Организация ЭВМ и систем. Устройства мультимедиа (стр. 1 )

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное ГОСУДАРСТВЕННОЕ бюджетное ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Федерального ГОСУДАРСТВЕННОго бюджетного ОБРАЗОВАТЕЛЬНОго

учреждения высшего ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Организация ЭВМ и систем.

Устройства мультимедиа

Учебное пособие

Волгоград

2011

УДК 004(075.8)

З-36

Рецензенты: д. ф.-м. н., профессор Саратовского государственного технического университета ; коллектив кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Заставной, эвм и систем. Устройства мультимедиа: учеб. пособие / . – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – 84 с.

ISBN 0680-7

Приведены общие понятия, относящиеся к мультимедиа, рассмотрена классификация устройств. Описаны виды и принципы организации оптических носителей информации (CD, DVD, HD DVD и Blu-ray). Рассматриваются особенности организации звуковых систем, устройства обработки видеоинформации (платы видеозахвата, TV-тюнеры, платы нелинейного монтажа) и различные средства виртуальной реальности.

Рекомендовано студентам, обучающимся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Ил. 71. Библиогр.: 14 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

Михаил Иванович Заставной

Организация ЭВМ и систем. Устройства мультимедиа

Учебное пособие

Редактор

Компьютерная верстка

Темплан 2011 г., поз. № 14К

Подписано в печать 08.09.2011 г. Формат 60×84 1/16.

Бумага листовая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 4,9. Уч.-изд. л. 4,6. Тираж 100 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.

Отпечатано в КТИ , каб. 4.5

ISBN 0680-7 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2011

Список аббревиатур

АС – акустическая система

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ИК – инфракрасный

ИКМ – импульсно-кодовая модуляция

КД (СD) – компакт-диск

ОС – операционная система

ПК – персональный компьютер

ПО – программное обеспечение

ТОС – таблица содержания

ФС – файловая структура

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Основные понятия

В середине 90-х годов произошел скачок на рынке персональных компьютеров. С приходом процессоров Pentium MMX (1997 год), увеличением объема памяти персональных компьютеров (ПК), появлением 3D - и видеоускорителей, средств воспроизведения и записи больших объемов информации (CD-ROM, звуковых карт), а также переходом к операционным системам (ОС) с графическим интерфейсом появилась возможность использовать в быту большие интерактивные энциклопедии, создавать обучающие программы и многое другое. Практически ко всем из них стала прибавляться приставка «мультимедиа». Что же это значит?

Мультимедиа – область компьютерной технологии, связанная с использованием информации, имеющей различное физическое представление (текст, графика, рисунок, звук, анимация, видео и т. п.) и/или существующей на различных носителях (магнитные и оптические диски, аудио - и видеоленты и т. д.).

Термин мультимедиа используется для характеристики компьютерных систем, графической, звуковой, видео - и иной информации.

Мультимедиатехнологии – возможность представления информации пользователю во взаимодействии различных форм (текст, графика, анимация, звук, видео) в интерактивном режиме.

Достоинством и особенностью технологии являются следующие возможности мультимедиа, которые активно используются в представлении информации:

1) хранение большого объема самой разной информации на одном носителе;

2) сравнение изображения и обработка его разнообразными программными средствами с научно-исследовательскими или познавательными целями;

3) выделение в сопровождающем изображение текстовом или другом визуальном материале "горячих слов (областей)", по которым осуществляется немедленное получение справочной или любой другой пояснительной (в том числе визуальной) информации (технологии гипертекста и гипермедиа);

4) осуществление непрерывного музыкального или любого другого аудиосопровождения, соответствующего статичному или динамичному визуальному ряду;

5) использование видеофрагментов из фильмов, видеозаписей и т. д., функции "стоп-кадра", покадрового "пролистывания" видеозаписи;

6) включение в содержание диска баз данных, методик обработки образов, анимации (к примеру, сопровождение рассказа о композиции картины графической анимационной демонстрацией геометрических построений ее композиции) и т. д.;

7) подключение к глобальной сети Интернет;

8) работа с различными приложениями (текстовыми, графическими и звуковыми редакторами);

9) создание собственных "галерей" (выборок) из представляемой в продукте информации (режим "карман" или "мои пометки");

10) "запоминание пройденного пути" и создание "закладок" на заинтересовавшей экранной "странице";

11) автоматический просмотр всего содержания продукта ("слайд-шоу") или создание анимированного и озвученного "путеводителя-гида" по продукту ("говорящей и показывающей инструкции пользователя"), включение в состав продукта игровых компонентов с информационными составляющими.

Благодаря современным техническим средствам одновременная обработка подобной информации может выполняться практически в реальном времени без каких-либо задержек.

Мультимедиасредства – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию.

Мультимедийный компьютер – это такой компьютер, на котором мультимедийные приложения могут в полной мере реализовать все свои возможности: отображать на экране монитора графическую и видеоинформацию, анимацию, воспроизводить с высоким качеством различное звуковое сопровождение, музыку и многое другое.

Обычно такие компьютеры имеют аббревиатуру HTPC (Home Theatre Personal Computer) – персональный компьютер для домашнего кинотеатра – и содержат в своем составе различные средства мультимедиа. Основное их назначение – воспроизведение мультимедийной информации.

1.2. Аппаратные средства мультимедиа

Аппаратные средства мультимедиа позволяют существенно ускорить процесс обработки мультимедиаинформации.

Для построения мультимедиасистемы необходима дополнительная аппаратная поддержка:

1) аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) для перевода аналоговых аудио - и видеосигналов в цифровой эквивалент и обратно;

2) видеопроцессоры для преобразования обычных телевизионных сигналов к виду, воспроизводимому дисплеями;

3) декодеры для взаимного преобразования телевизионных стандартов;

4) специальные интегральные схемы для сжатия данных в файлы допустимых размеров.

К аппаратным средства мультимедиа относятся:

1) носители информации (CD, DVD, HD DVD, Blu-ray);

2) звуковые системы (звуковые карты, усилители, акустика);

3) видеоускорители, видеобластеры (платы видеозахвата, ввода/вывода, TV-тюнеры);

4) средства виртуальной реальности.

1.3. Программные средства мультимедиа

Мультимедийное программное обеспечение условно можно разделить на прикладную часть (мультимедиаэнциклопедии, компьютерные игры, аудио - и видеоплееры и т. п.) и специализированную, к которой можно отнести программы, предназначенные для создания мультимедийного программного обеспечения.

Существует множество программных средств для разработки мультимедийных приложений, которые можно разделить на несколько категорий:

1) средства создания и обработки изображения;

2) средства создания и обработки анимации, 2D-, 3D-графики;

3) средства создания и обработки видеоизображения (видеомонтаж, 3D-титры, изображения);

4) средства создания и обработки звука;

5) средства создания презентаций.

К программным средствам мультимедиа также можно отнести и операционную систему, которая должна управлять работой мультимедийного компьютера.

В настоящее время в самих операционных системах уже могут иметься дополнительные функциональные возможности для работы с мультимедиа (воспроизведение видео - и аудиоинформации), например специализированная версия ОС Microsoft Windows XP Media Center, в которой изначально имеется программная оболочка Windows Media Center, обеспечивающая просмотр фотографий и фильмов, прослушивание музыки.

Программные средства позволяют в полной мере реализовать возможности мультимедиа и эффективно использовать аппаратные средства мультимедиа.

2. НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ МУЛЬТИМЕДИА

К основным средствам распространения мультимедийной информации относятся различные оптические носители информации, а для работы с ними используются устройства считывания и записи (приводы).

Одними из первых появились компакт-диски (1979 год), которые позднее стали активно использоваться в ПК как средство хранения больших объемов информации. Постепенное развитие средств вычислительной техники, развитие мультимедийных технологий привело к необходимости увеличения объема носителей информации. В итоге появились новые стандарты дисков – DVD (1996 год) – и устройства для работы с новыми видами носителей.

В последнее время в качестве среды распространения различного рода информации (в том числе и мультимедийной) используется сеть Интернет, что несколько уменьшает роль оптических дисков, однако на смену пришли диски "повышенной" емкости, способные хранить данные в несколько десятков гигабайт – HD-DVD (2006 год, поддержка прекращена в 2008 году) и Blu-ray диски (2006 год).

2.1. Компакт-диски

Компакт-диски (КД, CD, Compact Disc) – это носители информации, предназначенные для хранения информации в цифровой форме (в виде набора чисел).

Рис. 1. Вид компакт-диска

Семейство компакт-дисков включает в себя носители различных типов, оптимизированных для хранения и использования специфичных видов информации. Несмотря на разнообразие типов КД, всем им присущи общие черты.

Все члены семейства КД представляют собой трехслойный диск диаметром 120 мм и толщиной – 1,2 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм (рис. 2).

Рис. 2. Структура компакт-диска

Подложка, которая изготавливается методом литья под давлением, состоит из оптически прозрачного материала (поликарбонат). При изготовлении подложки на одной из ее поверхностей формируется информационный рисунок, состоящий из ямок (питы) и промежутков между ямками (лэнды). На информационный рисунок напыляется тонкий отражающий слой, поверх которого наносится слой лака, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится различного рода сопровождающая информация.

На рис. 3 отображена схема считывания информации с оптического диска.

Для чтения информации с КД используется луч лазера (laser) инфракрасного диапазона (ИК) с длиной волны 780 нанометров (нм). Луч c помощью системы линз (lens) и призмы (prism) подается на вращающийся диск (disc) со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник (photo-electrical cell). При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска.

Возможность использования лазера с ИК-диапазоном позволила создавать не только прозрачные поликарбонатные подложки, но и цветные, вплоть до темных, причём материал оставался светонепроницаемым только в видимой части спектра. При этом качество считывания информации зависит от состояния поверхности КД.

Рис. 3. Устройство лазерного механизма

2.1.1. Форматы дисков

2.1.1.1. Базовый формат – CD Audio. Исторически первым в семействе КД появился Compact Disc Digital Audio (CD DA). На подобных дисках присутствует логотип, изображенный на рис. 4.

Рис. 4. Маркировка дисков CD Audio

Формат CD DA является базовым форматом семейства КД. Все остальные форматы фактически являются надстройкой над этим форматом. Поэтому практически всё, что будет сказано о структуре CD Audio, может быть отнесено и к остальным форматам.

Требования к характеристикам, структуре и параметрам CD Audio описаны в стандарте Philips/Sony, который называется Red Book (Красная Книга).

Информация на CD Audio (в дальнейшем – КД) закодирована в виде последовательности питов и лэндов. Питы и лэнды разной длины, чередуясь, составляют информационную дорожку в виде спирали, которая начинается от внутреннего радиуса КД. Расстояние между витками спирали составляет 1,6 мкм (рис. 5).

Рис. 5. Расположение питов и лэндов на компакт-диске

При проигрывании КД читающая система следит за дорожкой, при этом скорость вращения диска поддерживается такой, чтобы скорость перемещения дорожки относительно читающей системы оставалась постоянной. Этот параметр называется Скорость Сканирования (Scanning Velocity), и он должен быть в пределах 1,2– 1,4 м/с. Именно такое значение скорости проигрывания (чтения) принято называть однократной скоростью – 1х. Такой режим проигрывания называется CLV (Constant Linear Velocity) – Постоянная Линейная Скорость. Для поддержания постоянной линейной скорости проигрыватель вынужден постоянно менять скорость вращения диска.

Примечание. С появлением дисков CD-ROM возникла необходимость повышения скорости чтения информации. Появились устройства с 2х, 4х и большими значениями скоростей чтения. На определенном уровне скорости (~ 8х–10х) выплыли проблемы со скоростью доступа к информации на CD-ROM, связанные именно с режимом CLV. При чтении информации из произвольных участков CD-ROM привод вынужден был постоянно уменьшать или увеличивать скорость вращения диска. Чем тяжелее был диск и чем выше была скорость чтения, тем больше было время доступа к определенному участку диска.

Решением этой проблемы стало введение режима CAV (Constant Angle Velocity) – Постоянная Угловая Скорость. В этом режиме скорость вращения диска остается постоянной, а скорость чтения информации меняется (растет от центра диска к краю). При этом производители устройств считывания (приводов) обычно указывают максимальную скорость считывания, т. е. скорость на краю диска (например, 40x). Режим CAV предъявляет повышенные требования к качеству КД и состоянию его поверхности (особенно на краю диска).

Таким образом, для чтения информации с КД могут применяться два режима: CLV и CAV.

Организация информации на КД. Информационная дорожка разбита на три зоны: вводная дорожка (Lead-In), программная зона (Program Area) и выводная дорожка (Lead-Out) (рис. 6).

Lead-in

Program Area

Lead-Out

Рис. 6. Информационная дорожка компакт-диска

Программная зона содержит треки (от 1 до 99) (рис. 7). Минимальная длина трека может составлять 4 сек.

Трек 1

Трек 2

…

Трек 98

Трек 99

Рис. 7. Расположение треков компакт-диска

Трек, в свою очередь, может быть размечен на участки, пронумерованные так называемыми индексами (от 1 до 99) (рис. 8). Как минимум, трек содержит один участок с индексом номер 1.

Индекс 0 (пауза)

Индекс 1

Индекс 2

...

Индекс 99

Рис. 8. Расположение индексов компакт-диска

В начале каждого трека может содержаться особый участок (пауза), помеченный индексом 0. Обычно длина паузы составляет 2 сек. Пауза – это такой же участок трека, как и все остальные. В ней может содержаться как тишина, так и фонограмма (например, аплодисменты живого концерта). Исключение составляет пауза первого трека – ее длина должна быть не менее двух секунд, она всегда содержит тишину и никогда не проигрывается.

Особенность паузы состоит в том, что отсчет времени в ней идет в обратном направлении, от длины паузы до нуля (2, 1, 0). Вторая особенность – при переходе к треку, содержащему паузу, проигрывание начнется не с начала паузы, а с начала участка с индексом 1.

Пауза длиной не менее 2 сек. обязательна для первого трека диска (обычно ровно 2 сек.).

Доступ к произвольному фрагменту диска (адресация). Информационная дорожка компакт-дисков состоит из небольших блоков, называемых кадрами (frame). В случае дисков CD-ROM эти блоки еще называют секторами (по аналогии с секторами дискет и винчестеров). Кадр – это минимально адресуемый участок КД. Обычно говорят, что доступ к произвольному участку КД осуществляется с точностью до кадра. Полный адрес участка КД имеет следующий вид:

M:S:F, где M – минуты, S – секунды, F – кадры.

Секунда звучания КД содержит в себе 75 кадров. Минута – 60 секунд.

Диск длиной 74 мин. содержит 74 × 60 × 75 = 333000 кадров.

Диск длиной 80 мин. содержит 80 × 60 × 75 = 360000 кадров.

Примечание. С учетом того, что первые две секунды отводятся под паузу первого трека, реально на 74-минутном диске уместится фонограмма длиной 73 мин. 58 сек. То же касается и 80-минутного диска. Для него максимальная длина фонограммы – 79 мин. 58 сек.

Внутри кадра находится набор чисел, представляющих закодированный звук.

На компакт-диске размещаются два звуковых канала (стереозвук). Выборка звуковых отсчетов производится с частотой 44100 Гц (44,1 кГц) и разрядностью 16 бит (2 байта) на каждый канал. Поскольку в одной секунде КД содержится 75 кадров, один кадр содержит в себе 44100/75 = 588 отсчетов звукового сигнала. Размер кадра определяется следующим образом:

588 отсчетов × 2 канала × 2 байта = 2352 байта.

Кадры информационной дорожки (главный канал). На рис. 9 приведен пример расположения кадров со звуковыми отсчетами.

2352

2352

2352

2352

2352

Рис. 9. Расположение кадров на компакт-диске

В кадре нет информации о его адресе (MSF – минуты, секунды, кадры). До этого момента шло рассмотрение той части информационной дорожки, которая хранит информацию для главного канала проигрывания, отвечающего за воспроизведение звука. Информация об адресе кадра и ряд служебных параметров при проигрывании выдаются в так называемый канал субкода. Физически информация для обоих каналов размещена на информационной дорожке, но при воспроизведении диска информация для основного канала и для канала субкода разделяется на два отдельных потока – поток звуковых отсчетов и поток данных субкода.

Для размещения информации из этих каналов на одной информационной дорожке при формировании структуры диска выполняется следующая операция: каждый кадр длиной 2352 байта разделяется на 98 маленьких кадров по 24 байта в каждом (EFM-кадры) (рис. 10).

Кадр (1/75 сек.) = 2352 байта
24	24	24	24	24	…	24	24

Рис. 10. Разделение кадра на "мини-кадры"

Одновременно формируется группа из 98 байтов, которые содержат информацию для канала субкода: тип трека, номер трека, номер индекса и адрес данного кадра (два адреса – от начала диска и от начала трека).

Байты для канала субкода (S). Биты каждого байта для канала субкода обозначены символами английского алфавита – P, Q, R, …, W (рис. 11).

N байта	P	Q	R	S	T	U	V	W
S1
S2
…
S97
S98

Рис. 11. Биты для каждого байта канала субкода

Бит P используется для распознавания пауз треков (участков трека с индексом 0). В области паузы значение этого бита равно 1. В остальных областях трека P = 0. В области выводной дорожки значение бита P начинает меняться (1,0,1,0,1,0,1,…) с частотой 2 Гц, обозначая конец музыкальной программы.

Биты Q всех 98 байт составляют 98-битное Q-слово (CUE-код), которое и содержит в себе тип трека, номер трека, номер индекса и адрес данного кадра. Также применим термин PQ-код.

Биты R...W каждого из 98 байт формируют 6-битовые слова, которые в настоящее время используются для размещения CD Text’а.

Перед тем, как сформированные 98 байт субкода добавить кбайтовым кадрам, производится еще один этап кодирования, повышающий устойчивость чтения информации диска: к каждому из девяноста восьми 24-байтовых кадров добавляется восемь байт избыточной информации, сформированной с помощью специального математического алгоритма (код Рида-Соломона). Таким образом, 25 % информации на КД избыточно (24/(24 + 8) = 0,25). Избыточность необходима для коррекции ошибок чтения. За счет избыточности становится возможным воспроизводить звук достоверно даже при наличии на диске серьезных повреждений (царапины длиной до 2 мм).

После добавления байтов субкода образуется цепочка из 98 блоков, представленная на рис. 12, где Звук (24) – это 24 байта звуковых отсчетов, RC (8) – 8 байтов с помехозащищающими кодами Рида-Соломона и S (1) – байт субкода.

Блок 1	Блок 2		Блок 98
Звук (24)	RC (8)	S (1)	Звук (24)	RC (8)	S (1)	…	Звук (24)	RC (8)	S (1)

Рис. 12. Цепочка блоков

Образовавшиеся 33-байтовые блоки нескольких последовательно расположенных кадров перемешиваются между собой по определенному алгоритму, что также повышает устойчивость КД к повреждениям.

Последним этапом кодирования информации является преобразование всех байтов в 14-битные слова (Eight-To-Fourteen Modulation, модуляция 8 × 14). Получившаяся последовательность единиц и нулей размещается на информационной дорожке компакт-диска в виде питов и лэндов.

Примечание: полезная информация закодирована в длине питов и лэндов, а также в переходах между питом и лэндом.

При проигрывании КД выполняется обратный процесс – процесс декодирования. Коррекция ошибок осуществляется с помощью кода Рида-Соломона. Если повреждения диска значительны и код Рида-Соломона с ними не справляется, проигрыватель использует алгоритмы интерполяции звука, вычисляя примерное значение «выпавшего» звукового отсчета. Чем выше класс проигрывателя, тем лучше в нем реализованы алгоритмы интерполяции звука.

2.1.1.2. Диск CD-ROM. В 1984 году компании «Philips» и «Sony» совместно опубликовали новый стандарт дисков, который был назван Yellow Book (Желтая книга). В нем было указано, что цифровой компакт-диск может содержать различные цифровые данные (не только аудиоданные), предназначенные для компьютера.

Диск CD-ROM (Compact Disc Read Only the Memory) унаследовал все черты своего родителя (CD DA) и приобрел новые черты, необходимые для выполнения своих специфичных функций.

Кадр диска CD-ROM. Основное отличие диска CD-ROM от CD DA – структура кадра. Если для аудиодиска кадр размером 2352 байта полностью занят звуковыми отсчетами, то на CD-ROM для компьютерных данных из 2352 байт отведено только 2048 байт (User Data). Остальное – служебная информация (рис. 13).

Sync (12)

Header (4)

User Data (2048)

EDC (4)

Blank (8)

ECC (276)

Рис. 13. Структура кадра диска CD-ROM