Мультимедийные технологии

Мультимедийные технологии являются одним из наиболее перспективных и популярных направлений информатики. Они имеют целью создание продукта, содержащего «коллекции изображений, текстов и данных, сопровождающихся звуком, видео, анимацией и другими визуальными эффектами (Simulation), включающего интерактивный интерфейс и другие механизмы управления». Данное определение сформулировано в 1988 г. крупнейшей Европейской комиссией, занимающейся проблемами внедрения и использования новых технологий (собственно, термин «мультимедиа» происходит от англ. multi — много и media — среда).

Появление систем мультимедиа, безусловно, произвело революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т. д.

Появление систем мультимедиа подготовлено как с требованиями практики, так и с развитием теории. Однако резкий рывок в этом направлении, произошедший в этом направлении за последние несколько лет, обеспечен прежде всего развитием технических и системных средств. Это и прогресс в развитии ПЭВМ: резко возросшие объем памяти, быстродействие, графические возможности, характеристики внешней памяти и достижения в области видеотехники, лазерных дисков, а также их массовое внедрение. Важную роль сыграла также разработка методов быстрого и эффективного сжатия/развертки данных.

Стандарт МРС (точнее, средства пакета программ Multimedia Windows — операционной среды для создания и воспроизведения мультимедиаинформации) обеспечивают работу с различными типами данных мультимедиа.

Мультимедиаинформация содержит не только традиционные статические элементы: текст, графику, но и динамические: видео-, аудио- и анимационные последовательности.

Статические графические изображения могут быть представлены с помощью векторной графики и растровых картинок. Человек воспринимает 95% поступающей к нему извне информации визуально в виде изображения, т. е. графически. Такое представление информации по своей природе более наглядно и легче воспринимается чем чисто текстовое, хотя текст — это тоже графика. Однако в силу относительно невысокой пропускной способности существующих каналов связи прохождение графических файлов по ним требует значительного времени. Это заставляет концентрировать внимание на технологиях сжатия данных, представляющих собой методы хранения одного и того же объема информации путем использовании меньшего количества бит.

Оптимизация (сжатие) — представление графической информации более эффективным способом, другими словами «выжимание воды» их данных. Используется преимущество трех обобщенных свойств графических данных: избыточности, предсказуемости и необязательности. Схема сжатия, которая использует избыточность, говорит: «Здесь три идентичных желтых пиксела», — вместо: «Вот желтый пиксел, вот еще один желтый пиксел, вот следующий желтый пиксел».

Кодирование по алгоритму Хаффмана и арифметическое кодирование, основанные на статистической модели, использует предсказуемость, предполагая более короткие коды для более часто встречающихся значений пикселов. Наличие необязательных данных предполагает использование схемы кодирования с потерями.

Например, для случайного просмотра человеческим глазом не требуется того же разрешения для цветовой информации в изображении, которая требуется для информации об интенсивности. Поэтому данные, представляющие высокое цветовое разрешение, могут быть исключены.

Сетевую графику можно представить форматом файлов — GIF (Graphics Interchange Format). GIF поддерживает 24-битный цвет, реализованный в виде палитры, содержащей до 256 цветов. К особенностям этого формата следует отнести последовательность или перекрытие множества изображений (анимация) и отображение с чередованием строк (Interlaced). Несколько настраиваемых параметров GIF-формата позволяют управлять размером получаемого файла. Наибольшее влияние оказывает глубина цветовой палитры. GIF-файл может содержать от 2 до 256 цветов. Соответственно меньшее содержание цветов в изображении (глубина палитры) при прочих равных условиях дает меньший размер файла.

Другой параметр, влияющий на размер GIF-файла, — диффузия. Это позволяет создавать плавный переход между различными цветами или отображать цвет, отсутствующий в палитре, путем смешения пикселов разного цвета. Применение диффузии увеличивает размер файла, но зачастую это единственный способ более-менее адекватной передачи исходной палитры рисунка после редуцирования. Другими словами, применение диффузии позволяет в большей степени урезать глубину палитры GIF-файла и тем самым способствовать его «облегчению».

При создании изображения, которое в последующем будет переведено в GIF-формат, следует учитывать следующую особенность алгоритма сжатия. Степень сжатия графической информации в GIF зависит не только от уровня ее повторяемости и предсказуемости (однотонное изображение имеет меньший размер, чем беспорядочно «зашумленное»), но и от направления, так как сканирование рисунка производится построчно.

Видео и анимация. Сейчас, когда сфера применения персональных компьютеров все расширяется, с помощью MPEG-сжатия объем видеоинформации можно заметно уменьшить без заметной деградации изображения. Что такое MPEG?

MPEG (Moving Picture Experts Group) — экспертная группа, работающая под совместным руководством двух организаций — ISO (Организация по международным стандартам) и IEC (Международная электротехническая комиссия). Официальное название группы — ISO/IEC JTC1 SC29 WG11. Ее задача — разработка единых норм кодирования аудио- и видеосигналов. Стандарты MPEG используются в технологиях CD-i и CD-Video, являются частью стандарта DVD, активно применяются в цифровом радиовещании, в кабельном и спутниковом ТВ, Интернет-радио, мультимедийных компьютерных продуктах, в коммуникациях по каналам ISDN и многих других электронных информационных системах. Часто аббревиатуру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. На сегодняшний день известны следующие:

MPEG-1 предназначен для записи синхронизированных видеоизображения и звукового сопровождения на CD-ROM с учетом максимальной скорости считывания около 1,5 Мбит/с. Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1, во многом аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители.

· MPEG-2 предназначен для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с телевизионным, при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с. Профессионалы используют и большие потоки. В аппаратуре используются потоки до 50 Мбит/с. На технологии, основанные на MPEG-2, переходят многие телеканалы, сигнал, сжатый в соответствии с этим стандартом, транслируется через телевизионные спутники, используется для архивации больших объемов видеоматериала.

· MPEG-3 предназначался для использования в системах телевидения высокой четкости (high-defenition television — HDTV) со скоростью потока данных 20—40 Мбит/с, но позже стал частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не упоминается. Кстати, формат МРЗ, который иногда путают с MPEG-3, предназначен только для сжатия аудиоинформации, и полное название МРЗ звучит как MPEG Audio Layer III.

· MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения.

В мире видео созданный еще в конце 80-х гг. формат MPEG-1, использовавшийся в VideoCD, в эпоху DVD уступил место более качественному MPEG-2, а новый стандарт MPEG-4, представленный фирмой Microsoft в 1999 г., и его модификация DivX позволили размещать видеофильм хорошего качества на обычном компакт-диске. Таким образом, проблема хранения небольшой фильмотеки на обычном домашнем компьютере практически разрешена.

Фильмы, записанные в формате MPEG-4, уже успели завоевать заслуженную популярность среди широкой аудитории пользователей ПК. Такие фильмы по качеству изображения могут успешно конкурировать с видеокассетами.

Годом рождения DVD-Video-дисков можно считать 1994-й. Первоначально DVD означал сокращение от Digital Video Disc (цифровой видеодиск), позже он стал означать Digital Versatile (многофункциональный) Disc. В 1996 г. были опубликованы спецификации DVD-ROM и DVD-Video форматов (версия 1.0), а в конце 1996 г. в Японии были проданы первые DVD-плееры.

Внешне DVD диск напоминает CD. Действительно, оба являются оптическими дисками диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Аналогичны они и по принципам записи цифровой информации. Главное преимущество DVD-дисков над CD — более высокая информационная емкость. Емкость DVD диска — 4,7-17 ГБ (1 Гигабайт (ГБ) = 10⁹ байт) по сравнению с CD-диском — 0,68 ГБ.

Для просмотра фильмов в формате MPEG-4 можно использовать следующее средство для поиска и воспроизведения аудио- и видеопрограмм — Windows Media Player.

Рис. 1 Windows Media Player 6.4

WMP 7.1 — одна из официальных версий универсального проигрывателя от Microsoft. Новый Media Player — это еще более мощное средство для поиска и воспроизведения аудио- и видеопрограмм, чем предыдущие версии. Наряду с расширением возможностей самой программы Microsoft предоставила и большое число так называемых «скинов» к ней — программ, изменяющих интерфейс мультимедийного плеера. Кроме стандартного набора операций, в Windows Media Player 7 доступны возможности прослушивания программ Интернет-радио, скачивания аудиофайлов из Сети и записи мультимедийных файлов на внешние устройства.

Рис. 2. Windows Media Player 7 1

Звук. В последнее время особую популярность получил формат представления аудиоинформации МРЗ. Разработчики исходили из постулата о том, что далеко не вся информация, которая содержится в звуковом сигнале, является полезной и необходимой — большинство слушателей ее не воспринимают. Поэтому определенная часть данных может быть сочтена избыточной. Эта «лишняя» информация удаляется без особого вреда для субъективного восприятия. Приемлемая степень «очистки» определялась путем многократных экспертных прослушиваний. При этом стандарт позволяет в заданных пределах менять параметры кодирования — получать меньшую степень сжатия при лучшем качестве или, наоборот, идти на потери в восприятии ради более высокого коэффициента компрессии.

Созданный в 1995 г. формат аудиокомпрессии МРЗ позволил сократить объем звуковой информации в десятки раз. За форматом МРЗ последовали другие алгоритмы сжатия — WMA, Liquid Audio, VQF и др., поэтому компьютерный звук сегодня превратился в самый обычный вид информации наряду с текстами, электронными таблицами, базами данных и изображениями.

Одним из популярных МРЗ/МР2 аудиоплейеров в настоящее время является WinAMP.

Рис. 3. Интерфейс плеера WinAMP

Текст. В руководстве Microsoft уделено особое внимание средствам ввода и обработки больших массивов текста. Рекомендуются различные методы и программы преобразования текстовых документов между различными форматами хранения с учетом структуры документов, управляющих кодов текстовых процессоров или наборных машин, ссылок, оглавлений, гиперсвязей и т.п., присущих исходному документу. Возможна работа и со сканированными текстами, предусмотрено использование средств оптического распознания символов.

Область использования мультимедийных технологий чрезвычайно широка, она охватывает науку и технику, образование, культуру, бизнес; мультимедийные технологии применяются в среде обслуживания при создании электронных гидов с погружением в реальную среду, мультитеках. До конца 80-х гг. мультимедийные технологии не получали широкого распространения у нас в стране из-за отсутствия аппаратной и программной поддержки. В начале 90-х гг. в нашей стране появились сравнительно недорогие мультимедийные системы на базе IBM PC, и миф мультимедийных технологий стал реальностью. Одной из основных сфер применения систем мультимедиа является образование в широком смысле слова, включая и такие направления, как видеоэнциклопедии, интерактивные путеводители, тренажеры, ситуационно-ролевые игры и др.

Очень большие перспективы перед мультимедиа в медицине: базы знаний, методики операций, каталоги лекарств и т.п. В сфере бизнеса фирмы по продаже недвижимости уже используют технологию мультимедиа для создания каталогов продаваемых домов — покупатель может увидеть на экране дом в разных ракурсах, совершить интерактивную видеопрогулку по всем помещениям, ознакомиться с планами и чертежами. Технологические мультимедиа пользуются большим вниманием военных: так, Пентагон реализует программу перенесения на интерактивные видеодиски всей технической, эксплуатационной и учебной документации по всем системам вооружений, создания и массового использования тренажеров на основе таких дисков.

Быстро возникают фирмы, специализирующиеся на производстве изданий гипермедийных книг, энциклопедий, путеводителей.

Примером применения мультимедиа в искусстве могут служить музыкальные CD-ROM, которые позволяют не только прослушивать (с высочайшим качеством) произведения того или иного композитора, но и просматривать на экране партитуры, выделять и прослушивать отдельные темы или инструменты, знакомиться с рецензиями, просматривать текстовые фото- и видеоматериалы, относящиеся к жизни и творчеству композиторов, составу и расположению оркестра и хора, устройству каждого инструмента оркестра и т. п.

Помимо «информационных» применений проявляются и «креативные», позволяющие создавать новые произведения искусства. Уже сейчас станция мультимедиа становится незаменимым авторским инструментом в кино и видеоискусстве. Автор фильма за экраном такой настольной системы собирает, «аранжирует», создает произведения из заранее подготовленных — нарисованных, отснятых, записанных и т. п. — фрагментах. Он имеет практически мгновенный доступ к каждому кадру отснятого материала, возможность диалогового «электронного» монтажа с точностью до кадра. Ему подвластны всевозможные видеоэффекты, наложения и преобразования изображений, манипуляции со звуком, «сборка» звукового сопровождения из звуков от различных внешних аудиоисточников, из банка звуков, из программ звуковых эффектов. Далее, применение обработанных или сгенерированных компьютером изображений может привести к появлению новой изобразительной техники в живописи или кино.

Весьма перспективными выглядят работы по внедрению элементов искусственного интеллекта в системе мультимедиа. Они обладают способностью «чувствовать» среду общения, адаптироваться к ней и оптимизировать процесс общения с пользователем; они подстраиваются под читателей, анализируют круг их интересов, помнят вопросы, вызывающие затруднения, и могут сами предложить дополнительную или разъясняющую информацию. Системы, понимающие естественный язык, распознаватели речи еще более расширяют диапазон взаимодействия с компьютером.

Еще одна быстро развивающаяся, совершенно уже фантастическая для нас область применения компьютеров, в которой важную роль играет технология мультимедиа, — это системы виртуальной, или альтернативной, реальности, а также близкие к ним системы «телеприсутствия». С помощью специального оборудования — системы с двумя миниатюрными стереодисплеями, квадранаушниками, специальными сенсорными перчатками и даже костюмом — вы можете «войти» в сгенерированный или смоделированный компьютером мир (а не заглянуть в него через плоское окошко дисплея), повернув голову, посмотреть налево или направо, пройти дальше, протянуть руку вперед и увидеть ее в этом виртуальном мире; можно даже взять какой либо виртуальный предмет (почувствовав при этом его тяжесть) и переставить в другое место; можно, таким образом, строить, создавать этот мир изнутри.

Бурно развивающееся направление — мультимедиа в телекоммуникациях. Многие крупные фирмы активно ведут разработки коммуникаций на основе волоконно-оптических сетей стандарта ISDN. Спектр предлагаемых применений весьма широк — от заказа товара по мультимедийному каталогу и просмотра заказной телепередачи до выбора нужной книги и участия в мультимедийной телеконференции.

Выводы

1. Мультимедийные технологии имеют целью создание продукта, содержащего коллекции изображений, текстов и данных, сопровождающихся звуком, видео, анимацией и другими визуальными эффектами.

2. Мультимедийная информация содержит не только традиционные статические элементы: текст, графику, но и динамические: видео-, аудио- и анимационные последовательности.

3. MPEG - это экспертная группа, задача которой - разработка единых норм кодирования аудио- и видеосигналов.

4. MPEG-1 предназначен для записи синхронизированных видеоизображения и звукового сопровождения на CD-ROM с учетом максимальной скорости считывания около 1,5 Мбит/с.

5. MPEG-2 предназначен для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с телевизионным, при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с.

6. MPEG-3 предназначался для использования в системах телевидения высокой четкости (high-definition television, HDTV) со скоростью потока данных 20-40 Мбит/с.

7. MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения.

8. МРЗ — это формат аудиокомпрессии, позволяющий сократить объем звуковой информации в десятки раз.

9. Область использования мультимедийных технологий чрезвычайно широка. Она охватывает науку и технику, образование, культуру, бизнес: мультимедийные технологии применяются в среде обслуживания при создании электронных гидов с погружением в реальную среду, мультитеках, медицине, искусстве и т. д.

10.Еще одна область применения компьютеров, в которой важную роль играет технология мультимедиа, - это системы виртуальной, или альтернативной реальности, а также близкие к ним системы «телеприсутствия» и мультимедиа в телекоммуникациях.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под термином «мультимедийные технологии»?

2. Какие схемы сжатия информации упоминались в данном разделе?

3. Особенности формата файлов GIF для сетевой графики.

4. Какие форматы сжатия видеоинформации вы знаете?

5. В чем преимущество DVD-дисков над CD?

6. Какие средства поиска и воспроизведения аудио- и видеопрограмм вы знаете?

7. Какие форматы представления аудиоинформации вы знаете?

8. Назовите известные вам МРЗ/МР2 аудиоплейеры.

9. Какие области использования и применения мультимедийных технологий вам известны?