Цифровые устройства обработки информации цифровые устройства. Поколения цифровых устройств обработки информации

Что это за цифровые устройства обработки информации? Цифровые устройства – это устройства для обработки информации, представленной в доступной для компьютера форме. Это: сенсорные экраны сканеры фотоаппараты видеокамеры мобильные телефоны веб - камеры документ - камеры проекторы устройства беспроводной передачи данных системы видеонаблюдения

Видеокамеры Видеокамера электронный киносъёмочный аппарат, устройство для получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе, приспособленное для записи или передачи в телевизионный эфир движущихся изображений. Обычно оснащается микрофоном для параллельной записи звука.

Веб - камеры Веб-камера (также вебкамера) цифровая видео или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети интернет (в программах типа Instant Messenger или в любом другом видеоприложении).

Проекторы Проектор световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико- механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора экран.

Устройства беспроводной передачи данных Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Устройства беспроводной передачи данных GPRS (англ. General Packet Radio Service пакетная радиосвязь общего пользования) надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не времени, проведённому онлайн.

Устройства беспроводной передачи данных Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру. Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity «беспроводная точность») стандарт на оборудование Wireless LAN.

Видеонаблюдение Видеонаблюдение (англ. Сlosed Circuit Television, CCTV система замкнутого телевидения) процесс, осуществляемый с применением оптико-электронных устройств, предназначенных для визуального контроля или автоматического анализа изображений (автоматическое распознование лиц, государственных номеров).

Цифровые устройства обработки информации Автор: Дмитрий Тарасов, 2009

РАЗДЕЛ 2. СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Основные понятия цифровой электроники

Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, – получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал – сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т.е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона.

Квантованный сигнал – сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями – шаг квантования.

Дискретизированный сигнал сигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации – шаг дискретизации
. При постоянном
применима теорема Котельникова:
, где- верхняя граничная частота спектра сигнала.

Цифровой сигнал - сигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения – 0 и 1.

Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам,– минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.

Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.

Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.

Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). По виду кодирования двоичных цифр электрическими сигналами элементы цифровой техники делятся на потенциальные (статические) и импульсные (динамические).

В потенциальных элементах нулю и единице соответствуют два резко отличающихся уровня напряжения. При этом напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными относительно корпуса, электрический потенциал которого принимается за ноль. Различают элементы, работающие в положительной и отрицательной логике. В элементах с положительной логикой переход от 0 к 1 совершается с повышением потенциала. В отрицательной логике за логическую 1 принимается более отрицательное напряжение.

В импульсных элементах логической единице соответствует наличие, а логическому нулю – отсутствие импульса.

Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация – чтение, сдвиг, логическая команда и т.п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используется два способа – параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах, как правило, реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие.

Элементную базу для построения цифровых устройств составляют цифровые интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов (ЛЭ) – простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.

Все цифровые устройства можно отнести к одному из двух основных классов: комбинационные (без памяти) и последовательностные (с памятью). Комбинационными называют устройства, состояние выходов которых в любой момент времени однозначно определяется значениями входных переменных в тот же момент времени. Это логические элементы, преобразователи кодов (в том числе шифраторы и дешифраторы), распределители кодов (мультиплексоры и демультиплексоры), компараторы кодов, арифметико-логические устройства (сумматоры, вычитатели, умножители, собственно АЛУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые логические матрицы (ПЛМ).

Выходное состояние последовательностного цифрового устройства (конечного автомата) в данный момент времени определяется не только логическими переменными на его входах, но еще зависит и от порядка (последовательности) их поступления в предыдущие моменты времени. Иными словами, конечные автоматы должны обязательно содержать элементы памяти, отражающие всю предысторию поступления логических сигналов, и выполняются на триггерах, в то время как комбинационные цифровые устройства могут быть целиком построены только на логических элементах. К числу цифровых устройств последовательностного типа относят триггеры, регистры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), микропроцессорные устройства (микропроцессоры и микроконтроллеры).

Прежде чем изучать различные цифровые устройства, познакомимся с элементами математического аппарата, используемого при их построении. Его составными частями являются представление о системах счисления и методы описания и преобразования логических функций.

9. Математические основы цифровой электроники

9.1. Позиционные системы счисления

Системой счисления называют способ изображения произвольного числа ограниченным набором символов, называемых цифрами. Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе, называют разрядом , а системы счисления, обладающие отмеченным свойством, –позиционными.

В общем случае n - разрядное положительное числоN в произвольной системе счисления с основаниемр представляется суммой вида

(9.1)

где a k - отдельные цифры в записи числа, значения которых равны членам натурального ряда в диапазоне от 0 до (р – 1).

При выполнении вычислений цифровыми электронными устройствами используются элементы с двумя устойчивыми состояниями. По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная система счисления (с основанием 2). В каждом двоичном разряде, получившем название бит , может стоять 1 или 0. Сама же запись числа (двоичный код) представляет собой последовательность из единиц и нулей. Чтобы отличить двоичное число от десятичного, будем дополнять его справа суффиксомВ (Binaire ), как это принято в специальных машинно-ориентированных языках программирования, называемых ассемблерами.

Веса соседних разрядов двоичного кода числа отличаются в два раза, а самый правый разряд (младший) имеет вес 1. Поэтому, например

101101В = 1 . 2 5 + 0 . 2 4 + 1 . 2 3 +1 . 2 2 + 0 . 2 1 + 1 . 2 0 = 45.

Четыре соседних бита называют тетрадой , группу из 8 бит называютбайтом , а из 16 бит –машинным словом . Совокупность из 1024 (2 10) байт называют килобайтом, из 1024 килобайт – мегабайтом, из 1024 мегабайт – гигабайтом.

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 2 20 Кбайт = 2 30 байт.

Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объемом в десятки гигабайт.

Арифметические операции в двоичной системе счисления исключительно просты и легко реализуются аппаратно. Однако при вводе и выводе информации в цифровое устройство она должна быть представлена в более привычной для человека десятичной системе счисления. Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к десятичному эквиваленту привело к использованию двоично-десятичного кода. В этом коде для записи отдельных цифр разрядов десятичного числа используют тетрады их двоичного

Тема урока: «Цифровые устройства обработки информации: цифровой фотоаппарат»

Цель урока:

Создать условия для формирования у учащихся представления о видах и назначении цифровых устройств для обработки информации;

Развивать навыки обработки информации с помощью различных устройств;

Воспитывать бережное отношение к компьютерной технике, выполнение правил безопасного поведения.

Учащиеся должны знать:

Возможности применения цифровых фотоаппаратов.

Обеспечение урока:

презентация «Цифровой фотоаппарат»;

мультимедийный проектор и экран;

цифровой фотоаппарат;

ХОД УРОКА:

Организационный момент.

Приветствие, организация учащихся на совместную результативную деятельность.

Объяснение нового материала.

Вопр. Какие наиболее распространенные цифровые устройства обработки информации вам известны?:

Сегодня мы рассмотрим цифровые фотокамеры. Изучать материал вы будете следующим образом: каждый из вас вытянет карточку с заданием и изучит материал. Потом, по номерам карточек вы сформируетесь в группы (пары), вместе обсудите материал и выберите способ донести его до остальных. В конце урока у нас должно с вами сформироваться представление о цифровом фотоаппарате как средстве обработки и передачи информации в компьютер по следующему плану:

Общий вид, составные части.

Достоинства.

Дополнительные возможности.

Способы хранения информации

Связь с ПК и другими устройствами.

Карточка №1

Общий вид, составные части:

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или жестковстроенный, состоит из группы линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Карточка №2

Достоинства

Наглядность и оперативность. При съёмке на «цифру» вы видите результат сразу же после нажатия на кнопку спуска затвора.

Экономичность. Цена на цифровой фотоаппарат снижается до уровня цены на обычный пленочный. Необходимо учесть еще и стоимость расходных материалов (пленки, реактивов и т.д.)

Компактность. Небольшие размеры фотоаппарата являются одним из самых важных критериев для фотографа-любителя.

Независимость, надежность, удобство хранения. Нет зависимости от мастера по печати фотографий, более долгий срок хранения.

Дополнительные возможности. Современные цифровые камеры зачастую обладают целым рядом дополнительных возможностей, принципиально недоступных для плёночных собратьев. Среди них, например, видеозапись, режим съёмки панорам или запись аудиокомментариев. Кроме того, специальные алгоритмы обработки изображений, реализованные в программном обеспечении камер, позволяют отчасти заменить такие традиционные фотографические инструменты, как, например, светофильтры и плёнки для разных типов освещения.

Цифровая обработка.

Печать. Практически все современные «цифровики» и принтеры поддерживают протокол PictBridge, предусматривающий прямой обмен данными между камерой и печатающим устройством.

Карточка №3

Дополнительные возможности

Скоростная съемка. Скоростная съемка - это режим, в котором камера снимает кадры не поодиночке, как обычно, а сериями – в надежде на то, что хотя бы один кадр в серии получится удачным.

Брэкетинг (вилка) автофокуса (экспозиции, баланса белого, вспышки). Это специальный режим, в котором камера делает несколько (обычно 3) снимка подряд с вариацией того или иного параметра.

Съемка панорам («stitch assist»). Эта функция служит для облегчения панорамной съемки. Панорама – это серия кадров, снятая с некотором смещением по горизонтали или вертикали, и впоследствии «склеенная» на компьютере в одно большое изображение.

Макросъемка. Функция макросъемки (макрорежим) – это специальный режим работы автофокуса, в котором становится возможной фокусировка по очень близко расположенным объектам.

Датчик ориентации. Многие камеры имеют так называемый датчик положения или ориентации. Суть его работы проста: в момент съемки датчик определяет, в каком положении находится камера – в обычном или в портретном (повернута на 90 градусов). Если зафиксировано портретное положение, то после спуска затвора возможно два варианта (в зависимости от производителя аппарата). Либо -файл записывается «как есть», но в его заголовке делается специальная пометка о «портретности», либо необходимый поворот на 90 градусов выполняется процессором камеры, и кадр сразу пишется, «как надо.

Голосовые комментарии к снимкам. Некоторые камеры позволяют сопровождать только что снятые кадры краткими голосовыми комментариями. При всей кажущейся вычурности, это довольно полезная возможность. Например, во время экскурсии по незнакомому городу фотограф может отмечать, какую достопримечательность он только что сфотографировал, и в дальнейшем это значительно облегчит разбор отснятого материала.

Видео. Практически все цифровые фотокамеры (кроме зеркальных), присутствующие на рынке, позволяют снимать видеоролики.

Спецэффекты. Почти все аппараты имеют в качестве дополнительной возможности набор спецэффектов (или так называемых фильтров). Среди них обычно присутствует отбрасывание цветовой информации (монохромное изображение), «сепия», повышение или понижение цветовой интенсивности и т.д.

Карточка №4

Способы хранения информации.

а) Встроенная память фотоаппарата (обычно очень мала, позволяет хранить до 10 фотографий)

б) Флэш-память или карты памяти

На данный момент среди форматов флэш-памяти можно выделить трех безусловных лидеров – это Secure Digital, CompactFlash и Memory Stick.

Secure Digital - это стандарт, созданный альянсом компаний SanDisk, Matsushita Electric (Panasonic) и Toshiba. Физические размеры модуля довольно малы и составляют 24x32x1,4 мм, что позволяет использовать память этого типа в суперкомпактных фотоаппаратах. Кроме того, стандартом предусмотрена защита от несанкционированного копирования (что позволяет выпускать в этом формате, например, книги), а также защита от случайной перезаписи (на модуле памяти имеется механический переключатель). По данным на 2004 г, Secure Digital является наиболее популярным формат на рынке.

Модуль памяти Secure Digital

Стандарт CompactFlash, созданный фирмой SanDisk, предусматривает модули двух типов (Type I и Type II), отличающихся толщиной. Размеры карт составляют 42,8x36,4x3,3 мм и 42,8x36,4x5 мм соответственно. CompactFlash – наименее компактный из всех форматов, зато помимо памяти в нем производится огромное количество различной периферии для карманных компьютеров: модемы, GPS-модули, WiFi- и Bluetooth-адаптеры и т.д. Кроме того, в этом формате выпускаются миниатюрные жесткие диски IBM/Hitachi Microdrive и Sony Microdrive объемом от 2 до 4 Гб (ожидается также 6-гигабайтный диск от Western Digital). Впрочем, целесообразность приобретения компактных жестких дисков (в свете обвального падения цен на флэш-память) довольно сомнительна.

Модуль памяти CompactFlash

Авторство формата Memory Stick принадлежит фирме Sony. Этот формат имеет два базовых типа корпуса – Memory Stick и Memory Stick Duo. Первый обладает размерами 50x21,5x2,8 мм, второй – 31x20x1,6 мм. В тех же форм-факторах существуют также высокоскоростные модификации с возможностью адресовать более 128 Мбайт. Они обозначаются индексом Pro (Memory Stick Pro и Memory Stick Pro Duo, соответственно).

Модуль памяти Memory Stick Pro

Secure Digital и CompactFlash являются открытыми стандартами, свободными от каких-либо лицензионных платежей. Memory Stick – стандарт закрытый и лицензируемый, так что за рамками продукции Sony он не получил особого распространения. Модули этого формата стоят почти вдвое дороже остальных, поскольку в их цену включены лицензионные отчисления (роялти).

Также на рынке присутствуют и другие типы памяти (например, стандарт xD, разработанный не так давно компаниями Olympus и Fujifilm), устаревающие стандарты MMC и SmartMedia и т.д. Однако они распространены гораздо меньше, и мы не будем останавливаться на них подробно.

Карточка № 5

Интерфейс с компьютером и принтером

Фотоаппарат подключается к компьютеру для копирования отснятого материала из флэш-памяти, а также, в случае необходимости, для обновления программного обеспечения («прошивки») камеры. Соединение с принтером необходимо, очевидно, для прямой печати с камеры по протоколу PictBridge.

Подавляющее большинство камер подключается к компьютеру или принтеру по интерфейсу USB (Universal Serial Bus). Для этого (со стороны камеры) используется либо стандартный разъем «mini-B», либо нестандартный фирменный. Очевидно, что первый вариант несколько предпочтительнее, поскольку «в случае чего» стандартный кабель вы легко купите в любом магазине за символические деньги, в то время как за фирменным придется побегать (да и обойдется он существенно дороже).

На данный момент распространено две версии стандарта USB: 1.1 и более новая 2.0. Первая обеспечивает пропускную способность 12 Мбит/с, вторая – 480 Мбит/с. Соответственно, если вы используете достаточно быструю флэш-память, интерфейс USB 2.0 будет предпочтительнее. Впрочем, вы всегда можете извлечь память из фотоаппарата и воспользоваться внешним устройством для чтения флэш-карт – так называемым карт-ридером (модуль памяти будет представлена как носитель с файловой системой FAT16/32).

Самый простой разъем - AV-выход RCA - попросту говоря "тюльпаны" - приспособлен для подключения к любой телевидеотехнике, и обеспечивает просмотр изображений на телеэкране.

На ознакомление учащихся с материалом и обсуждение отводится 10 минут . Затем учащиеся выступают с сообщениями, которые сопровождаются презентацией учителя.

Обобщение материала и подведение итогов
Вопросы к классу:

1. Что нового вы узнали на уроке?

   Была ли информация полезна? В чем её польза?

   Если бы вам предстояло выбирать фотоаппарат, то на какие его параметры вы бы обратили внимание?

Практикум по работе с цифровым фотоаппаратом.

Примечание: во время урока можно фотографировать основные этапы. В конце урока отснятый материал передать в компьютер разными способами.

Домашнее задание: задается по группам:

1 группа – основные элементы видеокамеры

2 группа – достоинства цифровых видеокамер

3 группа – устройства для записи информации в видеокамере

4 группа - передача информации с видеокамеры в компьютер

5 группа – веб-камеры

Тема урока: «Цифровые устройства обработки информации : цифровая видеокамера »

Цель урока:

создать условия для формирования у учащихся представления о видах и назначении цифровых устройств для обработки информации;

продолжить развивать навыки обработки информации с помощью различных устройств;

продолжить воспитывать бережное отношение к компьютерной технике , выполнение правил безопасного поведения в кабинете

ХОД УРОКА:

1. Организационный момент.

2. Повторение материала предыдущего урока:
1) о каком устройстве мы говорили на прошлом уроке?

2) Какие основные элементы фотоаппарата вы можете назвать?

3) Каковы достоинства цифровых фотокамер?

4) Где хранятся изображения в фотоаппарате?

5) Как осуществляется передача изображений с фотоаппарата?

3. Изучение нового материала.

К сегодняшнему уроку вы подготовили сообщения о цифровых видеокамерах – устройствах, которое намного расширяет возможности современных компьютеров. Знакомство с этим устройством мы проведем по тому же плану, что и знакомство с цифровым фотоаппаратом, т. е:

1 – основные элементы видеокамеры

2– достоинства цифровых видеокамер

3– устройства для записи информации в видеокамере

4 - передача информации с видеокамеры в компьютер

5– веб-камеры

Предоставим слово представителям групп.

(учащиеся делают сообщения, при необходимости сопровождают рассказ иллюстрациями)

Материал, который может быть предложен учащимся, находится в приложении 1.

4. Практикум по переносу видео в компьютер

Так же как и на прошлом уроке, можно снимать фрагменты выступлений учащихся, их деятельность на уроке . На практике показать, как перенести видео (на крайний случай с фотоаппарата). Форма работы – индивидуальная.

5. Монтаж видеофильма об изучении Цифровых устройств обработки информации

Работа с видеоредактором MoveMaker (фронтально):

2. Загрузить видео изображения – Запись видео - Импорт видео.

3. Загрузить фото – Запись видео - Импорт изображений

4. Расположить видеофрагменты и фотографии на панель раскадровки (перетаскиванием)

5. Добавить переходы: Монтаж фильма – Просмотр видеопереходов – Выбрать видеопереход – перетащить его на панель раскадровки в область между кадрами.

6. Добавит эффекты: Монтаж фильма – Просмотр эффектов – Выбрать эффект – перетащить его на панель раскадровки непосредственно на кадр. Для усиления эфеекта, его можно использовать несколько раз.

7. Добавление тиров и надписей: Монтаж фильма – Создание названий и титров – Выбрать эффект титров или надписи – ввести текст, установить форматирование – нажать кнопку «Готово».

8. Добавление музыки: Запись видео – импорт звука и музыки – перетащить фрагмент на панель раскадровки.

9. Сохранение фильма в формате WMV – Завершение создания фильма – Сохранение фильма на компьютере - Подтверждать запросы мастера сохранения фильма.

Данный алгоритм выдать учащимся как памятку. Работу выполняем все вместе, учитель показывает все тоже самое на экране.

6. Домашнее задание: На следующем уроке учащимися будет выполняться проект по созданию фильма. Для этого им предстоит продумать тематику проекта, какие фрагменты и фотографии они будут использовать. На уроке им предстоит отснять материал и смонтировать небольшой фильм. (Тематика разнообразна: Моя школа, Мой класс, Наш кабинет информатики, Наши учителя и т. д.) Работа предполагается в группах по 2-3 человека.

Приложение 1. Видеокамеры

Видеокамеры в первую очередь делятся на цифровые и аналоговые. Здесь я не буду рассматривать аналоговые камеры (VHS , S -VHS , VHS -C , Video -8, Hi -8) по вполне понятным причинам. Им место в комиссионке, или на верхней полке в кладовке (а вдруг когда-нибудь раритетом станет), но обработка аналогового видео рассмотрена будет обязательно, так как кассет, я думаю, у каждого найдется немало. Итак, современные бытовые видеокамеры различаются по виду носителя видеоинформации, по способу записи (кодировке) видеоинформации, по размеру и количеству матриц, ну и, само собой по оптике.

1.1.1. По виду носителя информации камеры делятся на:

HDV -камеры: новейший и судя по всему основной в будущем формат. Размер кадра до 1920*1080. Представьте себе, каждый кадр – это 2-х мегапиксельная фотография, и вы поймете какое качество видео. Строго говоря, HDV – это формат записи, так как есть камеры HDD , работающие по формату HDV . Но я специально поставил этот формат в этот ряд, так как большинство существующих HDV -камер пишут на кассеты. Если деньги для вас не проблема, эти камеры для вас.

DV -камеры: основной формат бытовых цифровых видеокамер. Размер кадра 720*576 (PAL ) и 720*480 (NTSC ). Качество записи во многом зависит от оптики и качества (и количества) матриц. DV -камеры делятся на собственно DV (mini -DV ) – камеры и камеры Digital -8. Какую именно покупать, зависит от вас, с одной стороны mini -DV – камеры более распространенны, с другой, если до этого у вас была камера Video -8, есть смысл обратить внимание на камеры Digital -8, так как эти камеры свободно записывают на любые кассеты формата 8 (Video -8, Hi -8, Digital -8(могут, конечно, ругаться, мол, слабовата Video -8 для меня, но пишут на них запросто)), кроме того, записывая на кассеты лучшего качества (Hi -8, Digital -8), вы получите более продолжительную запись по сравнению с mini -DV .

DVD -камеры. Я не отношусь к поклонникам данного вида камер. Качество записи у них ниже, чем у DV -камер, да и диска при наилучшем для них качестве хватает минут на 20. Но! Если вы не притязательны к качеству (тем более что на экране обыкновенного телевизора разница не так и заметна) и у вас нет желания заморачиваться с изготовлением фильма, последующей кодировкой в DVD -формат, вы вполне можете пользоваться DVD -камерой. Тем более что собрать полноценный DVD из полученных файлов на DVD 1,4 Гб (используемый в DVD -камерах), можно довольно быстро с помощью специализированных программ (например, CloneDVD и DVD -lab ).

Флэш-камеры. Запись производится на флэш-карточку в форматах MPEG 4 и MPEG 2. Продолжительность зависит от объема карточки, выбранного размера кадра и качества кодировки. MPEG 2 предпочтительней, так как качество выше, но места занимает больше. Но ни тот, ни другой формат при обработке камерой видеоинформации для записи на карточку не смогут обеспечить качество, хоть немного приближенное к DV . Поэтому порекомендовать подобные камеры можно для подарка детям или для съемок в экстремальных условиях, так как неоспоримым преимуществом этих камер является компактность и отсутствие механических частей (исключение – трансфокатор).

HDD -камеры. Запись производится на встроенный жесткий диск. Запись может производится во всех форматах от HDV до MPEG 4 (зависит от модели). Возможно, как и флэш-камеры – это будущее бытовых видеокамер, но в отличие от последних HDD -камеры уже сейчас могут обеспечить великолепное качество HDV , либо до 20-ти часов записи неплохого качества MPEG 2 на 30-ти Gb диск. Но посмотрим на это великолепие с другой стороны, запись 1 часа формата DV занимает на жестком диске 13-14 Gb , и, произведя нехитрые вычисления, скажите что проще переставить кассету или переписывать в компьютер видео через 2,3-3 часа записи (к хорошему качеству привыкаешь быстро).

1.1.2. Любая цифровая видеокамера использует компрессию (сжатие) оцифрованного видео, потому что на данный момент просто не существует носителей способных выдержать некомпрессированное видео (одна минута несжатого видео PAL 720*576 без звука занимает примерно 1,5 Гб на жестком диске, нехитрые подсчеты позволяют увидеть, что на один час уже потребуется 90 Гб). И еще необходимо обработать этот огромный объем информации, даже простая перезапись 90 Гб потребует около пяти часов. Поэтому производителям видеокамер просто необходимо использовать компрессию оцифрованного видео. Современные видеокамеры используют следующие виды компрессии: DV , MPEG 2, MPEG 4 (DivX , XviD ).

DV – основной вид сжатия видео в современных цифровых видеокамерах, его используют HDV , miniDV , Digital 8 и некоторые HDD -камеры. Высокое качество данного вида компрессии, я думаю, еще долго ведущим среди других форматов.

MPEG 2 – формат, используемый для записи DVD . Хотя и имеет несколько худшее качество записи по сравнению с DV , но в зависимости от битрейта (грубо говоря, количество байтов, выделяемых на одну секунду видео) используя данный вид компрессии можно получить видео достаточно высокого качества (вспомните лицензионные DVD ).

MPEG 4 – честно говоря, производители цифровой аппаратуры (фото и видео) серьезно «подмочили» репутацию данного формата. Чтобы «выжать» из этого формата все возможное необходимо использовать достаточно мощный компьютер и потратить приличное количество времени. Поэтому и получается, что конечное видео в формате MPEG 4 на видеокамерах и фотоаппаратах невысокого разрешения и невысокого (мягко говоря) качества. Что используется DivX или XviD не так уж важно, разницу (небольшую), опять же, можно увидеть лишь при обработке видео на компьютере.

1.1.3. Немаловажное, а скорее основное, влияние на конечный результат оказывает качество матрицы, используемой для оцифровки оптического сигнала, проходящего через линзу видеокамеры. Чем она больше, тем лучше. При выборе видеокамеры не поленитесь заглянуть в спецификацию и посмотреть количество эффективно используемых пикселей («точек» на матрице). Например, в спецификации к видеокамере Sony ХХХХХХХ написано, что при размере кадра 720*576 (0,4 Мегапикселей) для видео используется 2 Мегапикселей матрицы. Естественно это самым положительным образом сказывается на конечном результате, так как при любой кодировке (компрессии) жестко действует закон: чем лучше исходный материал, тем лучше результат, а чем больше света попадет на матрицу, тем меньше будет цифровых шумов, тем в более темное время можно будет использовать видеокамеру и т. д. Все вышесказанное в тройном размере относится к трехматричным камерам, кроме всего прочего система трех матриц позволяет существенно уменьшить цветовые шумы за счет того, что разделение света на цветовые составляющие RGB (обязательное условие для получения видеосигнала) производится не электроникой, а оптической призмой, затем каждая матрица обрабатывает свой цвет.

Косвенно о размере и качестве матрицы можно судить по встроенному в видеокамеру цифровому фотоаппарату, чем больше у него разрешение, тем лучше.

1.1.4. С оптикой видеокамеры все просто: чем больше, тем лучше. Чем больше диаметр объектива, тем больше света попадет на матрицу. Чем больше оптическое увеличение объектива…Впрочем, на этом стоит остановиться поподробнее. Первое что хочется сказать: НИКОГДА не смотрите на гордые надписи на боку видеокамеры (Х120, Х200, Х400 и т. д.). Смотреть нужно только на оптическое увеличение объектива (либо на камере (optical zoom ), либо на самом объективе). Конечно, цифровое увеличение использовать можно, но не стоит забывать, что цифровое увеличение - это ограничение количества эффективно используемых пикселей матрицы (см. рисунок). А всего лишь 2-х кратное цифровое увеличение (например, при 10-ти кратном объективе, это будет 20-ти кратное общее увеличение) приведет к уменьшению эффективно используемых пикселей на матрице в 4 раза!

Ну и неплохо бы иметь оптический стабилизатор, так как в камерах с цифровым стабилизатором используется не вся площадь матрицы.

Веб-камеры

Веб-камеры – это недорогие сетевые стационарные устройства, передающие информацию, обычно видеозапись, по беспроводным или кросскоммутируемым каналам Internet и Ithernet. Основное назначение «комнатных» веб-камер заключается в использовании их для работы с видеопочтой и проведения телеконференций. Широкое применение такие камеры нашли в «беби-ситинге» - они отлично справляются с ролью видеонянь, передавая изображение предоставленного самому себе ребенка. «Уличные» антивандальные веб-камеры выполняют роль охранных видеонаблюдателей. Возможность захвата изображения в режиме видеокамеры или фотоаппарата - это дополнительные возможности веб-камер. Ожидать высокого качества от записываемых видеороликов или цифрового фото в данном случае не стоит. Потому что нет смысла оснащать веб-камеры качественной оптикой и дорогой электроникой - передача видеоданных в режиме реального времени требует невероятно высокой компрессии, неизбежно приводящей к потере качества изображения. Хотя получение шикарной картинки с помощью веб-камер принципиально невозможно, именно качество получаемого изображения является основной характеристикой, позволяющей субъективно сравнивать и выбирать камеры этого типа. Впрочем, на предпочтение также могут повлиять интересный дизайн, программная комплектация и различные опции вроде поддержки скинов и дополнительных коммуникационных интерфейсов. Все веб-камеры оснащены функцией детектора движения и аудиовходом, позволяющим передавать звуковую информацию, их также часто оборудуют разъёмами для подключения различных внешних датчиков и устройств вроде осветительных приборов и сигнализации. Мировая практика показывает, что основными производителя веб-камер становятся компании, изготавливающие компьютерную периферию (Genius , Logitech, SavitMicro) или сетевое оборудование (D-Link , SavitMicro ), а не видео - или фототехнику, что еще раз подчеркивает различие применяемых технологий.

Форматы сжатия видео изображения

В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с.

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами:

Как и JPEG2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

В формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.

Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.

В формат сжатия MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

Формат сжатия MPEG 2 использовал снятый сейчас с производства видеосервер AXIS 250S компании AXIS Communications, 16-канальный видеонакопитель VR-716 компании JVC Professional, видеорегистраторы компании FAST Video Security и многие другие устройства системы видеонаблюдения.

Формат сжатия MPEG 4

MPEG4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т. н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных. Разработка компании JVC Professional – веб-камера VN-V25U, входящая в линию сетевых устройств works, использует для обработки видео изображений формат сжатия MPEG 4.

Видео форматы

Видео формат определяет структуру видео файла, то как хранится файл на носителе информации(CD, DVD, жестком диске или канале связи). Обычно разные форматы имеют различные расширения файла(*.avi, *. mpg, *.mov и др)

MPG - Видеофайл, в котором содержится видео, закодированное MPEG1 или MPEG2.

Как вы замечали, обычно MPEG-4 фильмы имеют расширение AVI. Формат AVI (Audi o-Video Interleaved) был разработан корпорацией Microsoft для хранения и воспроизведения видеороликов. Представляет собой контейнер, в котором может быть что угодно, начиная от MPEG1 и заканчивая MPEG4. Он может содержать в себе потоки 4 типов - Video, Audio, MIDI, Text. Причем видеопоток может быть только один, тогда как аудио - несколько. В частности, AVI может содержать и только один поток - либо видео, либо аудио. Сам формат AVI не накладывает совершенно никаких ограничений на тип используемого кодека, ни для видео, ни для аудио - они могут быть любыми. Таким образом, в AVI файлах могут совершенно спокойно сочетаться любые видео - и аудиокодеки.

RealVideo формат, созданный компанией RealNetworks. RealVideo используется для живой телевизионной трансляции в Интернете. Например, телекомпания CNN одной из первых стала вещать в Сети. Обладает небольшим размером файла и самым низким качеством, зато вы, не особенно загружая свой канал связи, сможете посмотреть последний выпуск теленовостей на сайте выбранной вами телекомпании. Расширения RM, RA, RAM.

ASF - Потоковый формат от Microsoft.

WMV - Видеофайл, записанный в формате Windows Media.

DAT - Файл, скопированный с VCD(VideoCD)\SVCD диска. Содержит в себе MPEG1\2 видеопоток.

MOV - Формат Apple Quicktime.

Подключение к ПК или телевизору

Самый простой разъем - AV-выход RCA - попросту говоря "тюльпаны" - имеется в любой видеокамере, приспособлен для подключения к любой телевидеотехнике, и обеспечивает передачу аналогового видео с наибольшими потерями в качестве. Гораздо ценнее наличие в цифровых видеокамерах таких аналоговых входов - это позволяет оцифровывать Ваши архивы аналоговых записей, если у Вас прежде цифровой имелась аналоговая видеокамера. В "цифре" продлится срок их хранения, а также появится возможность редактирования их на компьютере. Видеокамеры форматов Hi8, Super VHS (-С), mini-DV (DV) и Digital8 оснащены S-video-разъемом, который, в отличие от RCA, передает раздельно сигналы цветности и яркости, что значительно уменьшает потери, заметно улучшает качество изображения. Наличие S-video-входа в цифровых моделях дает те же преимущества обладателям архивов записей Hi 8 или Super VHS. Встроенный инфракрасный передатчик LaserLink в видеокамерах Sony, с помощью приемного устройства IFT-R20, позволяет смотреть отснятый материал по телевизору, не подключаясь к нему проводами. Просто поставьте видеокамеру рядом с телевизором на расстоянии до 3 м и включайте "PLAY". Более усовершенствованный передатчик Super LaserLink, которым оснащаются все последние модели работает на большем расстоянии (до 7 м). Наличие в видеокамере монтажных разъемов позволяет осуществлять линейный монтаж, синхронизировав видеокамеру с видеомагнитофонами и монтажной декой. В таком случае на всех скомутированных между собой устройствах контролируются синхронно показания счетчика ленты и все основные режимы: воспроизведение, запись, стоп, пауза и перемотка. В видеокамерах Panasonic для этой цели служит разъем Control-M, в видеокамерах Sony - Control-L (LANC). Спецификации их несовместимы, поэтому рекомендуем уточнять соответствие интерфейса у видеомагнитофона и видеокамеры.

Разъем RS-232-C ("цифровой фотовыход")

Разъем для подключения видеокамеры к последовательному порту компьютера для передачи неподвижных кадров в цифровом виде и управления видеокамерой с ПК. В "навороченных" моделях вместо RS-232-C встроен еще более быстрый "фотовыход" - USB-интерфейс. Все видеокамеры mini-DV и Digital8 оснащены DV-выходом (i. LINK или IEEE 1394 или FireWire), обеспечивающим быструю передачу цифрового аудио/видеосигнала без потерь качества. Для этого Вам необходимо иметь другое устройство с поддержкой DV-формата - DV-видеомагнитофон или компьютер с DV-платой. Ценнее конечно же видеокамеры, имеющие, кроме выхода, также DV-вход. Некоторые фирмы производят одну и ту же модель в двух вариантах: т. н. "европейском" (без входов) и "азиатском" (с входами). Это объясняется высокими таможенными пошлинами в Европе на импорт цифровых видеомагнитофонов, к каковым справедливо можно отнести и видеокамеру с DV-входом. IEEE-1394, FireWire и i. LINK - это три названия одного и того же высокоскоростного цифрового последовательного интерфейса, который служит для передачи любых видов цифровой информации. IEEE-1394 (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers) Обозначение стандарта интерфейса, разработанного корпорацией Apple (под фирменным названием FireWire). Обозначение принято американским Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). Большинство видеокамер mini-DV и Digital8 оборудованы интерфейсом IEEE-1394, с помощью которого видеоинформация, представленная в цифровой форме, пересылается непосредственно на компьютер. Аппаратная часть включает в себя недорогой адаптер и четырехжильный или шестижильный кабель. Позволяет передавать данные со скоростью до 400 Мбит/с.

i. LINK

Цифровой вход/выход на базе стандарта IEEE 1394. Позволяет передавать отснятый видеоматериал на компьютер. Модели видеокамер с i. Link повышают гибкость работы за счет интерактивного монтажа, электронного хранения и рассылки изображений.

FireWire

Зарегистрированный товарный знак фирмы Apple, принимавшей активное участие в разработке стандарта. Название FireWire ("огненный провод") принадлежит фирме Apple и может использоваться только для описания ее изделий, а по отношению к таким устройствам на PC принято употреблять термин IEEE-1394, то есть непосредственно название стандарта;

Карта памяти

На этой карте Вы можете хранить в электронном виде фотографии, видеоролики, музыку. С ее помощью можно передавать изображение на компьютер.

Memory Stick

Карта памяти Memory Stick - фирменная разработка Sony - способна хранить одновременно записи изображения, речи, музыки, графики и текстовые файлы. Весом всего 4 грамма и по размеру не превосходящая пластинки жвачки, карта памяти надежна, имеет защиту от случайного стирания, 10-штырьковое соединение для большей надежности, частоту передачи данных - 20 МГц, скорость записи - 1,5 Мб/сек., скорость чтения - 2,45 Мб/сек. Вместимость цифровых стоп-кадров на карте емкостью 4 Мб (MSA-4A): в формате JPEG 640x480 режим SuperFine - 20 кадров, Fine - 40 кадров, Standard - 60 кадров; в формате JPEG 1152x864 режим SuperFine - 6 кадров, Fine - 12 кадров, Standard - 18 кадров. Вместимость MPEG Movies на карте емкостью 4 Мб (MSA-4A): в режиме Presentation (320x2,6 по 15 секунд; в режиме Video Mail (160x1,6 по 60 секунд.

SD Memory Card

SD-карта - карта памяти нового стандарта размером с почтовую марку позволяет хранить любые виды данных, включая разнообразные фото-, видео - и аудиоформаты. На данный момент доступны SD-карты емкостью 64, 32, 16 и 8 МB. До конца 2001 года в продажу поступят SD-карты емкостью до 256 МB. Одна SD-карта емкостью 64 Mb содержит примерно такое же количество музыки, как один CD-диск. Так как скорость передачи данных на SD-карту - 2 Мб/сек., перезапись с CD-диска займет всего 30 секунд. Поскольку SD Memory Card - это полупроводниковый носитель информации, вибрация не оказывает на нее никакого влияния, то есть здесь невозможен пропуск в звучании, встречающийся у вращающихся носителей типа CD или MD. Максимальное время звуковой записи на SD-карту 64 Mb: 64 минуты высокого качества (128 кбит/сек), 86 минут стандартного (96 кбит/сек) или 129 минут в LP-режиме (64 кбит/сек).

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

Устройства, облегчающие счёт или запоминание его результатов известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы, поэтому не рассматриваем такие устройства как счёты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счётная машина с хранимой программой была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 году. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математикГотфрид Лейбниц в 1672 году построил механическую машину, которая могла делать так же операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 году английский учёныйЧарльз Бэббидж . Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в 19 веке. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанкаАда Ловлейс , в честь которой уже в наше время был назван язык программированияAda.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955 г.Г.)

В основе базовой системы элементов этого поколение компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надёжную работу компьютера. К сожалению недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Во-первых электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того размер электронных ламп, по совремённым понятиям микроэлектроники, был огромным – несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.