Лекция 1-07 (стр. 4 )

·  редактирование видеоизображений;

·  вывод изображения на видеомагнитофон или телевизор.

Воспроизведение видеоизображений с устройств внешней памяти (обычно CD-ROM или DVD-ROM) выполняется с помощью программных средств (например, Windows Media Player).

Редактирование видеоизображений (микширование и создание видеоэффектов, титров и комбинированных съемок) также выполняется с помощью программных средств (например, Adobe Premiere или Elastic Reality).

Прием и вывод изображения реализуется с помощью специальных карт, называемых видеокартами (что иногда приводит к путанице, поскольку карта, обеспечивающая сопряжение монитора и компьютера, также называется видеокартой), или видеобластерами. Поставляемое с ними программное обеспечение обеспечивает воспроизведение видеоизображения, его замораживание и сохранение, а иногда и редактирование захваченных изображений.

Ниже рассматриваются модули звуковой системы и средства ввода-вывода и обработки видеоизображений.

1.3.40. Модуль записи и воспроизведения звука

Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны сжа­тия и разряжения, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде, поэтому звуковое давление (звуковой сигнал) непрерывно изменяется во времени и в пространстве.

Запись звука – это сохранение информации о колебаниях звукового давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются аналоговые и цифровые сигналы. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме.

Чтобы получить звуковой сигнал в аналоговой форме, достаточно восполь­зоваться микрофоном.

В этом случае изменению звукового давления в некоторой точке среды бу­дут соответствовать пропорциональные изменения электрического напряжения, причем амплитуда звуковой волны определяет гром­кость звука, а ее частота – высоту звукового тона, поэтому для сохранения достоверной информации о звуке амплитуда электрического напряжения должна быть пропорциональна амплитуде звукового сигнала, а его частота должна точно соответствовать частоте колебаний звукового давления.

Чтобы получить звуковой сигнал в цифровой форме, необходимо в дискрет­ные моменты времени измерять значение звукового давления, причем чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить не реже нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала. Полученная последовательность чисел бу­дет новой формой представления исходных колебаний звукового давления.

В настоящее время на вход звуковой карты компьютера в большинстве случаев зву­ковой сигнал подается в аналоговой форме. А поскольку компьютер оперирует только цифровыми сигналами, исходный аналоговый сигнал перед исполь­зованием должен быть преобразован в цифровой сигнал. В свою очередь, акустиче­ская система воспринимает только аналоговые электрические сигналы, по­этому на выход звуковой карты компьютер должен выдать звуковой сигнал в ана­логовой форме.

Модуль записи и воспроизведения звуковой системы как раз и осуществляет аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование в режиме программ­ной передачи звуковых данных или передачи их по каналам прямого доступа в память.

Преобразования аналогового звукового сигнала в цифровой происходит в несколько этапов (рис. 2.50).

Сначала аналоговый звуковой сигнал источника подается на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала.

Далее осуществляется дискретизация, т. е. выборка отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов определяется частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной состав­ляющей) исходного звукового сигнала. В противном случае оцифрованный звуковой сигнал нельзя будет преобразовать в аналоговый сигнал, точно соответст­вующий исходному сигналу.

Поскольку человек способен слышать звуки, частота которых находится в диапазоне от 20 Гц до 20 Кгц, следовательно, максимальная частота дискре­тизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 Кгц, т. е. отсчеты требуется проводить 40 000 раз в секунду. В большинстве со­временных звуковых подсистем компьютера максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 Кгц.

Рис. 2.50. Преобразование звукового сигнала из аналогового в цифровой

Одновременно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по амплитуде: значения амплитуды измеряются и преобразуют­ся в цифровой код. При этом точность измерения зависит от количества разрядов кодового слова. Если значения амплитуды записать с помощью двоичных чисел и задать длину кодового слова N разрядов, то количество возможных значений кодовых слов будет равно 2N. Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение амплитуды отсчета представляется 16-разрядным кодовым словом, то мак­симальное количество градаций амплитуды (уровней квантования) соста­вит 216=65536 (это примерно соответствует качеству воспроизведения компакт-дисков).

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электрон­ным устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором дискретные отсчеты сигнала преобразуются в последовательность чисел, причем поток цифровых данных, представляющих аналоговый сигнал, включает как полезные, так и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с высокой крутизной ампли­тудно-частотной характеристики и малыми фазовыми искажениями.

Цифро-аналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа (рис. 2.51). На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следую­щие с частотой дискретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглаживания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сигнал. Это делает фильтр низкой частоты, который подавляет периодиче­ские составляющие спектра дискретного сигнала.

Для записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме требуется большой объем дискового пространства. Чем выше требования к качеству записываемого звука, тем больше должна быть емкость носителя. Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 Кгц, при 16-разрядном квантовании для хране­ния потребует на винчестере около 10 Мб.

Кроме того, при записи высоко­качественного звукового сигнала в реальном времени возникают дополни­тельные требования к производительности (пропускной способности) канала звукозаписи — все устройства, формирующие этот канал, должны успевать обрабатывать поток данных, поступающих на его вход.

Рис. 2.51. Цифро-аналоговое преобразование

Существенно снизить объем цифровых данных, необходимых для представ­ления звукового сигнала с заданным качеством, можно с помощью компрес­сии, т. е. путем уменьшения количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, приходящихся на один отсчет.

Благодаря особенностям восприятия звука человеком можно с помощью специальных методов компрессии данных с потерями сжимать звуковые дан­ные, используя спектральные свойства оцифрованных музыкальных и рече­вых сигналов. При применении таких методов главной задачей является достижение максимального сжатия звукового сигнала при минимальных субъективно слышимых (или неслышимых) искажениях восстановленного сигнала. Методы кодирования звуковых данных позволяют сократить объем потока информации почти до 20% от первоначального. При этом использу­ются довольно сложные кодирующие устройства.

Выбор метода кодирования при записи звукового фрагмента зависит от на­бора программ сжатия, установленных в операционной системе PC – кодеков (кодирование - декодирование). Программы компрессии поставляются вместе с программным обеспечением звуковой карты или могут входить в состав операционной системы.

Модуль записи и воспроизведения цифрового звука включает АЦП, ЦАП и блок управления, которые, как правило, интегрированы в одну микросхему, называемую кодеком.

Основными характеристиками этого модуля являются:

·  частота дискретизации;

·  тип и разрядность АЦП и ЦАП;

·  возможность работы в дуплексном режиме.

Частота дискретизации определяет максимальную частоту записываемого или воспроизводимого сигнала. Так, для записи и воспроизведения челове­ческой речи достаточно 6-8 Кгц, для записи и воспроизведения музыки с невысоким качеством – 20-25 Кгц, для обеспечения высококачественного звучания (качества аудио компакт-диска) частота дискретизации должна быть не менее 44 Кгц.

Частоту дискретизации сигнала, обеспечиваемую большинством звуковых карт, можно повысить, если вместо стереофонического сигнала с частотой дискретизации 22 Кгц использовать монофонический сигнал с частотой дискретизации 44 Кгц. Практически все звуковые карты поддерживают запись и воспроизведение стереофонического звукового сигнала с частотой дискретизации 44,1 или 48 Кгц.

АЦП и ЦАП определяет разрядность представления цифрового сигнала (8, 16 или 18 бит), динамический диапазон (выраженное в децибелах отношение максимального и минимального уровней) и уровень шумов квантования. 8-разрядные АЦП и ЦАП обеспечивают качество звука, близкое к качеству звука в телефонной линии, и в настоящее время не используются. Подав­ляющее большинство звуковых карт оснащено 16-разрядными АЦП и ЦАП. Такие звуковые карты теоретически можно отнести к классу Hi-Fi, которые должны обеспечивать студийное качество звучания. Однако на практике другие элементы тракта звукозаписи понижают качество записи звука.

Некоторые современные звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-разряд­ными АЦП и ЦАП, что существенно повышает качество записи/воспроиз­ведения звука.

Важной характеристикой модуля записи и воспроизведения звука является возможность одновременной записи и воспроизведения звукового сигнала. Существует три режима передачи данных по какому-либо каналу (тракту), определяющие направление передачи сигнала: симплекс, полу­дуплекс и дуплекс, причем последний чаще называют Full Duplex (полный дуплекс). В симплексном режиме данные передаются по каналу только в одном на­правлении. В полудуплексном режиме в течение одного промежутка време­ни данные передаются в одном направлении, а в течение другого – в обрат­ном. В дуплексном режиме данные передаются одновременно в обоих направлениях.