Организация ЭВМ и систем. Устройства мультимедиа (стр. 5 )

Следующим шагом повышения качества стал переход к полностью компонентному сигналу YUV, составляющие которого передаются раздельно. Он используется в профессиональной аппаратуре формата Betacam и обеспечивает разрешение до 500 твл.

Современные системы поддерживают работу с RGB-предста-влением, при котором отсутствует какое-либо кодирование и модуляция, обеспечивается простая и точная передача цвета.

2. Частота оцифровки сигнала. Независимо от формата сигнала и видеостандарта большое значение на качество получаемого в конечном итоге результата оказывает частота оцифровки видеосигнала. Она определяет получаемое разрешение по горизонтали. В теории цифровых стандартов кодирования за базовую частоту принимается 3,375 МГц, а частоты оцифровки составляющих определяются умножением базовой частоты на соответствующую цифру в обозначении стандарта. Например, запись 4:1:1 означает, что результирующая частота оцифровки сигнала яркости составляет 3,375 × 4 = 13,5 МГц, а сигналов цветности – в четыре раза ниже. При этом сам декодер, осуществляющий разложение входного электрического сигнала на составляющие YUV уже после оцифровки, должен производить выборку в два раза чаще, то есть с частотой 27 МГц. Но тогда элемент изображения получится неквадратным. Дело в том, что в телевидении в качестве стандарта принято отношение ширины изображения к его высоте как 4:3 (в современных 16:9). Чтобы сохранить это соотношение и предотвра-тить появление геометрических искажений, необходимо выделить в каждой строке соответствующее количество элементов. Например, при 576 телевизионных строках нужно в каждой строке выделить 768 элементов (768:576 = 4:3). При частоте дискретизации 13,5 МГц будет получено всего 702 элемента, а для 768 частота должна быть увеличена примерно до 14,77 МГц.

3. Глубина цвета. Наряду с частотой оцифровки очень важное значение также имеет ее глубина, задаваемая числом битов на отсчет. Для получения полноцветного изображания необходимо обеспечить 16,7 млн. оттенков (режим True Color), что требует по 8 бит на каждый элемент изображения для каждой составляющей видеосигнала. Оцифрованная видеоинформация может храниться в его памяти как в YUV-, так и в RGB-представлении. При YUV-кодировке для хранения одного элемента изображения достаточно 16 бит (при оцифровке 4:2:2 отводится один байт для сигнала яркости и по 4 бита на кодирование сигналов цветности). В большинстве устройств используется RGB-представление, при котором для обеспечения полноцветного изображения необходимо уже 24 бита на элемент. Обычно такую кодировку обозначают RGB 8:8:8.

Все это влияет на объем буферной памяти, в которой должны храниться поступающие кадры. В дорогих видеобластерах она может быть локальной, в простых выделяться в оперативной памяти компьютера.

4.2. ТV-тюнеры

ТV-тюнеры – одна из "разновидностей" плат захвата. Они позволяют ввести видеоизображение в компьютер и содержат блок приема телевизионных сигналов, с помощью которого на мониторе могут выводиться телепередачи.

Основные виды ТV-тюнеров изображены на рис. 58.

а) внешний автономный ТV-тюнер	б) внешний ТV-тюнер, подключаемый к ПК	в) внутренний ТV-тюнер

Рис. 58. Типы ТV-тюнеров

Внешние автономные ТV-тюнеры обеспечивают простейшую обработку, такую как подавление помех, масштабирование изображения под разрешение монитора и т. п.

Внешние ТV-тюнеры (как правило "мобильные") подключаются к внешней шине ПК (обычно USB) и имеют аналоговые входы, а также контроллер обмена по шине. В них вся обработка видео - и аудиоинформации ложится на центральный процессор ПК.

Во внутренних ТV-тюнерах, как правило, имеется специализированный процессор, отвечающий за обработку и дальнейшую передачу данных на внутреннюю шину ПК (PCI, PCI-E).

Возможности ТV-тюнеров:

1. Прием FM-радиостанций (FM-тюнер содержит большинство внутренних ТV-тюнеров).

2. Режим Time-Shift (пауза) – когда можно приостановить трансляцию (в этом случае она будет сохраняться в специальный буфер) и затем продолжить просмотр.

3. Запись видео и захват кадров.

4. Отображение телетекста.

В настоящее время появились гибридные ТV-тюнеры, содержащие, помимо аналогового блока приема телевизионного сигнала, еще и блок поддержки цифрового телевидения (Digital Video Broadcasting, DVB) различных стандартов.

4.3. Платы нелинейного монтажа

Для профессиональной оцифровки аналоговой видеоинформации, последующего монтажа и вывода используются платы нелинейного монтажа.

Как правило, они содержат несколько входов для ввода информации. Обеспечивают оцифровку сигнала и его отображение в реальном времени, аппаратное сжатие (при необходимости) отдельных кадров видеопоследовательности и сохранение их в файлы на диске. Дополнительно имеются функции работы со звуком – наложение, синхронизация и т. п.

Рис. 59. Плата нелинейного видеомонтажа

Для удобства работы с платами используется специализированное ПО.

Помимо сохранения в файлы, за счет наличия видеовыходов результат обработки может выводиться на внешние аналоговые устройства (телевизор, видеомагнитофон).

Современные платы позволяют работать через цифровые входы с различными источниками цифрового видео, тем самым отпадает необходимость использования АЦП.

4.4. Видеоадаптеры (видеоакселераторы)

В последнее время функции ускорения видеообработки возлагаются и на видеоадаптеры, содержащие в своем составе графические процессоры (GPU, Graphic Processor Unit). Помимо 3D-обработки, они берут на себя декодирование сжатых видеоформатов и последующий вывод на монитор, телевизор или проектор, таким образом разгружая центральный процессор от "лишних" задач. Единственное требование – используемое программное обеспечение должно поддерживать работу с GPU.

Различные производители GPU («AMD», «Nvidia») реализовали собственные технологии ускорения, а последние версии видеокарт с новыми GPU "научились" выводить звук через цифровые интерфейсы (HDMI и DisplayPort).

У GPU AMD за это отвечает блок UVD (Unified Video Decoder, унифицированный видеодекодер), а у Nvidia применяется технология PureVideo HD.

Все они поддерживают декодирование в реальном времени популярных форматов, применяемых при кодировании видеоинформации: MPEG-2, MPEG-4, H.264, VC-1 (последний используется при кодировании фильмов на дисках HD DVD и Blu-ray).

Осуществляют масштабирование разрешения со "стандартного" до HD (1280 × 720 или 1920 × 1080).

5. СРЕДСТВА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR) – это технология человеко-компьютерного взаимодействия, обеспечивающая "погружение" пользователя в трехмерную интерактивную среду изучаемого явления или процесса. Дополнительно предоставляется возможность естественного взаимодействия с объектами (искусственными и/или реальными) в виртуальной среде. Данная технология обеспечивает принципиально новое качество восприятия информации, кардинально повышая наглядность и интерактивность материалов.

Основное применение систем виртуальной реальности:

1) обучение – например, обучение пилотов управлению самолетами;

2) история – создание виртуальных миров;

3) развлекательная индустрия – игры, 3D-фильмы и т. п.

Воздействие может происходить на различные органы чувств человека:

1) глаза (зрение);

2) уши (слух);

3) нос (обоняние);

4) кожа (осязание).

Причем воздействие возможно как на отдельные органы, так и на несколько одновременно. В соответствии с этим используются различные технические средства (и программное обеспечение).

5.1. Очки виртуальной реальности

Первоначально для достижения 3D-эффекта в играх, просмотре изображений, телевидении использовались самые простые 3D-очки – анаглифные (красно/сине-зеленые, зелено/красно-синие и т. п.) (рис. 60).

Рис. 60. Анаглифные (слева) и поляризационные (справа) 3D-очки

Анаглиф – это метод получения стереоэффекта для стереопары обычных изображений при помощи цветового кодирования изображений, предназначенных для левого и правого глаза.

К недостаткам анаглифных очков можно отнести плохую цветопередачу, т. к. используются цветовые фильтры.

Позднее появились поляризационные очки (для разделения изображения применяется поляризационный фильтр). В отличие от анаглифных очков для работы требуют специального монитора.

Для каждого вида таких очков требовалось создание отдельного контента.

C появлением технологии LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические дисплеи) стали применяться LCD-очки (виртуальные бинокли), которые выводили отдельное изображение для каждого глаза.

Рис. 61. LCD 3D-очки

Недостатком данных очков стала невысокая разрешающая способность выводимого изображения (типичное разрешение составляло 640 × 480) и более высокие требования к аппаратуре вывода изображения, т. к. для каждого глаза нужно было обеспечить частоту обновления не менее 60 Гц.

В настоящее время активно применяются LCD 3D-очки затворного типа (рис. 62).

Рис. 62. Затворные 3D-очки

В очках затворного типа на экран монитора в каждый момент времени выводится изображение для одного глаза в тот момент, когда очки затемняют другой. Такой подход также предъявляет высокие требования к устройству вывода изображений – частота обновления должна быть не ниже 120 Гц (по 60 Гц на каждый глаз).

5.2. Шлем виртуальной реальности (VR-шлем)

Рис. 63. VR-шлем

Принцип действия VR-шлема (Head-Mounted-Display, HMD) такой же, как и у виртуальных биноклей: фиксирование изображения для каждого глаза. Одни из первых VR-шлемов имели разрешение до 789 × 230 пикселей, разрядность цвета 16 бит и обеспечивали отслеживание поворотов головы на 45 градусов по вертикали и 360 по горизонтали. В современных увеличено разрешение, цветность 24 бит и обеспечивается отслеживание угла поворота головы по вертикали до 120 градусов, также они могут иметь микрофон и наушники.

5.3. 3D-дисплеи и панели

Эти устройства можно сравнить с VR-очками, но с тем отличием, что они "одеваются" на монитор или сама панель содержит средства формирования 3D-изображения.

К ним относят:

1. Cтереоскопические 3D-дисплеи – в таких дисплеях разделение объема воспроизведения происходит на две части условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр (рис. 64). К недостаткам можно отнести то, что они имеют ограниченную зону стереоэффекта.

Рис. 64. Принцип работы стереоскопического 3D-дисплея

2. Многоракурсные (multiview) 3D-дисплеи – используют линзовый растр (разделение объема воспроизведения несколькими условными вертикальными плоскостями). Также имеют невысокие углы обзора и технически сложны при увеличении количества ракурсов.

Рис. 65. Принцип работы многоракурсного 3D-дисплея

3. Голографические 3D-дисплеи – воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D - сцены (рис. 66). Можно отметить высокую техническую сложность таких дисплеев.

Рис. 66. Пример изображения с голографического 3D-дисплея

4. Волюметрические (volumetric) 3D-дисплеи – воспроизведение объемного изображения в виде вокселов или векторов, реально разнесенных в рабочем объеме дисплея (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией.

Такие подходы не требуют специальных очков для просмотра 3D-контента и тем самым позволяют устраивать демонстрации аудитории.

Рис. 67. Принцип работы волюметрического 3D-дисплея

5.4. 3D-звук

Использование 3D-звука является одним из ключевых элементов, позволяющих человеку ощутить эффект присутствия. Как уже было сказано ранее, для воспроизведения используются специальные акустические системы и форматы звука Dolby Digital, DTS.

5.5. VR-перчатки и датчики

Перчатки виртуальной реальности (VR-перчатки) – это сложная система эластичных световодов и пара десятков датчиков, позволяющая отслеживать движения пальцев (рис. 68).

Рис. 68. Перчатка виртуальной реальности

Как только палец начинает сгибаться, световод сужает просвет, а датчики улавливают падение интенсивности света на каком-либо участке.

Такие же принципы работы заложены в датчиках при движении кисти, стопы.

Основное применение подобных устройств – научные исследования.

Упрощенные конструкции датчиков используются в различных игровых приставках. Ярким примером такой игровой приставки является Nintendo Wii, для которой выпущено множество контроллеров, определяющих положение тела, ног, реагирующих на изменение положения тела и т. п.

5.6. VR-костюм

Самым полным набором оборудования для виртуальной реальности является виртуальный костюм (рис. 69).

Он состоит из обтягивающего комбинезона со множеством магнитных сенсоров, которые отслеживают движения всех частей тела. К нему добавляется VR-шлем, различные датчики (или перчатки) и провода для связи с компьютером.

Подобный костюм используется для создания "законченной" системы виртуальной реальности, для научных це-

лей, обучения/тренировок и в симулято - Рис. 69. Костюм виртуальной

рах. реальности

5.7. Симуляторы

Можно выделить несколько видов симуляторов:

1. Игры-симуляторы какого либо рода деятельности, обычно это авиа-, авто-, спортсимуляторы. Это программы, которые создают для человека виртуальный мир, приближенный к реальности. Взаимодействие человека с виртуальным миром может осуществляться через различные классы устройств: джойстики, геймпады, рули, пистолеты и другие игровые манипуляторы.

2. Специализированные симуляторы – это компьютеризированные программно-аппаратные комплексы.

Они применяются при обучении персонала в тех областях, где работа связана с риском для жизни (сперва персонал проходит обучение на симуляторе, а уже затем приступает к работе).

Рис. 70. Симулятор вождения

5.8. Генераторы запахов

Уже сейчас имеются устройства, обеспечивающие генерацию различных запахов. Основное применение подобных устройств – телевизионные системы, системы продаж и игры.

В настоящее время ведется разработка устройств, "записывающих" и воспроизводящих запахи.

Основу всех этих устройств составляют нетоксичные химические соединения, при "смешивании" которых получается необходимый запах.

Рис. 71. Генератор запахов ScentScape компании «Scent Sciences»

На рис. 71 изображен "игровой" генератор запахов ScentScape, который подключается к ПК или консоли и обеспечивает подачу в воздух запахов, соответствующих текущему игровому моменту. Например, если игровой персонаж передвигается по лесу, воздух наполнится ароматом сосновой хвои, путешествие по морю будет сопровождаться запахом водорослей и соленой воды, а при стрельбе будет чувствоваться запах пороха.

В систему входит около двух десятков четко идентифицируемых "базовых" ароматов и редактор, позволяющий создавать собственные ароматы.

5.9. 4D-измерение

Помимо запахов, в кинотеатрах могут применяться и другие устройства, позволяющие повысить реалистичность воспринимаемой сцены – примером можно назвать виброкресла, генераторы воздуха и водяных брызг. Для домашнего применения они пока мало приспособлены (за исключением виброкресел).

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соломенчук, средства персональных компьютеров / . – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 512 с.

2. Колесниченко, средства PC. – 4-е издание / , . – СПб.: БХВ-Петербург, 2000. – 1024 с.

3. Компакт-диски – общие принципы оптической записи. Конструктивные особенности. Принципы работы устройств записи и воспроизведения КД [Электронный ресурс]. – 2005. – Режим доступа: http://www. *****/print. htm? tbl=stat&id=1

4. Структура DVD-дисков, принцип записи [электронный ресурс]. – 2005. – Режим доступа: http://www. *****/print. php? src=article&id=2002_12_99_3&cat_id = 3&subcat_id=1

5. Основные различия DVD+R(W) и DVD-R(W) дисков [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://www. *****/technology/article/dvd_differen-ces. htm

6. Обзор формата DVD-VIDEO [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://www. *****/info_22-s. htm

7. HD DVD [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://www. *****/hd-dvd

8. Blu-ray Disc [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://ru. wikipedia. org /wiki/ Blu-ray_Disc

9. Технология AMR (Audio/Modem Riser Card) [электронный ресурс]. – 2005. – Режим доступа: http://www. /mainboard/amr. html

10. Dolby Digital [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http: //ru. wikipedia. org/wiki/Dolby_Digital

11. DTS [электронный ресурс]. – 2010. ­– Режим доступа: http://ru. wikipedia. org/wiki/DTS

12. OpenAL [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://ru. wikipedia. org/wiki/OpenAL

13. Обзор 3D дисплеев [электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://*****/article_3d_displ/3d_displ. htm

14. Какие есть устройства воспроизведения запахов? [электронный ресурс]. – 2011. – Режим доступа: http://www. *****/GetAnswer. aspx? qid=8ec42c46-b6dc-4124-b15f-33d9a2d8eea8

СОДЕРЖАНИЕ

Список аббревиатур…………………….………………………..…	3
1. Введение………………………………………………….	4
1.1. Основные понятия……………………………………	4
1.2. Аппаратные средства мультимедиа…………………	6
1.3. Программные средства мультимедиа………….……	6
2. Носители информации мультимедиа………………...	8
2.1. Компакт-диски…………………………….………….	8
2.2. Стандарт DVD………………………………………...	25
2.3. Стандарты HD DVD и Blu-ray……………..……….	36
3. Средства для работы со звуком………………….……	43
3.1. Акустические системы………………….……….……	43
3.2. Звуковые карты………………………………….……	44
3.3. Системы пространственного звучания….…………..	53
4. Средства для работы с видеоинформацией ………..	66
4.1. Видеобластеры (платы видеозахвата)……………….	66
4.2. ТV-тюнеры……………………………………………	72
4.3 Платы нелинейного монтажа………………….……..	74
4.4. Видеоадаптеры (видеоакселераторы)……….………	74
5. Средства виртуальной реальности……………..…….	76
5.1. Очки виртуальной реальности……………………….	76
5.2. Шлем виртуальной реальности (VR-шлем)…………	78
5.3. 3D-дисплеи и панели…………………………………	78
5.4. 3D-звук……………………………….………………..	80
5.5. VR-перчатки и датчики………….….………………..	80
5.6. VR-костюм……………………….……………………	81
5.7. Симуляторы…………………….…….……………….	81
5.8. Генераторы запахов…………………………….……..	82
5.9. 4D-измерение………………………………………….	82
6. Список использованной литературы…………………	83