Мультимедийные технологии в образовании

4. Основные составляющие мультимедиа.

Видео

Сейчас, когда сфера применения персональных компьютеров быстро расширяется, возникает идея создать домашнюю видеостудию на базе компьютера. Однако, при работе с цифровым видеосигналом возникает необходимость обработки и хранения очень больших объёмов информации, например, одна минута цифрового видеосигнала с разрешением SIF (сопоставим с VHS) и цветопередачей true color (миллионы цветов) займёт (228*358) пикселов * 24 бита * 25 кадров/с * = 442 Мб, то есть на носителях, используемых в современных ПК, таких, как компакт – диск (CD – ROM, около 650 Мб) или жёсткий диск (несколько гигабайт) сохранить полноценное по времени видео, записанное, в таком формате не удастся. С помощью MPEG – сжатия объём видеоинформации можно заметно без заметной деградации изображения.

MPEG – это аббревиатура от Moving Picture Experts Group. Эта экспертная группа работает под совместным руководством двух организаций ISO (Организация по международным стандартам) и IEC (Международная электротехническая комиссия). Официальное название группы – ISO/IEC JTCI SC 29 WG 11. Её задача – разработка единых норм кодирования аудио – и видео сигналов. Стандарты MPEG используются в технологиях CD – i CD – Video, являются частью стандарта DVD. Активно применяются в цифровом  радиовещании, в кабельном и спутниковом ТВ, Интернет – радио, мультимедийных компьютерных продуктах, в коммуникациях по каналам ISDN и многих других электронных информационных системах. Часто аббревиатуру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. На сегодняшний день известны следующие:

MPEG – 1 предназначен для записи синхронизованных видеоизображений (обычно в формате SIF, 228*358) и звукового сопровождения на CD – ROM с учётом максимальной скорости считывания около 1,5 Мбит/с.

MPEG – 2 предназначен для обработки видеоизображения соизмеримого по качеству с телевизионным, при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с, профессионалы используют и большие потоки, в аппаратуре используются потоки до 50 Мбит/с. На технологии, основанные на MPEG – 2, переходят многие телеканалы, сигнал сжатый в соответствии с этим стандартом транслируется через телевизионные спутники, используется для архивации больших объёмов видеоматериала.

MPEG – 3 предназначен для использования в системах телевидения высокой чёткости (high – defenition television, HDTV)со скоростью потока данных 20 – 40 Мбит/с, но позже стал частью стандарта MPEG – 2 и отдельно теперь не упоминается.

MPEG – 4 задаёт принципы работы с цифровым представлением медиа – данных для трёх областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений и цифрового телевидения.

Как происходит сжатие? Базовым объектом кодирования в стандарте MPEG является кадр телевизионного изображения. Поскольку в большинстве фрагментов фон изображения остаётся достаточно стабильным, а действие происходит только на переднем плане, сжатие начинается с создания исходного кадра. Исходные (Intra) кадры кодируются только с применением внутрикадрового сжатия по алгоритмам, аналогичным используемым в JPEG. Кадр разбивается на блоки 8*8 пикселов. Над каждым блоком производится дискретно – косинусное преобразование (ДКП) с последующим квантованием полученных коэффициентов. Вследствии высокой пространственной корреляции яркости между соседними пикселями  изображения, ДКП приводит к концентрации сигнала и низкочастотной части спектра, который после квантования эффективно сжимается с использованием кодирования кодами переменной длины. Обработка предсказуемых (Predicted) кадров производится с использованием предсказания вперёд по предшествующим исходным или предсказуемым кадрам. Кадр разбивается на макроблоки 16*16 пикселов, каждому макроблоку ставится в соответствие наиболее похожий участок изображения из опорного кадра, сдвинутый на вектор перемещения. Эта процедура называется анализом и компенсацией движения.

Допустимая степень сжатия для предсказуемых кадров превышает возможную для исходных в 3 раза. В зависимости от характера видеоизображения, кадры двунаправленной интерполяции (Bi – directional Interpolated) кодируется одним из четырёх способов: предсказание вперёд, обратное предсказание с компенсацией движения, внутрикадровое предсказание изображения, двунаправленное предсказание при резкой смене сюжета или при высокой скорости перемещения элементов изображения. С двунаправленными кадрами связано наиболее глубокое сжатие видеоданных, но, поскольку высокая степень сжатия снижает точность восстановления исходного изображения, двунаправленные кадры не используются в качестве опорных. Если бы коэффициенты ДКП передавались точно, то восстановленное изображение полностью совпадало бы с исходным. Однако ошибки восстановления коэффициентов ДКП, связанные с квантованием, приводят к искажениям изображения. Чем грубее производится квантование, тем меньший объём занимают коэффициенты и тем сильнее сжатие сигнала, но и тем больше визуальных искажений.

Звук

Возможна цифровая запись, редактирование, работа с волновыми формами звуковых данных (WAVE), а также фоновое воспроизведение цифровой музыки. Предусмотрена работа через порты MIDI. В последнее время особую популярность получил формат МР3. В его основу положены особенности человеческого слухового восприятия, отражённые в «псевдоаккустической» модели. Разработчики MPEG исходили из постулата, что далеко не вся информация, которая содержится в звуковом сигнале, является полезной и необходимой – большинство слушателей её не воспринимают. Поэтому определённая часть данных может быть сочтена избыточной. Эта «лишняя» информация удаляется без особого вреда для субъективного восприятия. Приемлемая степень «очистки2 определяется путём многократных экспертных прослушиваний. При этом стандарт позволяет в заданных пределах менять параметры кодирования – получать меньшую степень сжатия при лучшем качестве или, наоборот, идти на потери в восприятии ради более высокого коэффициента компрессии. Звуковой wav – файл, преобразованный в формат MPEG – 1 Layer III со скоростью потока в 128 Кбайт/сек, занимает в 10 – 12 раз меньше места на винчестере. На 100 – мегабайтной ZIP – дискете уменьшается около полутора часов звучания, на компакт – диске – порядка 10 часов. При кодировании со скоростью 256 Кбайт/сек на компакт – диске можно записывать около 6 часов музыки при разнице в качестве по сравнению с CD, доступной лишь тренированному экспертному уху.

Текст

В руководстве Microsoft удалено особое внимание средствами ввода и обработки больших массивов текста. Рекомендуются различные методы и программы преобразования текстовых документов между различными форматами хранения, с учётом структуры документов, управляющих кодов текстовых процессоров или наборных машин, ссылок, оглавлений, гиперсвязей и т. п. , присущих исходному документу. Возможна работа и со сканированными текстами, предусмотрено использование средств оптического распознания символов.

В состав пакета разработчика Multimedia Development Kit (MDK) входят инструментальные средства (программы) для подготовки данных мультимедиа BitEdit, WaveEdit, PalEdit, FileWaik, а также MSDK -  библиотеки языка С для работы со структурами данных и устройствами мультимедиа, расширения Windows 3.0 SDK.

Необходимые драйверы подключаются на этапе выполнения. Обращение к драйверам основано на принципах посылки сообщений, что упрощает их написание и работу с ними.

Для представления данных мультимедиа разработана структура файлов RIFF (Resourse Interchange File Formal), которая должна обеспечить единые правила записи и воспроизведения данных мультимедиа, обмен данными между приложениями, а в перспективе – и между разными платформами.

В целом средства Multimedia Windows спроектированы интерфейсом, хотя и насколько тяжеловесным, лишённым элегантности, лёгкости для пользователя. В недалёком будущем, с появлением новых инструментальных средств, созданных специально для этой архитектуры или перенесённой с других платформ, с преодолением барьера разрешения VGA, среда Multimedia Windows будет вполне «truemultimedia» - системой «истинного мультимедиа». Уже появились прикладные программы для этой среды, использующие методы программного сжатия информации и воспроизводящие видео – до 15 кадров/с в небольшом окошке на экране. Microsoft разработал собственные средства программного сжатия, Audio -Video Interiaved (AVI), которые выпустил во второй половине 1992 года.

Операционная среда Microsoft Windows 3.1, которая поставляется с мультимедиа системами, интегрирует многие свойства Multimedia Windows, обеспечивает стандартно поддержку CD - ROM плееров. В1992-93ггконсорциум  MPC переориентировался на мультимедиа – системы,  построенные на базе персональных компьютеров IBM PC AT  486 со скоростным CD – ROM (MPC Level 2). Основное требование к мультимедиа системе, удовлетворяющей второму уровню – способность воспроизводить цифровой видеофильм в окне размером 320*40 точек со скоростью 15 кадров/с, а также наличие видеоадаптера обеспечивающего не менее 65000 цветовых оттенков.

1.5 Возможности распространения мультимедиа-технологий.

Мультимедийные презентации - могут быть проведены человеком на сцене, показаны через проектор или же на другом локальном устройстве воспроизведения. Широковещательная трансляция презентации может быть как «живой», так и предварительно записанной. Широковещательная трансляция или запись могут быть основаны на аналоговых или же электронных технологиях хранения и передачи информации. Стоит отметить, что мультимедиа в онлайне может быть либо скачана на компьютер пользователя и воспроизведена каким-либо образом, либо воспроизведена напрямую из интернета при помощи технологий потоковой передачи данных. Мультимедиа, воспроизводимая при помощи технологий потоковой передачи данных может быть как «живая», так и предоставляемая по требованию.

Мультимедийные игры — такие игры, в которых игрок взаимодействует с виртуальной средой, построенной компьютером. Состояние виртуальной среды передается игроку при помощи различных способов передачи информации (аудиальный, визуальный, тактильный). В настоящее время все игры на компьютере или игровой приставке относятся к мультимедийным играм. Стоит отметить, что в такой тип игр можно играть как в одиночку на локальном компьютере или приставке, так и с другими игроками через локальную или глобальную сети.

Различные форматы мультимедиа данных возможно использовать для упрощения восприятия информации потребителем. Например, предоставить информацию не только в текстовом виде, но и проиллюстрировать ее аудиоданными или видеоклипом. Таким же образом современное искусство может представить повседневные, обыденные вещи в новом виде.

Различные формы предоставления информации делают возможным интерактивное взаимодействие потребителя с информацией. Онлайн мультимедиа все в большей степени становится объектно-ориентированной, позволяя потребителю работать над информацией, не обладая специфическими знаниями. Например, для того, чтобы выложить видео на YouTube или Яндекс.Видео, пользователю не требуется знаний по редактированию видео, кодированию и сжатию информации, знаний по устройству web-серверов. Пользователь просто выбирает локальный файл и тысячи других пользователей видеосервиса имеют возможность просмотреть новый видеоролик.

Мультимедийный  Интернет-ресурс – это Интернет-ресурс, в котором основная информация представлена в виде мультимедиа. Это современный и очень удобный механизм, который не заменяет собой выполнение классических функций, а дополняет и расширяет спектр услуг и новостей для посетителей.

Для мультимедийных Интернет-ресурсов характерно:

1) Могут содержать различные  виды информации(не только текстовую, но и звуковую, графическую, анимационную, видео и т.д.)

2) Высокая степень наглядности  материалов.

3) Поддержка различных  типов файлов: текстовых, графических, аудио и видео.

4) Возможность использования  для продвижения творческих работ  в области различных видов  искусств.

Ресурс этого типа дает возможность быстро сообщать о событиях, которые организуется, демонстрировать обзорный взгляд на сферу, учреждение или творческий коллектив, налаживать обратную связь со своими посетителями, раскрывать цели и материалы, используя современные механизмы представления информации и способствовать узнаванию представленного объекта посредством сети Интернет.

1.6 Использование мультимедийных технологий

В настоящее время мультимедиа-технологии являются бурно развивающейся областью информационных технологий. В этом направлении активно работает значительное число крупных и мелких фирм, технических университетов и студий (в частности 1ВМ, Aрр1е, Моtого1а, Philips, Sоnу, Intel и др.). Области использования чрезвычайно многообразны: интерактивные обучающие и информационные системы, САПР, развлечения и др.

Основными характерными особенностями этих технологий являются:

• объединение многокомпонентной информационной среды (текста, звука, графики, фото, видео) в однородном цифровом представлении;
• обеспечение надежного (отсутствие искажений при копировании) и долговечного хранения (гарантийный срок хранения — десятки лет) больших объемов информации;
• простота переработки информации (от рутинных до творческих операций).

Мультимедиа находит своё применение в различных областях, включая, но этим не ограниченными, рекламу, искусство, образование, индустрию развлечений, технику, медицину, математику, бизнес, научные исследования и пространственно-временные приложения (см. Банерджи & Гош, 2010г.). Далее приводится лишь часть примеров.

Образование

В образовании мультимедиа используется для создания компьютерных учебных курсов (популярное название CBTS) и справочников, таких как энциклопедии и сборники. CBT позволяет пользователю пройти через серию презентаций, тематического текста и связанных с ним иллюстраций в различных форматах представления информации. Edutainment – неофициальный термин, используемый, чтобы объединить образование и развлечение, особенно мультимедийные развлечения. Теория обучения за последнее десятилетие была значительно развита в связи с появлением мультимедиа. Выделилось несколько направлений исследований, такие как теория когнитивной нагрузки, мультимедийное обучение и другие. Возможности для обучения и воспитания почти бесконечны. Идея медиа-конвергенции также становится одним из важнейших факторов в сфере образования, особенно в сфере высшего образования. Определяемая как отдельные технологии, такие как голосовые (и функции телефонии), базы данных (и производные приложения), видео-технологии, которые сейчас совместно используют ресурсы и взаимодействуют друг с другом, синергетически создавая новые оперативности, медиа-конвергенция – это стремительно меняющийся учебный курс дисциплин, преподаваемых в университетах по всему миру. Кроме того, она меняет наличие, или отсутствие таковой, работы, требующей этих “подкованных” технологических навыков. Газетные компании также пытаются охватить новый феномен путём внедрения его практик в свою работу. И пока одни медленно приходят в себя, другие крупные газеты, такие как The New York Times, USA Today и The Washington Post создают прецедент для позиционирования газетной индустрии в глобализованном мире.