Учебное пособие 1525

Обучение с использованием компьютерных технологий (СВТ)

Первая попытка использовать компьютер для обучения в семидесятых годах была не очень успешной, что объясняется невысокой производительностью аппаратных и программных средств того времени. Кроме того, программы были недостаточно гибкими, поэтому мотивация, а отсюда и успехи в обучении были не убедительны. Обучающие программы сегодняшнего поколения предлагают для пользователя очень много вариантов индивидуальной настройки, т. е. учащийся, осваивая учебный материал, сам устанавливает скорость изучения, объем материала и степень его трудности.

Многочисленные исследования подтверждают успех системы обучения с использованием компьютеров. Очень трудно сделать объективное сравнение со старыми традиционными методами обучения, однако можно сказать, что внимание во время работы с обучающей интерактивной программой на базе мультимедиа, как правило, удваивается, поэтому освобождается дополнительное время. Экономия времени, необходимого для изучения конкретного материала, в среднем составляет 30%, а приобретенные знания сохраняются в памяти значительно дольше.

цифровой аудиозаписи с импульсно-кодовой модуляцией

(Pulse Code Modulation — PCM). Однако в компьютерной терминологии такой процесс принято называть волновой аудиозаписью (waveaudio или waveform audio).

Цифровой звук характеризуется следующими параметрами:

частотой дискретизации (sampling rate), которая определяет,

сколько раз оцифровывается звуковой сигнал за единицу времени и измеряется в килогерцах (килогерц — тысяча выборок в секунду). Данная характеристика показывает, как часто измеряется значение амплитуды входного звукового сигнала в момент записи звука, а тем самым — насколько правильно цифровое представление звука отражает скорость изменения амплитуды звукового сигнала (рис.26).

звуковым разрешением (audio resolution), характеризующим правильность представления амплитуды исходного аналогового сигнала. Обычно цифровые аудиосистемы бывают 8- и 16-разрядными.

Наиболее часто используют частоты дискретизации 11,025; 22,05 и 44,1 кГц.

При частоте 11,025 кГц достаточно хорошо воспроизводится человеческая речь. При частоте 22,05 кГц неплохо звучит не только человеческая речь, но и музыкальные

Рис.26 фрагменты. А для очень

хорошего

представления

музыкального

звучания

необходимо

использовать

частоту

дискретизации не менее 44,1 кГц.

на количество информации, необходимое для хранения звука. Так, например, воспроизведение 16-разрядного стереозвука с частотой дискретизации 44,1 кГц требует хранить для одной секунды звучания 176,2 Кбайт, а для воспроизведения секунды такого же звука с частотой дискретизации 22,05 кГц требуется 90 К байт, что почти в два раза меньше.

8-разрядные системы осуществляют преобразование амплитуды аналогового сигнала только в 256 фиксированных значений (рис.27). Такое представление аналогового сигнала не является очень точным, а,

Информация, содержащаяся на страницах электронной книги, может быть трех типов: эстетическая (определяющая «приятный» вид книги и усиливающая ее влияние на читателя), информативная (раскрывающая содержание книги) и управляющая (представленная в виде пиктограмм (икон), диалоговых окон, динамического меню и т.д. и облегчающая «навигацию» читателя по материалу книги).

Электронные книги можно разделить на четыре класса:

энциклопедические,

информационные,

обучающие,

экзаменующие.

Первый тип электронных книг содержит огромный объем информации по определенной тематике

Второй тип электронной книги похож на первый, но сохраняемая в этих книгах информация не столь обширна и носит целенаправленный характер.

Электронное книги третьего типа наиболее распространены на практике и могут быть использованы в процессе обучения, как в детских садах, так и на послеуниверситетских курсах повышения квалификации.

В книгах четвертого типа имеются три существенных компонента: банк вопросов (задач), модуль тестирования и ответов и экспертная система, используемая для анализа и оценки ответов читателя.

 мотивация обучаемого на контакт с новой областью знаний.

Моделирование на компьютере и кибернетическое пространство (Cyberspace)

Программы моделирования позволяют довольно естественно представить некую реальность с помощью движущегося изображения и звука в сочетании с интерактивной способностью такой системы. Такие системы в начале своего существования были весьма сложны и дороги, поэтому использовались лишь для военных нужд. С помощью такой системы танковые сражения, воздушные битвы проводились «всухую». Такое применение выгодно и в финансовом плане, если подумать об огромных затратах на один час реального (на природе) учения (материалы, персонал, боеприпасы, горючее и—не надо забывать о возмещении ущерба). Система моделирования для использования в гражданских условиях возникла как «продукт отходов» (например, в компаниях гражданского воздушного сообщения). Здесь точно также можно проигрывать ситуации (происшествия, конъюнктуру), близкие к реальной жизни, находить ошибки и проводить тренировки.

Первые шаги компьютерного моделирования на потребительском рынке были весьма скромными, но по мере появления мощных производительных процессоров и увеличения объемов оперативной памяти на рынке появляются удивительные и реалистичные игровые программы. Например, компьютерная игра ZWING фирмы Lukas Games, которая опирается на галерею фильмов STARSWARS. Игрок имеет возможность начать с простого тренировочного упражнения, а затем быть участником (воевать, летать и т. д.) целого ряда «исторических битв». Причем видеосистема записывает поведение игрока во время игры. В заключение игрок может просмотреть свое поведение, свои действия, маневры во время полетов и даже решения, принятые в ходе игры, а затем сделать выводы. А когда игрок уже достаточно

дискретное значение настолько точно отражает состояние процесса, насколько малы по величине деления на шкале.

Если, например, имеется довольно грубая шкала от 1 до 16 (всего 16 значений), то неизбежно возникает относительно большое отклонение значения дискретизируемой величины от квантованного присвоенного значения. Это отклонение называется ошибкой квантования или искажением квантования. Если же шкала имеет 256 значений, то, следовательно, ошибка квантования уменьшается в четыре раза. Так как для записи используется лишь двоичное представление числа, то это означает, что 16 (24) степеней сравнения требуют для описания четыре бита. Следовательно, для 256 (28) потребуется 8 бит. При допустимой ошибке менее 0,1 процента необходимо иметь 1000 степеней сравнения, для чего потребуется 10 бит.

Цифровая запись музыки в стереофоническом режиме, используемая, например, на компакт-дисках, выполняется с частотой отсчетов 44,1 килогерц и точностью измерений 16 бит (2 байта). Это соответствует объему данных 44100 х 2 х 2 = 176400 байт в секунду, что весьма немало. В мультимедиаприложениях такой поток данных приемлем только в определенных условиях. Обычно качество записи для этих целей снижают, используя частоту отсчетов 22 килогерц и разрешение 8 бит, причем ограничиваются монофоническим воспроизведением. Благодаря этому поток данных снижается до 22 Кбайт в секунду. Однако дальнейшее снижение уже недопустимо, поскольку оно привело бы к слишком сильному снижению качества звука.

Высококачественный (Hi-Fi) проигрыватель компактдисков имеет разрядность 16 бит; это позволяет различать при сравнении 65536 различных состояний. Аудиоадаптер может иметь разрядность 8 бит и 256 различных состояний. Так как при записи приходится обрабатывать огромные объемы данных, то,

чтобы не загружать микропроцессор, используется так называемый метод DMA (Direct Memory Access — прямой доступ к памяти). Данные, минуя микропроцессор, прямо попадают в память Чтобы устранить конфликт между аудиоадаптером и микропроцессором, в компьютере имеется специальная микросхема которая называется контроллер прямого доступа к оперативной памяти Контроллер управляет доступом к памяти со стороны микропроцессора или других адаптеров через каналы прямого доступа (номер такого канала требуется задать при инсталляции аудиоадаптера).

Преобразование цифровой величины в аналоговый сигнал который может слышать ухо, происходит в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП — Digital-to-Analog Converter — DAC).

Подводя итог, можно сказать, что цифровая аудиозапись (digital audio) — это цифровое представление аналогового звукового сигнала. Для формирования цифрового представления звукового сигнала используется процесс выборки (sampling). Данный процесс заключается в периодическом измерении амплитуды (громкости) аналогового звукового сигнала и преобразовании полученного значения в последовательность битов. Для осуществления такого преобразования используется специальное устройство, которое называется аналого-цифровой преобразователь — АЦП

(Analog-to-Digital Converter — ADC). На выходе АЦП формируется последовательность байтов, которая может быть записана либо на магнитную ленту, либо на другое цифровое устройство в двоичной форме.

Запись в двоичной форме позволяет избежать появления помех во время записи на магнитный носитель, так как записываются только два уровня сигнала — логический ноль и логическая единица, в отличие от аналогового способа записи, при котором записывается много различных уровней сигнала. Такие системы записи звука обычно называют системами

Если же учащийся имеет возможность воспринимать этот материал зрительно, то доля материала, оставшегося в памяти, повышается до одной трети. При комбинированном воздействии (через зрение и слух) доля усвоенного материала достигает половины, а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения, например, при помощи интерактивных обучающих программ типа приложений

мультимедиа, то доля усвоенного может составить 75%.

Рис.2. Эффективность использования компьютерных технологий (СВТ)

Существенные позитивные факторы, которые говорят в пользу такого способа получения знаний, следующие:

 лучшее и более глубокое понимание изучаемого материала;

технических рисунков и документов для дальнейшей обработки или документирования.

Произошли изменения и в области речевого ввода информации в компьютер. По крайней мере, задача распознавания отдельных отчетливо сказанных (независимо от того кем) слов и преобразования их в цифровой сигнал уже решена. Современный уровень состояния разработок внушает надежду, что в скором времени система будет в состоянии корректно распознавать все предложение. Тогда вместо того, чтобы на клавиатуре печатать письма, манускрипты, системные команды для самой операционной системы и т.д., вы сможете сообщить компьютеру желаемую информацию при помощи голоса.

Идентификацией говорящего по его голосу сегодня уже никого не удивишь. Цель же состоит в том, чтобы все больше и больше при общении человека с компьютером выходить на уровень естественной речи.

Системы ориентирования

В последнее время разрабатывается все больше мощных программ, которые могут интерактивно использовать картографический материал на основе банков данных. Желающий получить справку указывает начальный и конечный пункты желаемого маршрута, а также, возможно, еще несколько связанных с этим маршрутом остановочных пунктов. Программа вычисляет маршрут поездки или альтернативные отрезки дороги — в случае пробки (затора) на дороге — с такими параметрами, как общая длина маршрута, километраж отдельных отрезков, ответвления, остановочные пункты и т. д. При желании вы можете получить точный план улиц по маршруту следования в конечную точку. При использовании системы в туристическом обслуживании информация о маршруте путешествия может

важнейшего граничного условия здесь выступает чувствительность человеческого уха к звуковым волнам различной длины

В молодом возрасте порог чувствительности находиться на частоте около 20000 герц, а со временем существенно снижается, и человек не способен их воспринимать звуковые волны с частотами выше 20000 герц. При этом происходило бы только бесполезное увеличение объема данных. Для оцифровки без искажений замеры следует производить с шагом вдвое меньше, чем самая тонкая деталь информации. При звукозаписи самой тонкой деталью является колебание с частотой 20000 герц, поэтому замеры напряжения должны производиться не реже 40000 раз в секунду.

Фактически берут несколько большее значение и производят замеры с частотой 44100 герц.

Это

некруглое

значение обусловлено тем, что для осуществления первых цифровых записей применялся

видеомагнитофон. Рис.25. Аналогово-цифровое

Такой представление сигнала магнитофон,

работающий по

стандарту

цветного телевидения PAL, записывает 50 изображений (полей)

всекунду, и в каждом поле записывается по 294 телевизионных строки, причем это значение стандартизовано. В противоположность этому, число замеров звукового сигнала на строку может изменяться и до определенной верхней границы может быть любым целым числом. При трех замерах на строку

всекунду получается 50 х 294 х 3 замеров, что и составляет точно 44100. Интересно, что видеомагнитофон, работающий по американскому стандарту NTSC, также пригоден для такой звукозаписи, поскольку в нем записывается 60 полей в секунду по 245 строк (60 х 245 х 3 также дает 44100).

Однако звуковой сигнал, получаемый, например, от музыкального инструмента, вполне может содержать обертоны с частотой 22000 герц. Это вызывает определенные трудности. Так же как при сканировании изображений со слишком низким разрешением, недостаточное разрешение при оцифровке в случае звукозаписи может привести к искажениям. Из-за низкого числа замеров в оцифрованном сигнале возникают новые колебания, которых не было в исходном сигнале. Этот эффект называют помехой дискретизации, а саму помеху — ложными частотами (по-английски используется термин aliasing). На начальном этапе цифровой звукотехники ложные частоты создавали значительные трудности для инженеров. Между тем появились фильтры с очень резким срезом, которые устраняют в звуковом сигнале частоты выше допустимого значения около 22000 герц, перед тем как сигнал будет подан на аналого-цифровой преобразователь. В этой связи говорят, что перед оцифровкой сигнал ограничивается по полосе частот.

Остается еще проблема точности измерений. Хотя при заниженной точности ложные частоты и возникают, качество записи явно ухудшается. АЦП сравнивает измеренную величину со шкалой числовых значений и присваивает этой величине дискретное значение из имеющихся на шкале.

Присвоенное набрался опыта, он может участвовать в «битве во Вселенной».

Область, в которой возникает взаимодействие человека и компьютера и которая проявляется в созданной виртуальной (кажущейся) реальности — называемая также CYBERSPACE (кибернетическое пространство) — расширяет и обогащает это новое направление применения мультимедиа. Этот виртуальный трехмерный изображаемый мир динамично реагирует на интерактивное общение с пользователем. Такие виртуальные миры создаются, как правило, на базе компьютера и программ CAD (Computer Aided Design — проектирование с помощью компьютера). Используя специальные сооружения и соответствующее оборудование, зритель может передвигаться в таком пространстве.

Но эта идея совсем не нова. Уже в конце шестидесятых — начале семидесятых годов в Америке была создана интерактивная система, которая, например, регистрировала присутствие человека в помещении

Мультимедиа в учреждениях

Вырисовывающаяся на данный момент тенденция в области приложений мультимедиа связана не только с областью автоматизации, но и с улучшением условий для пользователя, повышением комфортности в его работе, так как цифровые изображения и речь оживляют сухие программы и существенно улучшают восприятие.

Начало было положено введением теперь уже известных систем ввода текста (в графическом виде с помощью сканера) и распознаванием образов букв (с помощью специального программного обеспечения). Обусловленная постоянным улучшением систем автоматического распознавания текста и образов, наряду с обычной корреспонденцией, справками и т. д., усиливается тенденция к вводу в персональный компьютер

и их оценивать могла бы оказать помощь в этой важной части и открыть новые горизонты для применения. Процесс изготовления может наблюдаться с помощью различных станций; визуальный контроль качества так же, как и управление станками, может быть предусмотрен дистанционно. Область управления различными производственными процессами и их контроль — это обширное поле для применения мультимедиа.

Архивирование и документирование

Информация, которая раньше сохранялась на пленках и/или микрофишах, теперь часто размещается на видеодисках или CD-ROM. Различные системы архивирования используют, например, огромные объемы памяти видеодисков, которые позволяют хранить до 50 000 отдельных изображений. Некоторые системы архивирования управляют текстом, графикой, отдельными изображениями и звуком при помощи банков данных и размещают их на различных носителях информации.

Одна из важнейших областей применения мультимедиа — это управление документами, договорами, счетами, служебной перепиской и т. д. Эта информация почти без исключения заносится на носитель с однократной записью, причем в дальнейшем эта информация не так часто используется. С помощью специальных программ эта документация в любой момент может быть считана и просмотрена.

Банки изображений, которые применяются преимущественно в научно-технической области, хранят огромное количество цифровых изображений, на основании которых, например, можно провести комплексную статистическую обработку.

Для информационных систем в библиотеках или архивах чаще используются оптические накопительные системы и

соответствующее программное обеспечение. Оригиналы

покоя, побывает в верхней и нижней максимальных точках и снова вернется в положение покоя (рис.23).

Если представить звуковые волны в виде колебаний на осциллографе, то можно заметить, что большей громкости звука соответствует большая амплитуда колебаний. Точно также и частота колебания зависит от того, низкий звук или высокий (рис.24).

Если рассмотреть на осциллографе реакцию микрофона на речь или музыку, то мы увидим не регулярную синусоиду, а более сложную кривую, которая возникает как результат наложения и взаимодействия разных колебаний; это наложение также называют интерференцией.

Цифровое

представление

выглядит совершенно иначе.

При цифровом представлении изменение величины происходит дискретно и как бы заморожено в некоторые моменты времени для измерения значений. Таким образом, эти значения

описывают процесс, определяя его состояние в определенные моменты времени последовательностью дискретных чисел. Аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой (дискретизируется) при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В нем аналоговый сигнал после измерения на входе квантуется и кодируется. Чем короче временные промежутки между отдельными измерениями, тем точнее описывается и затем воспроизводится процесс. Частота, с которой дискретизируется аналоговый сигнал, называется частотой дискретизации. Преимущество этого способа представления очевидно: так как измеренная величина существует в форме числа, то копирование происходит без потери качества, так как переписывается лишь число. Не наблюдается потеря качества и для копии X, если, разумеется, копирование происходит без ошибок.

сопровождаться соответствующими картинами и звуком. Например, проезжая (на экране монитора) вблизи памятника архитектуры, вы услышите о нем пояснения историка и т.д.

Обслуживание и ремонт

Каждый из нас сталкивался при ремонте технических или механических приборов с проблемой несовершенного (неполного) руководства по обслуживанию. Определенные операции гораздо проще объяснить с помощью изображения и звука, чем длинными описаниями и рисунками в руководстве пользователя. Соответствующие руководства по уходу, обслуживанию, ремонту больше находят применение в индивидуальной деятельности, чем в производственной. Для мастерской ремесленника система с такими инструкциями могла бы быть разумной и доходной, если конечный пользователь имеет для этого достаточную базу.

Производство и производственный контроль

Для оптимизации промышленного процесса производства с технической и экономической точек зрения в начале 80-х годов были разработаны различные программы, которые получили сокращенное название CIM (Computer Integrated Manufacturing — интегрированное производство под управлением компьютера). Эта концепция или область применения простирается от обработки договора через контроль качества до выписки счетов и планирования производства. Существенным недостатком этой компьютеризированной возможности управления — по крайней мере, для очень дифференцированных процессов изготовления — является отсутствие у аппаратных и программных средств способности к импровизации и компенсации (выравниванию). Это просто окаменевшая система. При этих обстоятельствах способность систем мультимедиа передавать изображение и звук

2. Свет и восприятие изображения

2.1 Физические основы

Свет представляет собой электромагнитные волны. Мы можем видеть предметы, если они излучают световые волны или отражают световые волны от источника освещения.

Первичны м органом восприяти я, в котором происход ит обработка светового возбужде

ния, является глаз (рис.3).

Световые волны, непосредственно излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку. Там они возбуждают определенные нервные клетки, физиологическая функция которых заключается в распознавании световых волн.

В

результат

е

возбужде ния в нервных клетках возникает электриче ский

сигнал,

изменение параметров может происходить на любую бесконечно малую величину. Для сигналов, изменяющихся во времени, важную роль играет частота измерений. Рассмотрим это утверждение на примере цифровой звукозаписи. Оцифрованный звук представляет собой существенную часть мультимедиа. Поэтому представляется рациональным принципиально разобраться в оцифровке звуковой информации.

Как и при оцифровке изображения, для цифровой звукозаписи требуется наличие технического аналога органа чувств. Только здесь это не «электронный глаз», а «электронное ухо», в качестве которого обычно используют микрофон. В микрофоне имеется мембрана, в которой под воздействием звуковой волны возбуждаются колебания, и с помощью катушки на магнитном сердечнике звуковая информация преобразуется в численные значения. Таким образом, мы должны иметь дело с изменяющимся во времени сигналом, а именно, с электрическим напряжением, величина которого изменяется с течением времени.

При цифровом способе записи сохраняются величины, измеренные через определенные последовательные промежутки времени и принимающие фиксированные значения.

Рис.22. Звук как непрерывный аналоговый сигнал

Звуковые колебания преобразуются в аудиоадаптере в цифровой сигнал, записываются на каком-либо носителе информации, например, на магнитооптическом компакт-диске, а затем, если потребуется, через аудиоадаптер преобразуются обратно в аналоговый сигнал и воспроизводятся через громкоговоритель. На рис.22 повышение и спад звукового давления представлены в виде кривой.

Обычно уже в аналоговом представлении имеется ошибка, появляющаяся из-за несовершенства преобразований. Так как при обработке, передаче и записи возникают искажения и помехи, то при воспроизведении сигнала нет точного совпадения с оригиналом. Сигнал ухудшается при каждой последующей обработке. Чем чаще повторять этот процесс, тем хуже и хуже будут результаты. Как правило, потеря качества отчетливо ощущается уже после первой обработки. Потеря качества с каждой новой копией может зайти так далеко, что на копии Х вообще нельзя будет ничего различить. Для того чтобы при обработке уменьшить эти ошибки, приходится применять дорогое и сложное оборудование. Чтобы характеристики звука (например, его высоту) описать более точно, нужны определенные физические понятия. Первоначально звук существует как аналоговый сигнал (воспринимаемый микрофоном), причем в виде чередования возрастания и спада звукового давления на мембрану микрофона, что вызывает в ней колебательный процесс.

Первая гармоника колебаний мембраны может быть представлена в виде синусоиды. Максимальное отклонение от положения покоя (как вверх, так и вниз) называется амплитудой.

Число колебаний в течение одной секунды называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Одно колебание совершается в течение промежутка времени, называемого периодом колебаний, за который процесс, начиная от положения

документов, которым угрожает разрушение, могут не выдаваться на руки, однако если с помощью сканера запечатлеть их сегодняшний вид, то появляется возможность изготовить идентичные копии. Если старые гравюры, литографии и т. д. таким образом сохранять и объединять в соответствующие банки данных, то такой метод действий приводит нас в область приложений мультимедиа.