Мультимедиа в образовании: контекст информатизации (стр. 6 )

В целом любая процедура снижения объема цифровой информации сводится к тому, чтобы хранить и передавать не саму информацию, а инструкции по ее созданию на компьютере пользователя.

Выигрыш в информационном объеме становится понятным, если сравнить аналитическое и табличное представление математической функции. Для не математиков напомним: запись у = x² занимает на листе бумаги ничтожно мало места. Зато, чтобы получить значение у при заданном x, нужно каждый раз производить вычисления. Ту же функцию можно представить таблицей, задав множество значений x в одном столбце и указав соответствующие значения у – в другом. Использование таблицы не требует вычислительных операций (и соответствующих затрат времени), но размер таблицы может быть сколь угодно большим – в зависимости от диапазона и шага изменения аргумента x. В частности, таблица может занять, например, все страницы этой книги.

Самый простой пример снижения объема цифровой информации заключен в хорошо всем известном шрифтовом тексте. Хранятся/передаются не сами символы (начертание по точкам), а их цифровые коды. Кодирование заменяет достаточно сложные в визуальном представлении символы на простые числа, каждому символу соответствует определенное число. При визуализации работает имеющийся на любом компьютере знакогенератор, который по коду воссоздает на экране начертание символа. В итоге запись в цифровых кодах одной страницы текста занимает объем около 2 Кбайт. Если бы ту же страницу хранили в цифровом визуальном представлении (как фотографию), потребовалось бы запоминать информации на порядки больше. Действительно, в этом случае придется разбивать страницу на сотни тысяч микроскопических информативных зон – пикселей, и запоминать численные значения яркости и цвета каждого пикселя. Понятно, что такая таблица по объему несравнимо больше набора цифровых кодов символов. Конечно, работа знакогенератора требует некоторого времени на воспроизведение символа по его коду, но время этой операции ничтожно в масштабах реакций пользователя.

Точно так же организован MIDI (Musical Instrument Digital Interface), обеспечивающий синтезированный звукоряд. Хранятся команды для синтезатора голосов известных музыкальных инструментов. Синтезатор, входящий в состав звуковой карты компьютера, по поступлении команды воспроизводит соответствующий голос и тон.

Значительно сложнее с бесконечно разнообразным реалистическим визуальным рядом и звуком. Здесь приходится хранить/передавать основу, «каркас» изображения или звука и цифровые инструкции по дополнению их до приемлемого вида. Процедура переработки исходного цифрового массива в массив меньшего размера, дополненный инструкциями по восстановлению, называется компрессией. Во время воспроизведения компьютер пользователя выполняет эти инструкции (декомпрессия), получается изображение или звук определенного качества. Понятно, что чем подробнее описана основа, тем выше качество, но пропорционально растут объем требуемой памяти и величина потока.

Аналог цифрового аудиовизуального ряда – очень большая таблица, не поддающаяся единому аналитическому описанию. В процессе компрессии она делится на сегменты, каждый из которых включает «базовое» значение функции и примерную формулу ее изменения при небольшом, в пределах сегмента, отклонении аргумента. С увеличением отклонения аргумента погрешность аналитики растет.

Иногда, для достаточно простых синтезированных изображений удается обойтись, как и в MIDI, преимущественно инструкциями. Это так называемая векторная графика, одним из примеров которой является известная Flash-анимация. Для хранения инструкций объем/поток небольшой, а качество воспроизведения – практически такое же, как при создании данного рисунка или анимации. Но это возможно только для изображений с известной схематичностью, воссоздание которых в принципе можно описать инструкциями.

Ниже приведена таблица объемов/потоков для основных компонентов контента в исходном цифровом коде и после компрессии. При этом параметры изображений и звука выбраны без ущерба для эргономики ЭИР, а уровень сжатия – не дающий заметных искажений.

№ п/п	Компонент контента	Объем хранения (байт) или величина потока (бит/сек.)	Тип компрессии
Без компрессии	С компрессией
1	Символьная информация (1 страница)	2 Кбайт	0,2 Кбайт	Zip*
2	Статический визуальный ряд (полноцветное окно 320х240 точек)	230 Кбайт	28 Кбайт	JPEG
3	Динамический визуальный ряд (полноцветное окно 320х240 точек, 25 кадров/с.)	29 Мбит/с.	500 Кбит/с.	MPEG
4	Реалистический звуковой ряд (монофонический, высшего качества)	700 Кбит/с.	64 Кбит/с.	MP3

Таким образом, компрессия мультимедиа контента, не разрушающая этот контент, определяется цифрами из приведенной таблицы. Если рассматривать не отдельные компоненты, а их совокупность на экране и в звуке, условия нормальной работы моделирующих программ и программы-реализатора ЭИР, получаем некоторую интегральную оценку цифрового потока. Нижняя граница потока, необходимого для нормальной работы современного мультимедиа продукта – около 3 Мбит/с.

Рассмотрим, какие потоки реальны на локальном компьютере и в сетях. Понятно, что все определяет «узкое место» компьютерной системы, устройство с самой низкой пропускной способностью. На локальном компьютере – это привод компакт-дисков. Поток цифровой информации, считываемой современным CD-дисководом, находится в диапазоне 50-150 Мбит/с., в зависимости от типа дисковода. Этого вполне достаточно для нормальной работы практически любых приложений на отдельном компьютере.

В компьютерных сетях «узкое место» – каналы связи.

Локальные сети работают в двух стандартах: 10 Мбит/с. и 100 Мбит/с. Тоже достаточно неплохо, следует только иметь в виду, что это общий поток для всех пользователей сети, каждому «достается» пропорционально меньше, да еще некоторая часть потока расходуется на служебную информацию, связанную с протоколами обмена. Практической иллюстрацией ограничений по потоку может служить пример, когда пользователи десятимегабитной локальной сети одновременно запрашивают с сервера видеоинформацию. Нормально смотреть кино в этом случае смогут только несколько (единицы) из них.

Но самые серьезные проблемы по цифровому потоку возникают в глобальных сетях. Основная проблема имеет даже собственное имя – «проблема последней мили». Дело в том, что линии связи, используемые компьютерными сетями, достаточно разнородны – имеются как участки с высокой пропускной способностью, так и с низкой. В конечном счете пользователя интересует цифровой поток, поступающий на его собственный компьютер. Большинство пользователей подключают домашний компьютер к сети через телефонную сеть. Это и есть «последняя миля», пропускная способность которой у нас в стране оценивается в среднем, как 10-30 Кбит/с., в развитых западных странах 30-50 Кбит/с. В последнее время разработаны и внедряются технологии с общим названием хDSL (ADSL, SDSL, SHDSL). Наиболее проработана сегодня технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), позволяющая увеличить поток на «последней миле» до нескольких Мбит/сек., однако пока это достаточно дорогое удовольствие и для пользователя, и для телефонной компании, которой требуется модернизировать свои АТС.

Корпоративные пользователи, как правило, подключены к сети оптоволоконным или радиоканалом. Однако это не гарантирует им «реку информации», многое определяется мощностью промежуточных серверов и узкополосными участками сети на транспортном пути выполнения конкретного запроса. Кроме того, ресурсы корпоративного канала делятся на всех сотрудников организации, работающих в данный момент в Internet. На практике конечный пользователь в учреждении/организации может рассчитывать на цифровой поток порядка сотен Кбит/с.

Анализ информационных объемов компонентов контента нужен прежде всего для оценки возможных способов реализации и использования образовательных продуктов.

Рассмотрим, к примеру, мультимедиа продукт на CD-ROM. Его объем – порядка 700 Мбайт, требуемый во время эксплуатации поток – от 3 Мбит/с. и выше. Такой поток легко обеспечивается CD-приводом локального компьютера, но совершенно нереален сегодня для конечного пользователя глобальной компьютерной сети.

Однако, если нельзя эксплуатировать мультимедиа CD-ROM в сети on line, может быть перекачать его целиком на компьютер пользователя off line? Простые расчеты показывают, что конечному пользователю, занявшему канал с пропускной способностью 2 Мбит/с., для этого потребуется 1 час, при 64 Кбит/с – 1 сутки, а с телефонной линией на «последней миле» – около 3 суток. Это уже утопия – практически невозможно избежать разрывов соединения с телефонной станцией в течение такого времени.

Вторая сторона проблемы высокопоточных продуктов в сети – экономическая. Предположим, что в результате напряженной оргработы с сослуживцами и провайдером удалось абонировать на некоторое время широкополосный канал. Провайдер выстроил магистраль без «узких мест», а коллеги пообещали не мешать. Тогда экспериментальная перекачка огромного, по меркам современной глобальной сети, цифрового массива технически возможна. Однако, сколько стоит этот эксперимент? Суммарная (платит пользователь, платит владелец сервера) стоимость трафика составит примерно 40 долларов (от 30 до 50$ у разных Internet - провайдеров). В то время как штамповка компакт-диска вместе с отправкой его по почте обойдется всего в 1$.

Выводы каждый сделает по обстоятельствам. На одной чаше весов – быстрое получение продукта пользователем и возможность оперативного обновления устаревших элементов контента издателем. На другой – удорожание в 40 раз и надежда на снижение стоимости услуг провайдеров в перспективе.