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大学计算机基础—多媒体技术第七章多媒体技术本章主要介绍多媒体计算机硬件与软件方面的基础知识，以及计算机中音频、图像等信息的获取与处理、动画与视频的概念、多媒体数据压缩原理等方面的相关内容。7.1.1多媒体计算机的概念7.1多媒体计算机技术概述在计算机或通讯领域，媒体是指信息的载体或者信息的存储实体，信息载体包括数字、文字、声音、图形、图像、视频；信息的存储实体包括磁盘、光盘、U盘等。而就多媒体计算机而言，媒体则是指信息载体。根据国际电信联盟的定义，媒体可分为5种：①感觉媒体②表示媒体③显示媒体④存储媒体⑤传输媒体7.1多媒体计算机技术概述2.为传送和表达感觉媒体而人为研究出来的媒体(如ASCII、汉字、图像、声音、视频编码等)1.人类通过感观直接感知的信息(文字、声音、图像等)3.输入和输出信息的媒体(如键盘、鼠标、显示器、打印机等)4.存储表示媒体的介质(软盘、硬盘、光盘等)5.传输信息的媒体。(如光纤、电缆等)感觉媒体存储媒体传输媒体显示媒体显示媒体表示媒体动画7.1多媒体计算机技术概述多媒体：通常是指文字、声音、图像、图形、动画、视频等各种媒体的组合。多媒体计算机技术：计算机综合处理多种媒体信息——文本、图形、图像、音频、视频和动画，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统且具有交互性。1984年，Apple公司推出Machintosh图形操作系统。1985年，世界上第一台多媒体计算机问世。1986年，推出光盘系统。1990年，多媒体个人计算机协会制定MPC1标准。1995年，Windows95操作系统问世。Apple计算机(1984)CommodoreAmiga系统7.1多媒体计算机技术概述7.1.2多媒体技术的发展历史7.1多媒体计算机技术概述多媒体特点是：(1)多样性：多媒体不只处理一种媒体，而是综合处理多种媒体，包括图文声像信息。(2)集成性：多媒体的集成性一方面表现在信息载体的集成，另一方面是多媒体设备的集成。(3)交互性：多种媒体系统可以实现人机互动，用户可以根据需要来使用系统。7.1.3多媒体技术的特点和关键技术7.1多媒体计算机技术概述多媒体技术涉及的领域众多，其关键技术主要表现在以下几个方面：①数据的输入输出技术如何将信息输入到计算机，这些信息又如何准确地还原，是多媒体技术研究的首要任务。②数据的压缩编码和解码技术多媒体信息的最大问题是数据量太大，要解决在有限空间中的存储和在有限带宽上的传输，数据压缩编码是最有效的方法。7.1多媒体计算机技术概述③数据存储技术音频、视频、图像等信息需要相当大的存储空间，因此发展大容量存储器的是解决多媒体信息存储的一个关键问题。④虚拟现实技术利用计算机技术生成的一个逼真的具有视、听、触及嗅觉的感觉世界，可以用人的自然手法对这个虚拟实体进行交互动作。此外，多媒体关键技术还包括多媒体数据库技术、多媒体网络与通信技术、智能多媒体技术、多媒体信息检索等等。多媒体信息的主要元素1．文本：包含字母、数字、汉字等基本元素。2．图形：又称矢量图。通过计算而描述的矢量图形多媒体多媒体多媒体各类文字和符号1234ABCD☆※＃№§→◇！？；φβ多媒体信息的主要元素3.图像：又称位图或像素图。4.动画：采用编程或动画软件创作的连续画面。用像素点描述的自然影像编程或动画制作软件生成的画面多画面帧动画单画面矢量动画多媒体信息的主要元素5.音频：指人耳能听到的连续变化的音波。6.视频：动态的影视图像。数字音频信号、压缩音频信号●midi音频●wav音频●mp3压缩音频用电视摄像设备捕捉的实物场景音频+视频END7.1多媒体计算机技术概述(1)多媒体技术智能化应该更充分利用计算机的快速运算能力，综合处理声、文、图信息，进一步发展智能多媒体技术，即把人工智能领域某些研究课题和多媒体计算机技术很好地结合。(2)多媒体信息实时处理和压缩编码算法芯片化把多媒体信息实时处理和压缩编码算法直接放置到CPU芯片中，改善多媒体计算机的性能指标。7.1.5未来多媒体技术的发展7.1.4多媒体技术的发展和应用7.1多媒体计算机技术概述(3)虚拟现实技术是指运用多种技术综合形成一种模拟现实环境的人造环境，用户在该环境中通过五官和大脑的亲自体验并参与到该虚拟环境中，可以与之交互。让用户感觉到如同置身于真实世界一样，它是多媒体技术的最高境界。未来，在上述发展的基础上多媒体技术将进一步向三电合一(电信、电脑、电器通过多媒体数字化技术相互渗透融合，如信息家电、移动办公等)、三网合一(因特网、通信网、电视网合为一体形成综合数字业务网)等方面发展。7.2.1多媒体计算机硬件系统7.2多媒体计算机系统7.2多媒体计算机系统(1)基本硬件设备①光盘存储器(见第三章)②声卡用于处理声音，是多媒体计算机的基本配置。声卡的基本工作原理7.2多媒体计算机系统声卡中最为关键的三个部件分别是:①数字信号处理器(DSP)主要用于实现对声音的模/数(A/D)转换和数/模(D/A)转换。②混合信号处理器(简称混音器)是用于实现对各种音频源进行混音。③音乐合成器声卡可以通过内部合成器或外接到计算机MIDI端口的外部合成器播放MIDI文件。7.2多媒体计算机系统声卡的作用主要有：①A/D(模/数)转换——将模拟量的自然声音转化成数字化的声音，然后以文件形式保存在计算机中。②D/A(数/模)转换——把数字化的声音转换成模拟量的自然声音并输出到声音还原设备中。③输入、输出功能——可以将模拟信号引入声卡并转换成数字信号；也可以将数字信号转换成模拟信号送到输出端口驱动音响设备发出声音。7.6音频卡的基本原理动画7.2多媒体计算机系统(2)扩展设备具有代表性的扩展设备有：触摸屏、视频卡、扫描仪、数码相机、数字摄像机、摄像头等等。数码照相机彩色扫描仪数码摄像机触摸屏摄像头视频卡①触摸屏：属于输入设备，可通过手指直接触及屏幕上的菜单、光标、接钮等。系统主要由传感器、控制部件、驱动程序组成。当用手指或其它设备触摸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，并通过接口送到CPU，从而确定用户所输入的信息。触摸检测装置触摸屏控制卡驱动程序电缆7.2多媒体计算机系统②视频卡可接收模拟视频源的信号(如录像机、电视机、LD影碟机等)，并对该类信号进行数字化处理，然后再压缩编码成数字视频信号。此外，还有一种比较流行的视频采集卡(IEEE1394数字视频采集卡)。它主要的作用是将数码摄像机中存放在数码摄像带上的数据传送到电脑硬盘中。7.2多媒体计算机系统视频卡数字视频采集卡扫描仪工作原理：把原件朝下放在扫描仪的玻璃台上，扫描仪内发出光照射原件，反射光线经光学镜面导向后，照射到CCD的光敏器件上。CCD将不同颜色光的强度转换成等价的电信号，再送到模数转换器中转换成代表每个像素的数字值。步进电机驱动扫描头沿平台作微增量运动,每移动一步，即获得一行像素值。7.2多媒体计算机系统③扫描仪：是一种图形输入设备。配合适当的应用软件后，扫描仪还可以进行中、英文智能识别。扫描样张光电转换器导轨光源数字信号输出识别反射光线④数码照相机采用CCD作为记录图像的介质，CCD实际上是一块布满光敏元件的感光板，它通过光照的不同引起的电荷分布的不同来记录被摄入的物体，CCD上的感光元件越多则像素就越多，图像越清晰。7.2多媒体计算机系统1.光信号转换成电信号2.电信号再转换成数字信号3.编码、压缩等处理4.保存压缩数字图像⑤数码摄像机数码摄像机是将图像信号和音频信号进行模数转换压缩处理后再将这两路信号送给磁头完成记录的存储。存储介质主要有四种：DV带；DVD可擦写光盘；微型硬盘；大容量存储卡。目前，数码摄像机普遍趋于采用大容量存储卡做存储介质。7.2多媒体计算机系统⑥数码摄像头数码摄像头成像原理跟数码相机没有本质的区别，一般采用USB接口，不需要专门的硬件卡。⑦投影仪投影仪是一种数字化设备，主要用于计算机信息的显示。常见的投影仪主要有LCD(液晶)投影仪、DLP(数字光处理)投影仪。7.2多媒体计算机系统⑧电子白板目前，比较流行的交互式电子白板，可利用特定的定位笔代替鼠标在白板上进行操作。7.2多媒体计算机系统7.2.2多媒体计算机软件系统应用软件媒体制作软件多媒体平台软件工具软件操作系统多媒体设备驱动程序多媒体设备用于在启动操作系统时把设备的状态、型号、工作模式等信息提供给操作系统，并驻留在内存中供系统调用。媒体制作软件：主要包括图像、视频、音频的编辑制作。媒体平台软件：用于多媒体素材的组合。工具软件：用于加工和处理数据，如压缩、加密等。应用软件。包括Windows系统提供的多媒体软件、动画播放软件、声音播放软件、光盘刻录软件等。7.3.1声音的特性7.3音频信息的获取和处理人耳感觉到空气分子的振动就是声音。由振动产生的声音有两个基本参数，它们是频率和幅度。声音的频率是指每秒钟振动的次数，用Hz表示，幅度则表示声音大小和强弱程度。人说话时的信号频率范围一般在300~3000Hz，称为话音信号。20Hz20～20,000Hz20,000Hz次声波人耳可听范围超声波振幅周期频率7.3音频信息的获取和处理按照带宽可将声音质量分为4级：①数字激光唱盘CD-DA。属于音质的最高等级。②调频无线电广播，简称FM质量。音质其次。③调幅无线电广播，简称AM质量。音质较差。④电话质量。音质最低等级。7.3音频信息的获取和处理声音是一种机械振动。模拟音频技术把这种机械振动转换成电信号，并以模拟电压的幅度表示声音强弱，因此，模拟音频信号所反映的声音波形在时间和幅度上也是连续的信号。而计算机只能处理时间和幅度上都离散的数字信号，所以模拟信号需要进行数字化处理。数字音频信号:就是把表示声音强弱的模拟电压用数字表示。7.3.2音频信息的数字化7.3音频信息的获取和处理数字音频信号是由模拟声音经采样、量化和编码得来的。其信号在时间和幅度上都用离散的数字序列表示。模拟信号的数字化过程100101100011101采样就是每间隔一段时间就读一次声音信号的幅度，量化就是把采样得到的声音信号幅度转换为数字值。时间上的离散叫采样，幅度上的离散称为量化。7.3音频信息的获取和处理采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本。(1)采样频率采样频率越高，单位时间所得到的振幅值就会越多，因而对于原声音曲线的模拟也就越精确。采样频率≥声音信号最高频率×2奈奎斯特(Nyquist)采样定理：主流声卡的采样频率一般可分为22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级，22.05只能达到FM广播的声质，44.1KHz则是理论上的CD音质界限，48KHz则更加精确一些。7.3音频信息的获取和处理量化的过程是将采样后的信号按整个声波的幅度划分成有限个区段，然后把落入某个区段内的值归为一类，并赋予相同的量化值。通常，声卡可按8位、16位、32位、64位分类，这些数字指的是声卡的量化精度。(2)量化精度图7.19音频信号的采样与量化7.3音频信息的获取和处理高的采样频率、量化精度，就可以减少失真。但由此得到的数字音频信号数据量也就越大。由于经采样和量化后的音频信号数据量很大，所以一般要先对数字化的音频信息进行编码和压缩，然后再在计算机内传输和存储。(3)编码动画7.3音频信息的获取和处理(1)WAV文件格式：来源于对声音模拟波形采样、量化、编码，该格式是通用音频格式，其最大的缺点是占用存储空间大，主要用于音频原始素材的保存。7.3.3数字音频文件格式未压缩的音频文件WAV和CD音频光盘的存储容量计算如下：存储量=采样频率×采样量化位数×声道数×时间/87.3音频信息的获取和处理举例：采样频率为44.1KHz，采样数据量化位数(或称采样精度)为16位、双声道，一张60分钟的CD唱片所占存储容量为：(44.1×1000×16×2×3600)/8=635040000(B)≈606(M)(2)MP3文件格式：采用1:10～1:20压缩率制作的数字音频文件。必须解压缩才能播放，数据量小。(3)RA文件格式：最早的因特网流媒体音频，音质相对较差