Лекция №11. Мультимедийные технологии.
Цель:иметь представление о мультимедийных технологий и 3-D представление виртуального мира и анимаций.
План:
1. Представление текстовой, аудио, видео и графической информации в цифровом формате. Базовые технологии для сжатия информации.
2. 3-D представление виртуального мира и анимация. Инструменты разработки мультимедийных приложений.
3. Использование мультимедийных технологий для планирования, описания бизнес-процессов и их визуализация.
1. Представление текстовой, аудио, видео и графической информации в цифровом формате. Базовые технологии для сжатия информации.
Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видео информацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде, т. е. используется алфавит мощностью два (всего два символа 0 и 1). Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности электрических импульсов: импульс отсутствует (0), импульс есть (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц - машинным языком.
Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации равное одному биту.
Данный вывод можно сделать, рассматривая цифры машинного алфавита, как равновероятные события. При записи двоичной цифры можно реализовать выбор только одного из двух возможных состояний, а, значит, она несет количество информации равное 1 бит. Следовательно, две цифры несут информацию 2 бита, четыре разряда --4 бита и т. д. Чтобы определить количество информации в битах, достаточно определить количество цифр в двоичном машинном коде.
В зависимости от того, в каком объекте размещены данные, подлежащие сжатию различают:
1. Сжатие (архивация) файлов: используется для уменьшения размеров файлов при подготовке их к передаче каналами связи или к транспортированию на внешних носителях маленькой емкости;
2. Сжатие (архивация) папок: используется как средство уменьшения объема папок перед долгим хранением, например, при резервном копировании;
3. Сжатие (уплотнение) дисков: используется для повышения эффективности использования дискового просторную путем сжатия данных при записи их на носителе информации (как правило, средствами операционной системы).
Существует много практических алгоритмов сжатия данных, но все они базируются на трех теоретических способах уменьшения избыточности данных. Первый способ состоит в изменении содержимого данных, второй - в изменении структуры данных, а третий - в одновременном изменении как структуры, так и содержимого данных.
Если при сжатии данных происходит изменение их содержимого, то метод сжатия называется необратимым, то есть при восстановлении (разархивировании) данных из архива не происходит полное восстановление информации. Такие методы часто называются методами сжатия с регулированными потерями информации. Понятно, что эти методы можно применять только для таких типов данных, для которых потеря части содержимого не приводит к существенному искажению информации. К таким типам данных относятся видео- и аудиоданные, а также графические данные. Методы сжатия с регулированными потерями информации обеспечивают значительно большую степень сжатия, но их нельзя применять к текстовым данным. Примерами форматов сжатия с потерями информации могут быть:
· JPEG - для графических данных;
· MPG - для для видеоданных;
· MP3 - для аудиоданных.
Если при сжатии данных происходит только изменение структуры данных, то метод сжатия называется обратимым. В этом случае, из архива можно восстановить информацию полностью. Обратимые методы сжатия можно применять к любым типам данных, но они дают меньшую степень сжатия по сравнению с необратимыми методами сжатия. Примеры форматов сжатия без потери информации:
· GIF, TIFF - для графических данных;
· AVI - для видеоданных;
· ZIP, ARJ, RAR, CAB, LH - для произвольных типов данных.
Существует много разных практических методов сжатия без потери информации, которые, как правило, имеют разную эффективность для разных типов данных и разных объемов. Однако, в основе этих методов лежат три теоретических алгоритма:
· алгоритм RLE (Run Length Encoding);
· алгоритмы группы KWE(KeyWord Encoding);
· алгоритм Хаффмана.
Алгоритм RLE
В основе алгоритма RLE лежит идея выявления повторяющихся последовательностей данных и замены их более простой структурой, в которой указывается код данных и коэффициент повторения. Например, пусть задана такая последовательность данных, что подлежит сжатию:
1 1 1 1 2 2 3 4 4 4
В алгоритме RLE предлагается заменить ее следующей структурой: 1 4 2 2 3 1 4 3, где первое число каждой пары чисел - это код данных, а второе - коэффициент повторения. Если для хранения каждого элемента данных входной последовательности отводится 1 байт, то вся последовательность будет занимать 10 байт памяти, тогда как выходная последовательность (сжатый вариант) будет занимать 8 байт памяти.
Алгоритмы группы KWE
В основе алгоритма сжатия по ключевым словам положен принцип кодирования лексических единиц группами байт фиксированной длины. Примером лексической единицы может быть обычное слово. На практике, на роль лексических единиц выбираются повторяющиеся последовательности символов, которые кодируются цепочкой символов (кодом) меньшей длины. Результат кодирования помещается в таблице, образовывая так называемый словарь.
Существует довольно много реализаций этого алгоритма, среди которых наиболее распространенными являются алгоритм Лемпеля-Зіва (алгоритм LZ) и его модификация алгоритм Лемпеля-Зіва-Велча (алгоритм LZW). Словарем в данном алгоритме является потенциально бесконечный список фраз. Алгоритм начинает работу с почти пустым словарем, который содержит только одну закодированную строку, так называемая NULL-строка. При считывании очередного символа входной последовательности данных, он прибавляется к текущей строке. Процесс продолжается до тех пор, пока текущая строка соответствует какой-нибудь фразе из словаря. Но рано или поздно текущая строка перестает соответствовать какой-нибудь фразе словаря. В момент, когда текущая строка представляет собой последнее совпадение со словарем плюс только что прочитанный символ сообщения, кодер выдает код, который состоит из индекса совпадения и следующего за ним символа, который нарушил совпадение строк. Новая фраза, состоящая из индекса совпадения и следующего за ним символа, прибавляется в словарь. В следующий раз, если эта фраза появится в сообщении, она может быть использована для построения более длинной фразы, что повышает меру сжатия информации.
Алгоритм LZW построен вокруг таблицы фраз (словаря), которая заменяет строки символов сжимаемого сообщения в коды фиксированной длины. Таблица имеет так называемое свойством опережения, то есть для каждой фразы словаря, состоящей из некоторой фразы w и символа К, фраза w тоже заносится в словарь. Если все части словаря полностью заполнены, кодирование перестает быть адаптивным (кодирование происходит исходя из уже существующих в словаре фраз).
Алгоритмы сжатия этой группы наиболее эффективны для текстовых данных больших объемов и малоэффективны для файлов маленьких размеров (за счет необходимости сохранение словаря).
Алгоритм Хаффмана
В основе алгоритма Хаффмана лежит идея кодирования битовыми группами. Сначала проводится частотный анализ входной последовательности данных, то есть устанавливается частота вхождения каждого символа, встречащегося в ней. После этого, символы сортируются по уменьшению частоты вхождения.
Основная идея состоит в следующем: чем чаще встречается символ, тем меньшим количеством бит он кодируется. Результат кодирования заносится в словарь, необходимый для декодирования. Рассмотрим простой пример, иллюстрирующий работу алгоритма Хаффмана.
Пусть задан текст, в котором бурва 'А' входит 10 раз, буква 'В' - 8 раз, 'С'- 6 раз , 'D' - 5 раз, 'Е' и 'F' - по 4 раза. Тогда один из возможных вариантов кодирования по алгоритму Хаффмана приведен в таблицы 11.
| Символ | Частота вхождения | Битовый код |
| A | ||
| B | ||
| C | ||
| D | ||
| E | ||
| F |
Таблица 11- Кодирования по алгоритму Хаффмана
Как видно из таблицы 1, размер входного текста до сжатия равен 37 байт, тогда как после сжатия - 93 бит, то есть около 12 байт (без учета длины словаря). Коэффициент сжатия равен 32%. Алгоритм Хаффмана универсальный, его можно применять для сжатия данных любых типов, но он малоэффективен для файлов маленьких размеров (за счет необходимости сохранение словаря).
На практике программные средства сжатия данных синтезируют эти три "чистых" алгоритмы, поскольку их эффективность зависит от типа и объема данных. В таблице 12 приведены распространенные форматы сжатия и соответствующие им программыи-архиваторы, использующиеся на практике.
| Формат сжатия | Операционная система MS DOS | Операционная система Windows | ||
| Программа архивации | Программа разархивации | Программа архивации | Программа разархивации | |
| ARJ | Arj.exe | Arj.exe | WinArj.exe | |
| RAR | Rar.exe | Unrar.exe | WinRar.exe | |
| ZIP | Pkzip.exe | Pkunzip.exe | WinZip.exe | WinZip.exe |
Таблица 12- Форматы сжатия и соответствующие им программыи-архиваторы
2. 3-D представление виртуального мира и анимация. Инструменты разработки мультимедийных приложений.
Для создания компьютерной графики используются специальные программы, которые называются 3D-редакторами. Они предоставляют в распоряжение пользователя трехмерное пространство, в котором можно создавать, перемещать и вращать 3D-объекты. Кроме того, в современных 3D-редакторах имеются специальные инструменты, которые заставляют объекты самостоятельно двигаться, то есть создают на их основе анимацию.
Программа 3ds Max, о которой пойдет речь в этом курсе, является именно таким 3D-редактором. Это одно из самых популярных в мире приложений для разработки трехмерной графики, при помощи которого созданы многие известные фильмы, игры и рекламные ролики.
Трехмерная графика - это что-то среднее между компьютерной игрой и съемкой настоящего фильма. Окно 3D-редактора - это окно в виртуальный мир, который является вашей съемочной площадкой. И только вам решать, какой фильм вы будете снимать, какие в нем будут декорации и актеры.
Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:
· моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
· текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
· освещение — установка и настройка источников света;
· анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
· динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
· рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
· композитинг (компоновка) — доработка изображения;
· вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или специальный принтер.
Мультимедиа (multimedia) - это совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: графику, текст, видео, фотографию, анимацию, звуковые эффекты, звуковое сопровождение, человеческую речь.
Мультимедийные технологии - это совокупность современных цифровых средств аудио-, теле-, визуальных и виртуальных коммуникаций, которые позволяют вводить, сохранять, перерабатывать и воспроизводить текстовую, аудиовизуальную, графическую, трёхмерную и иную информацию.