Понятие мультимедиа

Тема 3.1 Понятие мультимедиа. Аппаратные и программные средства обработки мультимедиаинформации

Гипертекстовые способы хранения и представления информации

Само слово мультимедиа образовано из латинских: «мульти» — много и «медиа» — среда, носитель, средства сообщения — и его можно перевести как «многообразная среда». В мультимедиа-продукте объединяются двухмерные и трехмерные изображения, звуковое сопровождение, музыка, анимация, видео-, текстовая и числовая информация и т.д. Все эти виды информации должны образовывать единое целое. Хорошим примером является мультимедийный компакт-диск с альбомом записей какой-либо музыкальной группы. Такой дисксодержит, конечно, в первую очередь записи песен, однако они могут сопровождаться видеозаписями с концертов, текстами песен, информацией об исполнителях и т.д. Кроме того, такой ж обязательно содержит управляющую оболочку, позволяющую осуществлять поиск нужной информации, переключение режимов ее представления (видео, текстовый, цветомузыка, стоп-кадр и т.д.) и настройку всей системы. Другим примером являются мультимедийные интернет-сайты, получившие распространение с появлением скоростных каналов доступа в Интернет.

Средства воспроизведения мультимедиа, так и технология изготовления мультимедиа-продуктов, являются весьма сложными и дорогостоящими. Поэтому мультимедиа-технологии применяются либо в тех областях, где высокая стоимость продукта не является препятствием, либо там, где ожидается его массовое производ­ство. К таким областям можно отнести:

· информационную и рекламную деятельности;

· шоу-бизнес;

· создание персональных фоно- и видеотек;

· компьютерные тренажеры;

· компьютерные игры;

· обучающие программы;

· энциклопедии.

Все эти области требуют комплексной формы представления выдаваемой информации, а, следовательно, мультимедиа — их естественная технология.

Пределом развития мультимедиа является виртуальная реаль­ность — создание с помощью компьютера и специальных уст­ройств (шлемов, очков, перчаток и даже костюмов) виртуально­го (кажущегося) мира, в который «помещается» человек и живет is этом мире по его законам. Яркой иллюстрацией этой идеи явля­ется нашумевший в свое время фильм «Матрица». Надо, однако, заметить, что до реализма «Матрицы» современным системам вир­туальной реальности еще очень и очень далеко. К тому же, как с функциональной, так и с экономической точки зрения, их при­менение оправдано крайне редко.

2 Аудио- и видеоинформация и ее особенности

Особенностью, отличающей мультимедиа-технологии от дру­гих компьютерных технологий, является обработка аудио- и ви­деоинформации в реальном режиме времени. В узком смысле под мультимедиа в компьютерных технологиях понимают именно ра­боту с потоковой аудио- и видеоинформацией, т.е. такой формой получения, обработки и передачи информации, когда она посту­пает непрерывно, и мы не можем охватить ее целиком. Эта ин­формация носит, как правило, изначально аналоговый характер, и для компьютерной обработки должна быть переведена в цифро­вую форму (оцифрована). С другой стороны для воспроизведения она должна быть обратно переведена в аналоговую форму.

Для преобразования аналогового звукового сигнала в цифровую форму с определенной частотой (частотой дискретизации)производятся измерения (отсчеты) амплитуды звукового сигнала. Затем непрерывные значения амплитуды тоже переводятся в дискретную форму путем разбивки интервала возможных значений амплитуды на конечное число промежутков и заменой текущего значения амплитуды на ближайшее граничное значение какого-либо интервала. Количество битов, необходимых для представле­ния получаемых таким образом дискретных значений, называется разрядностью отсчета.

Для обеспечения достаточно хорошего качества преобразова­ния необходимо, чтобы частота дискретизации по меньшей мере вдвое превышала наивысшую частоту сигнала. Поскольку челове­ческое ухо слышит звук частотой до 20 кГц, то в свое время для компакт-дисков была выбрана частота дискретизации 44,1 кГц и разрядность отсчета 16 бит (65 536 фиксированных уровней амп­литуды). В студийной работе чаще используется та же разрядность отсчета при частоте дискретизации 48 кГц. Иногда используются и более высокие значения этих величин. Устройство, переводящее аналоговый звуковой сигнал в цифровую форму, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), а обратно — цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Сочетание частоты дискретизации, разрядности отсчета и ко­личества используемых каналов называют форматом цифрового звука. Очевидно, что произведение этих величин и даст величину цифрового потока, необходимую для представления этого фор­мата. Например, для частоты дискретизации 44,1 кГц, разряднос­ти 16 бит и стереофонического звука (2 канала) величина цифро­вого потока составит немногим более 170 Кбайт/с, что заметно ниже, чем пропускная способность основных каналов передачи данных компьютера. Поэтому обработка звука в реальном времени на современных компьютерах вполне осуществима, хотя в послед­нее время наметилась тенденция к увеличению значений всех со­ставляющих формата цифрового звука (в частности, система Dolby Digital использует 6 каналов, а ее модификации — до 8).

Несмотря на то, что компьютер «справляется» с обработкой звука в реальном времени, существует несколько причин для сжа­тия цифровых данных. Во-первых, если мы запишем на диск «сы­рой» (несжатый) звук, то нетрудно подсчитать, что минута записи однако чаще всего они используются как промежуточные. Вто­рая причина связана с передачей звуковых данных:

если канал связи обеспечивает, например, 33,6 Кбит/с (-3,28 Кбайт/с), то 170 Кбайт/с передать по нему невозможно, и звук просто обязан быть сжат. Наконец, есть еще одна причина, носящая экономико-психологический характер. Прохождение звука по компьютерным цепям и его оцифровка вносят в него искажения, и может ока­заться так, что искажения за счет сжатия звука окажутся меньше остальных, а выигрыш в объеме данных окажется значительным. Психологической же эта причина названа потому, что оценка ис­кажений в большой степени носит субъективный характер, и ис­кажения, которые один человек может не слышать, другому мо­гут казаться неприемлемыми. Методы сжатия звуковых потоков учитывают эту особенность, и все соответствующие алгоритмы в целом основаны на свойствах восприятия звуковых сигналов слу­ховым аппаратом человека, называемых «психоакустической мо­делью». При этом из звукового сигнала удаляется информация, малозаметная для слуха, в результате чего слуховое восприятие звука практически не меняется. Такое кодирование относится к методам сжатия с потерями, когда из сжатого сигнала уже невоз­можно точно восстановить исходную волновую форму, однако степень сжатия гораздо выше. Сжатие звукового сигнала и его об­ратная распаковка осуществляются специальными программны­ми модулями, называемыми кодеками (кодерами-декодерами). Каждый из них характеризуется используемыми алгоритмами сжа­тия и используемыми форматами сжатых файлов.

Для описания степени сжатия звукового сигнала используется битрейт (bitrate) — скорость битового потока с которой сжатая информация должна поступать в декодер при восстановлении зву­кового сигнала. Битрейт измеряется в килобитах в секунду (Кбит/ с) и если, например, он равен 128 Кбит/с, то это означает, что одна секунда звука будет занимать 128 Кбит, или 16 Кбайт. Чем выше битрейт, тем выше качество звука, получаемого при обрат­ной распаковке и, соответственно, больше размер сжатого звука. Широко распространенный формат сжатия mpЗ позволяет коди­ровать звук с битрейтом от 8 до 320 Кбит/с. Наиболее часто в mpЗ используется битрейт 128 Кбит/с, на котором достигается сжатие в 10—12 раз.

Говоря о сжатии звука, нельзя обойти вниманием специаль­ную форму передачи сжатого звука, называемую потоковым ве­щанием. Применяется она только в компьютерных сетях (в том числе в сети Интернет) и использует систему «клиент-сервер»: звуковые файлы потокового формата хранятся на сервере и со- этом никакие промежуточные файлы на клиентском компьютере не создаются. Характерной особенностью потокового вещания яв­ляется высокая степень сжатия, которая должна обеспечить про­хождение сжатого звука через низкоскоростные каналы связи, Наиболее распространенным среди потоковых систем является' формат RealAudio.

Преобразование аналогового видеосигнала в цифровую форму (оцифровка, или видеозахват) происходит почти по тем же принципам, что и при работе с аудиосигналами. Однако в отличие от оцифровки звука, отсчеты делаются редко (25 раз в секунду), но результатом отсчета является целый кадр. Наиболее часто приме­няется используемый в стандарте VideoCD размер кадра в 352x288 точек (телевизионный кадр, прореженный вдвое по вертикали и по горизонтали), при 24 бит цвета на каждую точку. Нетрудно подсчитать, что это даст цифровой поток около 60 Мбит/с (примерно 7,5 Мбайт/с), что значительно превышает величину аудиопотоков.

Поэтому сжатие данных, причем с потерями (для обеспечения высокой степени сжатия вплоть до 100: 1), здесь просто необхо­димо. Существует большое количество алгоритмов сжатия (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4 и др.), служащих различным целям и имеющим совершенно различные характеристики, но все они в той или иной степени нацелены на наиболее эффективное сжатие данных с минимальными потерями качества. В частности, битрейт сжатого видео на VideoCD (алгоритм MPEG 1), имеющего на­званные размер и частоту кадров, равен 1,1 Мбит/с.