Физические и цифровые основы компьютера

Цветное изображение сканерами считывается за три прохода (с помощью RGB-светофильтра). Но некоторые сканеры имеют три параллельные линейки фотоприемников, и тогда сканирование цветных оригиналов осуществляется за один проход, так как каждая линейка считывает один из трех базовых цветов.

В зависимости от способа сканирования объекта существуют следующие виды сканеров:

1. Планшетные - наиболее распространённый вид сканеров, поскольку обеспечивает максимальное удобство для пользователя, высокое качество и приемлемую скорость сканирования. У планшетных сканеров сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Первоначально использовались для сканирования непрозрачных оригиналов. Почти все модели имеют съемную крышку, что позволяет сканировать "толстые" оригиналы (журналы, книги). Дополнительно некоторые модели могут оснащаться механизмом подачи отдельных листов. В последнее время многие фирмы-лидеры в производстве планшетных сканеров стали дополнительно предлагать слайд-модуль (для сканирования прозрачных оригиналов). Слайд-модуль имеет свой расположенный сверху источник света. Такой слайд-модуль устанавливается на планшетный сканер вместо простой крышки и превращает его в универсальный.

2. Ручной сканер - самый простой тип сканера. Здесь роль привода считывающего механизма выполняет рука человека. Очевидно что, насколько равномерно пользователь перемещает сканер, зависит степень искажения передаваемого в компьютер изображения. К основным достоинствам этого типа сканеров относятся небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена. Недостатками ручных сканеров является низкое разрешение, малая скорость работы, узкая полоса сканирования (стандартная ширина - 105 мм), возможны перекосы изображения, поскольку пользователю трудно перемещать сканер с постоянной скоростью. Добиться высокого качества изображения с их помощью очень трудно, поэтому ручные сканеры используются для ограниченного круга задач.

3. Листопротяжные - лист бумаги протягивается по направляющим роликам внутри сканера мимо лампы. Имеет меньшие размеры, по сравнению с планшетным, однако может сканировать только отдельные листы, что ограничивает его применение в основном офисами компаний. Многие модели имеют устройство автоматической подачи, что позволяет быстро сканировать большое количество документов.

4. Барабанные -- применяются в полиграфии, имеют большое разрешение (около 10 тысяч точек на дюйм). Оригинал располагается на внутренней или внешней стенке прозрачного цилиндра (барабана).

5. Слайд-сканеры - как ясно из названия, служат для сканирования плёночных слайдов, выпускаются как самостоятельные устройства, так и в виде дополнительных модулей к обычным сканерам.

6. Сканеры штрих-кода -- небольшие, компактные модели для сканирования штрих-кодов товара в магазинах.

Основными характеристиками сканера является:

Разрешение. Измеряется в точках на дюйм (dots per inch -- dpi). Указывается два значения например 600x1200 dpi, горизонтальное - определяется числом элементов на фотоприемной линейки, вертикальное - определяется количеством шагов двигателя на дюйм. Во внимание следует принимать минимальное значение.

Глубина цвета. Определяется качеством матрицы CCD и разрядностью АЦП. Измеряется количеством оттенков, которые устройство способно распознать. 24 бита соответствует 16 777 216 оттенков. Современные сканеры выпускают с глубиной цвета 24, 30, 36 бит. Несмотря на то, что графические адаптеры пока не могут работать с глубиной цвета больше 24 бит, такая избыточность позволяет сохранить больше оттенков при преобразованиях картинки в графических редакторах.

Интеллектуальность сканера. Под интеллектуальностью обычно понимается способность сканера с помощью заложенных в нем аппаратных и поставляемых с ним программных средств автоматически настраиваться и минимизировать потери качества. Наиболее ценятся сканеры, обладающие способностью автокалибровки, то есть настройки на световую плотность оригинала, а также компенсации цветовых искажений.

Скорость работы. Скорость работы сканеров зависит от множества факторов. В документации указывают скорость сканирования одной линии в миллисекундах.

9. Мультимедиа компьютерные технологии

Мультимедиа - это совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: графику, текст, видео, фотографию, анимацию, звуковое сопровождение.

9.1 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

В настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

По методу преобразования АЦП делятся на последовательные и параллельные.

Рассмотрим работу типичного последовательного АЦП, который состоит из компаратора (К), счетчика и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) (рис. 46). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП. Компаратор - устройство сравнения напряжения двух сигналов. Если напряжения сигнала на первом входе больше напряжения на втором входе то на выходе компаратора имеется одно значения (например, 1). Если напряжения на втором входе становится больше чем на первом, то значение на выходе меняется на противоположное (0).

Рис. 46. Структурная схема последовательного АЦП

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U_ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования, а недостатком является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц.

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 47 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

Рис. 47. Схема параллельного АЦП

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя. Логическое устройство, называемое приоритетный шифратор преобразует коды сигналов от компараторов в трехзначное двоичное. Например, если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от ⁵/₂h, до ⁷/₂h, где h=U_оп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Приоритетный шифратор устанавливает выходной двоичный сигнал 100 (3 в десятичной системе счисления).

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

Основными параметрами АЦП являются максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала. Измеряется числом выборок в секунду.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

Рассмотрим простейший ЦАП на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 48.

Рис. 48. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток - низкое быстродействие.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда вес будет равен 2³=8, у третьего разряда - 2²=4, у второго - 2¹=2 и у младшего разряда - 2⁰=1. Если вес младшего разряда I_МЗР=1 мА, то для старшего разряда получим I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 49.



Рис.49. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем ДR/R=2-^k. Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.

9.2 Оцифровка звука

Цифровой звук - это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды. Звуковая волна - это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Звуковые колебания нельзя представить аналитической формулой (как y=x², например). Поэтому ее описывают в виде таблицы дискретных значений в определенных точках. Иными словами, в каждой точке времени можно измерить значение амплитуды сигнала и записать в виде чисел. Однако из ограниченного объема памяти компьютера, значения амплитуды сигнала мы не можем записывать с бесконечной точностью, и вынуждены их округлять, т.е. брать значения функции в фиксированных точках и записывать их с конечной точностью. Таким образом, оцифровка сигнала включает в себя два процесса - процесс дискретизации (осуществление выборки) и процесс квантования. Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью (см. рис. 50).

а б

Рис. 50. Процесс дискретизации (а) и квантования (б) синусоидального сигнала

Таким образом, оцифровка - это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим.

Согласно теореме Котельникова частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот оцифрованного сигнала, а именно, максимальная частота спектральных составляющих равна половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому чтобы получить полную информацию о звуке в частотной полосе до 22050 Гц, необходима дискретизация с частотой не менее 44.1 КГц.

В «цифровом звуке» из-за дискретности информации об амплитуде оригинального сигнала появляются различные шумы и искажения. Так, например, джиттер (jitter) - шум, появляющийся в результате того, что осуществление выборки сигнала при дискретизации происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. То есть, если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 КГц, то отсчеты берутся не точно каждые 1/44100 секунды, а то немного раньше, то немного позднее. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая ошибка приводит к «захвату» не совсем верного уровня сигнала. В результате во время проигрывания оцифрованного сигнала может ощущаться некоторое дрожание и искажения. Появление джиттера является результатом не абсолютной стабильности аналогово-цифровых преобразователей. Еще одной неприятностью является шум квантования. При квантовании амплитуды сигнала происходит ее округление до ближайшего уровня. Такая погрешность вызывает ощущение «грязного» звучания.

Стандартные параметры записи аудио компакт-дисков следующие: частота дискретизации - 44.1 КГц, уровень квантования - 16 бит. Такие параметры соответствуют 65536 (2¹⁶) уровням квантования амплитуды при взятии ее значений 44100 раз в секунду.

В РС для хранения звуковых файлов, из-за их больших объемов, используют различные способы кодирование данных с потерями. Цель такого кодирования - любыми способами добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем объеме упакованных данных. Это достигается путем использования различных алгоритмов «упрощающих» оригинальный сигнал (выкидывая из него «ненужные», слабослышимые детали), что приводит к тому, что декодированный сигнал фактически перестает быть идентичным оригиналу, а лишь похоже звучит. Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее распространенный формат - MPEG-1 Layer III (файлы - *.мр3). Это был первый распространенный кодек подобного рода, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Преимущества MP3 - широкая распространенность и достаточно высокое качество кодирования, которое объективно улучшается благодаря разработкам различных кодеров MP3. Альтернатива MP3 - кодек Microsoft Windows Media Audio (Файлы - *.wma и *.asf). По различным тестам этот кодек показывает себя от «как MP3» до «заметно хуже MP3» на средних битрейтах, и, чаще, «лучше MP3» на низких битрейтах. Ogg Vorbis (файлы - *.ogg) - совершенно свободный от лицензирования кодек, создаваемый независимыми разработчиками. Чаще всего ведет себя лучше MP3, недостатком является малая распространенность.

9.3 Звуковые карты

Поскольку IBM-PC проектировался не как мультимедийная машина, а инструмент для решения серьёзных научных и деловых задач, первоначально звуковая карта на нём не была предусмотрена. Единственный звук, который издавал компьютер - был звук встроенного динамика PC Speaker, сообщавший о неисправностях. Он подключен к материнской плате и имеет всего два состояния включено (1), выключено (0). При подачи 1 и 0 можно воспроизводить элементарные звуки заданной частоты, что использовалось в старых DOS'овских игрушках и простейших программах для написания музыки, в основном обучающих.

Первой массовой компьютерной звуковой платой стала Adlib. В ней использовался чип от Yamaha, разработанный для игровых автоматов. Плата была способна воспроизводить девять видов музыкальных инструментов и шесть ударных. В 1989 появился Sound Blaster, которая к возможностям Adlib, добавила поддержку цифровых записей. Sound Blaster'ы позволяли воспроизводить и записывать любые звуки в формате 8 бит, 22кГц. Потом появились SB-модификации: SB 2.0, SB Pro с поддержкой стерео, и Sound Blaster 16 воспроизведение и запись в режиме 16 бит. Значительным этапом в мире звуковых плат стало появление Sound Blaster Live. Он ознаменовал переход с устаревшей шины ISA на PCI, что дало огромную пропускную способность, использование памяти компьютера для хранения сэмплов и многое другое. Качество звучания Live было значительно выше всех своих предшественников и остается приемлемым до сих пор.

Классификация звуковых плат (версия musicstudio.ru):

Встроенные звуковые карты. Прямо на материнскую плату напаивают входы/выходы, а всю вычислительную обработку на себя берет центральный процессор. Подобное звуковое решение почти бесплатно, потому и для непритязательных пользователей более чем приемлемо - несмотря на плохое качество звучания. В последних материнских платах встроенные карты предусматривают 5.1-выход - то есть, можно подключив комплект акустики 5.1.

Мультимедийные звуковые карты. Это наиболее старая категория плат: именно они появились первыми и сделали компьютер средством воспроизведения и записи музыки. Эти карты, в отличие от встроенных, обладают собственным звуковым процессором, который занимается обработкой звука, расчетом трехмерных звуковых эффектов используемых в играх, микшированием звуковых потоков и т.п., что позволяет разгрузить центральный процессор компьютера для обработки более важных задач. Качество звука выше чем в встроенных. Домашний кинотеатр будет звучать уже более-менее пристойно в сочетании с комплектами 5.1-акустики, сделанными специально для компьютерного применения. С помощью этих карт можно записывать и обрабатывать звук на приемлемом уровне, используя несложные программы для работы со звуком. Несколько лет назад рынок мультимедийных плат был весьма насыщенным, велись бои производителей и их продуктов. Самыми яркими конкурентами были Aureal и Creative. Карты этих компаний использовали разные алгоритмы работы с 3D-звуком. С приходом материнских плат со встроенным аудио конфликты разрешились сами собой: производство дешевых звуковых карт почти прекратилось. На плаву осталась только Creative со своей линейкой Sound Blaster Audigy/Audigy2, считающейся топовым уровнем в мультимедиа.

Полупрофессиональные звуковые карты. Как правило, их выпускают производители профессионального оборудования, ориентируясь не на музыкантов, а на любителей хорошего звука. Они отличаются от мультимедийных в первую очередь профессиональными схемотехническими решениями и высоким качеством воспроизведения звука. При этом в них, как правило, не используются серьезные звуковые процессоры, и всю тяжесть обработки 3D-звука взваливает на себя центральный процессор. Зато для прослушивания музыки эти карты подходят идеально. При наличии хорошей акустики или приличных наушников можно получить звучание, близкое к недорогой Hi-Fi системе. Звук будет чистым, не искаженным. Как правило, карты комплектуются драйверами для профессиональных программ работы с музыкой и звуком. Впрочем, многие из этих карт непригодны для профессиональной записи звука и в этом плане ничуть не лучше своих мультимедийных коллег.

Профессиональные звуковые карты. Эти карты рассчитаны на профессиональных музыкантов, аранжировщиков, музыкальных продюсеров. В соответствии с задачами - и особенности: высочайшее качество воспроизведения и записи звука, минимум искажений, максимум возможностей для работы с профессиональным ПО и подключения профессионального оборудования. У профессиональных карт как правило нет мультимедийных драйверов и поддержки DirectX, что делает многие из них бесполезными в играх. Они не поддерживают даже стандартные системные регулировки громкости - каждый канал регулируется в специальной контрольной панели, показывающей уровень сигнала в децибеллах. Многие карты располагают внешним блоками, куда выводятся все разъемы для удобства подключения. Эти карты рассчитаны на подключение профессиональных студийных акустических мониторов, микшерных пультов, предусилителей и прочих устройств.

Внешние звуковые карты. Это относительно свежая тенденция в мире звуковых плат, получившая свое развитие лишь за последние годы. Внешние звуковые платы подключаются к компьютеру с помощью интерфейсов USB или FireWire. Вынос карты за пределы корпуса PC позволяет легко решить некоторые проблемы, связанные с наводками и помехами, идущими от других компонентов компьютера и влияющих на качество звука.

9.4 Компьютерная графика

Компьютерная графика - это язык общения между компьютером и человеком на уровне графических образов. Все компьютерные изображения, все форматы для их хранения и все программы для их обработки делятся на два больших класса- векторные и растровые.

Растровые графические изображение состоит из матрицы ячеек называемых пикселями. Любое конкретное растровое изображение содержит фиксированное количество пикселей, каждый из которых имеет определенный цвет. С растровыми изображениями работает программа Adobe Photoshop

Векторные графические изображения не зависят от разрешения, описываются набором параметрических уравнений прямых, дуг окружностей и кривых. С векторной графикой работают в таких программах, как Corel Draw, Adobe Illustrator.

Рис. 51. Различие между векторной и растровой графикой.

Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена определенным цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксель - основной элемент растровых изображений. Растровое изображение характеризуется размером, который задается произведением двух чисел, числом пикселей по горизонтали и вертикали (640x480, 800x600 и т.д.). Существует также такое понятие как коэффициент прямоугольности пикселей. Он относится к реальным размерам пикселя и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтому на разных компьютерных системах принимает различные значения.

Цвет любого пикселя растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов, используемых компьютером для любого пикселя, называется битовой глубиной пикселя. Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселей имеющих только два возможных цвета черный и белый. Такие изображения называются однобитовыми. Число доступных цветов или градаций серого цвета равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

Достоинства растровой графики:

Растровую графику удобно использовать для передачи сложных изображений, которые нельзя описать формулами.

Возможность независимого редактирования каждого пикселя изображения.

Она появилась раньше векторного изображения и лучше освоена.

Недостатки:

Плохая масштабируемость изображения.

Большое объем памяти для хранения растрового изображения.

В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний линий, окружностей, кривых. Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов. Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы и тому подобное называется примитивами. В векторной графике сложные изображения создаются путем комбинации примитивов. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.

Достоинства векторной графики:

Хорошая масштабируемость изображения. Можно изменять размеры векторного рисунка без потери его качества.

Возможность редактирования отдельных объектов рисунка без влияния на остальные. Например, если нужно сделать больше или меньше только один объект на некотором изображении, необходимо просто выбрать его и осуществить задуманное. Объекты на рисунке могут перекрываться без всякого воздействия друг на друга.

Векторное изображение простых рисунков занимает относительно небольшое место в памяти компьютера.

Недостатки:

Большой размер файлов естественных изображений.

Невозможность редактирования часть объекта векторного рисунка.

9.5 Форматы графических файлов

Файлы, содержащие изображения, имеют большой размер. Поэтому используются различные методы сжатия информации. Методы сжатия бывают без потери качества и c потерями качества. Алгоритмы сжатия без потерь, позволяют упаковывать и распаковывать изображения абсолютно точно, без удаления избыточной с визуальной точки зрения информации. Наиболее распространенными алгоритмы сжатия без потери качества являются следующие:

1. Метод группового кодирования (Run Length Encoding - RLE). Это один из самых старых и простых методов сжатия данных. Суть его заключается в том, что вместо последовательности повторяющихся данных (одинаковых цветов) можно записать само данное и количество повторений. Обычно в первом байте записывается число повторений, а во втором - значение самого пикселя. Например, пусть у нас есть строка изображения

255 255 255 255 0 0 0 0 0 0 0 255 255 255 255 255

В несжатом виде эта строка занимает 16 байт. В сжатом виде строка выглядит так: 3 255 6 0 4 255. Мы видим, что строка стала существенно короче - 6 байт. Хорошо сжиматься методом группового кодирования будут такие изображения, строки которых содержат достаточно длинные цепочки одинаковых пикселей.

2. LZW (Lempel, Ziv and Welch). Название алгоритм получил по первым буквам фамилий его разработчиков: Lempel, Ziv и Welch. Сжатие в этом алгоритме происходит не за счет повторяющихся значений, а за счет повторяющихся цепочек байт.

Принцип работы алгоритм заключается в следующем. Изображение анализируется построчно. Встречающиеся последовательности пикселей заносятся в специальный словарь. Если такая же последовательность встречается дальше, то в файл пишется уже не сама последовательность, а ее индекс из словаря. Различные классы LZW-алгоритмов различаются размерами и устройством словаря, методом поиска повторяющихся цепочек и т.п.

Методы сжатия без потери качества реальных изображений дают относительно небольшие коэффициенты сжатия 2-3 раза. Для современных графических файлов, занимающих десятки мегабайт дисковой памяти этого явно мало. Поэтому для них используются алгоритмы сжатия с потерей качества. Цифровые изображения содержат очень много избыточной информации. Здесь имеется в виду, что человеческий глаз часто не воспринимает всю информацию, хранимую в цифровом изображении. Особенно это касается реальных изображений, например, цветных фотографий. Оказалось, что этой избыточной информации, не воспринимаемой (или почти не воспринимаемой!) человеческим глазом в реальных изображениях так много что за счет ее удаления можно уменьшить размеры файлов в десятки и даже сотни раз.

Наиболее известный в настоящее время алгоритм сжатия с потерями называется "JPEG" по названию экспертной группы, которая разработала этот алгоритм (Joint Photographic Exerts Group - JPEG). Этот алгоритм предназначен для архивации полноцветных изображений. Коэффициент сжатия может изменяться от 2 до 200.

Суть алгоритма основана на том факте, что и пространственное и цветовое разрешение цветного человеческого зрения гораздо хуже, чем монохромного (сумеречного). Поэтому, правильно преобразовав цветовую модель (из RGB в аналог телевизионной), уменьшив пространственное разрешение цветовых каналов по сравнению с яркостным каналом, затем, применив более грубое квантование компонент цветности, можно очень сильно сжать изображение. При этом визуальное качество картинки практически не изменится.

Наиболее распространенным являются следующие форматы файлов:

1. BMP (Bitmap). Расширение файлов - *.bmp. Это формат работы операционной системы Windows. Он был разработан компанией Microsoft и широко используется для представления растровых изображений в Windows. Вам придется использовать этот формат, если вы хотите создать обои для вашего рабочего стола, кнопки с иконами и т.д.

В формате BMP можно сохранять изображений с количеством бит на пиксель: 1, 4, 8 и 24. Формат используется как без сжатия, так и со сжатием. Для сжатия файлов в BMP используется метод группового кодирования (RLE). При этом можно получить довольно высокую степень сжатия однородных картинок с небольшим количеством цветов. Однако многие прикладные программы сжатие BMP-файлов не поддерживают. Также сжатые BMP-файлы могут иметь расширение *.rle.

2. GIF. Расширение файлов - *.gif. Этот формат был разработан фирмой CompuServe как независящий от платформы растровый формат. Он предназначен для хранения растровых изображений с компрессией. Для сжатия используется метод LZW.

Первоначальный формат был разработан в 1987 году и называется “GIF87a”. Он поддерживал изображения до 65536х65536 и те значения глубины цветов, которые лежали в диапазоне от 1 до 8 бит на пиксель, т.е. пиксель может принимать 256 значений.

В 1989 году был разработан новый стандарт ”GIF89a”. В нем обеспечена поддержка чересстрочной развертки. В новом формате можно было сохранять строки изображения не только последовательно одна за другой, но и в другом порядке - сначала каждую восьмую строку, затем каждую четвертую (из тех что остались, конечно!), затем каждую вторую и, наконец, - все оставшиеся. Это давало возможность пользователям, загрузив только одну восьмую часть изображения уже представить его и решить, стоит ли его загружать дальше. Вторая особенность нового формата - поддержка прозрачного цвета. Прозрачный цвет позволил дизайнерам выйти за жесткие рамки прямоугольных картинок.

Формат GIF допускает хранение в одном файле нескольких изображений. Чаще всего такая возможность используется на страницах Web. Web-браузер демонстрирует изображения, находящиеся в файле GIF последовательно. Если каждое изображение представляет собой фазу мультипликации, то вы увидите маленький мультфильм.

Благодаря компактности файлов он в настоящее время самый популярный формат в сети Интернет. Однако, как и любого формата, у GIF есть несколько существенных недостатков. Во-первых, он поддерживает не более 256 цветов, поэтому он совершенно не подходит для полиграфии и передачи изображений высокого качества.

JPEG. Расширение файлов - *.jpg. Этот формат поддерживает полноцветные фотореалистичные изображения и обеспечивает очень высокую компрессию файлов. При сильном сжатии изображения проявляются характерные особенности алгоритма JPEG: эффект Гиббса ("дрожащий" ореол) у резких границ, блочная структура (8х8 пикселей), хорошо проявившаяся на изображения неба. Эти дефекты являются особенностью алгоритма JPEG и лежат в основе самого алгоритма. Поэтому ослабить эти дефекты можно лишь экспериментально, подбирая степень сжатия в зависимости от требуемого качества изображения.

10. Технические возможности ЭВМ в учебном процессе

10.1 Информационные технологии в учебном процессе

Применение информационных технологий в учебном процессе преследует две цели: образовательную и прагматическую. Образовательная цель заключается в получении учащимися необходимых знаний по изучаемым предметам, усвоении их фундаментальных основ, формировании и закреплении определенных навыков. Прагматическая - в получении практических навыков использования компьютерной техники и технологий для решения различного рода задач. Последнее связано с тем, что в настоящее время в мире происходит переход к так называемому постиндустриальному или информационному обществу. Отличительной чертой этого этапа развития общества является перенос центра тяжести в общественном разделении труда из сферы материального производства в область информационных процессов и технологий. Практически это означает, что человек, не имеющий определенных навыков работы на компьютере, в сети и т.д., становится неконкурентоспособным на современном рынке труда.

В настоящее время в учебной практике в основном используются следующие информационные технологий:

компьютер как средство контроля знаний;

лабораторный практикум с применением компьютерного моделирования;

мультимедиа-технологии как иллюстративное средство при объяснении нового материала,

персональный компьютер как средство самообразования.

Для осуществления контроля знаний используются тематические тесты (тестирующие программы); как правило, источником тестов могут служить мультимедиа компакт-диски с обучающими программами или глобальная сеть Интернет. Помимо этого, существуют специализированные компьютерные программы - генераторы тестов, которые позволяют преподавателю самостоятельно определять уровень сложности тестирования.

Успехи, достигнутые в области компьютерного моделирования с элементами анимации, позволяют использовать персональный компьютер в процессе обучения для моделирования различных физических и технологических процессов, химических реакций и т.п., что особенно важно при отсутствии возможности проведения реального опыта. Более того, существуют даже специальные программы, позволяющие реализовать на компьютере полный курс лабораторных работ, например, по электротехнике. Наиболее перспективным в этой сфере с очки зрения процесса обучения является моделирование определенных предметных ситуаций - имитационное моделирование, которое с помощью режима интеллектуальной игры позволяет создать обучающую среду, способствующую активному мышлению учащихся.

Современные информационные технологии используются во время лекций для иллюстрации изучаемого материала посредством так называемых презентаций или анимированных слайд-фильмов, а также демонстрации аудио и видеофрагментов при помощи мультимедийного проектора. Конечно, и в этой сфере очень важно найти правильное соотношение между информационными и традиционными технологиями обучения.

Применение современных информационных технологий значительно повышает эффективность самообразования. И дело не только в возможности эффективного поиска необходимой информации и относительно свободном доступе к электронным учебникам через , книгам и энциклопедиям через Интернет. В последнее время получило широкое распространение так называемое дистанционное образование, заключающееся в комплексном использовании вышеперечисленных информационных технологий для обучения слушателей на дому, за десятки и сотни километров от места расположения учебного заведения.

При использовании современных информационных технологий в традиционном учебном процессе следует обязательно учитывать следующие факторы:

Фактор времени. Каждый предмет программы обучения имеет свои организационно-методические и содержательные особенности, в соответствии с которыми должен быть выбран момент "включения" в него информационных технологий;

Техническое обеспечение. Технические характеристики, а, следовательно, и возможности персональных компьютеров должны соответствовать тем задачам, в решении которые они используются. Более того, при решении ряда задач могут понадобиться некоторые дополнительные устройства, такие как сканер, модем, наушники, микрофон и т.п.;

Организационный фактор. При использовании информационных технологий в учебном процессе возникают вопросы настройки и сопровождения программного обеспечения, наладки и обслуживания оборудования и т.п. Для решения подобных проблем образовательное учреждение должно иметь в своем штате специалистов, квалификация и число которых зависит от степени информатизации учебного процесса. Однако наличие таких специалистов не снимает с преподавателей обязанности неуклонно совершенствовать свои знания и навыки в сфере информационных технологий.

Только наличие всех этих факторов является тем фундаментом, на основе которого можно добиться органичного сочетания в учебный процессе информационных технологий и современных методов традиционного обучения.

Еще одним несомненным достоинством современных информационных образовательных технологий является то, что они позволяют организовать обучение людей с ограниченными физическими возможностями, причем в данном случае эти технологии не только расширяют возможности самих инвалидов, но и способствуют их успешной реабилитации в современном обществе. В первую очередь это касается инвалидов с поражением опорно-двигательного аппарата и органов зрения. В последнем случае процесс обучения осуществляется при помощи дополнительных устройств и специализированных программ - принтера и клавиатуры с брайлевским шрифтом, а также программных и аппаратных синтезаторов речи.

10.2 Некоторые требования к устройству компьютерных классов

При устройстве компьютерных классов в учебных заведениях следует иметь в виду, что при невыполнении ряда требований к его устройству, которые регламентируются соответствующими нормативными документами, существует реальная опасность для здоровья учащихся, особенно школьников. Это обусловлено тем, что работа на ПК характеризуется повышенной нагрузкой на органы зрения в сочетании с низкой двигательной активностью и высоким, особенно при работе с игровыми программами, нервно-эмоциональным напряжением. Занятия с использованием ПК могут привести к снижению функционального состояния центральной нервной системы и работоспособности, появлению жалоб на зрительное и общее утомление, ухудшение зрения. Имеются данные, что высокие уровни низкочастотного магнитного поля от монитора могут стать причиной снижения иммунитета.

Основными причинами неблагополучия в компьютерных классах могут являться:

неправильная организации электропитания оборудования, в частности, отсутствие заземления;

использование некачественных или неправильно настроенных мониторов

нарушения требований к параметрам микроклимата, освещенности, размещению оборудования и т.п.;

неправильная организации работы учащихся на персональных компьютерах;

Например, неправильно организованное электропитание оборудования может являться причиной возникновения низкочастотных электромагнитных и электростатических полей, значительно превышающих допустимые значения.

Рабочее (учебное) место в компьютерном классе должно быть организовано так, чтобы экран видеомонитора находился на расстоянии 60-70 см, но не ближе 50 см от глаз учащегося. При этом величина разрешения (количество пикселей изображения по горизонтали и вертикали) экрана монитора, как правило, не должна превышать:

800 Ч 600 - для 15 - дюймовых мониторов;

1024 Ч 768 - для 17 - дюймовых мониторов;

1152 Ч 864 - для 19 - дюймовых мониторов;

1280 Ч 1024 - для 20 - дюймовых мониторов;

1600 Ч 1200 - для 21- дюймовых мониторов.

Использование завышенного разрешения приводит уменьшению элементов стандартного графического интерфейса и, как следствие, значительному росту нагрузки на органы зрения. Частота вертикальной развертки ЭЛТ мониторов должна быть не менее 85 Гц, так как более низкая частота приводит к появлению вредного для глаз эффекта «мерцания». Для ЖК мониторов допускается снижение частоты вертикальной развертки до 75 Гц.

В компьютерном классе минимальная площадь, приходящаяся на одно рабочее место, должна быть не менее 6 кв.м., а объем - не менее 24,0 куб.м. при высоте не менее 4 м. При меньшей высоте учебного помещения рекомендуется увеличить минимальную площадь одного рабочего места. Освещенность поверхности столов при искусственном освещении должна быть в пределах 300-500 лк.

Уровень шума на рабочем месте компьютерного класса не должен превышать 40-50 дБ. При использовании шумных устройств ввода-вывода ПК (принтеров и т.п.) уровень шума не должен превышать 75 дБ.

Для обеспечения безопасности труда учащихся и преподавателя, электробезопасности и создания постоянных уровней в освещенности при работе рекомендуется расстановка рабочих столов с ПК по периметру (вдоль стен) помещения.

Непрерывная длительность занятий с ПК не должна превышать для учащихся 1-х классов - 10 минут; 2-5-х классов - 15 минут; 6-7-х классов - 20 минут; 8-9-х классов - 25 минут; 10-11-х классов: на первом часе учебных занятий - 30 минут, на втором - 20 минут. Для учителей общеобразовательных школ устанавливается длительность работы в компьютерных классах не более 4 часов в день. Продолжительность непрерывной работы с ПК без регламентированного перерыва не должна превышать двух часов.

Неблагоприятное воздействие условий работы на ПК можно уменьшить, если ограничить продолжительность работы, предусмотреть рациональное кондиционирование воздуха, ввести регулярные занятия физкультурой, а также делать упражнения для профилактики зрительного утомления.

10.3 Локальная компьютерная сеть (ЛВС)

Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) -- система связи между двумя или более компьютерами расположенными на относительно небольшом расстоянии друг от друга (до 10 км). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило -- различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения.

Назначение локальных сетей

Обеспечение удобного доступа к информации

Распределенные вычисления

Коммуникация

Удаленное управление процессами

Удаленный контроль сотрудников

Связь ЛВС с интернетом может осуществляться через специальный хост-компьютер, в качестве которого чаще всего выступает сервер-шлюз (часто именуемый прокси-сервером). Сервер-шлюз - это рабочая станция, имеющая специализированное программное обеспечение (например программы EasyProxy, WinGate, WinProxy и др.).

Классификация ЛВС

1. По уровню управления.

a.) Сети рабочих групп, объединяют ряд ПК, работающих под управлением одной операционной сисиетмой. В таких сетях обычно есть серверы для выполнения фунцция файлового сервера, сервера печати и др.

б.) Локальные сети отделов используются небольшой группой сотрудников, работающих в одном подразделении (отдел кадров, бухгалтерия и др.) в таких сетях задействовано до сотни компьютеров. Чаще всего такие сети имеют несколько серверов, для печати, выхода в Интернет и др. Территориально они расположены в одном здании.

в.) Сети кампусов - сеть студенческих городков. Такие сети могут занимать значительные территории и объединять много разнородных сетей. Основное их назначение - обеспечение взаимодействия между сетями отделов и рабочих групп. Ресурсы глобальной сети Интернет сети кампусов не используют.

г.) Корпоративные сети - сети масштаба всего предприятия. Они могут охватывать большие территории, вплоть до рассредоточения на нескольких континентах. Вследствие больших размеров такие сети часто используют ресурсы Интернета, т.к. использовать индивидуальные выделенных коммуникаций.

2. По размеру, охваченной территории.

a.) Компактно размещенные сети (все компьютеры расположены в одном помещении)

б.) Распределенные сети (ПК размещены в различных помещениях)

2. По типу функционального взаимодействия

a.) Одноранговая (P2P) сеть без центрального управления. Функции управления передаются от одной рабочей станции к другой. Сетевая операционная система распределена среди всех ПК сети. Каждая рабочая станция может выполнять роль сервера и клиента. Необходимость прямого взаимодействия компьютеров друг с другом при увеличении размеров сети приводит к появлению большого числа связей. Эффективно управлять такой сетью практически невозможно.

б.) Клиент-сервер. Такие сети называют сетями с централизованным управлением. В них один из компьютеров (сервер) управляет рабочими станциями (клиентами), предоставляет им различные сетевые ресурсы и др. Именно такие сети чаще всего используют в школьных компьютерных классах.

3.По типу сетевой топологии

a.) Шина

б.) Звезда

в.) Кольцо

4. По сетевым ОС

a.) На основе Windows

б.) На основе UNIX

в.) На основе NetWare

г.) Смешанные

5. По физичскому принципу передачи информации

a.) Проводная сеть

б.) Беспроводная сеть

Использованные источники

1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. В.А.Лабунцова - М.: Энергоатомиздат, 1988

2. Семененко В.А., Айдинян В.М., Липовой А.Д. Электронные вычислительные машины / Под ред. В.И.Дракина - М.: Высшая школа, 1991.

3. Вершинин О. Е. Организация микропроцессорных систем / Под ред. В.А.Шахнова - М.: Высшая школа, 1988

4. Гук М., Юров В. Процессоры Pentium 4, Athlon и Duron / - Спб.: Питер, 2001.

5. В.П. Леонтьев Новейшая энциклопедия персонального компьютера / - М. : ОЛМА-Пресс Образование, 2004-734с.

6. М.В.Копейкин, В.В.Спиридонов, Е.О.Шумова /Организация ЭВМ и систем. Память ЭВМ. Учебное пособие. (Электронная версия: редакция 03.12.03). Санкт-Петербург 2004. (http://ord.com.ru/files/book3).

7. В. В. Гуров, В. О. Чуканов /Архитектура и организация ЭВМ. (http://www.intuit.ru /department/hardware/archhard2/).

8. Н. Ю. Ершова, А. В. Соловьев /Организация вычислительных систем. (http://www.intuit.ru /department/hardware/csorg/).

9. Лабутин В.Б. Применение информационных технологий в образовательном процессе школы. (http://www.256.ru/publish.php)

10. Р. Вильямс, К. Маклин /Компьютеры в школе/ Пер. с англ. Общ. ред. И вст. ст. В.В. Рубцова - М.: Пргресс, 1988

11. Н. Смирнов Учебный процесс требует гигиены/ Здоровье детей N9 (283), 1 - 15 мая 2005 г.

Размещено на Allbest.ru

...