мс;

• угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 — 176°/176°, CR 10:1 — 170°/160°.

Видеоадаптер

     Устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в иную форму, предназначенную для дальнейшего вывода на экран монитора. В настоящее время эта функция утратила основное значение, и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа.

     Обычно  видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ). В этом случае устройство, строго говоря, не может быть названо видеокартой.

     Современные видеокарты не ограничиваются простым  выводом изображения, они имеют  встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все  современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

     Современная видеокарта состоит из следующих  частей:

         графический процессор (Graphics processing unit — графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур);

     видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый;

         видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE. В случае использования архитектуры Uniform Memory Access в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера;

         цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока: три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий - RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство). В данном случае он состоит из 256 (2⁸) регистров. Содержимое регистра – код одного из цветов, составляющих палитру. Для сохранения каждого из трех образующих цветов отводится до 8 разрядов. Размер регистра – 24 разряда. Всего RAM-блок хранит сведения о палитре из 256 оттенков. Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят;

         видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы;