多媒体技术教程-ch4

第四章多媒体硬件环境 4 1光存储设备 概述 文本 动画 图形 影像 声音 4 1 1光存储的类型 只读型光存储系统只读型光盘包括LV和CD ROM等 CD ROM CompactDisc ReadOnlyMemory 只读式压缩光盘 其技术来源于激光唱盘 形状也类似于激光唱盘 能够存储650MB左右的数据 用户只能从CD ROM读取信息 而不能往盘上写信息 4 1 1光存储的类型 只读型光存储系统 只读型光驱 只读型光盘 4 1 1光存储的类型 一次写型光存储系统一次写 WORM 光存储系统可一次写入 任意多次读出 与CD ROM相比 它具有由用户自己确定记录内容的优点 一次写型光驱 一次写型光盘 4 1 1光存储的类型 可重写型光存储系统可重写光盘 E R W Rewritable或Erasable 像硬盘一样可任意读写数据 分为两种磁光型 MagneticOptical 简称MO 相变型 PhaseChange 简称PC 两种形式 4 1 1光存储的类型 可重写型光存储系统 磁光型可重写光驱 相变型可重写光驱与光盘 4 1 2光存储系统的技术指标 尺寸LV的直径为12英寸 300mm CD激光唱盘和CD ROM为4 72英寸 120mm WORM一次写光盘为14 12英寸和5 25英寸可擦写光盘向小尺寸方向发展 主要尺寸为5 25英寸和3 5英寸 4 1 2光存储系统的技术指标 容量格式化容量格式化容量是指按某种光盘标准进行格式化后的容量 对于SONY的SMO D501光盘 若格式化使每个扇区为1024B 格式化容量是325MB 而采用每扇区为512B 格式化容量只有297MB 4 1 2光存储系统的技术指标 容量用户容量用户容量是指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量 CD ROM的容量为550MB和680MB 由于光盘外圈5mm区容易出错 所以有些CD ROM的容量标为550MB 4 1 2光存储系统的技术指标 平均存取时间平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始 到光盘驱动器在光盘上找到需读 写的信息的位置并接受读 写命令为止的一段时间 平均寻道时间光学头沿半径移动全程1 3长度所需的时间为平均寻道时间 4 1 2光存储系统的技术指标 平均存取时间平均等待时间盘片旋转半周的时间为平均等待时间 把平均寻道时间 平均等待时间和读 写光学头稳定时间相加 就得到平均存取时间 4 1 2光存储系统的技术指标 平均存取时间平均等待时间盘片旋转半周的时间为平均等待时间 把平均寻道时间 平均等待时间和读 写光学头稳定时间相加 就得到平均存取时间 4 1 2光存储系统的技术指标 数据传输率数据传输率数据传输率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数 该数值与光盘转速和存储密度有关 CD ROM 其数据传输率已从初期的150KB s提高到6MB s 同步传输率 异步传输率和DMA传输率数据传输率也指控制器与主机之间的传输速率 它与接口规范和控制器内的缓冲器大小有关 SCSI接口的同步传输率为4MB s 异步传输率为1 5MB s AT总线规定的DMA方式的传输率为1MB s 4 1 2光存储系统的技术指标 数据传输率突发传输率光盘驱动器或控制器中都包含有一个64K 256K或512K的缓冲存储器 为了提高数据传输率 读数据过程中先把数据存入缓冲器 再进行集中传送 如果下次读取同一内容 就不必从光盘上去读取 直接把缓冲器中的数据传送给主机就可以了 这种传输率称为突发传输率 4 1 2光存储系统的技术指标 数据传输率持续传输率当传送的数据量很大时 缓冲器就起不到提高传输率的作用了 这时的传输率称为持续传输率 4 1 2光存储系统的技术指标 误码率采用复杂的纠错编码可以降低误码率 存储数字或程序对误码率的要求高 存储图像或声音数据对误码率的要求较低 CD ROM要求的误码率为10 12 10 16 平均无故障时间 MTBP 要求达到25000小时 4 1 3光存储格式标准和类型 什么是CD DACD DA CD DigitalAudio 是为激光数字音频唱盘制定的规格 它是CD标准的第一个文本 属于红皮书 RedBook 规格 什么是CD ROMCD ROM逻辑格式 1988年正式作为国际标准IS09660 黄皮书 YellowBook 什么是CD GCD G CD Graphics 是1985年出现的遵循红皮书规格的光盘 主要用于存储静止画面 4 1 3光存储格式标准和类型 什么是CD WORMCD WORM CD WriteOnceReadMany 属于蓝皮书 BlueBook 规格 实现了光盘的一次写多次读的功能 什么是CD ICD I CD Interactive 属于绿皮书 GreenBook 规格 它在CD ROM规格的基础上补充了音频 视频和计算机程序方面的规定 1988年出现了CD I交互式光盘系统 1992年底出现了第二代CD I 可播放互动式电影 4 1 3光存储格式标准和类型 什么是CD VCD V CD Video 与CD G一样 是红皮书标准的延伸 用于影碟机 其视频信号可以输出到电视机上 什么是CD ROMXA ExtendedArchitecture 它是Philips SONY和Microsoft制定的CD ROM扩展结构 CD ROMXA扩充了对数字音频信号的编码 目的是为了弥补推出CD I规格带来的问题 该规格也称为黄皮书的第二组标准 4 1 3光存储格式标准和类型 什么是CD RCD R CD Recordable 属于橙皮书 OrangeBook 规格 它在黄皮书的基础上增加了可写入的多种CD格式标准 是一种可刻录光盘 可以多次在CD空余部分写入数据 什么是PhotoCDPhotoCD是一种像片光盘 允许多段追入记录 属于白皮书 WhiteBook 标准 该规格也称为黄皮书的第二组标准 4 1 3光存储格式标准和类型 4 1 4CD ROM光存储系统 光存贮原理光反射 4 1 4CD ROM光存储系统 CD ROM驱动器的系统方框图 4 1 4CD ROM光存储系统 光头 光头 opticalpickup 是CD ROM驱动器的关键部件 聚焦司服 为使激光束的聚点落在光盘的信息面上 CD ROM驱动器采用自动聚焦伺服系统来实现 EFM解调 从聚焦司服系统输出的数据信号是经过EFM调制后的信号 EFM解调过程是EFM调制过程的逆过程 4 1 4CD ROM光存储系统 道跟踪司服 为了确保聚焦光束能沿着道间距为16um 凹坑宽为0 5um左右的螺旋形光道正确读出信息 CD ROM采用径向光道跟踪技术 以克服光盘可能多达300um的偏心 使道跟踪精度达到0 1um 聚焦司服 CLV司服 由于CD ROM盘要以恒定线速度 CLV 旋转 这就意味着 驱动光盘旋转的驱动马达的速度要随光头所处的位置而变化 4 1 5CD R光存储系统 CD R盘片的物理层次CD R光盘将反射用的铝层改用24K黄金层 也可以是纯银材料 另外再加上有机染料层和预置的轨道凹槽 4 1 5CD R光存储系统 CD R的刻录和读取原理CD R刻录是将刻录光驱的写激光聚焦后 通过CD R空白盘的聚碳酸脂 polycarbonate 层照射到有机染料 通常是箐蓝或酞箐蓝染料 的表面上 激光照射时产生的热量将有机染料烧熔 并使其变成光痕 mark 当CD ROM驱动器读取CD R盘上的信息时 激光将透过聚碳酸脂和有机染料层照射镀金层的表面 并反射到CD ROM的光电二极管检测器上 光痕会改变激光的反射率 CD ROM驱动器根据反射回来的光线的强弱来分辨数据0和1 4 1 8DVD光存储系统 DVD DigitalVideoDisk 数字视频光盘或数字影盘它利用MPEG2的压缩技术来储存影像DVD ROM 电脑软件只读光盘DVD Video 家用的影音光盘DVD Audio 音乐盘片DVD R 或称DVD Write Once 限写一次的DVDDVD RAM 或称DVD Rewritable 可多次读写的光盘 4 1 8DVD光存储系统 DVD盘片的物理结构分类 单面单层 单面双层 双面单层 双面双层 容量 4 7GB 17GB 最小凹坑长度仅为0 4 m 道间距为0 74 m 采用波长为635 650nm的红外激光器读取数据 DVD盘的厚度为1 2mm 对于单面盘而言 只有下层基底包含数据 上层基底没有数据 而双面盘的上下两层基底上均有数据 4 1 9光盘库系统 4 2音频接口 4 2 1音频卡的工作原理 音频卡处理音频信号的PC插卡是音频卡 AudioCard 又称声音卡 声音卡处理的音频媒体有数字化声音 Wave 合成音乐 MIDI CD音频 4 2 1音频卡的工作原理 声音是怎样工作的 4 2 1音频卡的工作原理 音频卡的功能音频的录制与播放编辑与合成MIDI接口文 语转换CD ROM接口游戏接口支持全双工功能 音频卡的连接方式 4 2 1音频卡的工作原理 音频卡的体系结构音频卡由下列部件组成 MIDI输入 输出电路 MIDI合成器芯片 用来把CD音频输入与线输入相混合电路 带有脉冲编码调制电路的模数转换器 用于把模拟信号转换为数字信号以生成波形文件 用来压缩和解压音频文件的压缩芯片 用来合成语音输出的语音合成器 用来识别语音输入的语音识别电路 输出立体声的音频输出或线输出的输出电路等 4 2 1音频卡的工作原理 数字化声音处理 4 2 1音频卡的工作原理 混音器 4 2 1音频卡的工作原理 合成器波形表 WaveTable 合成频率调制FM合成 4 2 2音频合成和MIDI接口规范 MIDIMIDI MusicalInstrumentDigitalInterface 是指乐器数字接口 是数字音乐的国际标准 MIDI的音乐符号化过程实际上就是产生MIDI协议信息的过程 音乐合成器是电脑音乐系统中最重要的设备之一 4 2 2音频合成和MIDI接口规范 MIDI术语MIDI文件通道Channels音序器Sequencer合成器Synthesizer乐器Instrument通道映象ChannelMapping复音Polyphony音色Timbre音轨Track合成音色映射程序PatchMapper 4 2 2音频合成和MIDI接口规范 MIDI接口MIDIIn 输入口 接收从其他MIDI装置传来的消息 MIDIOut 输出口 发送某装置生成的原始MIDI消息 向其他设备发送MIDI消息 MIDIThru 转发口 传送从输人口接收的消息到其他MIDI装置 向其他设备发送MIDI消息 4 2 2音频合成和MIDI接口规范 MIDI接口 4 2 3语音合成 概述实现计算机语音输出有两种方法 录音 重放文 语转换计算机话语输出按其实现的功能来分 可以分为以下两个档次 有限词汇的计算机语音输出基于语音合成技术的文字 语音转换 TTS 4 2 3语音合成 合成方法发音器官参数语音合成对人的发音过程进行直接模拟声道模型参数语音合成基于声道截面积函数或声道谐振特性合成语音波形编辑语音合成技术波形编辑语音合成技术是直接把语音波形数据库中的波形相互拼接在一起 输出连续语流 PSOLA PitchSynchronousOverlapAdd 方法 4 2 3语音合成 语音基元数据库的构建基元的选择选择音节选择双音素和三音素语音数据的存储形式波形存储方式存储数字化的语音波形数据参数存储方式存储从语音信号中提取的参数 常用的有LPC参数 LSP LSF 共振峰参数等 4 2 3语音合成 韵律模拟自然语言中的韵律特征语调 节奏和重音等能表达说话者的语义和感情 是自然语流的重要组成部分韵律合成及方法超音段特征 音高 音长 音强及频率分布的变化 的修改构成了韵律合成的基础方法 修改基频模式 共振峰模式 PSOLA算法等韵律模拟的问题需解决韵律规则 韵律描述 计算模型和修改算法等问题 4 2 4语音识别 概述语音识别是将人发出的声音 字或短语转换成文字 符号 或给出响应 如执行控制 作出回答 语音识别系统的分类按可识别的词汇量多少划分按照语音的输入方式划分按发音人划分说话人识别 4 2 4语音识别 语音识别系统的最终目标不存在对说话人的限制 即非特定人的 不存在对词汇量的限制 即基于大词汇表的 不存在对发音方式的限制 即可识别连续自然发音的 系统的整体识别率应该相当高 接近于人类对自然语音的识别能力 这也正是听写机系统最终要达到的目标 4 2 4语音识别 语音识别研究的难点很难适应各种年龄 性别 口音 发音速度 语音强度 发音习惯与方式等的差异 系统随着能够识别的词汇量增大 所需要的空间和时间的花销就越多 最终将导致系统的识别性能急剧下降而丧失可用性 尽管连续发音是人们最为自然的发音方式 但是识别系统很难也不可能把连续语音作为一个整体来进行识别 实用的识别系统要求提高语音特征参数的鲁棒性 对不同非高斯噪声的非敏感性 以及对不同用户的适应能力等 这些复杂性的需求的实现是非常困难的 4 3视频接口 4 3 1视频图像显示 概述为了显示原始图像 这里使用的 图像 是泛指 包括全运动视频 的可接受的复制图 需要使用各种显示系统技术来解码信号和压缩数据 显示系统技术VGA混合可伸缩的VGA混合双缓冲VGA混合 伸缩 4 3 1视频图像显示 视频显示技术标准第一代标准 MDA和CGA第二代标准 EGA第三代标准 VGA采用256K种颜色的调色板及用模拟量输出 使显示的颜色更加逼真第四代标准 XGAl990年IBM公司宣布了XGA高性能的视频子系统 4 3 1视频图像显示 CRT显示系统屏幕尺寸荫罩和点间距荧光粉类型刷新 或扫描 频率与闪烁隔行和非隔行扫描显示缓冲区与颜色定义模拟信号接口和数字信号接口视频BIOS 4 3 1视频图像显示 平板显示系统被动矩阵单色主动矩阵单色被动矩阵彩色主动矩阵彩色 4 3 2视频卡的工作原理 视频卡的分类与功能简介视频卡的分类视频采集卡将视频信号连续转换成计算机存储的数字视频信号 离散 保存在计算机中或在VGA显示器上显示 完成这种功能的视频卡称之为视频采集卡 或称为视频转换卡 如果能够实时完成压缩 则称实时压缩卡 通常可将外部视频输入信号叠加在显示器上 并将视频输入信号变换成计算机可存储的信息保存在硬盘中 只能单帧捕获的 称为图像卡 4 3 2视频卡的工作原理 视频卡的分类与功能简介视频卡的分类视频采集卡 4 3 2视频卡的工作原理 视频卡的分类与功能简介视频卡的分类视频采集卡的连接 4 3 2视频卡的工作原理 视频播放卡将压缩保存在计算机中的视频信号数据在计算机的显示器上播放出来的这种卡称之为视频播放卡 或称解压缩卡 也称之为电影卡 电视转换卡电视转换卡分为两类 电视卡和TV编码器 电视卡 是将标准的NTSC PAL SECAM电视信号转换成VGA信号在计算机屏幕上显示TV编码器 它将计算机的VGA信号转换为NTSC PAL SECAM等标准的信号在电视上播放或进行录像 4 3 2视频卡的工作原理 视频卡的分类与功能简介视频卡的主要功能全活动数字图像的显示 抓取 录制 支持MicrosoftVideoforWindows 可以从录像机 VCR 摄像机 ID IV等视频源中抓取定格 存储输出图像 近似真彩色YUV格式图像缓冲区 并可将缓冲区映射到高端内存 可按比例缩放 剪切 移动 扫描视频图像 色度 饱和度 亮度 对比度及R G B三色比例可调 可用软件选端口地址和IRQ 具有若干个可用软件相互切换的视频输入源 以其中一个做活动显示 4 3 2视频卡的工作原理 视频卡的分类与功能简介各种功能的视频卡电视卡 TVTurner 将标准的NTSC PAL SECAM电视信号转换成VGA信号在计算机屏幕上显示 是一块能接收全频道 全制式彩色电视节目的视频信号的转换卡 它的输出与电脑的CRT制式匹配 TV编码器 TVCoder 把VGA信号转为PAL NTSC SECAM制式的视频信号 供电视播放或录像制作使用 多用于广告电视片的后期处理 视频捕获卡 捕捉和编辑静态视频图像 完成视频数字化 编辑以及处理等工作 动态视频捕获和播放卡 用于实时动态视频和声音的同时获取及压缩处理 该卡还具有储存和播放功能 常用于视觉传达系统中的现场监控 办公自动化和多媒体节目创作等场合 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理视频信号源 摄像机 录像机或激光视盘的信号首先经过A D变换 送到多制式数字解码器进行解码得到YUV数据 然后由视频窗口控制器对其进行剪裁 改变比例后存入帧存储器 帧存储器的内容在窗口控制器的控制下 与VGA同步信号或视频编码器的同步信号同步 再送到D A变换器变成模拟的RGB信号 同时送到数字式视频编辑器进行视频编码 最后输出到VGA监视器及电视机或录像机 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理A D变换和数字解码 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理窗口控制器PC总线接口部分 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理窗口控制器视频输入剪裁 变比例部分 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理窗口控制器VRAM读写 刷新控制部分 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理窗口控制器输出窗口VGA同步 色键控制部分 4 3 2视频卡的工作原理 视频采集卡的工作原理帧存储器系统数模转换和矩阵变换视频信号和VGA信号的叠加数字式多制式视频信号编码部分 4 4多媒体I O设备 4 4 1笔输入 手写板和手写笔电阻式压力板 电磁式感应板和近期发展的电容式触控板 4 4 1笔输入 电阻压力板手写板组成由一层可变形的电阻薄膜和一层固定的电阻薄膜构成 中间由空气相隔离 工作原理用笔或手指对上层电阻加压使之变形 当与下层接触时 下层电阻薄膜就感应出笔或手指的位置 特点原理简单 工艺不复杂 成本较低 价格也比较便宜 材料容易疲劳 使用寿命较短 4 4 1笔输入 电磁式手写板工作原理 通过在手写板下的布线电路通电后 在一定时间范围内形成电磁场 来感应带有线圈的笔尖的位置进行工作 分类 有压感 和 无压感 两种特点 对供电有一定的要求易受外界环境的电磁干扰使用寿命短 4 4 1笔输入 电容式写字板工作原理 通过人体的电容来感知手指的位置 即当您手指接触到触控板的瞬间 就在板的表面产生了一个电容 在触控板表面附着有一种传感矩阵 这种传感矩阵与一块特殊芯片一起 持续不断地跟踪着您手指电容的 轨迹 经过内部一系列的处理从而每时每刻精确定位手指的位置 X Y坐标 同时测量由于手指与板间距离 压力大小 形成的电容值的变化 确定Z坐标 4 4 1笔输入 电容式写字板特点 用手指和笔都能操作 使用方便手指和笔与触控板的接触几乎没有磨损 性能稳定机械测试使用寿命长达30年元件少 产品一致性好 成品率高 成本较低手写笔有线笔无线笔 4 4 2触摸屏 概述触摸屏 TouchScreen 是一种定位设备当用户用手指或者其他设备触摸安装在计算机显示器前面的触摸屏时 所摸到的位置 以坐标形式 被触摸屏控制器检测到 并通过串行口或者其他接口 如键盘 送到CPU 从而确定用户所输入的信息 改善人与计算机的交互方式 4 4 2触摸屏 触摸屏的分类按安装方式分类外挂式内置式整体式投影仪式 4 4 2触摸屏 从结构特性与技术分类红外 使用红外线传感器 这是一种需要特殊框的触摸屏形式 电阻膜 使用电阻性传感器 其主要结构是电阻膜 电容 使用电容性传感器 利用人体所带电荷的电容感应作用工作 表面声波 使用声波传感器 由声波传感器和反射器组成 压力矢量 使用压力矢量传感器 利用显示器下的垫感受压力 4 4 2触摸屏 红外技术触摸屏原理在普通显示器的前面安装一个外框 通过外框中的电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管 对应形成横竖交叉的红外线矩阵 当用户触模屏幕时 手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线 从而利用X Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸位置 执行该位置的图标或热点 热键 4 4 2触摸屏 红外技术触摸屏特点价格低廉 安装非常方便 使用键盘接口不需要卡或其他任何控制器 对光照环境因素比较敏感防干扰能力较弱 手挡住红外线 红外发射管 红外接收管 红外接收管 红外发射管 4 4 2触摸屏 电容技术触摸屏原理在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜层 再往导体层外加上一块保护玻璃 双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器 此外 在附加的触摸屏四边均镀上狭长的电极 在导电体内形成一个低电压交流电场 用户触摸屏幕时 由于人体电场 手指与导体层间会形成一个锅台电容 四边电极发出的电流会流向触点 而电流的强弱与手指及电极间的距离成正比 位于触模屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱 准确算出触模点的位置 4 4 2触摸屏 电容技术触摸屏特点可靠精确环境电场发生改变 会引起测量漂移 造成不准确安装不便 4 4 2触摸屏 电阻技术触摸屏原理它是一块与显示器表面配合紧密的电阻薄膜屏 这是一种多层的复合薄膜 由一层玻璃或有机玻璃作为基层 表面涂有一层叫ITO的透明导电层 上面再盖有一层外表面硬化处理 光滑防刮的塑料层 它的内表面也涂有一层导电材料 ITO或镍金 在两层导电层之间有许多细小 小于10 3英寸 的透明隔离点把它们隔开并绝缘 当手指触摸屏幕时 两层导电层在触摸点位置就有了一个接触 控制器侦测到这个接通并计算出X Y轴的坐标 4 4 2触摸屏 电阻技术触摸屏特点可以用任何很尖细的物体作触针 但怕锐器刮伤 抗强干扰或灰尘 水汽污染的环境 4 4 3扫描仪 概述扫描仪 Scanner 是一种图像输入设备 利用光电转换原理 通过扫描仪光电的移动或原稿的移动 把黑白或彩色的原稿信息数字化后输入到计算机中 4 4 3扫描仪 扫描仪的种类 手动式扫描仪 平面式扫描仪 滚筒式扫描仪 胶片扫