История развития мультимедийных средств. представление графики, звука, видео в компьютерных системах

     Научно  – просветительская или образовательная  цель. Использование мультимедиа продуктов с этой целью идёт по двум направлениям:

     1. Отбор путём чрезвычайно строгого  анализа из уже имеющихся рыночных  продуктов тех, которые могут  быть использованы в рамках  соответствующих курсов. Как показывает  практика, задача отбора чрезвычайно  сложна, поскольку лишь немногие  готовые продукты могут соответствовать  тематике преподаваемых курсов  и тем высоким требованиям  к достоверности, репрезентативности  и полноте материала, которые,  как правило, предъявляются преподавателями.  Это связано с тем, что в  создании продуктов не принимают  участие специалисты – «предметники»,  обладающие необходимыми знаниями  в представляемой области.

     2. Разработка мультимедийного продукта  преподавателями в соответствии  с целями и задачами учебных  курсов и дисциплин.

     Научно  – исследовательские  цели. Здесь явно существует путаница в терминологии. В «чистых» научных разработках действительно активно используется программное обеспечение, применяемое и в продуктах, созданных на основе мультимедиа – технологии. Однако сумма эта технология вряд ли может удовлетворять условиям и процессу научного поиска, подразумевающему динамичное развитие процесса познания, поскольку она фиксирует одномоментное состояние или достигнутый результат, не давая возможности что – либо изменить в нём. В этом смысле, данные средства могут применяться лишь на этапе публикации итогов исследования, когда вместо привычных «твёрдых» полиграфических изданий мы получаем мультимедиа продукт. Наиболее очевидная и почти автоматически вспоминаемая область применения мультимедиа продуктов в научно – исследовательской области – это электронные архивы и библиотеки – для документирования коллекций источников и экспонатов, их каталогизации и научного описания, для создания «страховых копий», автоматизации поиска и хранения, для хранения данных о местонахождении источников, для хранения справочной информации, для обеспечения доступа к внемузейным базам данных и т. д. Деятельность по разработке и осуществлению этих направлений архивно – музейной научной работы координируется Международным комитетом по документации (CIDOC) при Международном совете музеев, Музейной компьютерной сетью при Комитете по компьютерному обмену музейной информации (CIMI), а также Международной программой Гетти в области истории искусства (AHIP). Кроме этого, названные организации занимаются разработкой единых международных стандартов документирования и каталогизации музейных и архивных ценностей, осуществлением возможностей обмена информационными компонентами исследовательских систем.

     MULTIMEDIA (мультимедиа) – модное слово  в компьютерном мире, в переводе  с английского означает «многосредность»  и этим термином определяется  заветная мечта большинства пользователей  компьютерной техники. Это понятие  определяет информационную технологию  на основе программно – аппаратного  комплекса, имеющего ядро в  виде компьютера со средствами  подключения к нему аудио –  и видеотехники. Компьютер, снабжённый  платой мультимедиа, немедленно  становится универсальным обучающим  или информационным инструментом  по практически любой отрасли  знания и человеческой деятельности. Очень большие перспективы перед  мультимедиа в медицине: базы  знаний, методики операций, каталоги  лекарств и т. п. В сфере  бизнеса фирма по продаже недвижимости  уже используют технологию мультимедиа  для создания каталогов продаваемых  домов. 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  тренажёров на основе таких  дисков. Быстро возникают фирмы,  специализирующиеся на производстве  изданий гипермедиа – книг, энциклопедий, путеводителей. Помимо «информационных»  применений должны проявиться  и «креативные», позволяющие создавать  новые произведения искусства.  Уже сейчас станция мультимедиа  становится незаменимым авторским  инструментом в кино и видеоискусстве. 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 дополнительную  или разъясняющую информацию. Системы,  понимающие естественный язык, распознаватели  речи ещё более расширяют диапазон  взаимодействия с компьютером.

     Ещё 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 – система с двумя миниатюрными стереодисплеями, квадранаушниками, специальных  сенсорных перчаток и даже костюма вы можете «войти» в сгенерированный или смоделированный компьютером мир, повернув голову, посмотреть налево или направо, пройти дальше, протянув руку вперёд – и увидеть её в этом виртуальном мире; можно даже взять какой – либо виртуальный предмет и переставить его в другое место; можно таким образом строить, создавать этот мир изнутри.  

     5. Типы данных мультимедиа  – информации  и средства их  обработки. 

     Стандарт MPC (точнее средства пакета программ Multimedia Windows – операционной среды для  создания и воспроизведения мультимедиа  – информации) обеспечивают работу с различными типами данных мультимедиа. Мультимедиа – информация содержит не только традиционные статистические элементы: текст, графику, но и динамические: видео -, аудио – и анимационные последовательности.

     НЕПОДВИЖНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ. Сюда входят векторная  графика и растровые картинки; последние включают изображения, полученные путём оцифровки с помощью  различных плат захвата, грабберов, сканеров, а также созданные на компьютере или закупленные в  виде готовых банков изображений. Максимальное разрешение – 640*480 при 256 цветных (8 бит/пиксел); такая картинка занимает около 300 Кбайт  памяти; сжатие стандартно пока не обеспечивается. Средства работы с 24 – битным цветом, как правило, входят в состав сопутствующего программного обеспечения тех или  иных 24 – битных видеоплат; в составе Windows такие инструменты пока отсутствуют. Человек воспринимает 95% поступающей  к нему информации визуально в  виде изображения. 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 объёма информации путём использования  меньшего количества байт.

     Оптимизация (сжатие) – представление графической информации более эффективным способом, другими словами «выжимание воды» из данных. Требуется использовать преимущество трёх обобщённых свойств графических данных: избыточности, предсказуемости и необязательности.

     Схема, подобная групповому кодированию (RLE), которая использует избыточность, говорит: «здесь три идентичных жёлтых пикселя», вместо «вот жёлтый пиксель, вот ещё  один жёлтый пиксель и т. д.». 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 кодирование  с потерями («JPEG сжатие 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.

     Сетевая графика представлена преимущественно  двумя форматами файлов – GIF (Graphics Interchange Format) и JPG (Joint Photographiсs Experts Group). Оба  эти формата являются компрессионными, то есть данные в них уже находятся  в сжатом виде. Каждый из этих форматов имеет ряд настраиваемых параметров, позволяющих управлять соотношением качество – размер файла, влияющего  на восприятие, добиваться уменьшения объёма графического файла, иногда в  значительной степени. Степень сжатия графической информации в GIF не только от уровня её повторяемости и предсказуемости, но и от направления, т. к. сканирование рисунка производится построчно. JPG формата как такового не существует. В большинстве случаев это файлы форматов JFIF и JPEG – TIFF сжатые по JPEG технологиям общепринятой терминологии. Алгоритм сжатия JPEG с потерями не очень хорошо обрабатывает изображения с небольшим количеством цветов и резкими границами их перехода. Например, нарисованную в обыкновенном графическом редакторе картинку или текст. Для таких изображений более эффективным может оказаться их представление в GIF – формате. В то же время он незаменим при подготовке к web – публикации фотографий. Этот метод может восстанавливать полноцветное изображение практически неотличимое от подлинника, используя, при этом около одного бита на пиксель для его хранения. Алгоритм сжатия JPEG достаточно сложен, поэтому работает медленнее большинства других. Кроме того,  к этому типу сжатия относится несколько близких по своим свойствам JPEG технологий. Основным параметром, присутствующим у всех них является качество изображения (Q – параметр) измеряемое в процентах. Размер выходного JPG – файла находится в прямой зависимости от этого параметра, т. е. при уменьшении «Q», уменьшается размер файла. 

     6. Видео и анимация. 

     Сейчас, когда сфера применения персональных компьютеров всё расширяется, возникает  идея создать домашнюю видеостудию  на базе компьютера. Однако, при работе с цифровым видеосигналом возникает  необходимость обработки и хранения очень больших объёмов информации, например, одна минута цифрового видеосигнала с разрешением SIF (сопоставим с VHS) и  цветопередачей true color (миллионы цветов) займёт (228*358) пикселов * 24 бита * 25 кадров/с * = 442 Мб, то есть на носителях, используемых в современных ПК, таких, как компакт  – диск (CD – ROM, около 650 Мб) или жёсткий  диск (несколько гигабайт) сохранить  полноценное по времени видео, записанное, в таком формате не удастся. С  помощью MPEG – сжатия объём видеоинформации  можно заметно без заметной деградации изображения.

     MPEG – это аббревиатура от Moving Picture Experts Group. Эта экспертная группа работает под совместным руководством двух организаций ISO (Организация по международным стандартам) и IEC (Международная электротехническая комиссия). Официальное название группы – ISO/IEC JTCI SC 29 WG 11. Её задача – разработка единых норм кодирования аудио – и видео сигналов. Стандарты MPEG используются в технологиях CD – i 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  синхронизованных видеоизображений (обычно в формате SIF, 228*358) и  звукового сопровождения на CD –  ROM с учётом максимальной скорости  считывания около 1,5 Мбит/с. 

     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 объёмов  видеоматериала.

     MPEG – 3 предназначен для использования  в системах телевидения высокой  чёткости (high – defenition television, HDTV)со  скоростью потока данных 20 – 40 Мбит/с, но позже стал частью  стандарта MPEG – 2 и отдельно  теперь не упоминается. 

     MPEG – 4 задаёт принципы работы  с цифровым представлением медиа  – данных для трёх областей: интерактивного мультимедиа (включая  продукты, распространяемые на оптических  дисках и через Сеть), графических  приложений и цифрового телевидения.

     Как происходит сжатие? Базовым объектом кодирования в стандарте MPEG является кадр телевизионного изображения. Поскольку  в большинстве фрагментов фон  изображения остаётся достаточно стабильным, а действие происходит только на переднем плане, сжатие начинается с создания исходного кадра. Исходные (Intra) кадры  кодируются только с применением  внутрикадрового сжатия по алгоритмам, аналогичным используемым в JPEG. Кадр разбивается на блоки 8*8 пикселов. Над  каждым блоком производится дискретно  – косинусное преобразование (ДКП) с последующим квантованием полученных коэффициентов. Вследствии высокой  пространственной корреляции яркости  между соседними пикселями  изображения, ДКП приводит к концентрации сигнала  и низкочастотной части спектра, который после квантования эффективно сжимается с использованием кодирования  кодами переменной длины. Обработка  предсказуемых (Predicted) кадров производится с использованием предсказания вперёд по предшествующим исходным или предсказуемым кадрам. Кадр разбивается на макроблоки 16*16 пикселов, каждому макроблоку ставится в соответствие наиболее похожий участок изображения из опорного кадра, сдвинутый на вектор перемещения. Эта процедура называется анализом и компенсацией движения.