Характеристики мониторов и видеоадаптеров

Характеристики мониторов:

1) Размер экрана монитора (в дюймах).

2) Разрешающая способность определяется максимальным количеством пикселей (точек экрана), размещающихся по горизонтали и вертикали экрана монитора. Зависит от характеристик монитора и характеристик видеоадаптера.

Стандартные значения: 640х480; 800х600; 1024х768; 1600х1200, но могут быть и другие значения.

3) Размер зерна (точки экрана).

Чем меньше размер зерна, тем выше четкость изображения.

Мониторы работают в двух режимах: в текстовом и графическом.

в текстовом режиме изображение на экране состоит из символов расширенного набора ASCII, формируемых знакогенератором; при этом экран разбивается на знакоместа (отдельные области - обычно 25 строк по 80 символов).

В графическом режиме на экране выводится более сложные изображения и надписи с различными шрифтами и размерами букв, формируемых из отдельных мозаичных элементов - пикселей.

Видеоадаптеры

Видеоадаптеры являются внутрисистемными устройствами, непосредственно управляющими мониторами и выводом информации на экран.

Стандартные видеоадаптеры хранят содержание изображения в видеопамяти (расположенной на плате адаптера) таким образом, что определенному адресу памяти соответствует определенное место экрана монитора. Аппаратура видеоадаптера периодически считывает содержимое видеопамяти и помещает его на экран. Таким образом, информация на экране теоретически может меняться с такой же скоростью, с какой программа записывает информацию в оперативную память.

Современные видеоадаптеры передают цвет, с использованием 32 битов, при этом 24 бита передают истинный цвет (true color), а остальные 8 бит передают степень прозрачности истинного цвета. Таким образом, возможности представления цвета в современных вычислительных системах заключаются в использовании 16,7 млн. (2²⁴) цветов и 256 (2⁸) степеней прозрачности каждого цвета.

Обычный видеоадаптер состоит из четырех основных устройств:

видеопамяти, видеоконтроллера (видеоускорителя), цифроаналогового преобразователя и ПЗУ.

Видеопамять служит для хранения изображения. От ее объема за­висит максимально возможное полное разрешение видеоадаптера:

А х В х С, где А - количество точек по горизонтали; В - по вертикали; С - количество возможных цветов каждой точки.

Например, для разрешения 1024x768x65536 (другое обозначе­ние - 1024x768x64k) достаточно 2 Мбайт памяти. Поскольку для хранения цветов отводится целое число разрядов, количество цветов всегда является степенью двойки (16 цветов - 4 разряда, 256 - 8 разрядов, 65 536 -16 разрядов и т.д.).

Видеоконтроллер является основой видеоадаптера, и именно от не­го зависит быстродействие и возможности видеоадаптера. Он отвеча­ет за вывод изображения из видеопамяти, за регенерацию ее содер­жимого, за формирование сигналов развертки для монитора и за об­работку запросов центрального процессора.

Кроме того, обязательно присутствуют контроллеры видеопамяти и порта главной системной шины, дополнительно может присутствовать также контроллер какого-либо внешнего порта.

Все современные видеоконтроллеры являются потоковыми - их ра­бота основана на создании и смешивании нескольких потоков графи­ческой информации. Обычно это основное изображение, на которое накладывается изображение аппаратного курсора мыши, и отдельное изображение в прямоугольном окне, поступающее, например, от TV-приемника или MPEG-декодера, Видеоконтроллер с потоковой обработкой, а также с аппаратной поддержкой некоторых типовых функций называется акселератором, или ускорителем, и служит для разгрузки центрального процессора от рутинных операций по формированию изображения

Основные характеристики видеоадаптеров:

1) ёмкость видеопамяти;

2) разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали);

3) разрядность шины данных, определяющая скорость передачи данных;

4) количество передаваемых цветных оттенков.

Факторы, влияющие на скорость вывода информации на экран монитора:

· разрешающая способность;

· количество цветов, передаваемых видеоадаптером;

· частота кадровой и строчной развертки.

Печатающие устройства

Для вывода на печать подготовленного на ЭВМ текста и графики применяются специальные устройства - принтеры, чертежи и схемы на больших форматах печатаются на графопостроителях (плоттерах).

Обычно принтер подключается к системному блоку персонального компьютера через порт шины USB, однако принтеры, предназначенные для издательских систем, и плоттеры подключаются через специальные порты с использованием высокоскоростных интерфейсов.

Важной характеристикой печатающих устройств, которая определяет качество печати, является разрешающая способность (количество точек на дюйм - dpi).

В печатающих устройствах необходимо наличие собственной оперативной памяти для хранения шрифтов и построения рисунков. В цветных лазерных принтерах при печати с высокой разрешающей способностью объем собственного ОЗУ принтера достигает десятки мегабайт.

По технологии печати, связанной с особенностями печатающего элемента, принтеры разделяются на следующие типы:

· матричные;

· струйные;

· лазерные.

Матричные принтеры

Принцип действия заключается в том, что печатающая головка содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок) и движется вдоль печатаемой строки, при этом стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту. Это обеспечивает формирование на бумаге изображения. Количество иголок составляет обычно от 9 до 48 (чем их больше, тем выше качество печати и требуется меньше проходов головки по строке). Обычная скорость печати от 10 сек. до 5 мин. в зависимости от модификации.

Струйные принтеры

Принцип действия струйной печати основан на формировании изображения микрокаплями специальных чернил, выдуваемых из емкости с помощью сопел. Современные модели струйных принтеров дают качество печати, схожее с лазерными принтерами. Разрешающая способность до 720 dpi.

Лазерные принтеры

Процесс лазерной печати основан на технологии ксерографии фирмы Xerox: изображение переносится со специального фоточувствительного барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. В отличие от копировального устройства, печатающий барабан электризуется с помощью луча лазера по командам из компьютера. Разрешающая способность от 360 dpi до 2400 dpi.

Плоттеры предназначены для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) и конструирования.

По технологии печати плоттеры разделяются на следующие типы:

· электромеханические векторного типа;

· растровые устройства вывода графической информации, изображение в которых получается за счет использования различных физических принципов (электростатики, электрографии и др.);

· фотооптические и устройства вывода на микрофильм.

Графопостроители (плоттеры) могут работать автономно, воспринимая исходные данные промежуточного носителя (магнитного диска), а также непосредственно с ЭВМ, используя интерфейсы различных типов.

Основные характеристики графопостроителей:

· тип применяемых подложек или носителей графической информации;

· размеры рабочей области печати;

· быстродействие;

· разрешающая способность;

· наличие устройств сопряжения с ЭВМ.

Вследствие развития вычислительных систем, технические характеристики печатающих устройств постоянно улучшаются, что позволяет получать высококачественное изображение за короткое время.

СИСТЕМЫ МУЛЬТИМЕДИА

Мультимедиа -это интерактивные системы, обеспечивающие ра­боту с непод­вижными изображениями и движущимся видео, анимированной компьютерной графикой и текстом, речью и высококачественным звуком.

Появление систем мультимедиа обусловлено развитием технических и системных средств, в том числе прогрессом 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 так же разработка методов быстрого и эффективного сжатия / развертки данных.

Современный мультимедиа персональный компьютер представляет собой домашний стереофонический Hi-Fi (High Fidelity) комплекс, объединенный с дисплеем-те­левизором. Он укомплектован активными стереофоническими системами, микрофоном и дисководом для оптических компакт–дисков. Кроме того, внутри компьютера расположен аудиоадаптер (звуковая плата), по­зволивший перейти к прослушиванию чистых стереофонических звуков че­рез акустические колонки с встроенными усилителями.

Известно, что в компьютере все дан­ные хранятся в цифровой форме, в то время как теле-, видео- и большин­ство аудиоаппаратуры работает с аналоговым сигналом. Поэтому простейший и наиболее дешевый путь построения первых систем мультимедиа состоял в стыковке разнородной аппаратуры с компьютером, предоставлении компьютеру возможностей управления этими устройствами, совмещении выходных сигналов компьютера и видео- и аудиоустройств и обеспечении их нормальной совместной работы. Даль­нейшее развитие систем мультимедиа происходит в направлении объедине­ния разнородных типов данных в цифровой форме на одной среде-носителе, в рамках одной системы.

Современный мультимедийный ПК требует подключения к нему множества внешних устройств. Все они обслуживаются массой программных утилит - драйверов и нередко конфликтуют друг с другом. В этой связи был создан стандарт Plug and Play (включай и работай). Этот стандарт представляет собой обширный комплекс программных и аппаратных средств по полностью автоматической настройке конфигурации компьютера в соответствии с используемым оборудованием.

Технология Plug and Play предполагает, что достаточно только включить компьютер и все аппаратные и программные средства автоматически оптимально настроятся и станут работать без сбоев и конфликтов.

Обработка и синтез графики

Отличительной особенностью видеоадаптеров в мультимедийных системах является вывод трехмерного изображения. При этом характеристики таких видеоадаптеров позволяют осуществлять этот процесс, не уменьшая быстродействие вычислительной системы в целом.

Под понятием трехмерного изображения подразумевается изображение, представляющее собой проекции трехмерных сцен. Это не изображение, построенное в трех измерениях.

При формировании такого изображения сначала из плоских многоугольников или криволинейных поверхно­стей создается объект. Его поверхности назначают текстуры, то есть картинки, имитирующие материал, из которого сделана поверх­ность моделируемого объекта, вводятся параметры отражения, карта рельефа поверхности, карта отражения и т.д. На сцене размещаются источники света, при необходимости вводится осветляющий (обыч­ный) или затемняющий (для эмуляции ночных условий) туман, и зада­ется направление взгляда наблюдателя (камера). При синтезе трехмерных изображений особое внимание уделяется разделению видимых и невидимых элементов сцены, а также алгоритмам штриховки, позволяющим придать воспроизводимому изображению текстурированный вид.

Видеоадаптер при обработке мультимедийных данных поддерживает работу с видеоинформацией.

Используются три формата записи, телевещания и видеостандарта: NTSC, PAL, SECAM. В основе каждой системы лежит свой стандарт, ко­торый определяет способ кодирования информации для получения элек­тронного сигнала, создающего изображение на теле­экране. Для перезаписи в разных форматах требуется специальное оборудование.

Система NTSC(National Television Standards Committee)

Согласно стандарту NTSC, каждый видеокадр состоит из 525 горизон­тальных строк экрана, по которым каждую 1/30 секунды проходит электронный луч. Скорость прохождения луча настолько велика, что создается зрительное впечатление стабильного изображения. При создании кадра элек­тронный луч фактически делает два прохода по всему экрану, сначала по учетным строкам, а затем по четным. После каждого прохода (60 проходов «секунду или 60 Гц) на экране создается поле. Этот процесс создания кадра из двух полей называется чересстрочной разверткой (interlacing), что помогает предотвратить мерцание на телеэкранах.

Система PAL (Phase Alternate Line)

Система PAL представляет собой метод добавления цвета к телевизион­ному сигналу черного и белого цвета, который создает на экране 625 строк с частотой 25 кадров в секунду. Аналогично системе NTSC применяется чересстрочная развертка, причем каждое поле создается за 1/50 секунды, т.е. с частотой 50 Гц.

Система SECAM (Sequential Color Memory)

В системе SECAM предусмотрено 625 строк и частота кадров 50 Гц; она принципиально отличается от систем NTSC и PAL.

Система HDTV(High Definition Television)

Новые разновидности стандарта NTSC «Super NTSC» и «16 х 9» входят в состав стандарта MPEG и стандарт DVD. Это основа стандарта телевиде­ния с высоким разрешением (High Definition Television), в котором использу­ется коэффициент относительного изменения вертикального и горизон­тального масштаба изображения, равный 16:9, а не 4:3, и число строк, в два раза превышающее число строк на обычном экране.

Поскольку в стандарте HDTV экран «шире», а существующий графический материал трудно растянуть или сжать в соответствии с новым коэф­фициентом, для HDTV-телевидения потребуются новые стандарты разра­ботки мультимедиа и интерфейсов.

Компьютерное видео использует цифровые сигналы и другие стандарты для вывода изображений, в связи с этим предполагается слияние стандартов телевизионного и компьютерного видео на основе стандартов DVD-Video и HDTV.

Для вывода аналогового видеоизображения на компьютерном мониторе видеосигнал сначала преобразуется в цифровую форму. Аналоговый видеосигнал (преобразованный в цифро­вую форму) и компьютерные изображения в цифровой форме объединяют­ся, и на экран выводится полноэкранный видеофильм или окно видео на фоне обычного экрана.

Сжатие видеоизображений

Запись последовательности кадров предъявляет высокие требования к вычислительной системе, такие как:

1. Большой объем внешней памяти (для запоминания одной секунды полноцветного полноэкранного видео требуется 20–30 Мбайт, а оптический диск емкостью 600 Мбайт вместит менее полминуты изображения).

2. Высокая пропускная способность внешних запоминающих устройств (от 30 МБайт/с).

Эти требования реализуются с помощью методов (алгоритмов) сжатия / развертки данных, которые позволяют сжимать информацию перед записью на внешнее устройство, а затем считывать и разворачивать в реальном режиме времени при выводе на экран. Для движущихся видеоизображений существующие адаптивные разностные алгоритмы могут сжимать данные с коэффициентом порядка 100:1 - 160:1, что позволяет разместить на CD-ROM около часа полноценного озвученного видео. Работа этих алгоритмов основана на том, что обычно последующий кадр отличается от предыдущего лишь некоторыми деталями, поэтому, взяв какой–то кадр за базовый, для следующих можно хранить только относительные изменения. При значительных изменениях кадра автоматически выбирается новый базовый кадр.

Алгоритмы реализуются аппаратно: в виде специальных микросхем, или в виде записанной в ПЗУ программы; либо только программно.

B настоящее время разработаны специальные алгоритмы автоматического сжатия, такие как JPEG, MPEG, P*64, DVI/lndeo. Коэффициенты сжа­тия находятся в диапазоне от 50:1 до 200:1. Следует различать процессы съемки и воспроизведения, поскольку тре­бования сжатия данных для этих процедур различны. Цель сжатия данных при съемке - это сокращение получаемого от видео-АЦП цифрового потока, чтобы его можно было записать на жесткий диск в реальном времени. При этом требуемая степень сжатия зависит от оснащения компьютерной системы. После переноса на жесткий диск данные можно обрабатывать без временных ограничений. Конечной целью должно быть такое сокращение объема данных, которое не вызывает задержек при воспроизведении на стандартном компьютере.

Самым большим недостатком программных видеосистем является зави­симость качества изображения от производительности компьютера. Это по­рождает трудности, особенно при создании мультимедиа-приложений. Как правило, разработчик мультимедиа-приложения имеет в своем распоряже­нии высокопроизводительную вычислительную систему. Из-за этого иногда возникают трудности воспроизведения на массовых персональных компью­терах.

Метод сжатия MPEG был разработан группой Moving Picture Experts Group, рабочей группы под руководством международной организации по стандартизации (International Standards Organization, ISO) и международной электротехнической комиссии (International Electro-technical Commission, IEC) для создания стандартов для цифрового представления видеофиль­мов и соответствующей звуковой информации и других данных, В настоя­щее время применяются три спецификации - MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4.

В стандарте MPEG1 обеспечивается скорость передачи видеоданных 1,2 Мбит в секунду; для двух каналов стереозвука - скорость 250 Кбит в секунду при работе с дисками CD-ROM. Стандарт MPEG2 полностью отличается от MPEG1 и определяет скорость обмена данных от 3 до 15 Мбит в секунду, более высокое разрешение и качество изображения, форматы чересстроч­ного видео, масштабирование с разными значениями разрешения и много­канальное звуковое сопровождение.

Метод сжатия MPEG вполне пригоден для кодирования подвижных изо­бражений, поскольку он широко применяется в сети Internet и в области DVD-видео. Разработан аппаратный метод MPEG-сжатия, и специальные схемы встраиваются на системной плате компьютера и видеоплатах; про­граммная реализация распаковки для MPEG имеет более низкое быстро­действие, чем аппаратные методы, и имеется в программе QuickTime.

MPEG принципиально не отличается от других методов сжатия и де­кодирования видеоданных. По существу метод основан на алгоритмах JPEG и Cinepak.

Стандарт MPEG-1 был специально разработан для съемки и воспроизве­дения цифровых видеопоследовательностей с помощью персональных компьютеров. Он устанавливает разрешение 352 х 240 элементов изобра­жения при 30 кадрах в секунду и, соответственно, 352 х 288 элементов изо­бражения при 25 кадрах в секунду - в зависимости от видеостандарта NTSC или PAL. При этом цифровой поток не должен превышать 0,15 мегабайта в секунду. Получаемое качество изображения довольно точно соответствует среднему качеству видеопоследовательностей Cinepak при разрешении, составляющем несколько ниже половины значения, обеспечиваемого ви­деомагнитофоном формата VHS, имеющего горизонтальное разрешение 3 МГц (в случае PAL воспроизводится 50 изображений в секунду, каждое из которых имеет разрешение около 380 х 288 элементов изображения).

В отличие от MPEG-1, MPEG-2 определяет стандарт для цифровой пере­дачи телевидения. В настоящее время пропускная способность спутников и других трактов передачи телевидения ограничивает количество переда­ваемых программ. Благодаря методу сжатия, определяемому стандартом MPEG-2, полосу частот, требуемую для передачи одной программы, можно сократить на 90%. Это означает, что без существенных дополнительных за­трат можно удесятерить число передаваемых программ.

В декабре 1999 г. был разработан новый стандарт - MPEG4. Увеличи­лась скорость передачи данных при том же разрешении изображения; объ­ем передаваемых данных, необходимых для нормального изображения по сравнению с MPEG2, уменьшился в 11 раз - картинки, видео и текстуры ко­дируются и компрессируются более эффективно; улучшено исправление ошибок; улучшен алгоритм кодирования- уменьшена буферная задержка.

После появления MPEG4 возможности сжатия резко увеличились и нако­нец-то отныне один полнометражный фильм равен одному диску. Однако для комфортного просмотра фильма необходимо наличие микропроцессора Pentium с тактовой частотой не менее 400 МГц. MPEG4 обеспечивает лучшее качество при том же размере файла или меньший размер при том же качестве, большую гибкость в выборе разрешения, частоты кадров и скорости потока данных, лучшую передачу быстрого движения, меньшее время компрессии, легко сочетается с разными аудио-кодеками, менее чув­ствителен к потери части данных, хорошо подходит для просмотра видео через сеть в реальном времени.

Как и MPEG2, MPEG4 также имеет различные профили. Это позволяет адаптировать аудио/видеопоток к используемому приложению. MPEG4 учи­тывает специальные требования к компьютеру, телекоммуникациям и теле­визионным областям. Он кодирует не только прямоугольные пиксели, но и индивидуальные объекты сцены. Например, на фоне едва изменяющегося экрана передвигается машина. В этом случае машина воспринимается как отдельный объект на неподвижном фоне, тогда как все остальное кодиру­ется отдельно. Благодаря этому, сейчас в "домашних" условиях возможно записать содер­жимое DVD-диска на обыкновенный CD-ROM, практически без потери качества.

Кодирование и декодирование MPEG требует большого объема вычис­лений, поэтому первоначально MPEG был задуман как чисто аппаратная видеосистема. Это означает, что для проигрывания MPEG-видеопоследовательностей необходима специальная плата MPEG-декодера. Строго говоря, теперь это верно только для процессов ввода.

Операционная система Windows содержит эффективный механизм воспроизведения программно декодируемых видеопоследовательностей. Графические платы способны очень быстро удваивать размер воспроизводимого изображения с помощью интерполяции. Это означает, что из видеопоследовательности среднего формата - 320 х 240 элементов получается полнокадровая видеопоследо­вательность в формате 640 х 480, причем для этого не требуется дополни­тельная вычислительная мощность. Благодаря этому цифровой поток, ко­торый должен поступать на графическую плату, сокращается на 75%, т.е. с 23 мегабайт в секунду (для видеопоследовательности в формате 640 х 480 при глубине цвета 24 бита и 24 кадрах в секунду) всего до 6 МБт в се­кунду. Поскольку компьютеры становятся все более быстродействующими, а программные декодеры все более совершенными, MPEG в своем разви­тии движется от аппаратной видеосистемы к программной.

Обработка и синтез звука

Звуковые волны, представляющие из себя аналоговый сигнал, при обработке на компьютере преобразуются в цифровую форму.

Под аналоговым сигналом обычно понимают плавно изменяющиеся сигналы, непрерывные по амплитуде во времени. Простейшая звуковая волна представляется обычно напряжением (или током), изменяющимся во времени по синусоидальному закону. Причем ам­плитуда такой волны определяет громкость звука, а частота - его высоту. Частота измеряется обычно в герцах (одно колебание в секунду); частоты звуковых (слышимых) колебаний лежат в диапазоне от 17-20 Гц до 20 кГц.

Реальные звуки помимо громкости и частоты характеризуются также тембром. В этом случае кроме основного тона (колебания основной частоты) в сигнале присутствуют также колебания более высоких частот - обертоны. Именно амплитудами обертонов и характеризуется тембр (насыщенность) звука.

Оцифровка звукового сигнала

В общем случае IBM PC-совместимые компьютеры имеют несколько воз­можностей для генерирования (воспроизведения) звука с использованием звуковой карты. Выбор способа зависит в первую очередь от типа конкрет­ной карты (аудиоадаптера). Обычно в функциональном составе звуковых плат можно выде­лить следующие узлы:

• модуль для записи и воспроизведения звука;

• модуль синтезатора;

• модуль интерфейсов.

Таким образом, для воспроизведения звука используется циф­ро-аналоговое преобразование. В этом случае цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов) и преобразовываются в аналоговый сигнал через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП - DAC).

В состав аудиоадаптера входит аналого–цифровой преобразователь (АЦП - ADC), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. АЦП служит для дискретизации реального сигнала по времени и квантования по уровню. Для этого, как правило, используются ADC с импульсно-кодовой модуляцией РСМ (Pulse Code Modulation). ADC пред­ставляет из себя устройство, способное формировать из аналогового сигнала эквивалентный цифровой сигнал. Аналоговый сигнал "проверяется" в строго определенные (равноудаленные и дискретные) моменты времени. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (Sampling Interval). Величина, обратная интервалу (точнее времени) выборки, называется частотой пре­образования, или сэмплингом (Sampling Rate).

Полученная в результате амплитуда аналогового сигнала, или значение выборки (Sample Value), делится (квантуется) по уровню и кодируется в со­ответствующий параллельный цифровой код (Digital Sample). Для преобразования выборки аналогового сигнала в цифровой код требуется некоторое время. Оно обычно называется временем преобразования, или временем выборки (Sampling Time).

Преобразование аналогового сигнала в цифровой можно произвести только с какой-то степенью точности. Под разрешающей способностью ADC понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое может привести к изменению цифрового кода. Например, 8-разрядный преобразо­ватель может квантовать амплитуду сигнала на 256 (2⁸), 16-разрядный - на 65536 (2¹⁶) интервалов. Та­ким образом, в заданном входном диапазоне 8-разрядный ADC "заметит" отклонение аналогового сиг­нала, если тот изменится не менее чем на 1/256 часть своего максимального зна­чения.

Значение каждого кванта округляется до ближайшего целого числа, и, если величина амплитуды больше определенного интер­вала, то происходит клиппинг (clipping), т.е. отсечение верхней и нижней вершин волны звукового сигнала. Квантование сигнала может вызвать не­желательный шипящий шум, а клиппинг приводит к большому искажению звука.

ADC звуковых карт обычно имеют разрядность 8, 12 или 16 бит. С увели­чением разрядности АЦП растет его динамический диапазон. Каждый бит соответствует примерно 6 дБ (децибелам). В этом случае 8-разрядное пре­образование может обеспечить динамический диапазон 48 дБ (качество кассетного магнитофона), 12-разрядное - 72 дБ (качество аналогового маг­нитофона с катушками) и 16-разрядное - 96 дБ (качество, ассоциируемое с компакт-диском).

Для воспроизведения звука служит ЦАП, который выполняет обратное преобразование (параллельный код - аналоговый сигнал). После фильтра­ции выходной аналоговый сигнал поступает на усилитель мощности, откуда он может быть выведен на акустическую систему.

Синтез звука

Наряду с воспроизведением звука практикуется его синтез, при котором ком­пьютер передает на звуковую карту некоторую управляющую информацию, по которой и формируется выходной аналоговый сигнал. В настоящее вре­мя главным образом применяются две основные формы синтеза звукового сигнала:

1) синтез с использованием частотной модуляции (Frequency Modulation) - FM-синтез;

2) синтез с использованием таблицы волн (Wave Table) - табличный, или WT-синтез.

Помимо синтеза компьютер также может управлять устройством, которое либо выдает команды для синтеза звука другим устройством, либо само способно воспроизводить (или синтезировать) звук. В этом случае специ­альная управляющая информация между такими устройствами передается по так называемому MIDI-интерфейсу, а устройство, подключаемое к тако­му интерфейсу, называется MIDI-устройством.

Не менее распространенным способом воспроизведения звука с компью­тера со звуковой картой является управление приводом CD-ROM или DVD-ROM, в кото­ром находится компакт-диск с записанной на нем аудиоинформацией.

FM-синтез

Цифровой FМ-синтез звука осуществляется с использованием специаль­ных генераторов сигналов, называемых также операторами. В операторе можно выделить два базовых элемента: фазовый модулятор и генера­тор огибающей.

Фазовый модулятор опреде­ляет частоту (высоту) тона, а ге­нератор огибающей - его ампли­туду (громкость).

При нажатии клавиши н синтезаторе амплитуда сигнала сначала быстро возрастает до максимума, затем немного спадает, после чего следует сравни­тельно короткий, но равномерный участок, и только затем происходит дос­таточно медленный спад амплитуды. Вышеназванные фазы сигнала реализуются генератором огибающей и носят названия соответственно Attack, Decay, Sustain и Release, а сам генератор (по их первым буквам) часто называется ADSR-генератором,

В общем случае, для того чтобы воспроизвести голос одного инструмента, достаточно двух операторов. Первый оператор генерирует несущие коле­бания, то есть основной тон, а второй - модулирующую частоту, или обер­тона - интенсивность звука определяется амплитудой носителя, а тембро­вая окраска, или насыщенность - обертонами, то есть амплитудой модуля­тора и соотношением частот носителя и модулятора (глубиной модуляции).

Комбинации включения операторов называют FM-алгоритмами, при этом каждый из операторов может формировать одну из определенных форм сигнала (waveform). Для четырехоператорных синтезаторов схемы включения более сложные и задаются FM-алгоритмами, которые определяют, какой из операторов выступает генератором основного тона, а какой - модулятором, а также способы их включения и т.д.

WT-синтез

Суть технологии WT-синтеза состоит в следующем. На звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с “зашитыми” в него образцами звучания настоящих музыкальных инструментов - сэмплами (Samplers), при этом WT-процессор с помощью специальных алгоритмов по одному тону инструмента воспроизводит все его остальные звуки. Кроме того, многие производители оснащают свои звуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записывать произвольные сэмплы, но и загружать новые инструменты.

Выборки сигналов (таблицы) сохраняются либо в ПЗУ, либо программно загружаются в ОЗУ звуковой карты. WT-процессор выполня­ет операции над выборками сигнала, изменяя их амплитуду и частоту. Звук инструментов, получаемый таким образом более похож на звучание реальных инструментов, нежели, например, при FM-синтезе.

Управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) устройства. MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDI-сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки. Когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается.

Подготовка цифровых аудиофайлов

При подготовке цифровых аудиофайлов следует уделить внимание двум аспектам:

· сопоставлению требуемого качества звука с имеющимся объемом
оперативной памяти и дискового пространства;

· установке соответствующего уровня записи для получения хорошей, чистой записи звука.

Стереозапись ближе по звучанию к реальности. Приведем формулу для расчета размера (в байтах) цифрового аудиофайла:

Для монофонического звучания:

(частота квантования) х (время записи в секундах) х (разрешение бит / 8)

Для стереозвука:

удвоение размера.

Если сигнал, который вводится в компьютер, имеет большие искажения, то в результате получится неприятный фоновый шум. И наоборот, если запись сделана при низком уровне, то фоновый шум может превысить уровень сигнала, т.е. необходим поиск оптимального уровня записи. Любая программа записи и редактирования цифрового звука показывает уровень звучания, поэтому пользователю не составляет сложности установить необходимый уровень записи.