Внешние устройства ЭВМ

1

Реферативная работа

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ

Содержание (оглавление)

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Системы визуального отображения информации (видеосистемы) 4

2. Клавиатура 8

3. Принтер 9

4. Сканер 11

5. Анимационные устройства ввода-вывода 13

6. Устройства ввода-вывода звуковых сигналов 15

6.1. Физические основы генерации компьютерного звука 16

6.2. Ввод в ЭВМ и машинный синтез речи 19

6.3. Программное обеспечение для работы со звуковой информацией 21

Список использованной литературы 24

ВВЕДЕНИЕ

Персональный компьютер (ПК)- это не один электронный аппарат, а

небольшой комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Часто употребляемый термин "конфигурация ПК"означает, что конкретный компьютер может работать с разным набором внешних (или периферийных) устройств, например, с принтером, модемом, сканером и т.д.

Эффективность использования ПК в большой степени определяется

количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в его составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПК. Широкая номенклатура внешних устройств, разнообразие их технико-эксплуатационных и экономических характеристик дают возможность пользователю выбрать такие конфигурации ПК, которые в наибольший степени соответствуют его потребностям и обеспечивают рациональное решение его задачи.

1. Системы визуального отображения информации (видеосистемы)

Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер -- для связи монитора с микропроцессорным комплектом.

По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические и электронно-лучевые.

Плазменные, электролюминесцентные и жидкокристаллические мониторы относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно: экран имеет малые физические размеры, не мерцает, полностью отсутствует рентгеновское излучение. Мониторы этого вида допускают локальное стирание и замену информации, имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы. Плоские экраны уступают мониторам на электронно-лучевых трубках в скорости обновления информации на экране (они медленнодействующие, не приспособлены для демонстрации динамично меняющихся изображений) и в количестве отображаемых цветовых оттенков.

Жидкокристаллические - пассивные мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.

Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.

Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется “электронное облако”, которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью “запереть” трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.

Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:

? низкую: 320 х 200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);

? стандартную: 640 х 200,640х350 или 640 х 480;

? высокую: 750 х 348 или 800 х 600;

? особо четкую: 1024 х 768 или 1024 х 1024 и выше.

Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране, но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.

По эргономическим характеристикам мониторы делятся на обычные;

с пониженным рентгеновским излучением (LR - Low Radiation) - соответствующие стандарту на ограничение электромагнитных излучений; с антистатическим экраном (AS); работающие в энергосберегающем режиме - снижающие потребление энергии в режиме ожидания (“Green”).

Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощьюадаптера - устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ.

Существуют пять стандартных видеоадаптеров, в полной мере обеспечивающих совместимость различных по конструкции мониторов с ЭВМ:

? MDA - монохромный дисплейный адаптер;

? CGA - цветной графический адаптер;

? MGA - монохромный графический адаптер;

? EGA - улучшенный графический адаптер;

? VGA - видеографическая матрица.

Адаптер MDA, разработанный фирмой IBM, является одним из самых ранних адаптеров, может воспроизводить лишь алфавитно-цифровую информацию и небольшое количество служебных символов. В нем отсутствуют графические возможности. Он обеспечивает разрешающую способность экрана 80 х 25 символов, размер точечной матрицы символа 9х14 пикселов.

Адаптер CGA, производимый той же фирмой, обеспечивает воспроизведение информации только со средним разрешением и ограниченным количеством цветов (этот адаптер был предназначен для работы с цифровыми RGB-монигорами). Обеспечивает разрешающую способность 80 х 25 символов на экране, имеет точечную символьную матрицу 8х8 пиксел. Из-за небольшого объема видеопамяти (всего 16 Кбайт) в графическом режиме адаптер обеспечивал при низкой разрешающей способности (320 х 200 пиксел) воспроизведение 4 цветов (способность монитора - 8 цветов), а при нормальной разрешающей способности мог работать только в монохромном режиме. Поскольку монитор позволял воспроизвести большее количество цветов, все цвета были разделены на две палитры: палитра 0 -зеленый, красный и коричневый (+ черный), палитра 1 - голубой, фиолетовый и белый.

Адаптер EGA начал выпускаться с 1984 г. и был оснащен видеопамятью емкостью 64, 128 или 256 Кбайт. Адаптер разрабатывался для монитора RGBrgb, способного воспроизводить 64 цвета. Но малый объем видеопамяти позволял работать с 4 палитрами по 16 цветов.

Видеографический матричный адаптер VGA, разработанный в 1988 г., позволял реализовать 640*480 точек в графическом режиме при 64-256 (зависит от объема видеопамяти) одновременно отображаемых цветах из 262 144 возможных. В текстовом режиме адаптер VGA позволяет отображать на экране 80 х 25 или 80 х 50 символов. Количество цветов, отображаемых в этом режиме, ограничено 16 цветами из 256 возможных. Ограничение на количество воспроизводимых цветов накладывает архитектура адаптера, стремление сделать его совместимым с адаптером EGA.

Основу адаптера любого типа составляет видеопамять: обычная динамическая (DRAM) или специальная двухпортовая (VRAM), допускающая одновременное обращение как со стороны системной магистрали, так и со стороны монитора.

Начиная с адаптера EGA видеопамять имеет плоскостную структуру: вся память делится на битовые плоскости. В каждой битовой плоскости одному пикселу выделяется один бит. Длина битовой плоскости определяет разрешающую способность экрана. Количество битовых плоскостей (в каждой из которых выделено по одному биту для соответствующего пиксела) определяет, сколько бит отводится для хранения атрибутивного признака пиксела. Если видеопамять имеет одну битовую плоскость, то такой дисплей может работать только в монохромном режиме (пиксел может быть либо ярким, либо темным).

Начиная с адаптеров SVGA (Super VGA), на которые нет единого стандарта, предпринимаются попытки снять ограничения, накладываемые выбором палитры - для этого код цвета из видеопамяти передается на DAC в момент “разжигания” пиксела.

Для воспроизведения динамических (движущихся, анимационных) изображений видеопамять приходится делить на страницы, которые поочередно выводятся на экран при каждой регенерации (пока одна страница выводится на экран, вторая заполняется очередным кадром).

2. Клавиатура

Клавиатура - это одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы - от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации. Клавиатура позволяет управлять курсором на экране дисплея -устанавливать его в нужную точку экрана, перемещать по экрану, “прокручивать” экран в режиме скроллинга, отправлять содержимое экрана на принтер, производить выбор при наличии альтернативных вариантов и т.д.

В последнее время наблюдаются тенденции отказа от клавиатуры в пользу альтернативных устройств: мыши, речевого ввода, сканеров. Но полностью эти устройства клавиатуру не заменяют.

Общее число клавиш в основной модификации клавиатуры - 83, в расширенной клавиатуре - до 101. Количество различных сигналов от клавиатуры значительно превышает это число.

На IBM PC AT используется клавиатура с большим количеством клавиш. На этих машинах есть возможность управлять некоторыми функциями клавиатуры, например, изменять время ожидания автоповтора, частоту автоповтора, зажигать и гасить светодиоды на панели управления клавиатурой.

Устройство клавиатуры не является простым: в клавиатуре используется свой микропроцессор, работающий по прошитой в ПЗУ программе. Контроллер клавиатуры постоянно опрашивает клавиши, определяет, какие из них нажаты, проводит контроль на “дребезг” и выдает код нажатой или отпущен-_ ной клавиши в системный блок ЭВМ.

Выпускаемые разными производителями клавиатуры различаются также по расстоянию между клавишами, числу специальных клавиш, способу переключения на цифровой регистр для быстрого ввода числовых данных, углу наклона, форме и текстуре поверхности клавиш, усилию нажима и величине хода клавиш, расположению часто используемых клавиш и др.

3. Принтер

Принтер - это внешнее устройство ЭВМ, предназначенное для вывода информации на твердый носитель в символьном или графическом виде.

По принципу формирования выводимого изображения ПУ делятся на три вида: литерные, матричные и координатные (векторные).

Литерные устройства выводят информацию в виде символов, каждый из которых является графическим примитивом данного устройства. Литеры сформированы при изготовлении принтера, нанесены на специальные рычаги или литерные колеса-шрифтоносители и при эксплуатации принтера без замены шрифтоносителя не изменяются.

Матричные ПУ выводят информацию в виде символов, сформированных из отдельных точек, объединенных в символьную матрицу. Печатающая головка матричного принтера имеет вертикальный ряд иголок, каждая из которых может сделать оттиск самого маленького элемента изображения - пиксела (точки). Печать символа происходит при перемещении головки по горизонтали. Если подлежащий печати символ имеет размеры большие, чем может обеспечить печатающая головка, такой символ печатается за несколько проходов, после каждого из которых осуществляется перемещение по вертикали (относительно печатающей головки) носителя изображения (например, бумаги).

Координатные ПУ - плоттеры, графопостроители - выводят информацию как текстовую, так и графическую либо в виде отдельно адресуемых точек, либо сформированную из различных линий - так называемое “штриховое” изображение. При решении экономических задач координатные ПУ используются редко.

По способу регистрации изображения ПУ делятся на ударные и безударные.

ПУ ударного действия формируют изображение на бумаге, сжимая с помощью удара на короткий промежуток времени рельефное изображение символа или его части, красящей ленты и бумаги. Иногда краска наносится на поверхность литеры, красящая лента в этом случае отсутствует.

ПУ безударного действия характеризуются тем, что изображение на бумагу наносится через промежуточный носитель, чувствительный к электрическому воздействию, электростатическому полю, магнитному полю, и др. Обычно промежуточный носитель исполняется в виде барабана. Изображение на него наносится лазерным лучом, с помощью магнитных головок и др. Затем изображение на промежуточном носителе проявляется - на поверхность барабана наносится смесь сухого красителя с порошком, “прилипающим” к зафиксированному на барабане изображению (например, если изображение наносилось на барабан магнитным полем, в качестве порошка используются мелкие металлические опилки). После этого к барабану “прикатывается” чистый лист бумаги, на который переносится краситель с барабана. Лист с накатанным на него красителем подвергается термообработке - нагревается до расплавления красителя, который в жидком виде проникает в поры бумаги и хорошо закрепляется на ней. После расплавления красителя отдельные точки сливаются в единое целое, поэтому качество изображения получается высоким. Разрешающая способность таких принтеров очень высока. Например, лазерные принтеры Lazerjet III и Lazerjet IV обеспечивают 300-600 точек на дюйм. Скорость печати у лазерных принтеров измеряется количеством страниц в минуту и составляет 4-12 стр/мин при монохромной печати и 2-6 стр/мин при цветной печати.

К ПУ безударного действия также относятся термические принтеры, использующие термочувствительную бумагу, которая изменяет свой цвет под действием тепловых лучей, и струйные принтеры, у которых жидкий краситель (чернила) находится в печатающей головке. Головка имеет отверстия, через которые краситель не может вылиться из-за сил поверхностного натяжения. Внутри головки находится терморезистор, который при подаче на него импульса тока разогревает краситель, увеличивая его испарение. Пары красителя проникают через отверстие в головке и попадают на бумагу в виде капли. Благодаря тому что головка может работать с несколькими красителями, выпускаются и цветные струйные принтеры. Длительностью нагрева терморезистора можно регулировать количество выбрасываемых чернил, а следовательно, размеры и яркость точки. Разрешающая способность струйных принтеров составляет от 360 до 720 точек на дюйм. Скорость печати 4-10 страниц в минуту. Печатающая головка струйного принтера содержит от 48 до 416 отверстий (сопел).

Альтернативой матричной является векторная знакогенерация. Векторные шрифты строятся на базе математического описания формы символа. Для векторной знакогенерации характерна легкость изменения формы, размеров, наклона шрифта, поэтому они называются свободно масштабируемыми шрифтами. При использовании векторных шрифтов математическое описание формы каждого символа ;с учетом его размеров и стиля преобразуется перед печатью в матричную форму в соответствии с конкретными "размерами матрицы принтера. Поэтому форма шрифта, выводимого на различные устройства, остается примерно постоянной, не зависящей от расстояний между точками и размеров символов. Для такого преобразования в состав печатающих устройств включаются вычислительные устройства - ускорители, в качестве которых нашли применение матричные процессоры, транспьютеры. Это накладывает серьезный отпечаток на архитектуру системы управления принтером.

4. Сканер

Сканер - это внешнее устройство ПЭВМ, позволяющее вводить двухмерное (т.е. плоское) изображение.

Конструкция сканеров в значительной степени определяется типом вводимого изображения: штриховое или полутоновое, монохромное или цветное.

Штриховое изображение (рисунок, текст) состоит из темных линий на светлом фоне. По яркости элементы рисунка могут быть либо темными, либо светлыми - промежуточных значений в штриховом рисунке нет.

Полутоновое изображение (рисунок, фотография) состоит из элементов, различающихся яркостью. Для монохромных изображений степень светлоты элементов изображения оценивается интенсивностью оттенков серого. Технические средства способны различать ограниченное количество оттенков серого, поэтому аналоговая величина - степень светлоты элемента изображения - подвергается дискретизации и оценивается числом по дискретной шкале серого. (Шкала серого представляет собой набор полей с оттенками серого, с одной стороны которой находится белый цвет, а с другой - черный.)

Принцип работы сканера заключается в том, что поверхность изображения освещается перемещающимся лучом света, а светочувствительный прибор (фотоэлемент, фотодиод или фотоэлектронный умножитель) воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости освещенного участка изображения, и преобразовывает его в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал преобразовывается из аналоговой в цифровую форму и в виде цифровой характеристики яркости точки поступает в ЭВМ.

Такой сканер считывает изображение в графическом виде; полученное изображение может быть сохранено в памяти ЭВМ, обработано графическим редактором или выведено на дисплей или принтер. Если был введен текст, то при отображении на дисплее или принтере его можно прочитать. Использовать же текстовые редакторы для работы (редактирования, форматирования) с таким документом не представляется возможным.

Перед обработкой просканированного изображения текстовым редактором необходимо графическое изображение текста преобразовать в код ASCH. Такое преобразование осуществляется программными или аппаратурными средствами распознавания образов.

Луч света, с помощью которого сканируется изображение, должен последовательно, элемент за элементом осветить все изображение. В зависимости оттого, каким образом осуществляется последовательное освещение элементов изображения, различаются оптические читающие устройства со считыванием изображений линейкой и матрицей фотоэлементов, со спиральной барабанной разверткой; со считыванием методом “бегущего луча”, “слежением за контуром”.

Настольные сканеры выпускаются трех типов:

sheet-fed- строчный сканер, в котором носитель изображения пропускается через неподвижную считывающую головку (считывать можно только листовой материал, книги и журналы - нельзя);

flat-bed - страничный сканер, в котором считываемое изображение неподвижно;

over-head- сканер-планшет проекторного типа, в котором считываемое изображение помещается на экране (изображением вверх), считывающий блок расположен вверху устройства.

5. Анимационные устройства ввода-вывода

Необходимость использования специализированных технических средств для компьютерной графики и анимации (т.е. воспроизведения движущихся изображений) объясняется высокими требованиями к системам отображения информации, к качеству воспроизводимого изображения. При воспроизведении статических изображений повышение качества связано с увеличением разрешающей способности экрана и улучшением цветопередачи, что, в свою очередь, требует значительного увеличения видеопамяти и емкости внешних ЗУ. Необходимость работы в реальном масштабе времени при демонстрации фильмов (т.е. динамических изображений) предъявляет высокие требования к производительности ЭВМ, причем не только производительности центрального процессора, но и скорости обмена с внешними устройствами. Дополнительные трудности возникают и вследствие того, что в качестве внешних устройств приходится использовать видео- и аудиоаппаратуру, в которой реализованы иные принципы представления информации: информацию приходится перекодировать, что также требует дополнительных временных, аппаратурных и программных ресурсов. Кроме того, редактирование видеоинформации, перекодирование ее, создание видеоэффектов часто связаны с вычислительной обработкой, а следовательно, с дополнительными затратами времени.

Технический комплекс - микропроцессорный комплект; интерфейс ввода-вывода; устройства ввода-вывода - представляет собой последовательно соединенную систему с параллельными ветвями со стороны УВВ. Производительность такой системы зависит от быстродействия микропроцессорного комплекта, пропускной способности интерфейса ввода-вывода, производительности и способа подключения УВВ, наличия специальных “ускорителей” в различных устройствах, а также от принятой в системе технологии обмена информацией между отдельными частями технического комплекса (при этом нужно учитывать, что одним из элементов этого комплекса может являться человек-оператор, воспринимающий выводимую информацию и обладающий определенными параметрами, например, такими, как время реакции - величиной, не сопоставимой с временем выполнения операций электронной частью комплекса, или время восприятия информации, инерционность зрения, к которым приходится подстраивать программно-технические комплексы.

В состав анимационных устройств ввода-вывода входят видеокамера, видеомагнитофон и телевизор, а также преобразователи видеосигналов.

В основе цветного телевидения лежат особенности человеческого зрения: глаз имеет ограниченную разрешающую способность - две точки, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, воспринимаются глазом слитно;

Несущая частота используется как энергия для переноса информации. Когда на нее накладывается видеосигнал, образуются модулированные радиочастотные колебания. Сам процесс наложения видеосигнала на несущую частоту называется модуляцией.

Видеокамера представляет собой устройство, преобразующее визуальное изображение в аналоговые электрические сигналы.

Основным блоком, воспринимающим изображение в видеокамере, является электронно-лучевой прибор, который по своему устройству напоминает электронно-лучевую трубку: в нем также имеется катод, анод, сетка, отклоняющая и фокусирующая системы. Электронный луч постоянно перемещается, формируя растровую развертку на специальном экране - мишени. Мишень выполнена из диэлектрической пластинки (например, слюды), с одной стороны которой наклеена металлическая фольга, а с другой, - напылен серебряно-цезиевый состав. Напыление производится так, что серебряно-цезиевый состав образует отдельные, электрически не связанные между собой пятна очень маленьких размеров (примерно 1000 пятен в строке и 625 строк на пластинке). Каждое такое пятно образует пиксел, т.е. наименьший элемент изображения.

Видеомагнитофон - это устройство, воспринимающее высокочастотный телевизионный сигнал для записи его на магнитную ленту. После окончания записи телевизионный сигнал (хранящийся на видеокассете) может быть считан с магнитной ленты и воспроизведен на телевизионном устройстве.

Таким образом,видеомагнитофон - это запоминающее устройство, специализирующееся на приеме, записи и воспроизведении динамической видеоинформации.

Помимо приема, записи и считывания видеоинформации, видеомагнитофоны могут выполнять дополнительные функции, что расширяет возможности их использования и позволяет реализовать различные видеоэффекты.

6. Устройства ввода-вывода звуковых сигналов

Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов.

Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение. Можно выделить три направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:

? бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых -медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров,...). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем - от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;

? мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов,...); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видеотелеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);

? профессиональные мультимедиа системы - это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты,...), воспроизвести или записать на стандартную звукозаписывающую аппаратуру,...).

6.1. Физические основы генерации компьютерного звука

Звук - это механические колебания (вибрация) упругой среды (газ, жидкость, твердое тело).

Чистый звуковой тон представляет собой звуковую волну, подчиняющуюся синусоидальному закону:

у =am* sin(wt) = аm*sin(2пft),

где am - максимальная амплитуда синусоиды; w - частота (w=2пf); f- количество колебаний упругой среды в секунду (f=1\T); Т-период; t - время (параметрическая переменная).

Звук характеризуется частотой (f), обычно измеряемой в герцах, т.е. количеством колебаний в секунду, и амплитудой (у). Амплитуда звуковых колебаний определяет громкость звука.

Человек воспринимает механические колебания частотой 20 Гц - 20 КГц (дети - до 30 КГц) как звуковые. Колебания с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, колебания с частотой более 20 КГц -ультразвуком. Для передачи разборчивой речи достаточен диапазон частот от 300 до 3000 Гц.

Если несколько чистых синусоидальных колебаний смешать, то вид колебания изменится - колебания станут несинусоидальными.

Особый случай, когда смешиваются не любые синусоидальные колебания, а строго определенные, частота которых отличается в два раза (гармоники).

Основная гармоника имеет частоту/, и амплитуду а1; вторая гармоника -частоту f2 и амплитуду а2; третья гармоника соответственно f3 и a3.

Причем f1<f2<f3, а1>а2>а3,

При бесконечном количестве таких гармоник образуется периодический сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов .

На слух всякое отклонение от синусоиды приводит к изменению звучания. В IBM PC источником звуковых колебаний является динамик (PC Speaker), воспроизводящий частоты приблизительно от 2 до 8 КГц. Для генерации звука в PC Speaker используются прямоугольные импульсы.

Синусоидальные сигналы в ЭВМ можно получить только с помощью специальных устройств - аудиоплат.

Без таких устройств хорошего качества звучания добиться не удается. Для улучшения качества звучания необходимо к ЭВМ подключить внешнюю аппаратуру. При этом следует преобразовать дискретные сигналы ЭВМ в аналоговые сигналы аудиоаппаратуры. Такое преобразование можно выполнить с помощью схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП), например, реализованной на аналоговом сумматоре, подключаемом к параллельному интерфейсу Centronics (LPT1 или LPT2).

Поскольку ЭВМ работает с дискретными сигналами - импульсами, а звук представляет собой аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся) сигнал, для ввода звуковых сигналов необходимо их оцифровывать.

Способов оцифровки аналогового сигнала существует много. Рассмотрим три из них.

1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу измерения напряжения.

2. Время-импульсное кодирование аналогового сигнала (клиппирование).

3. Спектральный анализатор.

Для улучшения качества звука применяется дополнительное устройство ПЭВМ - звуковая плата (аудиоплата).

Обычно звуковая плата состоит из трех модулей:

? модуля оцифрованного звука,

? многоголосого частотного синтезатора (Freguency Modulation Synthesizer),

? модуля интерфейсов внешних устройств.

Модуль оцифрованного звука предназначен для цифровой записи, воспроизведения и обработки оцифрованного звука.

В его состав входят аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и усилитель. Модуль позволяет преобразовывать вводимый аналоговый сигнал в цифровую форму, записывать его в оперативную память ЭВМ, проводить обратное преобразование оцифрованного звука из памяти ЭВМ в аналоговую форму, усиливать его по мощности для последующего вывода на внешний динамик или головные телефоны. В состав модуля часто входит микшер для смешивания сигналов с линейного входа и с микрофона.

Многоголосый частотный синтезатор предназначен для генерации звуковых сигналов сложной формы. Существуют два принципиально различных способа синтеза звуковых сигналов:

? частотный синтез (FM - Fregueney Modulation);

? волновой синтез (WS - Ware Synthesys).

Модуль интерфейсов внешних устройств может включать в себя интерфейс для подключения CD ROM, игровой порт и др.

Основные характеристики звуковой карты - разрядность, частота дискретизации, количество каналов (моно, стерео), функциональные возможности синтезатора, совместимость.

Звуковые карты, обеспечивающие работу со стереофоническим звуком, имеют два одинаковых канала, тогда как для работы с монозвуком требуется более простая карта. Стереозвук, кроме того, требует вдвое большего объема памяти.

Функциональные возможности карты характеризуют наличие на ней специальных комплектов микросхем: РМ-синтезатора, обеспечивающего частотный синтез звука; WT-синтезатора, обеспечивающего волновой синтез звука (при котором образцы звучания инструментов могут быть записаны в файле вместе с волновыми таблицами (например, формат WAV) или могут находиться в ПЗУ звуковой карты (например, формат MID)). Кроме того, большое значение имеют возможности синтезаторов по обработке звуков (количество голосов, модуляция, фильтрование и др.), наличие аппаратных ускорителей (спецпроцессоров) и аппаратурных средств сжатия - восстановления, возможность загрузки новых образцов звучания инструментов и др.

6.2. Ввод в ЭВМ и машинный синтез речи

Особое место в системах мультимедиа занимает использование аудиоаппаратуры для речевого общения.

Для распознавания и понимания речи дикторов необходимо ввести речевые сигналы в ЭВМ с помощью акустических устройств ввода и проанализировать вводимую речь.

Системы речевого ввода делятся на два типа по характеру распознаваемой речи:

? системы, ориентированные на восприятие отдельных команд;

? системы, воспринимающие связную речь.

Разница между ними весьма существенна, так как при слитном произношении слов изменяется их звучание.

При анализе отдельных команд осуществляются их оцифровка, идентификация и инициируется выполнение программы, отрабатывающей принятую команду. Этот же режим используется и для речевого ввода цифровой информации; в этом случае после идентификации введенное слово преобразуется в соответствующий код ASCH (за счет чего достигается существенное сжатие речи). Фирма Курцвейл выпускает на этом принципе устройство Voice Writer, которое распознает около 10 000 отдельно произнесенных английских слов и печатает их на принтере.

Системы речевого вывода называются синтезаторами речи.

Существуют три основных технологически различных подхода к проблеме синтеза речи:

? метод кодирования-восстановления формы сигналов;

? аналоговый метод синтеза формантных частот;

? цифровое моделирование голосового тракта.

Первый метод- самый простой: ЭВМ в этом случае служит как цифровой магнитофон. Фразы и слова записываются раздельно и выбираются для воспроизведения в нужный момент по командам, поступающим от соответствующей программы. В такой системе невозможно воспроизвести слово, которое не было заранее записано.

Разновидностью синтезаторов этого типа являются автоответчики, построенные из ЭВМ и Voice-модема; речевая телепочта (передача речевого сообщения по вычислительным сетям).

Считается, что этот метод эффективен, когда словарный запас невелик -не превышает 10-15 слов (например, говорящий приборный щиток автомобиля, говорящие часы, калькулятор, календарь).

Второй метод использует принципы акустического моделирования голосового тракта человека. Речь составляется из формантных частотных полос, которые создаются полосовыми фильтрами. Суммарный выходной сигнал формантных фильтров достаточно близко соответствует частотному спектру человеческой речи. Но такая речь звучит, как голос робота, разборчивость ее оставляет желать лучшего.

Этот метод универсален: с его помощью можно синтезировать любые слова, иметь неограниченный словарь, так как речь создается из отдельно генерируемых звуков. Синтезатор может быть реализован программным путем.

Наиболее распространенный способ возбуждения синтезатора формантных частот состоит в использовании отдельных, поддающихся идентификации звуков речи, называемых фонемами.

Фонемный синтез речи практически не требует дополнительной аппаратуры; он может быть реализован на ЭВМ стандартной конфигурации программным путем.

F1, F2, F3 - три основные формантные частоты, наблюдаемые в спектрограмме, При произношении Средним Мужским голосом.

Третий метод использует словарь, который создается голосом человека, но в память записывается не оцифрованный акустический сигнал, а его частотные параметры, при этом уменьшается объем памяти, занимаемый словарем. Синтез же речи производится интегральными микросхемами, генерирующими заданный набор частот с заданными амплитудами и смешивающими их.

6.3. Программное обеспечение для работы со звуковой информацией

Для работы со звуковой информацией необходимо соответствующее программное обеспечение: музыкальные редакторы, “говорящие машины”, речевые и аудиоредакторы.

Музыкальные редакторы служат для:

1. Ввода звукового эффекта в ОП ЭВМ

? с нотного листа (кодирование нотной записи с помощью клавиатуры);

? подбором мелодии по слуху;

? загрузкой мелодии с внешнего носителя (магнитофона, радиоприемника, телевизора).

2. Воспроизведения мелодии при нажатии клавиш ЭВМ (режим клавесина).

3. Автоматической нотной записи вводимой мелодии.

4. Оформления мелодии в виде программы для включения ее в состав презентации или использования для индикации хода вычислительного процесса.

5. Воспроизведения мелодии на акустическом устройстве вывода или на профессиональной аппаратуре, подключенной к ПЭВМ.

6. Для профессиональной обработки введенной мелодии (оркестровка, оранжировка,..), вывода нотной записи.

7. Для машинного синтеза музыки.

8. Для оформления мелодии видеоэффектами на экране ЭВМ (цветомузыка, многоканальная индикация громкости,...).

Простые музыкальные редакторы обеспечивают одноголосое воспроизведение и имеют простое управление, ориентированное на неподготовленного пользователя (MUSMAKER - МГУ, редактор мелодий PIANOMAN,...).

Музыкальные редакторы предоставляют для начала работы блоки, более крупные, чем отдельные ноты.

ST является freeware - продуктом фирмы PSI. Выпущена третья версия (ST3) этого редактора, но дальнейшую работу по совершенствованию и развитию этой программы фирма не ведет. ST реализован под DOC.

В конце 1995 г. московская фирма “Элекай” (разработчик) совместно с фирмой “Русс” (разработчик и издатель) произвели “развлекающий и обучающий” программный продукт, предназначенный для сочинения музыки:

Маэстро+. Он может использоваться как любителями, так и профессионалами на достаточно мощном IBM-совместимом мультимедиа компьютере.

Музыкальный редактор позволяет работать с ним человеку, который не имеет понятия о нотах, а свою “внутреннюю” музыку если и слышит, то довольно смутно.

В Маэстро+ реализованы алгоритмы “искусственного интеллекта”, позволяющие создавать гармоничную, порой неожиданную музыку. Интеллектуальность компьютера помогает “навести” человека на новую музыкальную тему, оформить ее.

Маэстро+ состоит из трех основных модулей, соответствующих уровню музыкальной подготовки пользователя:

? Music Adviser - для начинающих;

? Music Mirror - имеет расширенный набор возможностей и предназначен для “продвинутого” пользователя;

? Mirror Station - для квалифицированных пользователей и профессионалов-музыкантов.

В качестве “строительного материала” музыкальный редактор имеет заготовки около 800 различных инструментов, около 50 готовых мелодий и спецэффектов, не менее 10 сложных авторских композиций.

Маэстро+ работает в защищенном режиме DOS, обеспечиваемом расширителем памяти фирмы “Элекай”. Требует PC не хуже 486DXL2 66.

Все три модуля музыкального редактора объединяются программой-меню, выполненной в виде компьютерной игры. Документация содержит руководство пользователя, набор уроков для освоения всех трех модулей.

Музыкальный редактор “Band-in-a-Box” оперирует понятием “стиль”, под которым понимается некоторый набор готовых музыкальных фрагментов. Создавая свою композицию, пользователь расставляет на каждом канале и для каждого отрезка времени свои параметры: какой фрагмент использовать, каким инструментом, в какой гамме и с какой скоростью его играть. В память машины можно ввести мелодию, наигранную на клавиатуре. Можно играть и во время исполнения компьютером композиции, используя возможности ЭВМ как “электронный аккомпанемент”; при этом программа “подыгрывает” человеку (который является ведущим), пока он активен и импровизирует в паузах.

Говорящие машины и речевые редакторы используются для воспроизведения речи по введенному тексту и настройки ПЭВМ (громкость, тембр, скорость звучания, мужской-женский голос,...).

Обычно говорящие машины загружаются в оперативную память и остаются резидентами. Обращение к ним осуществляется нажатием “горячих клавиш”. При использовании говорящей машины в целях обучения (например, произношению) она может “проговаривать” всю текстовую информацию, возникающую на экране. Но такое использование говорящей машины сильно снижает производительность ЭВМ.

Речевые редакторы позволяют перенастраивать режимы работы говорящей машины, воспроизводить на экране осциллограмму речи, ставить метки на осциллограмме, воспроизводить речь между поставленными метками, вырезать и вставлять речевые фрагменты и так далее.

Аудиоредакторы не специализируются на каком-либо виде звуковой информации. Функции такие же, как у речевых редакторов, без настройки говорящей машины. В состав Windows входят такие аудиоредакторы, как Sound Recorder и Mediapleer.

Список использованной литературы

1. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд.7-е, перераб. и доп.- М: ИНФРА-М, 1997 - 640 с:ил.

2. Милютина И.А. Технические средства компьютерных информационных технологий. Методические рекомендации к таблицам по инф-ке. 1-й выпуск - М: АО "Московские учебники и Картометография" 1997 - 79 с.: ил.

3. Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник / Г.А.Титоренко, Н.Г. Черняк, Л.В. Ерешин и др; под редакцией В.П.Косарева, А.Ю. Королева - Изд. 2-е, переработки и дополнение - М.: Финансы и статистика, 1996 - 336 с.: ил.

4. Основы компьютерной технологии: уч.пособие для старших классов по

курсу "Информатика и вычислительная техника"/ Ю.А.Шафрин - М.: АБФ, 1997- 656с: ил.

5. Основы информатики и вычислительной техники. Проб.учебное пособие для10-11 классов средней школы/В.А.Каймин, А.Г.Щеголев, Е.А.Ерохина, Д.П.Федюнин - М: Просвещение, 1989 - 272 с.: ил.

6. Информатика. Программа. Лабораторный практикум: Методическое издание / под редакцией Титоренко Г.А.- М: Экономическое образование, 1998 - 72 с.В.Фиурнова стр. 31 9про сисемный блок)

7. Информатика: Методические указания по выполнению и темы курсовых работ. Для студентов 2 курса всех специальностей / Всероссийский заочный финансово-экономический институт Г.А.Титотренко, Г.Д.Савинчев, Н.Г.Бубнова, Г.В.Федорова, Т.Г. Захарова; отв.редактор Г.А. Титоренко - М.: Финстатинформ, 1997 - 28 с.