Характеристики представления графической информации 10 страница

Для обеспечения достаточно хорошего качества преобразова­ния необходимо, чтобы частота дискретизации по меньшей мере вдвое превышала наивысшую частоту сигнала. Поскольку челове­ческое ухо слышит звук частотой до 20 кГц, то.в свое время для компакт-дисков была выбрана частота дискретизации 44,1 кГц и разрядность отсчета 16 бит (65 536 фиксированных уровней амп­литуды). В студийной работе чаще используется та же разрядность отсчета при частоте дискретизации 48 кГц. Иногда используются и более высокие значения этих величин. Устройство, переводящее аналоговый звуковой сигнал в цифровую форму, называется ана-логово-цифровым преобразователем (АЦП), а обратно — цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Сочетание частоты дискретизации, разрядности отсчета и ко­личества используемых каналов называют форматом цифрового звука. Очевидно, что произведение этих величин и даст величину цифрового потока, необходимую для представления этого фор­мата. Например, для частоты дискретизации 44,1 кГц, разряднос­ти 16 бит и стереофонического звука (2 канала) величина цифро­вого потока составит немногим более 170 Кбайт/с, что заметно ниже, чем пропускная способность основных каналов передачи данных компьютера. Поэтому обработка звука в реальном времени на современных компьютерах вполне осуществима, хотя в послед­нее время наметилась тенденция к увеличению значений всех со­ставляющих формата цифрового звука (в частности, система Dolby Digital использует 6 каналов, а ее модификации — до 8).

Несмотря на то, что компьютер «справляется» с обработкой звука в реальном времени, существует несколько причин для сжа­тия цифровых данных. Во-первых, если мы запишем на диск «сы­рой» (несжатый) звук, то нетрудно подсчитать, что минута запи-

си займет около 10 Мбайт, т.е. расходы дисковой памяти на за­пись звуковых фрагментов будут весьма велики. Форматы такого способа записи звука существуют (например, файлы типа .wav), однако чаще всего они используются как промежуточные. Вто­рая причина связана с передачей звуковых данных: если канал связи обеспечивает, например, 33,6 Кбит/с (-3,28 Кбайт/с), то 170 Кбайт/с передать по нему невозможно, и звук просто обязан быть сжат. Наконец, есть еще одна причина, носящая экономико-психологический характер. Прохождение звука по компьютерным цепям и его оцифровка вносят в него искажения, и может ока­заться так, что искажения за счет сжатия звука окажутся меньше остальных, а выигрыш в объеме данных окажется значительным. Психологической же эта причина названа потому, что оценка ис­кажений в большой степени носит субъективный характер, и ис­кажения, которые один человек может не слышать, другому мо­гут казаться неприемлемыми. Методы сжатия звуковых потоков учитывают эту особенность, и все соответствующие алгоритмы в целом основаны на свойствах восприятия звуковых сигналов слу­ховым аппаратом человека, называемых «психоакустической мо­делью». При этом из звукового сигнала удаляется информация, малозаметная для слуха, в результате чего слуховое восприятие звука практически не меняется. Такое кодирование относится к методам сжатия с потерями, когда из сжатого сигнала уже невоз­можно точно восстановить исходную волновую форму, однако степень сжатия гораздо выше. Сжатие звукового сигнала и его об­ратная распаковка осуществляются специальными программны­ми модулями, называемыми кодеками (кодерами-декодерами). Каждый из них характеризуется используемыми алгоритмами сжа­тия и используемыми форматами сжатых файлов.

Для описания степени сжатия звукового сигнала используется битрейт (bitrate) — скорость битового потока с которой сжатая информация должна поступать в декодер при восстановлении зву­кового сигнала. Битрейт измеряется в килобитах в секунду (Кбит/ с) и если, например, он равен 128 Кбит/с, то это означает, что одна секунда звука будет занимать 128 Кбит, или 16 Кбайт. Чем выше битрейт, тем выше качество звука, получаемого при обрат­ной распаковке и, соответственно, больше размер сжатого звука. Широко распространенный формат сжатия трЗ позволяет коди­ровать звук с битрейтом от 8 до 320 Кбит/с. Наиболее часто в трЗ используется битрейт 128 Кбит/с, на котором достигается сжатие в 10—12 раз.

Говоря о сжатии звука, нельзя обойти вниманием специаль­ную форму передачи сжатого звука, называемую потоковым ве­щанием. Применяется она только в компьютерных сетях (в том числе в сети Интернет) и использует систему «клиент-сервер»: звуковые файлы потокового формата хранятся на сервере и со-

6 Гохберг

держащаяся в них информация по специальному протоколу пере­дается в виде сжатого звукового потока на компьютер клиента, где и воспроизводятся соответствующей программой-плеером. При-этом никакие промежуточные файлы на клиентском компьютере не создаются. Характерной особенностью потокового вещания яв­ляется высокая степень сжатия, которая должна обеспечить про­хождение сжатого звука через низкоскоростные каналы связи. Наиболее распространенным среди потоковых систем является формат RealAudio.

9.2.2. Оцифровка видеоинформации

Преобразование аналогового видеосигнала в цифровую форму (оцифровка, или видеозахват) происходит почти по тем же прин­ципам, что и при работе с аудиосигналами. Однако в отличие от оцифровки звука, отсчеты делаются редко (25 раз в секунду), но результатом отсчета является целый кадр. Наиболее часто приме­няется используемый в стандарте VideoCD размер кадра в 352x288 точек (телевизионный кадр, прореженный вдвое по вертикали и по горизонтали), при 24 бит цвета на каждую точку. Нетрудно подсчитать, что это даст цифровой поток около 60 Мбит/с (-7,5 Мбайт/с), что значительно превышает величину аудиопотоков. Поэтому сжатие данных, причем с потерями (для обеспечения высокой степени сжатия вплоть до 100: 1), здесь просто необхо­димо. Существует большое количество алгоритмов сжатия (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4 и др.), служащих различным целям и име­ющим совершенно различные характеристики, но все они в той или иной степени нацелены на наиболее эффективное сжатие данных с минимальными потерями качества. В частности, битрейт сжатого видео на VideoCD (алгоритм MPEG 1), имеющего на­званные размер и частоту кадров, равен 1,1 Мбит/с.

9.2.3. Стандарты MPEG

Слово MPEG является сокращением от Moving Picture Expert Group — названия экспертной группы ISO (международной орга­низации по стандартизации) по кодированию и сжатию видео- и аудиоинформации. Так же называются и стандарты, разработан­ные этой группой.

MPEG 1 предназначен для записи синхронизированных ви­деоизображений (обычно в формате SIF 352x288) и звукового сопровождения на CD-ROM (VideoCD) со скоростью считыва­ния до 1,5 Мбит/с. Качество MPEG 1 примерно соответствует обычному VHS-видео.

MPEG 2 поддерживает более высокие разрешения, поскольку поток данных в этом стандарте намного больше (до 40 Мбит/с),

чем в MPEG 1, позволяя записывать полноэкранные фильмы студийного качества. Этот формат используется в видеодисках DVD. Кроме того, сигнал, сжатый в соответствии с этим стандартом, транслируется через телевизионные спутники.

Формат MPEG 4 первоначально создавался для использова­ния в мультимедийных приложениях, использующих узкие кана­лы связи, например видеоконференции, проводимые через Ин­тернет, и не предназначался для хранения видео. По качеству изоб­ражения он занимает промежуточное место между MPEG 1 и MPEG 2. За счет этого достигается высокая степень сжатия ин­формации. Работа с MPEG 4 требует достаточно большой вычис­лительной мощности от всех компонентов компьютера.

Неожиданное применение алгоритм сжатия MPEG 4 получил в качестве средства преобразования DVD-фильмов (формата MPEG 2) с целью их записи на обычные CD-ROM гораздо мень­шей, чем DVD, емкости. Модификация MPEG 4 с таким пред­назначением носит название DivX и обеспечивает вполне прием­лемое качество видеоматериалов.

Стандарт MPEG 7 является еще одним представителем семей­ства MPEG и предназначен для детального описания разнород­ного мультимедийного материала. На его основе, например, мож­но создавать цифровые мультимедийные библиотеки, осуществ­лять поиск мультимедийного материала и мультимедийное редак­тирование. MPEG 7 позволит вести мультимедийный поиск во «всемирной паутине» так же, как и текстовый, на основе предло­женных в качестве образцов мультимедийных фрагментов. Кроме того, можно проводить фильтрацию поступающей информации, вырезая из нее, скажем, рекламу.

Таким образом, лишь стандарт MPEG 1 можно считать уста­ревшим, так как его основной целью являлось обеспечение воз­можности работы на слабых компьютерах. Остальные же стандар­ты не конкурируют друг с другом, поскольку имеют различные области применения.

9.3. Аппаратные средства мультимедиа

Какая же аппаратура нужна для работы с мультимедиа-инфор­мацией? Следует различать средства, предназначенные для под­готовки аудио- и видеофайлов и других мультимедиа-продуктов, и средства, предназначенные для их воспроизведения. Связано это, в первую очередь, с тем, что для преобразования аналоговой ин­формации в цифровую требуется компрессия (сжатие) информа­ции, а для обратного преобразования — декомпрессия, которая происходит гораздо быстрее и требует меньшего количества ре­сурсов. Кроме того, требования к аппаратуре очень сильно зави-

сят от требований, предъявляемых к конечному продукту. Понят­но, что подготовка профессиональных записей требует высокока­чественной и дорогостоящей аппаратуры, а также специальных навыков персонала, не носящих непосредственно компьютерного характера (балансировки уровней записи в каналах, синхрониза­ции аудио- и видеосигналов и т.д.).

Если же ограничиться непрофессиональным уровнем, то со­временный компьютер может реализовать практически все ком­пьютерные технологии мультимедиа. В качестве минимальных тре­бований к аппаратным компонентам компьютера можно назвать следующие.

В качестве процессора вполне может быть использован любой процессор типа Athlon или Pentium 4 с памятью 256 Мбайт или более. Такая конфигурация позволяет использовать операционную систему Windows XP, наиболее подходящую для работы с муль­тимедиа. В состав устройств мультимедиа включают также звуко­вую плату (например, Sound Blaster), дисковод CD-ROM или DVD-ROM, а также современную видеоплату, желательно с видеовхо­дом и видеовыходом.

При изготовлении продуктов мультимедиа заметно повыша­ются требования к быстродействию процессора и жесткого дис­ка, который должен работать в режиме не ниже Ultra DMA. Необ­ходимо также наличие видеовхода либо на видеоплате, либо от­дельного устройства — телевизионного тюнера. Для профессио­нальной же работы используются специализированные платы ви­деозахвата, которые могут работать с большими разрешениями и «на лету» сжимать вводимое видеоизображение. Для создания му­зыкальных фрагментов необходимы музыкальные синтезаторы, воспроизводящие звучание реальных музыкальных инструментов.

Еще раз отметим, что качество воспроизведения аудио- и ви­деоматериалов компьютерными средствами уступает не только профессиональной, но и бытовой аппаратуре. Однако комплекс­ность компьютерных технологий и удобство управления всем про­цессом работы делают использование компьютера в подготовке мультимедиа-продуктов незаменимым. Его место находится в на­чале этой цепочки, в то время, как для окончательной доводки используется профессиональная студийная аппаратура, для кото­рой использование компьютера не является определяющим.

9.4. Программные средства мультимедиа

Программные средства создания и воспроизведения мультиме­диа исключительно многообразны. Связано это с большим разно­образием задач, решаемых этими средствами и невозможностью создать такой программный комплекс, который удовлетворял бы

всем пожеланиям. Кроме того, сами эти требования до сих пор еще не устоялись. Поэтому здесь будут приведены лишь краткие сведения о различных программных комплексах, обеспечивающих работу с мультимедиа.

9.4.1. Воспроизведение мультимедиа

Наиболее распространенными, разумеется, являются средства для воспроизведения мультимедиа, называемые обычно проиг­рывателями, или плеерами. Первоначально они создавались для решения достаточно узких задач. Так, например, широко рас­пространенный аудиопроигрыватель WinAmp был, в основном, предназначен для воспроизведения сжатых аудиофайлов форма­та трЗ. Впоследствии перечень воспроизводимых им типов фай­лов был существенно расширен, и в настоящее время он охва­тывает практически все аудиоформаты и большое количество видеоформатов. Аналогичными свойствами обладают и другие плееры, перечислить которые просто невозможно. Как правило, все они распространяются на бесплатной или (гораздо реже) условно-бесплатной основе. Связано это с тем, что чаще всего плееры являются частью комплекса по созданию мультимедиа, а эти комплексы могут уже иметь достаточно высокую стоимость. Привычка же к работе с тем или иным плеером может оказаться побудительным мотивом к приобретению соответствующего пол­ного комплекта.

Помимо уже упомянутого WinAmp следует назвать следующие проигрыватели: Windows Media операционной системы Windows XP, Quick Time компании Apple Computers, а также RealPlayer компании Real Networks. Эти плееры предназначены, в основном, для работы с потоковыми файлами собственных форматов, нося­щих закрытый характер и являющихся собственностью фирмы. Большое внимание при разработке этих форматов было уделено охране авторских прав обладателей аудио- и видеозаписей.

9.4.2. Создание мультимедийных приложений

Средства создания мультимедиа-продуктов еще более разнооб­разны, чем средства их воспроизведения. Приведем здесь лишь основные задачи, с которыми при этом приходится иметь дело:

. создание и редактирование растровых и векторных графичес­ких изображений, в том числе анимированных (мультфильмов);

. оцифровка и сжатие звукозаписей;

• создание музыкальных фрагментов с помощью MIDI-синте-затора;

• редактирование звуковой информации, позволяющее изме­нить амплитуду сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или

вставить звуковые фрагменты, подготовить звуковые файлы для включения в окончательный продукт;

• видеозахват;

• синтез трехмерных неподвижных и движущихся изображений;

• редактирование видеоизображений и создание клипов, в том числе синхронизация звука и изображения;

• создание гипертекстов и ссылочной гипермедиа-структуры;

• объединение всех мультимедиа-компонентов в единый комп­лекс;

• запись на физический носитель.

Программные комплексы, решающие эти задачи, весьма раз­нообразны, и включают как бесплатные или условно-бесплатные программы, так и дорогие профессиональные продукты. Приме­нение того или иного комплекса диктуется условиями изготовле­ния мультимедиа-продукта. Кроме того, состав этих программ очень быстро меняется, что связано с быстрым изменением характери­стик аппаратуры в этой области и, соответственно, изменением требований к этим программам. Поэтому нет смысла делать ка­кой-либо обзор этих средств. Заметим лишь, что в состав Windows ХР входит программа Windows Movie Maker, которая позволяет на достаточно примитивном уровне выполнять значительную часть из названных задач.

9.5. Мультимедиа в сети Интернет

Основным сдерживающим фактором, препятствующим широ­кому распространению мультимедиа в Интернете, является низ­кая пропускная способность компьютерных сетей. Использование обычных модемных соединений по коммутируемым сетям огра­ничивает ее величиной в 56 Кбит/с. Это приводит либо к длитель­ной загрузке страниц, содержащих информацию мультимедиа, либо к низкому качеству этой информации. Тем не менее, муль­тимедиа вполне можно применять и на веб-сайтах в следующих случаях:

• приведенные ограничения не являются существенными по сравнению с важностью информации;

• интернет-технологии применяются во внутренних высокоско­ростных сетях (интранет);

• используются потоковые протоколы передачи мультимедиа-информации, позволяющие представлять ее по мере поступле­ния.

Наиболее простым способом размещения мультимедиа на веб­страницах является использование подключаемых к браузеру внеш­них программных модулей — плагинов. Эта технология выглядит следующим образом. Разработчик веб-страницы размещает место

для представления мультимедиа при­мерно так же, как это делается для изображений (соответствующий тег будет описан позже), указывая файл с мультимедиа-информацией (аудио­файлом, видеоклипом и т.п.). Когда пользователь открывает такую стра­ницу, браузер определяет тип этого файла, ищет в списке доступных ему плагинов модуль, который может воспроизвести этот файл, и запуска­ет его, передав ему файл, указанный на веб-странице. Плагин, в свою оче­редь, отображает информацию переданного файла в выделенной ему на веб-странице зоне. В этой же зоне обычно размещаются элементы управления плагином (вперед, назад и т.п.). С другой стороны, вывод плагина на экран может быть подавлен (напри­мер, для звукового файла).

Если нужный плагин не найден, браузер обычно пытается за­грузить его из Интернета, после чего плагин встраивается в опе­рационную систему, и его повторная загрузка не требуется.

Для размещения мультимедиа-файла на веб-странице могут использоваться теги <embed> и <object>. Поскольку их исполь­зование во многом аналогично, ограничимся тегом <embed>. Его атрибуты практически полностью совпадают с атрибутами тега <img>.

Кроме того, он может иметь дополнительные атрибуты, кото­рые не обрабатываются браузером, но вместе с основными пере­даются плагину. Например, звуковой плагин может иметь атрибут autostart, показывающий, надо ли сразу проигрывать аудио­файл.

Вот простейший пример подключения плагина.

<html>

<head>

<title>Sound Test</title>

</head>

<body>

<embed src="test.mid" autostart="no">

</body>

</html>

В результате загрузки этого файла в браузер появится окно, примерный вид которого показан на рис. 9.1, однако появится эта картинка лишь в том случае, когда в системе для проигрывания MIDI-файлов установлен плеер QuickTime. В других случаях эле­мент управления воспроизведением звука может выглядеть иначе.

Кстати, в браузере Netscape Navigator тот же самый элемент уп­равления QuickTime выглядит по-другому.

Аналогичным образом на веб-страницу может быть помещено воспроизведение видеоклипов.

Контрольные вопросы

1. Какие виды информации относятся к мультимедиа? Чем мультиме­диа отличается от других видов информации?

2. Приведите примеры мультимедиа-продуктов.

3. Назовите сферы применения мультимедиа-технологий.

4. Что такое потоковая информация?

5. Какими параметрами можно охарактеризовать цифровой звуковой поток?

6. На чем основано сжатие звуковой информации?

7. Чем отличаются цифровые аудио- и видеопотоки с точки зрения их компьютерной обработки?

8. Каково назначение стандартов MPEG?

9. Какие аппаратные средства необходимы для работы с мультиме­диа?

10. Какими, на ваш взгляд, минимальными характеристиками дол­жен обладать простейший мультимедиа-плеер? А высококачественный?

11. Опишите задачи, которые требуется решать при создании мульти­медиа-продуктов.

12. Назовите особенности использования мультимедиа во «всемирной паутине».

13. Каким образом браузер обрабатывает мультимедиа-информацию?

ГЛАВА 10