Устройства ввода - вывода звука

Считается, что эпоха мультимедиа началась с того, что компьютер стал членораздельно воспроизводить звуки человеческого голоса и проигрывать стереофонические записи электромузыкальных инструментов с помощью встроенного синтезатора. Для этого потребовалось оснастить ПК целым рядом "чуждых" для него устройств: аудиоадаптером, микрофоном и стереофоническими акустическими системами. В итоге некоторые мультимедиа-ПК стали походить больше на аудиостереокомплекс, чем на компьютер.

Главное из этих устройств - аудиоадаптер. С легкой руки ныне хорошо известной Сингапурской фирмы Creative Labs, первой создавшей аудиоадаптер для массовых ПК и назвавшей его "Sound Blaster", аудиоадаптер (или звуковая карта) так и стал именоваться SoundBlaster (в переводе Орудие Звука).

Современный аудиоадаптер - довольно сложное устройство.

Он содержит:

· Входы: линейный вход, микрофонный вход, вход для CD ROM, независимый вход для микширования сигналов

· Вход и выход для МИДИ - сигналов.

· Нормирующие входные усилители

· Входной смеситель сигналов - микшер

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования аналоговых входных звуковых сигналов в цифровые коды,

· сигнальный процессор DSP (или более современный расширенный ASP) для воспроизведения ряда специальных звуковых эффектов (объемный звук, эхо и т.д.) и реализации сложных методов обработки звуковых сигналов (подавление шумов, система DOLBY и т.д.), а также для аппаратной реализации систем компрессии/декомпрессии оцифрованных звуковых сигналов,

· цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для превращения цифровых кодов (хранящихся в файлах) вновь в аналоговые сигналы,

· синтезатор музыкальных звуков, удовлетворяющий стандарту MIDI на электромузыкальные инструменты и их интерфейс, это может быть FM - синтезатор или волновой синтезатор музыкальных звуков с выбором их из таблицы (иначе -табличный синтезатор).

· стереофонический выходной усилитель и микшер

Работу аудиоадаптера можно представить следующим образом. При записи звука сигналы от разных источников (микрофона, линии, проигрывателя звуковых компакт-дисков и музыкального синтезатора) усиливаются и нормируются по уровню сигналов. Затем эти сигналы подаются на устройство смешения сигналов - микшер. С выхода микшера сигналы поступают на АЦП и превращаются в обычные цифровые коды , с которыми может работать ПК и которые можно записывать на магнитные диски. Правда, предварительно эти сигналы подвергаются сжатию (компрессии) как на аппаратном, так и на программном уровне. Таким образом формируются файлы WAV.

Записанные на диск звуковые файлы в дальнейшем могут считываться с дисков и содержащиеся в них коды подаются на ЦАП. Затем после фильтрации (подчас достаточно сложной) полученные аналоговые сигналы через электронный регулятор громкости подаются на входы стереофонического усилителя мощности. Наконец с него они подаются на звуковые колонки, преобразующие электрические сигналы в акустические, которые мы и слышим.

Конструктивно аудиоадаптер выглядит как обычная печатная плата с набором радиокомпонентов. Она вставляется в разъем расширения (слот) материнской платы ПК и соединяется с приводом CD-ROM двумя кабелями -широким ленточным кабелем интерфейса и тонким звуковым кабелем для выходных сигналов CD-ROM.

На плате аудиоадаптера обычно имеется множество переключателей для установки следующих параметров:

· базовых адресов ввода/вывода узлов аудиоадаптера,

· номера канала прямого доступа к памяти DMA,

· номеров используемых прерываний IRQ.

Важно отметить, что любое устройство ПК должно иметь свои значения этих параметров (разные для разных устройств). Именно поэтому установка переключателей - дело не простое и не под силу начинающему пользователю. С большими трудностями, особенно если ПК оснащен рядом дополнительных периферийных устройств (например сканером, стримером, видеобластером и т.д.), могут столкнуться и опытные пользователи.

Кроме того, на плате аудиоадаптера обычно установлены перекидные переключатели (в виде штырьков с перемычками) включения/выключения игрового порта (для джойстиков), переключения выхода с громкоговорителей на линию, разъемы для подключения CD-ROM и MIDI- интерфейса электромузыкальных инструментов, панели для установки цифрового сигнального процессора и дополнительных микросхем памяти для волновых синтезаторов музыкальных звуков. На сторону платы, выходящую на заднюю стенку системного блока ПК, выводятся следующие органы:

· разъем для подключения микрофона,

· разъем для подключения стерео наушников,

· регулятор уровня выходного сигнала,

· выход стереосигналов для акустической аппаратуры.

Из описанного вытекает, что подключение аудиоадаптера (и иных аппаратных средств) требует определенных навыков. Самая большая трудность - правильная установка переключателей. Именно она стала побудительным мотивом к разработке спецификации Plug and Play (Включи и Работай), которую поддерживает Windows 98 . Подавляющее большинство выпускаемых в настоящее время аудиоадаптеров спецификацию Plug and Play поддерживают. Уже стали появляться программноуправляемые аудиоадаптеры, удовлетворяющие этой спецификации и имеющие минимум перекидных переключателей (или даже не имеющих их вообще).

Кроме того, довольно большая часть компьютеров выпускается в соответствии со стандартом на мультимедийные компьютеры, там этих проблем вообще нет - все мультимедийное оборудование уже установлено в компьютере.

Кроме платы аудиоадаптера в аудиовооружение ПК должен входить динамический микрофон и звуковые колонки (аудиосистемы). Колонки могут быть пассивными (без встроенных усилителей) и активными (с встроенными усилителями). Усилители аудиоадаптера имеют малую мощность - чаще всего 4-6 Вт, да и то при малых искажениях звука и эта мощность не достигается. Поэтому пассивные звуковые колонки обеспечивают небольшую громкость звучания, поскольку работают от встроенного в аудиоадаптер усилителя мощности. Зато активные колонки могут быть любой мощности и габаритов. Они могут обеспечивать оглушающую громкость звуков и высокое качество звучания.

Платы для работы с видео

Устройства ввода видеокадров в компьютер должны обеспечивать следующие потребительские свойства:

· прием низкочастотного видеосигнала (от видеокамеры, магнитофона или телевизионного тюнера);

· отображение принимаемого видео в реальном времени в масштабируемом окне среды Windows (SVGA–монитор можно использовать вместо ТВ для просмотра и контроля);

· замораживание кадра оцифрованного видео;

· сохранение захваченного кадра на винчестере или другом доступном устройстве хранения информации в виде файла в одном из принятых графических стандартов (*.TIF, *.TGA, *.PCX, .GIF и др.).

Эти видеоплаты называются захватчиками изображений, устройствами видеоввода, ТВ–грабберами (от английского grab — «захватывать»), имиджкепчерами (image capture — «захват изображения»), просто видеобластерами. Их принципиальная схема с определенными оговорками сводится к следующим базовым элементам, реализованным соответствующими наборами микросхем.

Первым и самым важным из них является видеодекодер, обеспечивающий прием сигнала с одного из видеовходов, его оцифровку, цифровое кодирование согласно телевизионному стандарту и передачу полученных данных следующему элементу — видеоконтроллеру.

Наиболее важными характеристиками видеодекодера являются:

· виды принимаемых низкочастотных видеосигналов;

· поддерживаемые телевизионные стандарты;

· частота и глубина оцифровки;

· возможность регулировки оцифрованного сигнала.

Низкочастотный телевизионный видеосигнал является композитным, то есть представляет собой результат сложения яркостного сигнала Y, двух цветовых поднесущих, модулированных сигналами цветности U и V, а также синхроимпульсов. Видеомагнитофоны и камеры классов VHS (Video Home System) и Video–8 работают только с композитными видеосигналами, при этом разрешение ограничено 240 телевизионными линиями. Кроме того, даже полный учет всех различий сигналов все равно не позволяет идеально разделить их. Поэтому более эффективным оказывается использование не единого композитного сигнала, а двух композитных сигналов Y/C: Y, как и ранее, несет яркостный сигнал и синхроимпульсы, а C (Chrominance) — модулированные цветовые сигналы. Такой сигнал называют S–Video (или S–VHS), он применяется при записи/воспроизведении в аппаратуре классов S–VHS и Hi–8. Считается, что при этом обеспечивается разрешение в 400 линий.

Следующим шагом к повышению качества является переход к компонентному сигналу YUV. Он используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и связан с поддержкой разрешения до 500 линий.

Полезной особенностью декодера является возможность регулировки принимаемого видеосигнала по яркости, насыщенности, контрастности и другим телевизионным параметрам. Это позволяет учитывать конкретные условия съемки и в определенных рамках компенсировать недостатки изображения до его сохранения. При этом визуальный контроль процесса настройки можно осуществлять по формируемому изображению в ТВ–окне SVGA–монитора.

Еще одной важной характеристикой декодера является глубина оцифровки, задаваемая числом бит на отсчет. Для получения полноценного изображения считается необходимым 16 млн цветовых оттенков (так называемый режим TrueColor — «реальные цвета»), что требует 8 бит на пиксель.

Таким образом, качественный декодер должен принимать с возможностью регулировки как композитный, так и S–Video–сигналы стандартов PAL/SECAM/NTSC и осуществлять их 8–битную оцифровку (обозначается YUV 4:2:2).

Видеоконтроллер выполняет ключевую роль в организации потоков оцифрованных данных между элементами видеоплаты. Он осуществляет необходимые цифровые преобразования данных (например, YUV в RGB, масштабирование) и организует их хранение в буфере памяти видеоокна — третьем элементе.

Необходимо отметить, что существует два варианта: буфер памяти под видеоокно может быть выделенным и располагаться на плате видеоввода или для буфера видеоокна может использоваться основная память видеоадаптера.

В завершение отметим, что различные режимы функционирования элементов видеоплат являются принципиально возможными, но их практическая реализация во многом зависит от эффективности и корректности управляющего программного обеспечения. ПО, например, определяет точность цветовой калибровки оцифрованных данных для различных ТВ–стандартов, поддерживаемые VGA–режимы и т. д.

Как организовано устройство захвата отдельных видеопоследовательностей. До сих пор мы рассматривали только задачу захвата и сохранения отдельных ТВ–кадров. Но нередко возникает необходимость оцифровки видеофрагмента продолжительностью от нескольких секунд до минут. Прямое решение поставленной задачи ввода видеопоследовательности пока не представляется возможным.

Дело в том, что кадр 768х576 в представлении YUV 4:2:2 требует 864 Кбайт, соответственно за 1 секунду (25 кадров) оцифровывается 21 Мбайт. К сожалению, реально достижимая скорость обработки данных на обычных PC значительно меньше. Снижения потока до достижимых величин можно достичь за счет следующих приемов: уменьшения размера кадров и числа цветов;уменьшения частоты кадров; использования компрессии видео.

Первые два являются наиболее очевидными, но приводят к резкому ухудшению визуального качества видео — действительно, трудно примириться с «дергающейся» картинкой этикеточного размера. Поэтому последний метод представляется наиболее эффективным. Существует множество различных алгоритмов видеокомпрессии: от сравнительно простых — как RLE, Cinepak до сложных — как Intel Indeo, M–JPEG и весьма изощренных — как фрактальный метод фирмы Integrated Systems.

Компрессия отдельных кадров без потери информации на реальных сюжетах, содержащих много мелких деталей и цветовых неоднородностей, обеспечивает коэффициент сжатия не более двух. Дальнейшее повышение компрессии неизбежно связано с потерей информации и определенным понижением качества: размыванием границ, искажением цветов, возникновением различного рода артефактов.

Общепризнанным стандартом сжатия отдельных кадров стал JPEG–алгоритм, основанный на разбиении изображения на блоки 8х8, их дискретном косинусном преобразовании и высокочастотной фильтрации полученного спектра. В результате на границах отдельных блоков нарушается гладкость представления, поэтому характерным признаком JPEG–изображения является его видимая блочная структура. Однако при коэффициенте сжатия не более 1:15 данные погрешности почти незаметны. Более того, считается, что сжатие до 1:5 (видеопоток 4—6 Мбайт/с) соответствует профессиональному качеству, обеспечиваемому видеоаппаратурой класса Betacam, а до 1:10 (видеопоток 2—3 Мбайт/с) — качеству, характерному для S–Video. Существенным достоинством данного алгоритма является его симметричность — восстановление производится обратным косинусным преобразованием и требует тех же ресурсов и временных затрат, что и компрессия.

Важной ступенью в развитии рассматриваемых устройств стала разработка и использование микросхем аппаратной компрессии, позволяющих в реальном времени захватывать и сжимать видео. Первым появился Intel Smart Video Recorder. Он построен на базе DVI–процессора Intel 82750PE, реализует алгоритм компрессии Intel Indeo и обеспечивает до 25 кадр/с при максимальном разрешении 320х240. Необходимо подчеркнуть, что декомпрессия Indeo–файлов выполняется программным способом. Иначе говоря, сжатое видео может быть проиграно на любом достаточно быстром компьютере.

Но к поистине революционному изменению мира цифрового видео привело появление недорогих микросхем M–JPEG–компрессии (фирм LSI Logic и Zoran), аппаратно реализующих JPEG–компрессию отдельных телевизионных полей 768х576 с частотой до 50 Гц в реальном масштабе времени. На их базе было создано множество доступных по цене видеоплат, позволяющих как записывать на винчестер, так и воспроизводить с него реальное видео с коэффициентами компрессии от 120 до 5. Это вызвало настоящий бум систем нелинейного монтажа, позволяющих захватывать отдельные видеофрагменты в PC, осуществлять их цифровое редактирование (а возможности современных программ Adobe Premiere 4.0 или Ulead MediaStudio 2.5 почти безграничны) и последующую склейку/вставку в исходный фильм.

Итак, при выборе устройства ТВ–ввода в первую очередь следует обращать внимание на следующие параметры: число поддерживаемых ТВ–систем рекомендуется PAL/SECAM, 1 вход композитный, 1 S–Video); точность оцифровки входного сигнала (рекомендуется YUV 4:2:2); физическое разрешение изображения (рекомендуется 768х576х16 млн цветов — TrueColor); размер внутреннего буфера памяти (если он есть) и ее организация (не менее 1 Мбайт при YUV 4:2:2); наличие аппаратных схем M–JPEG компрессии/ декомпрессии; возможность подстройки входного сигнала; наличие ограничений на размер ОЗУ компьютера, способ связи с SVGA (требование feature–коннектора); наличие ограничений на степень компрессии и на скорость передачи данных; поддерживаемые режимы просмотра видео в среде Windows (рекомендуется не меньше 800х600х64 тыс. цветов); визуальное качество оцифрованного изображения (точность цветопередачи, разрешение мелких деталей; лучше оценивать по тестам).

По каким критериям следует оценивать платы видеозахвата.

Системы телевидения.

Одним из важных показателей платы является то, в какой системе телевидения она может работать. Лучше всего, чтобы плата была мультисистемной, то есть поддерживала бы PAL, NTSC и SECAM. Однако надо учитывать (особенно при покупке за рубежом), что некоторые платы имеют свою версию для каждой из систем, в этом случае надо естественно, брать PAL-версию. Небольшое количество плат поддерживают простейшие функции транскодирования, однако качество преобразования чаще всего оставляет желать лучшего.

Виды сигналов.

Следующая важная характеристика - с какими видами сигналов работает плата. Здесь выбор зависит прежде всего от имеющейся у вас видеоаппаратуры. Например если вы работаете со стандартом S-VHS, нет смысла переплачивать за компонентные (YUV/RGB) входы/выходы, наверняка можно найти более приемлимое решение. Некоторые платы имеют версию с S-Video входами с возможностью upgrade до компонентной или цифровой (как правило D1) версии и, если вы расчитываете на перспективу, это может стать неплохим выбором.
Отдельный разговор - о формате DV. Многие фирмы выпустили недорогие видеокамеры этого формата, но в данном случае имеет смысл говорить лишь о тех, которые поддерживают стандартный интерфейс IEEE 1394 FireWare. Для того, чтобы вводить в компьютер данные в цифровой форме, сушествует два готовых решения. Первое - помимо платы видеозахвата , использовать отдельную плату интерфейса FireWare - такие платы выпустили по крайней мере три производителя. В этом случае для получения доступа к видеоматериалу надо сначала ввести видеоданные с камеры (кассеты) в компьютер по цифровому каналу, после чего программно сконвертировать их в формат "понятный" вашей плате видеозахвата . Время конвертации - 5-8 "реальных времен", кроме того из-за рекомпрессии возможно некоторое падение качества. После этого видеоматериал можно обработать на компьютере и сбросить на ленту уже в аналоговой форме. Такая конфигурация хорошо подходит тем, у кого уже есть плата видеозахвата.

3.Компрессия.

Этот параметр один из наиболее важных, определяющих качество оцифровки видеосигнала платой, поэтому расскажем о нем подробнее. Полный поток видеоданных слишком велик, чтобы быть записанным напрямую (если использовать для записи один жесткий диск), и для его уменьшения применяют сжатие (компрессию). Естественно, при этом снижается качество видеоматериала, поэтому чем меньше сжатие, тем лучше качество, но тем больше места на диске занимает каждый кадр, поэтому нужно найти приемлимый компромисс. Чтобы лучше разобраться с этим параметром необходимо знать следующее: Один видеокадр стандарта PAL полного разрешения содержит 768x576=442368 точек. В большинстве современных плат используется кодировка выборкой 4:2:2 YUV. При этом яркости сигнала (Y) соответствует 8 бит и по четыре бита приходится на каждую из цветоразностных составляющих (U и V), всего получается 16бит(2 байта) на точку. Значит один кадр занимает 442368x2=884736Байт=0.84375МБайт. Поскольку в стандарте PAL используется частота 25 кадр/с, то полный поток некомпрессированных видеоданных составит 0.84375x25=21.1МБайт/с, а для стандарта NTSC - 17.6Мбайт/с. На эту разницу следует обратить внимание, поскольку фирмы - производители обычно указывают минимальную компрессию для стандарта NTSC, а так как поток там меньше, то и степень компрессии ниже.

Сейчас существует несколько плат, с помощью которых можно записывать видео в цифровой форме без компрессии. Все они используют встроенные сдвоенные контроллеры и требуют для работы минимум четыре жестких диска AV(AudioVideo) формата SCSI (WIDE SCSI). При современной цене на эти диски область применения таких плат довольно узка. Из-за большой стоимости хранения одной минуты видеоматериала без сжатия (примерно 350$), такие платы могут применяться, в основном, для высококачественного сброса компьютерной графики и монтажа коротких видеофрагментов (рекламные ролики, клипы, заставки и т.п.)

Режим overley.

Если плата поддерживает этот режим, то вы можете просматривать "живое" полноэкранное видео на компьютерном мониторе. Данная возможность позволяет сделать работу более простой и наглядной, кроме того отпадаает необходимость постоянно пользоваться видеомонитором (или телевизором) для просмотра видеоматериала. Запомните - оверлей должен быть "чистым" - без подёргиваний и стробирования. Если такой режим есть, следует узнать, при каких разрешениях и с какими графическими адаптерами он обеспечивается, иначе возможно, понадобится менять SVGA-карту.

Звуковые возможности.

Естественно, вы хотите оцифровывать видео совместно со звуком. В недорогих платах видеозахвата для этой цели требуется использовать отдельную звуковую карту, которая, впрочем сегодня имеется в большинстве компьютеров. При этом могут иногда возникать проблемы с синхронизацией звук-видео ( обычно при воспроизведении звук постепенно опережает видео). Чтобы этого не случилось, необходимо узнать с какими именно звуковыми картами нормально работает данная плата захвата видео. Некоторые из них имеют специализированную звуковую плату, поставляющуюся отдельно. Конечно лучше всего, если звук встроен в саму плату видеозахвата , тогда большинство прблем снимается.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: