Представление информации в компьютере

Итак, в ходе оцифровки звука мы получаем поток  целых чисел, представляющих собой  стандартные амплитуды сигналов через равные промежутки времени.

На рисунке  представлен процесс "оцифровки" зависимости интенсивности звукового  сигнала I от времени t. Отчетливо видна дискретизация по времени (равномерные отсчеты на горизонтальной оси) и по интенсивности сигнала (требуемое при этом округление схематически изображено "изломами" горизонтальных линий разметки). Подчеркнем, что на рисунке степень дискретизации для наглядности сознательно утрирована: реально различие между соседними уровнями дискретизации по обеим осям значительно меньше и, следовательно, форма сигнала передается гораздо точнее.

Мы рассмотрели  лишь наиболее общие принципы записи цифрового звука. На практике для  получения качественных звуковых файлов используется целый ряд дополнительных технических приемов.

Изложенный метод  преобразования звуковой информации для  хранения в памяти компьютера в очередной  раз подтверждает уже неоднократно обсуждавшийся ранее тезис: любая  информация для хранения в компьютере приводится к цифровой форме и затем переводится в двоичную систему.

Остается рассмотреть  обратный процесс – воспроизведение  записанного в компьютерный файл звука. Здесь имеет место преобразование в противоположном направлении  – из дискретной цифровой формы  представления сигнала в непрерывную аналоговую, поэтому вполне естественно соответствующий узел компьютерного устройства называется ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь. Процесс реконструкции первоначального аналогового сигнала по имеющимся дискретным данным нетривиален, поскольку никакой информации о форме сигнала между соседними отсчетами не сохранилось. В разных звуковых картах для восстановления звукового сигнала могут использоваться различные способы.

Наиболее наглядный  и понятный из них состоит в  том, что по имеющимся точкам рассчитывается степенная функция, проходящая через  заданные точки, которая и принимается  в качестве формы аналогового  сигнала. Чтобы понять, как это  делается, возьмем, например, интерполяцию параболой I = at ² + bt + c по трем заданным точкам. Подставив в эту формулу известные значения времени и приравняв их к сохраненным в файле значениям интенсивности звука I, получим три линейных уравнения с тремя неизвестными a, b и c.

Качественный  вид результата представлен на рисунке:

Видно, что на интерполируемом участке даже для  параболы совпадение получается вполне удовлетворительное. Кроме того, технические  возможности современных микросхем  позволяют значительно увеличить  степень полинома (многочлена), а  вместе с ней и точность реконструкции  формы сигнала.

Представление видео информации.

Следует четко  представлять, что обработка видеоинформации  требует очень высокого быстродействия компьютерной системы, причем не только процессора, но и CD-ROM, с которого считываются  данные, конечно, видеосистемы, а также  всех информационных шин, по которым  данные передаются от одного устройства к другому.

В частности, когда  при весьма скромном размере окна видеоизображения 360x240 и 16 битах цветовой информации на каждый пиксел скорость передачи данных превышает один мегабайт в секунду. То есть за десять минут должно быть передано более 600 Мбайт данных, что эквивалентно немного немало почти целому диску CD-ROM!

Таким образом, если для прочих видов информации сжатие лишь повышает удобства работы, то для видеоинформации технологии сжатия имеют поистине жизненно важное значение.

Что представляет собой фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание  звуковой и графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических картинок. Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные. В любительской киносъемке использовалась частота 16 кадров/сек., в профессиональной – 24.

Казалось бы, если проблемы кодирования статической  графики и звука решены, то сохранить  видеоизображение уже не составит труда. Но это только на первый взгляд, поскольку, как показывает разобранный выше пример, при использовании традиционных методов сохранения информации электронная  версия фильма получится слишком  большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

Конечно, в фильме существует много ситуаций, связанных  со сменой действия, когда первый кадр новой сцены настолько отличается от предыдущего, что его проще  сделать ключевым, чем разностным. Может показаться, что в компьютерном фильме будет столько ключевых кадров, сколько новых ракурсов камеры. Тем  не менее, их гораздо больше. Регулярное расположение подобных кадров в потоке позволяет пользователю оперативно начинать просмотр с любого места  фильма: "если пользователь решил  начать просмотр фильма с середины, вряд ли он захочет ждать, пока программа  распаковки вычислит все разности с  самого начала". Кроме того, указанная  профилактическая мера позволяет эффективно восстановить изображение при любых  сбоях или при "потере темпа" и пропуске отдельных кадров на медленных  компьютерных системах.

Заметим, что  в современных методах сохранения движущихся видеоизображений используются и другие типы кадров.

Существует множество  различных форматов представления  видеоданных. Рассмотрим некоторые  из них: