«А.В. Зюзгин Информационно - коммуникационные технологии в преподавании и изучении естественно-научных дисциплин Методическое пособие Пермь 2007 УДК 004:53/59(075.8) ББК 32.973:20я7 З-98 Зюзгин А.В. З-98 ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУВПО “ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Приоритетный национальный проект «Образование»

Инновационная образовательная программа «Формирование

информационно-коммуникационной компетентности выпускников

классического университета в соответствии с потребностями информационного

общества»

А.В. Зюзгин Информационно - коммуникационные технологии в преподавании и изучении естественно-научных дисциплин Методическое пособие Пермь 2007 УДК 004:53/59(075.8) ББК 32.973:20я7 З-98 Зюзгин А.В.

З-98 Информационно-коммуникационные технологии в преподавании и изучении естественно-научных дисциплин: метод. пособие / А.В. Зюзгин;

ГОУВПО "Перм. гос. ун-т". - Пермь, 2007. - 289 с.

ISBN 5-7944-0783- Аннотация Пособие предназначено для преподавателей курса естественно-научных дисциплин в вузах и техникумах, а также учителей средних школ, обладающих компьютерной грамотностью. Информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) выступают как объект изучения с целью помочь читателю использовать их как средство обучения и инструмент для организации и проведения учебной и научной работы. Пособие будет полезно студентам и учащимся, использующим информационно-коммуникационные ресурсы Интернета, выполняющим натурные и лабораторные исследования при изучении предметов естественнонаучного цикла, а также подготавливающим выступление на конференции или защиту курсовой, квалификационной и дипломной работы.

Ил. 117 Табл. 9 Библиограф. 37 назв.

Печатается в соответствии с решением ученого совета физического факультета Пермского государственного университета УДК 004:53/59(075.8) ББК 32.973:20я ISBN 5-7944-0783-2 © Зюзгин А.В., Оглавление От автора ………………………..….……………………………………………………………………. Введение ……………………………………….………………………………………………………. Раздел 1. Аппаратные компоненты мультимедийного комплекса

Глава 1.1. Компьютер

1.1.1. Архитектура и платформа

1.1.1.1. Архитектура ПЭВМ

1.1.1.2. Платформа ПЭВМ

1.1.1.2.1. Процессор

1.1.1.2.2. Чипсет

1.1.1.2.3. Операционная система

1.1.2. Порты ввода-вывода

1.1.2.1.Интерфейсы USB и USB 2.0

1.1.2.2. Интерфейс IEEE 1394 (i.Link, FireWire, DV in/out)

1.1.2.3. Интерфейс RS 232 (COM-порт)

1.1.2.4. Беспроводной интерфейс Bluetooth

1.1.2.5. Беспроводной ИК-интерфейс (IrDA)

1.1.3. Ноутбук или настольный ПК?

1.1.4. Тестовая платформа и периферия ……………………………………………………......... Глава 1.2. Видеоподсистема МК: Устройства ввода-вывода видеопотоков и статических изображений

1.2.1. Видеокамеры

1.2.1.1. Аналоговые форматы записи видеосигнала

1.2.1.2. Цифровые форматы видеозаписи

1.2.1.3. Аналоговые видеокамеры

1.2.1.4. Цифровые видеокамеры

1.2.2. Видеокарты ViVo

1.2.3. ТВ-тюнеры

1.2.4. Вэб-камеры

1.2.5. Цифровые фотоаппараты

1.2.5.1. Классификация

1.2.5.1.1. Бытовые камеры (ультракомпактные и компактные “мыльницы”)

1.2.5.1.2. Ультразумы

1.2.5.1.3. Полупрофессиональные камеры.

1.2.5.1.4. Зеркальные профессиональные и полупрофессиональные модели

1.2.5.2. Принципы работы и конструкция

1.2.5.2.1. Выдержка

1.2.5.2.2. Фокусировка

1.2.5.2.3. Объектив

1.2.5.2.4. Фокусное расстояние

1.2.5.2.5. Видоискатель

1.2.5.2.6. Вспышка

1.2.5.3. Критерии выбора цифровой фотокамеры для мультимедиа-комплекса

1.2.6. Мониторы

1.2.6.1. Введение

1.2.6.2. Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, CRT)

1.2.6.3.Плоско-панельные дисплеи

1.2.6.3.1. Принципы действия и основные характеристики ЖК-мониторов

1.2.6.3.2. Архитектура TFT пикселя

1.2.6.3.3. Проблемы масштабирования

1.2.6.3.4. Важные критерии для выбора LCD-монитора

1.2.6.3.5. Преимущества и недостатки TFT-дисплеев

1.2.6.3.6. Минимальные требования к современному LCD-монитору

1.2.7. Мультимедийные проекторы

1.2.7.1. Основные типы проекторов

1.2.7.1.1. ЭЛТ-проекторы

1.2.7.1.2. Лазерные проекторы

1.2.7.1.3. Проекторы на основе одной или трех ЖК-матриц

1.2.7.1.4. Микрозеркальные проекторы (DLP)

1.2.7.1.5. D-ILA - проекторы (LCOS)

1.2.7.1.6. Перспективы развития мультимедийных проекторов

1.2.7.1.6. Критерии выбора проектора для мультимедийного комплекса

1.2.7.1.7. Мифы и правда о лампе проектора (срок службы)

1.2.8. Экраны

1.2.8.1. Типы проекционных экранов

1.2.8.1.1. Стационарные экраны

1.2.8.1.2. Мобильные экраны

1.2.8.1.3. Экраны прямой проекции

1.2.8.1.4. Экраны обратной проекции

1.2.8.2. Виды полотен для проекционных экранов

1.2.8.2.1. Покрытия с текстильной основой

1.2.8.2.2. Покрытия с виниловой основой

1.2.8.3. Основные характеристики проекционных экранов

1.2.8.3.1. Коэффициент усиления света

1.2.8.3.2. Угол зрения (обзора)

1.2.8.3.3. Формат

1.2.8.4. Выбор экрана

1.2.9. Плазменные (PDP) панели

1.2.9.1. Введение

1.2.9.2. Принципы работы и конструкция плазменной панели

1.2.9.3. Достоинства и недостатки плазменных PDP-панелей

Глава 1.3. Сетевая подсистема

1.3.1. Стационарное подключение

1.3.1.1. Lan

1.3.1.2. ISDN

1.3.1.3. Модем

1.3.1.3.1. Дополнительные функции модемов

1.3.1.3.2. Разновидности модемов по способам обмена данными

1.3.1.3.3. Разновидности модемов по конструктивному исполнению

1.3.1.3.4. Подключение внешнего модема

1.3.1.3.5. Как оценить скоростные характеристики модемов

1.3.1.3.6. Стандарты на модуляцию

1.3.1.3.7. Протоколы коррекции ошибок и сжатия данных

1.3.1.3.8. Стандарты для факсимильной связи

1.3.2. Мобильный Интернет

1.3.2.1. GPRS

1.3.2.2. Wi-Fi

1.3.2.2.1. Стандарты интерфейса

1.3.2.2.2. Недостатки безопасности

1.3.2.2.3. Подключение

Глава 1.4. Измерительная подсистема

1.4.1. Мультиметры

1.4.2. Встроенные в ПК цифровые осциллографы

1.4.3. Плата сбора данных

Глава 1.5. Звуковая подсистема

Раздел 2. Программные компоненты мультимедийного комплекса

Глава 2.1. Программная поддержка ИКТ компонентами ОС Windows XP Pro

2.1.1. Публикация сайта в Интернете и Интранете

2.1.1.1. Хостинг на внешних ресурсах Internet

2.1.1.1.1. Бесплатный хостинг

2.1.1.1.2. Платный хостинг

2.1.1.2. Публикация сайта на мультимедийном комплексе средствами Internet Information Services (IIS)

2.1.1.2.1.Необходимые операции перед установкой сервера ISS

2.1.1.2.1.Установка сервера ISS

2.1.1.2.2. Запуск и вид окна консоли управления ISS

2.1.1.2.3. Размещение сайта

2.1.1.2.4. Администрирование сайта

2.1.1.3. Раздельная публикация сайта на удаленном Host-компьютере и МК

2.1.1.4. Адресация и ограничение доступа

2.1.2. Цифровой нелинейный монтаж и создание видеофильма средствами программы Movie Maker

2.1.2.1. Запуск и вид окна Windows Movie Maker

2.1.2.2. Загрузка исходных компонентов видеофильма

2.1.2.2.1. Запись с видеоустройства

2.1.2.2.2. Импорт видео, звука и изображений

2.1.2.2.3. Нелинейный цифровой монтаж

2.1.2.2.4. Сохранение результатов монтажа как видеофильма

2.1.2.2.5. Создание фоторяда для пространственно-временных измерений

Глава 2.2. Программная поддержка ИКТ компонентами пакета MS Office 2003

2.2.1. Создание сайта дистанционной поддержки образования средствами MS Office........... 2.2.1.1. Создание сайта средствами MS Word 2003

2.2.1.2. Создание сайта средствами MS Front Page 2003

2.2.2. Использование специфических возможностей программы MS Power Point 2003......... 2.2.2.1. Создание анимированных иллюстраций явлений и процессов

2.2.2.2.Создание сложных трехмерных рисунков и схем средствами Power Point.............. Раздел 3. Использование информационно-коммуникационных возможностей мультимедийного комплекса в образовательном процессе

Глава 3.1. Дистанционная поддержка курсов

3.1.1. Технология информационной поддержки курсов занятий

3.1.1.1. Технология информирования об учебных занятиях

3.1.1.2. Технология поддержки учебного процесса

3.1.1.3. Технология организационной поддержки учебного процесса

Глава 3.2. Применение ИКТ в лекционных занятиях

3.2.1. Аудиовизуальное сопровождение лекции

3.2.2. Перераспределение аудиторной и самостоятельной нагрузки студентов при освоении лекционного курса

3.2.3. ИКТ в демонстрационном эксперименте

3.2.3.1. Телетрансляция

3.2.3.2. Визуальное сопровождение

3.2.3.3. Использование микроскопического режима видеоподсистемы МК

3.2.3.4. Использование телескопического режима видеоподсистемы МК

3.2.3.5. Использование инфракрасного режима видеоподсистемы МК

3.2.3.5.1. Демонстрация теплового излучения нагретых тел

3.2.3.5.1. Демонстрация принципа работы приборов ночного видения

Глава 3.3. ИКТ в практических занятиях

3.3.1. Визуальное сопровождение классических занятий и семинаров

3.3.1. Инновационная методика ведения занятий со старшекурсниками при поддержке МК

Глава 3.4. ИКТ в лабораторных занятиях

3.4.1. Информационное сопровождение

3.4.2. Измерения с использованием датчиков

3.4.3. Бесконтактные измерения

3.4.3.1. Измерение пространственных характеристик

3.4.3.2. Измерение пространственно-временных характеристик

3.4.3.3. Трековая фотография методом длительной экспозиции

3.4.3.4. Получение трековых картин методом наложения изображений

3.4.4. Лабораторное и численное моделирование в режиме реального времени

Глава 3.5. ИКТ в научно-исследовательской работе

Глава 3.6. ИКТ в самостоятельной работе студентов и школьников

3.6.1. ИКТ в самостоятельной учебной и научной деятельности студентов

3.6.2. ИКТ в самостоятельной учебно-научной деятельности школьников.

3.6.2.1. Реферативная работа

3.6.2.2. Исследовательская работа

3.6.2.3. Итоговый контроль

3.6.2.3.1. Дистанционные контрольные мероприятия

3.6.2.3.1. Конференция

Глава 3.7. Профориентационный и общеобразовательный аспект ИКТ

Раздел 4. Справочные материалы и приложения

Приложение 4.1. Предметный указатель

Приложение 4.2. Тематический глоссарий терминов

Приложение 4.3. Основные интерфейсы персонального компьютера

4.3.1. Описание интерфейса USB

4.3.1.1. Введение

4.3.1.2.Технические характеристики

4.3.1.3. Топология

4.3.1.4. Кабели и разъемы

4.3.1.5. Какие устройства используют или будут использовать USB

4.3.1.6. Развитие USB - стандарт USB 2.0

4.3.2. Интерфейс IEEE 1394

4.3.2.1. Введение

4.3.2.2. Технические характеристики

4.3.2.3. Топология шины

3.2.4. Совместимость

4.3.2.5. Сеть на IEEE-1394

4.3.2.6. Кабели и разъемы

4.3.3. Описание интерфейса RS 232 (COM-порт)

4.3.4. Беспроводной интерфейс Bluetooth

4.3.4.1. Введение

4.3.4.2. Технические характеристики

4.3.4.3. Сеть устройств с интерфейсом Bluetooth

4.3.5. Беспроводной ИК интерфейс (IrDA)

4.3.5.1. Введение

4.3.5.2. Технические характеристики

Приложение 4.4. Светочувствительные матрицы

4.4.1. ПЗС-матрица

4.4.2. CMOS-матрицы

Приложение 4.5. Флеш-память

Приложение 4.6. Аккумуляторные батареи

4.6.1. Никель-кадмиевые (NiCd)

4.6.2. Никель-металлогидридные (NiMH)

4.6.3. Свинцово-кислотные (Lead Acid)

4.6.4. Литий-ионные (Li-Ion)

4.6.5. Литий-полимерные (Li-Pol)

4.6.6. Сравнительные характеристики аккумуляторов

4.6.7. Прогноз

Приложение 4.7. Сжатие растровых изображений. Кодеки

4.7.1. Формат Joint Picture Experts Group (JPEG, JPG)

4.7.1.1. Введение

4.7.1.2. Сжатие

4.7.1.3. Достоинства и недостатки JPG

4.7.2. Формат Tagged Image File Format (TIFF)

4.7.2.1. Введение

4.7.2.2. Сжатие

4.7.3. Формат RAW

4.7.3.1. Введение

4.7.3.2. Использование в цифровой фотографии

4.7.3.3. Расширения файлов RAW-изображений

4.7.3.4. Программная поддержка

4.7.3.5. Просмотр изображений RAW

4.7.3.6. Редактирование изображений RAW

Приложение 4.8. Сжатие видеопотоков. Кодеки

4.7.1. Параметры несжатого видео

4.7.2. Как происходит сжатие

4.7.1. Популярные кодеки

4.7.1.1. MPEG-1

4.7.1.2. M-JPEG

4.7.1.3. MPEG-2

4.7.1.4. MPEG-3

4.7.1.5. MPEG-4

4.7.1.6. MPEG-J

4.7.1.7. MOV

4.7.1.8. WMV

4.7.1.9. MPEG-7

4.7.1.10. MHEG

4.7.1.11. Перспективы

Список литературы

Уважаемый читатель, идея написания этого пособия возникла во время проведения курсов повышения квалификации учителей и преподавателей преподавании физики” в рамках реализации программы “Формирование информационного общества”, осуществляемой в Пермском государственном университете на основе приоритетного национального проекта “Образование”.

Книга не содержит полного и окончательного перечня и описания методических приемов преподавания с использованием современных приборов и технологий. Ее основная цель познакомить читателя с образовательными и высокопрофессиональные педагоги, познакомившись с компонентами такого комплекса, их возможностями и типовыми примерами методических решений, оборудования в учебном процессе.

Современная практика оснащения образовательных учреждений России соответствующей документации. Как правило, на первом этапе педагоги в заявке должны сформулировать, как планируется модернизировать учебный процесс, и какое оборудование может это обеспечить. Второй этап заключается в проведении тендера на закупку оборудования, перечень которого зачастую также подготавливается людьми, непосредственно осуществляющими учебный процесс. После приобретения оборудования, в связи с хронической нехваткой в образовательных учреждениях квалифицированных лаборантов, проблемами преподаватели. Поэтому в пособии большое внимание уделено описанию современных приборов, критериям выбора оборудования для использования в образовательном процессе и вопросам их сопряжения в мультимедийном комплексе для эффективного применения в различных видах аудиторных и самостоятельных занятий.

Значительное место в книге занимает описание физических принципов работы новых типов широко распространенного оборудования, что должно помочь преподавателю иллюстрировать современными примерами те или иные физические эффекты, вызывая интерес студентов и учащихся. Приведены ссылки на многочисленные ресурсы Интернета, однако к достоверности осторожности.

пользователя персонального компьютера. Методическое пособие познакомит с современными аппаратными средствами, применяющимися в преподавании, и Рассматриваются информационные, коммуникационные и образовательные возможности локальной и глобальной сетей. Пособие позволяет освоить коммуникационные и мультимедийные возможности основных программных средств для проведения лекционных, практических, лабораторных и контрольных занятий или частей урока. Читателям будут предложены основные методические решения задач повышения уровня преподавания и усвояемости учебного материала. Кроме этого, предусматривается их ознакомление с возможностями телекоммуникационных и мультимедийных средств для организации и проведения самостоятельных (в том числе научно-исследовательских) занятий студентов и учащихся с целью изучения нового или закрепления пройденного материала, знакомства с современным уровнем развития наук

и, обучения работе с литературными источниками и привития навыков публичного выступления с сообщением по научной тематике.

Полученные знания, умения и навыки должны помочь читателям в применении новейших средств обучения в образовательном процессе и расширить их возможности самообразования и обмена профессиональной информацией.

Персональный компьютер (ПК), первоначально появившийся как средство совершения вычислительных операций и обработки текстовой информации, быстро расширил свои возможности за счет стремительного развития цифровых технологий.

В 90-х гг. прошлого века, после появления процессоров “Пентиум”, вошел в оборот термин “мультимедийный компьютер”. Это означало, что на компьютере установлены такие устройства, как проигрыватель компакт-дисков и звуковая плата, позволяющие прослушивать музыкальные компакт-диски (т.

н. аудиодиски). В качестве дополнительной услуги предполагалось хранение компьютерных данных на тех же самых дисках, которые поначалу изготавливались исключительно на заводе, и только относительно недавно обычные пользователи получили возможность самостоятельно записывать как компьютерные, так и аудиодиски. Таким образом, под мультимедийностью (многосредностью) понималось взаимодействие визуальных и аудиоэффектов под управлением интерактивного программного обеспечения. Обычно это означает сочетание текста, звука и графики, а чуть позже, с ростом производительности ПЭВМ, анимации и видео.

Современная персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) по сути, является центром системы, способной находить, регистрировать, хранить, обрабатывать, передавать и выводить информацию самых разных типов. Например, таких как видеопотоки, звуки, изображения, массивы числовых данных, тексты, сигналы датчиков внешней среды. Если в контексте понятия мультимедиа определить ресурсы локальной и глобальной сетей как информационную и коммуникационную среды, учесть внешнюю среду, параметры которой измеряются датчиками ПЭВМ, то можно расширить понятие "мультимедийный компьютер". Заметим, однако, что значительная часть современных периферийных устройств, расширяющих “многосредность“ ПК, способна выполнять мультимедийные функции полностью или частично Рис. 1. Образовательный мультимедийный комплекс: а- внешний вид МК на основе планшетного ноутбука в составе видеоподсистемы и измерительной подсистемы; б- развернутый МК на лекционном занятии обеспечивает проведение демонстрационного эксперимента при сопряжении их между собой напрямую, без подключения к системному фотокамера принтер. Таким образом, становится обоснованным переход от учитывающему современный уровень развития устройств и технологий, мультимедийный комплекс (МК).

В дальнейшем под МК будем понимать совокупность сопряженных с ПК и / или между собой через порты ввода-вывода устройств, обеспечивающих пользователю возможность получать, обрабатывать, выводить и передавать информацию аудио, видео, анимационного, графического, численного и текстового типов, а также аналоговых и цифровых сигналов.

К основным функциям мультимедийного комплекса относятся:

а) ввод-вывод, преобразование, обработка и хранение:

• аналогового и цифрового звука;

• растрового и векторного изображений;

• графической информации;

• цифрового и аналогового видеопотоков;

• анимации;

• текстовой информации;

• числовой информации;

• аналоговых и цифровых сигналов датчиков;

б) обеспечение и предоставление доступа:

• к информационным ресурсам;

• к коммуникационным ресурсам.

Представляется очевидным, что применение МК в образовательном процессе способно усилить интенсивность, эффективность и улучшить качество обучения, обеспечить формирование у студентов и школьников востребованных современным обществом умений и навыков, а также вывести на принципиально новый уровень развития некоторые виды аудиторных и самостоятельных занятий. Комплексное воздействие нескольких информационных сред, широкие возможности коммуникации и организации приведут к появлению новых методов и форм обучения, в том числе полностью или частично дистанционных.

Раздел 1. Аппаратные компоненты мультимедийного информационно-коммуникационных технологий во многом обуславливается аппаратной частью мультимедийного комплекса и ее характеристиками. По причинам, обсужденным во введении, рассмотрим в этой главе современные приборы, входящие в МК, и их основные характеристики. Обсудим требования к выбору компонентов мультимедийного комплекса и вопросы их сопряжения в работоспособную систему, предполагающую эффективное функционирование и взаимодействие всех компонентов.

Глава 1.1. Компьютер В мультимедийном комплексе, как правило, используется компьютер класса ПЭВМ, который служит центром регистрации, сбора, обработки, хранения и вывода информации. Поскольку при использовании МК в учебном процессе особые требования предъявляются к качеству выводимой информации, рассмотрим необходимые требования к конфигурации и ресурсам ПК.

1.1.1. Архитектура и платформа 1.1.1.1. Архитектура ПЭВМ На сегодняшний день в сегменте персональных компьютеров существуют две конкурирующие архитектуры DEC и IBM. Если первая используется только в ПЭВМ, выпускаемых компанией Apple под торговой маркой Macintosh, занимающих узкую нишу графических станций, то вторая стала своеобразным стандартом для подавляющего большинства ПК, выпускаемых различными производителями. По этой причине в дальнейшем под компьютером будем понимать ПЭВМ с архитектурой IBM.

1.1.1.2. Платформа ПЭВМ Платформа компьютера в основном определяет его производительность, ресурсы и совместимость. Рассмотрим ее основные компоненты.

1.1.1.2.1. Процессор Сегодня на рынке персональных ЭВМ в основном конкурируют платформы с процессорами компаний AMD (Athlon, Duron, Sempron) и INTEL (Pentium, Celeron). При, как правило, равной производительности моделей процессоров одного поколения, продукция INTEL является своеобразным эталоном для компаний, выпускающих платы расширения, периферийные устройства и программное обеспечение. К тому же процессоры семейств Pentium и Celeron лучше защищены от перегрева и связанной с ним порчи.

Компания INTEL для каждого поколения процессоров выпускает его полную версию (Pentium) и бюджетную модель с усеченными возможностями (Celeron).

Различие в производительности процессоров особенно сильно проявляется при обработке графической информации и видеопотоков. Поскольку мультимедийный комплекс, по сути, представляет совокупность разнообразных сопряженных устройств, способных эффективно обрабатывать информацию, то естественным выбором в этом случае является платформа на базе процессора Pentium.

1.1.1.2.2. Чипсет Набор основных микросхем материнской платы компьютера (чипсет) во многом определяет быстродействие и совместимость ЭВМ при подключении периферийных устройств. Материнская плата ПК, использующегося для мультимедийного комплекса, должна обеспечивать основные интерфейсы ввода-вывода (см. параграф 1.1.2), подключение не менее 5 плат расширения в слоты IDE (форм-фактор АТХ, а не мини-АТХ) и жесткого диска по интерфейсу Serial-ATA (SATA). Желательно обеспечение двухканального режима работы оперативной памяти (ОЗУ) и технологии гипертрейдинг (HT) в работе процессора. Не так давно компанией INTEL разработаны новые технологии двуядерного процессора Pentium CoreDuo, однако, автором тестирование такой платформы еще не проводилось.

1.1.1.2.3. Операционная система При всем многообразии операционных систем (ОС) различных поколений и производителей представляется разумным остановить выбор на последнем персональных компьютеров ОС Windows XP Professional. Результаты сравнительного анализа данной системы, предыдущих версий Windows и аналогичных продуктов других производителей позволяют выделить следующие достоинства:

• включение в операционную систему мультимедийных компонент, видеопотоков Movie Maker и программы захвата звука;

• наличие в ОС серверного компонента ISS Internet Information Services, обеспечивающего публикацию сайтов, размещенных на данном компьютере в локальной (Интранет) и глобальной • высокая надежность и устойчивость ОС;

обеспечивающая установку большинства периферийных устройств и плат расширения к компьютеру без участия пользователя;

разработчиков и изготовителей подключаемого к компьютеру оборудования, в комплект поставки современных устройств, мультимедийных проекторов, всегда входят драйвера для ОС • система оснащена функциональным и удобным интуитивным • использование файловой системы NTFS позволяет обеспечить гибкое управление безопасностью данных для локальных и глобальных пользователей;

• в случае сбоя, отказа или повреждения ОС компьютерным вирусом или неопытным пользователем удобный механизм восстановления системы позволяет быстро вернуть работоспособность компьютера, что особенно важно до или во время учебного занятия;

• ОС оснащена включенным по умолчанию межсетевым экраном 1.1.2. Порты ввода - вывода Наличие у компьютера портов ввода-вывода информации определяет возможность сопряжения ПК с периферийными устройствами. Рассмотрим основные интерфейсы, позволяющие ПЭВМ обмениваться данными с современными приборами, входящими в мультимедийный комплекс. Обзор составлен с использованием материалов 1,2.

1.1.2.1.Интерфейсы USB и USB 2. ПЭВМ, включенная в мультимедиа-комплекс, как правило, сопрягается с внешними устройствами, не требующими быстрой передачи данных (принтеры, сканеры, цифровые фотоаппараты, клавиатура, графический манипулятор мышь, внешний модем, внешний ТВ-тюнер, мультиметр), через интерфейс Universal Serial Bus (USB). При выборе ПК и периферийных устройств важно обратить внимание не только на наличие разъемов данного интерфейса, но и на стандарт USB порта (см. Приложение 4.3.1). Если компьютер и подключаемое устройство оснащены интерфейсом USB 2.0, то обмен данными, например с цифровым фотоаппаратом, будет происходить в 2-3 раза быстрее (хотя разработчики стандарта заявляют о 20-кратном повышении пропускной способности), чем по интерфейсу старой версии. Интересно отметить, что в пределах мультимедийного комплекса на данном интерфейсе можно собрать сеть из устройств и расширителей (концентраторов) USB, которая позволит компьютеру управлять подключенными через USB устройствами.

1.1.2.2. Интерфейс IEEE 1394 (i.Link, FireWire, DV in/out) Передача видеопотока от цифровых видеокамер компьютеру и обратно требует шины с высокой скоростью обмена данными. В мультимедийном комплексе, используемом в учебном процессе, это обусловлено часто возникающей необходимостью выведения качественного видеоизображения на экраны больших габаритных размеров. Для этих целей при сопряжении ПК с видеоустройствами используется скоростной интерфейс IEEE 1394 (см.

приложение 4.3.2), который позволяет компьютеру помимо передачи данных еще и управлять видеокамерой, что является предельно важным при использовании мультимедийного комплекса для дистанционного образования или в лабораторном эксперименте для бесконтактного измерения пространственно-временных характеристик изучаемых процессов. В связи с этим если выбранный компьютер не имеет интегрированного в материнскую плату интерфейса IEEE 1394, то необходимо вставить соответствующий адаптер в слот расширения IDE.

1.1.2.3. Интерфейс RS 232 (COM-порт) В старых IBM-совместимых компьютерах (IBM 286, 386, 486, Pentium) порт RS 232 традиционно использовался для подключения клавиатуры и прямого соединения двух компьютеров. С появлением новых моделей ПК с портом клавиатуры PS/2 количество разъемов RS 232 уменьшено до одного, а в мобильных ПЭВМ они зачастую отсутствуют. Однако если в функции мультимедийного комплекса будет входить коммутация с измерительными подключаемых устройств. Многие современные приборы, например мультиметры, универсальные нановольтметры, устройства контроля температуры Термодат, инфракрасные видеокамеры тепловизоры научного класса Cedip Infrared System осуществляют прием-передачу данных через COM-порт или используют его как канал управления прибором. Поэтому, выбирая системный блок компьютера для включения его в мультимедийный комплекс, необходимо обеспечить наличие интерфейса RS 232. Описание RS 232 содержится в приложении 4.3.3.

1.1.2.4. Беспроводной интерфейс Bluetooth Беспроводные технологии сопряжения устройств между собой и с распространяются. Многие производители совместимых с ПК устройств оснащают их портами, позволяющими обмениваться информацией с помощью электромагнитных волн радиодиапазона. Самый распространенный интерфейс называется Bluetooth. На самом деле Bluetooth не конкурирует с другими стандартами радиосвязи, а дополняет их. Эта технология относится к семейству беспроводных сетей Personal Area Networks (PAN) и может использоваться для связи портативных компьютеров, мобильных телефонов, электронных органайзеров, принтеров, факсов, сканеров и других устройств, которые прежде можно было соединять в сеть только через проводной интерфейс. Соединению бытовых приборов (холодильников, аудиосистем, СВЧ-печей и т. п.) до сих пор препятствовала сложность организации домашней сети передачи данных, но при помощи технологии Bluetooth сделать это будет совсем не трудно. Все эти устройства смогут с высокой скоростью обмениваться данными на коротких расстояниях без кабелей, не требуя прямой видимости.

Итак, технология Bluetooth позволяет заменить множество разнообразных кабелей одним универсальным радиосоединением. По сути, Bluetooth это Bluetooth-системы могут быть принтеры, карманные и настольные компьютеры, факс-машины, клавиатуры, джойстики, сотовые телефоны, бытовая техника и другие цифровые устройства. При сборке мультимедийного комплекса Bluetooth технология сопряжения устройств (за исключением видео-подсистем, в силу жестких требований к скорости и непрерывности передачи данных) имеет целый ряд преимуществ:

• автоматическое распознавание компонентов МК;

• автоматическое установление соединения;

• пространственная удаленность мест расположения компонентов системы, не ограниченная длиной кабеля;

• отсутствие “теневых” зон;

• высокий уровень совместимости устройств;

компьютер устройство, но и устройство – устройство;

• невысокая стоимость адаптеров Bluetooth.

Все это делает применение данного интерфейса удобным, и следует предусмотреть наличие порта Bluetooth в компонентах мультимедийного комплекса. Подробнее интерфейс описан в приложении 4.3.4.

1.1.2.5. Беспроводной ИК-интерфейс (IrDA) Все больше и больше устройств, в том числе мобильные телефоны, наладонные компьютеры, цифровые фотокамеры, ноутбуки, принтеры, оборудуются инфракрасным портом стандарта IrDA. Передача информации в таком интерфейсе обеспечивается электромагнитными волнами в инфракрасном диапазоне. Несомненным преимуществом такого порта является отсутствие соединительных проводов, что упрощает и укорачивает время сборки мультимедийного комплекса и устраняет проблему совместимости разъемов проводов. Однако большинство настольных PC не имеет такого инфракрасного порта в стандартной системной конфигурации, и требуется модернизировать компьютер, установив порт стандарта IrDA, чтобы соединиться с мобильными устройствами. Наиболее приемлемым вариантом является установка в USB порт компьютера IrDA адаптера.

Основным на данный момент достоинством использования ИК порта в мультимедийном комплексе является обеспечение канала выхода в Интернет с применением сотового телефона в качестве GSM/GPRS-модема. Такие функции МК могут быть использованы во время натурных занятий, натурных (полевых) измерений и наблюдений. Описание ИК интерфейса находится в приложении 4.3.5.

1.1.3. Ноутбук или настольный ПК?

В образовательных учреждениях достаточно устоявшимся стал термин ноутбук мультимедийный проектор. Такое сочетание оборудования является достаточно удобным, когда в организации имеется один - два таких комплекта и их постоянное перемещение по аудиториям позволяет на минимальном информационно-коммуникационных технологий.

Когда речь идет о создании мультимедийного комплекса, то выгоды от использования мобильного компьютера не столь очевидны, если планируется преимущественно стационарное использование МК в поточной аудитории, тематическом классе или лаборатории. Отметим достоинства мобильного и настольного типов ПЭВМ применительно к использованию их в качестве обрабатывающего центра МК.

Преимущества ноутбука:

• как правило, качественное системное интегрирование и более производительность сопоставимых платформ;

использовать МК или его компоненты в натурных или полевых • комплектация большинства моделей ноутбуков универсальными карт-ридерами, модемами, сетевыми картами и адаптерами IEEE 1394, IrDA, Bluetooth и USB 2.0, что обеспечивает высокую степень информационными сетями.

К преимуществам настольных систем можно отнести:

• значительно большее, чем у мобильных вариантов, количество одновременное подключение и коммутацию многих устройств и • наличие параллельного и последовательного портов (COM и LPT) позволяет принципиально расширить список подключаемого к компьютеру измерительного и контрольного оборудования;

• размещение на материнской плате пяти и более (форм-фактор ATX) контроллеры и платы расширения, принципиально увеличить или адаптировать коммутационные возможности системного блока ПК;

Таким образом, делая выбор в пользу мобильной или настольной конфигурации, нужно четко представлять специфику использования мультимедийного комплекса, и в случае стационарного размещения МК представляются очевидными преимущества настольной системы.

1.1.4. Тестовая платформа и периферия Все описанные ниже методики тестировались на МК в составе ПК Пентиум-4С 2400 ГГц с гипертрейдингом на GA-8IPE1000 чипсете c двухканальной оперативной памятью DDR 500 Mb. Емкость жесткого диска 120 Gb. В видеоподсистеме использовались видеокамера Sony 340TRE, фотоаппарат Olympus E500 и встроенный ТВ-тюнер AverMedia на чипсете BT848.

Глава 1.2. Видеоподсистема МК: Устройства ввода-вывода видеопотоков и статических изображений комплекса, позволяющие регистрировать и захватывать компьютером аналоговые и цифровые видеопотоки, а также обеспечивающие вывод видео на устройства хранения или проекции изображений. Обсуждаются требования, предъявляемые к таким компонентам, для оптимального использования МК в образовательном процессе. Поскольку современные видеоустройства могут обеспечить визуальное сопровождение тематических лекционных занятий, микро- и телескопическую поддержку лекционных демонстраций, бесконтактные методы измерений в лабораторных и натурных экспериментах аудиторного и внеаудиторного типов, то видеоподсистема МК играет ключевую роль в эффективности мультимедийного комплекса в целом. Методы обработки и нелинейного цифрового монтажа фото- видеоматериалов будут описаны во второй главе.

1.2.1. Видеокамеры Все многообразие видеокамер делится на два больших класса: аналоговые и цифровые. Поскольку форматы видеозаписи оказывают решающее влияние на качество записи и удобство сопряжения камеры с компьютером, рассмотрим их подробнее.

1.2.1.1. Аналоговые форматы записи видеосигнала VHS формат обычной видеокассеты. Главное достоинство отсняв видео, можно сразу же смотреть его на любом видеомагнитофоне без всякой дополнительной обработки или перезаписи. Этот формат позволяет записывать 240 мин видео на одну стандартную кассету. Недостатки обуславливаются ограничениями стандарта VHS: низкое разрешение изображения (порядка линий по горизонтали), существенное ухудшение качества при монтаже и перезаписи, большие габариты и высокое энергопотребление.

VHS-C или VHS-Compact отличаются от обычного VHS размером кассеты. Специальный адаптер превращает миниатюрную видеокассету в обычную, которую воспроизведет любой видеомагнитофон. Размер кассеты позволяет уменьшить габариты камер до приемлемых для ношения размеров, но время записи на одну кассету сокращается до 90 мин.

Формат S-VHS или Super-VHS, или S-Video позволяет увеличить разрешение видео до 400-420 линий по горизонтали, предъявляя в то же время повышенные требования к качеству кассет (кассета должна быть промаркирована: S-VHS). В отличие от VHS камер, все S-VHS модели могут записывать стереозвук. При отсутствии специальных "суперкассет" можно снимать на обычные, правда, качество при этом будет тоже обычное, VHS. Из недостатков отметим большие габариты и потребность в специальном видеомагнитофоне для просмотра записанного видеоматериала. Поэтому формат не получил широкого распространения.

S-VHS-C или Super-VHS-Compact вариант S-VHS с использованием компактной кассеты. Уменьшение габаритов достигается ценой уменьшения времени записи (90 мин). Видеокамеры формата S-VHS-C ориентированы на полупрофессиональное использование или обеспеченных любителей, желающих получить хорошее качество изображения и звука.

Для видеокамер формата Video 8 понадобятся специальные видеокассеты с лентой шириной 8 мм. Достоинства малые габариты камер и немалое (до 120 мин) время записи на одну кассету. Недостатки обуславливаются специфичностью формата и невысоким разрешением (240-250 линий).

Улучшить формат попыталась фирма SONY, выпустив видеокамеры стандарта Video8 XR (eXtended Resolution). Посредством записи видеосигнала в области звукового сигнала теоретически стало возможно достичь разрешения 280 линий при записи на стандартные для Video8 кассеты. При этом технология записи звука была также усовершенствована. Отснятые такой камерой кассеты полностью совместимы с форматом Video8, но повышения разрешения при использовании не XR техники достичь не удастся.

Hi 8 дальнейшее развитие стандарта Video8. При сохранении размеров кассеты, улучшенное качество ленты позволяет достичь при съемке до 380 линий по горизонтали. Длительность записи может достигать 180 минут на одну кассету. Как и в случае с Video8, SONY выпустила усовершенствованные видеокамеры Hi8 XR, теоретически достигающие разрешения 440 линий при меньшем уровне помех.

1.2.1.2. Цифровые форматы видеозаписи Digital8 (D8) представляет собой цифровое воспроизведение аналогового формата Hi8. Камеры Digital8 позволяют воспроизводить аналоговые записи Hi8, но при этом снимают на такие же кассеты цифровое видео с разрешением до 500 линий и стереозвуком CD качества. На стандартную кассету Hi помещается немного меньше цифрового видео, чем аналогового: две трети от указанной длительности кассеты. Этот формат можно рекомендовать тем, у кого есть большая видеотека записей в аналоговом восьмимиллиметровом формате при помощи такой камеры их можно будет перевести в цифровой формат.

Mini DV (Mini Digital Video) на сегодня это общепризнанный стандарт:

Mini DV видеокамеры выпускают практически все ведущие производители электроники (Sony, Panasonic, Canon, JVC, Samsung, Thomson). Запись делается на небольшие mini DV кассеты с шириной ленты 6,35мм. Разрешение приближается к профессиональному до 540 линий (у профессионального Betacam SP 650 линий). Звук стерео, качества CD (даже немного выше частота дискретизации 48 кГц против стандартных для CD 44.1 кГц). Высокое качество и приемлемые габариты при цене, сравнимой с ценой камер Digital делают Mini DV камеры очень привлекательными.

Micro MV относительно новый формат очередной шаг к миниатюризации видеокамер. Кассета такого стандарта более чем в два раза меньше кассет mini DV. Размер кассеты позволяет существенно уменьшить габариты самих камер: например, видеокамера Sony DCR-IP1 имеет габариты 69 x 39 x 91мм и вес всего 230 г. Видео записывается сразу в MPEG-2 (в этом формате записываются видеоданные на дисках DVD (см. приложение 4.7.1.3)).

За счет более высокой степени сжатия видео занимает почти вдвое меньше места (по сравнению с форматом mini DV). Существенными недостатками являются несовместимость этого формата с популярными компьютерными программами видеомонтажа и худшее качество по сравнению с Mini DV.

DVD формат записи, обеспечивающий сохранение видеоданных непосредственно на DVD диски. По всем основным параметрам уступает Mini DV (в качестве, удобстве монтажа, совместимости). Идея DVD камер довольно проста снимаемое видео сразу записывается на mini DVD диск (8 см в диаметре) и отснятое видео можно затем посмотреть на DVD плеере или компьютере. К недостаткам DVD формата можно отнести, во-первых, малую емкость mini DVD диски позволяют записать на одной стороне не более мин видео с приемлемым качеством. С поддержкой записи на двухслойные mini DVD это время увеличится до 35 мин, но все равно будет почти в два раза меньше, чем при записи на mini DV кассету. Во-вторых, mini DVD диски редко встречаются в продаже. В-третьих, цена mini DVD дисков существенно больше массовых "больших" DVD носителей. В-четвертых, операция "отснял и тут же посмотрел" на самом деле не такая быстрая. Для просмотра на бытовом DVD плеере диск в камере должен быть обязательно “финализирован”, а это мгновенно не происходит. Кстати говоря, операция “финализации” диска в DVD камерах есть их довольно слабое место, так как часто во время процесса случаются сбои и информацию с диска можно спасти, только обладая некоторыми навыками работы с DVD на компьютере.

Камеры HDV формата (High Definition Video видео высокого разрешения) бытового класса появились на рынке только в 2005 г. Это новый, один из самых перспективных, формат любительских видеокамер. Носитель в любительских HDV камерах пока остался прежним, mini DV кассета, но записать на нее в таких камерах можно не только обычное видео с разрешением для кодировки PAL 720 x 576 (такой формат видео сегодня называют SD, Standard Definition, стандартное разрешение), но и с разрешением 1440 х 1080.

Изображение с физическим разрешением 1440 х 1080 при выводе на телевизор или монитор компьютера как бы "растягивается" в 1920 х 1080.

HDV камеры умеют снимать как в SD, так и в HDV, а также умеют отснятое в формате HDV видео преобразовывать в SD. Конвертация HDV в SD называется даунконверсией (down conversion, т.е. преобразование с понижением разрешения). Пока активному использованию любительских HDV камер препятствует отсутствие недорогих устройств отображения HDV видео, также нет возможности записи HD DVD и т.п. К тому же запись видео в HDV делается исключительно в формате MPEG-2, для редактирования которого требуется довольно мощный компьютер, да и просто просмотр HDV видео на слабом компьютере удовольствия не доставит. У HDV формата есть несколько существенных недостатков. Основной MPEG кодирование снимаемого видео.

Причем плохо даже не кодирование само по себе, а довольно низкая скорость потока. В HDV скорость потока равна 25 мегабит в секунду. Однако в HDV информации стало почти в 4 раза больше, а скорость потока выросла всего в 2. раза по сравнению с обычным DVD потоком. Поэтому очевидно, что потерянной информации в HDV потоке больше, чем в обычном SD видео. К другим недостаткам можно отнести чересстрочную развертку, по определению плохо показываемую на современных LCD телевизорах/мониторах, плазменных панелях и мультимедийных проекторах, а также реальное разрешение 1440 х 1080, из которого разрешение 1920 х 1080 получается "растягиванием" картинки. Тем не менее, по экспертным оценкам через два-три года HDV камеры станут обычным явлением, таким же, как сегодня mini DV камеры. К тому же не так давно появились камеры с прогрессивной разверткой и один из недостатков уже преодолен.

1.2.1.3. Аналоговые видеокамеры Из анализа приведенных выше данных об аналоговых форматах видеосигналов можно сделать вывод, что видеокамеры данного типа нельзя рекомендовать к включению в мультимедийный комплекс за исключением ситуаций, когда такая видеокамера уже имеется, по следующим соображениям:

необходимость аналогово-цифрового преобразования сигнала, для которого необходима установка дополнительной платы захвата видео, ТВ-тюнера (см. параграф 1.2.3), или видеоадаптера (видеокарты) класса Deluxe или ViVo (см. параграф 1.2.2);

• обсужденная выше причина делает невозможным подключение видеокамеры к любым ПК стандартной конфигурации для захвата и • невысокое качество видеоизображения широко распространенных моделей, ухудшающееся с каждым копированием;

• отсутствие цифрового увеличения (digital zoom) резко снижает микроскопического режимов видеосъемки;

• отсутствие возможности управления видеокамерой через ПК.

1.2.1.4. Цифровые видеокамеры Цифровой видеокамера (Рис. 1.1) называется в первую очередь по способу записи данных на носитель, в основном на магнитную ленту. Первые цифровые видеокамеры практически ничем не отличались от аналоговых просто видео сжималось в DV формат и записывалось на ленту уже в цифровом виде, вся оптическая и лентопротяжная часть использовалась обычная, аналоговая. Это позволило резко повысить качество видео цифровая запись исключала шумы ленты, а цифровой формат позволял избавиться от сложных и дорогих плат захвата аналогового видео.

Сам по себе формат DV был рассчитан на низкую квалификацию пользователя и не требовал от него каких-либо особых знаний о формате, скорости потока и т.п. Со временем цифровые видеокамеры обрастали различными вариантами форматов носителей, сжатия видео, разрешений кадра и сейчас они существенно отличаются от старых аналоговых камер. Пожалуй, только оптика не претерпела существенных изменений.

Рассмотрим основные требования к функциональным возможностям видеокамеры, включаемой в образовательный мультимедийный комплекс.

Поскольку свойства и совместимость камеры во многом определяются форматом видеозаписи, то из приведенного выше анализа форматов можно Рис. 1.1. Цифровая видеокамера: 1-кнопка включения ночного режима; 2кнопка включения суперночного режима; 3-панель управления видеомагнитофоном; 4-регулятор оптического увеличения; 5-кнопка фотографирования; 6-видоискатель; 7-панель управления видеокамерой; 8-ЖК монитор; 9-кнопка отключения автофокусировки; 10-панель интерфейсных разъемов; 11-инфракрасный прожектор; 12-регулятор ручной фокусировки сделать вывод о предпочтительности выбора видеокамер формата мини DV.

Стандартные программные компоненты операционной системы Windows XP позволят компьютеру захватывать видеопоток и управлять видеоустройством.

В качестве носителя записи лучше использовать цифровые кассеты с магнитной лентой, поскольку в настоящее время сохранение видеопотока на флеш-карту либо не обеспечивает приемлемого качества или продолжительности записи, либо неоправданно дорого. Использование в некоторых моделях камер жестких дисков для хранения видеозаписи нельзя признать оптимальным в силу недостаточной устойчивости такой системы к изменению ориентации устройства в процессе съемки. Свойства видеокамеры, позволяющие использовать ее в качестве цифрового фотоаппарата, не имеют значения, поскольку всегда низкое качество фотоснимков (кроме HDV) делает информационно-коммуникационных технологий образовательного процесса.

Для использования видеокамеры в режиме теле- или микроскопа необходимо обеспечить наибольшую кратность оптического и цифрового увеличения (зум, zoom). Причем предпочтение следует отдавать кратности оптической системы, так как это увеличение происходит без потери качества. В настоящее время приемлемым является 25-50- кратный оптический и 700кратный цифровой зум.

Поскольку основное время видеокамера наверняка будет работать в аудиториях, важным параметром становится качественная цветопередача в условиях пониженной освещенности. Камеры с тремя ПЗС (CCD)-матрицами, как правило, превосходят одноматричные модели. Дело в том, что в обычных камерах для получения цветного изображения используется ПЗС (см.

приложение 4.4) со светофильтрами на каждом элементе матрицы и цветное изображение получается методами эмпирическими (сама же ПЗС-матрица, конечно, всегда черно-белая), т.е. анализом групп пикселей и выведением цветов на основании такого анализа.

разделяется на три основных цвета, и каждый из них передается на свою ПЗСматрицу (см. рис. 1.2). Вследствие этого и реальное цветовое разрешение у 1 ПЗС-камер будет несколько хуже, чем у 3 - ПЗС-моделей.

Как правило, видеокамеры оснащены инфракрасным дальномером и связанной с ним системой автофокусировки. Однако в условиях лабораторного или демонстрационного экспериментов это может привести к Рис. 1.2. Принципиальная схема видеокамеры с тремя ПЗС (CCD)-матрицами неконтролируемому перемещению фокальной плоскости объектива и соответственно “выпадению” части кадров видеопотока.

Чтобы избежать этого эффекта видеокамера должна быть оборудована системой отключения функции “автофокус” и иметь режим ручной фокусировки.

Важной особенностью оптимальной модели камеры является ее комплектация портами ввода-вывода IEEE-1394, VHS и / или S-VHS стандартов (см. рис. 1.3). Это обеспечит не только ввод видеопотока в компьютер, но и обратную процедуру записи смонтированного видео на видеокамеру или бытовой VHS видеомагнитофон.

Рис. 1.3. Изображение панели разъемов видеокамеры Sony 340 TRE: 1– S–VHS разъем; 2– VHS разъем типа мини–джек; 3– IEEE 1394; 4– USB Следует обратить внимание, на то, чтобы конструкцией видеокамеры обеспечивался “сквозной канал”, то есть возможность одновременного ввода видеопотока по одному интерфейсу и вывода по другому. Такие особенности видеомагнитофона или телевизора. Однако следует помнить, что современные камеры обеспечивают корректную работу только с видеосигналом в кодировке PAL, тогда как в России принята кодировка телесигнала SECAM. Таким образом, при АЦП преобразовании и захвате видеопотока SECAM в лучшем случае произойдет потеря цветности изображения. Оборудование для корректного захвата теле- видеосигналов описано в параграфе 1.2.3.

чувствительностью в инфракрасном диапазоне длин электромагнитных волн.

Поэтому в некоторых моделях оборудования реализованы режимы “ночных” съемок “Night Short” и “Super Night Short”. В режиме “ночной” ограничивается чувствительность матрицы в видимом диапазоне электромагнитных волн, и яркость зеленого изображения определяется интенсивностью теплового излучения (температурой) объектов окружающей среды. Видеокамеру, способную работать в таком режиме, можно эффективно применять для лекционных демонстраций по оптике и качественного определения степени нагретости тел (см. пункт 3.2.3.5). В режиме “Super Night Short”, помимо описанных возможностей, используется инфракрасный прожектор для подсветки окружающих предметов. Отраженное излучение ИК-прожектора улавливается ПЗС-матрицей камеры и формирует изображение предметов.

Такой режим работы может быть использован при отсутствии излучения в видимом диапазоне (в полной темноте) и как нельзя лучше подходит для демонстрации принципов работы приборов ночного видения.

При выборе видеокамеры необходимо учесть, что постоянную готовность и бесперебойную работу устройства при любой продолжительности и частоте занятий может обеспечить только энергопитание камеры от сети переменного тока через специальный адаптер. Поэтому модели, имеющие только аккумуляторный источник питания, нельзя рекомендовать к включению в образовательный мультимедийный комплекс.

При написании этого раздела использовались материалы сайтов 3,4, 1.2.2. Видеокарты ViVo Основное назначение видеокарты (рис. 1.4) формирование изображения на мониторе персонального компьютера. Помимо этого, они могут выполнять мультимедийные функции, в том числе ввод-вывод видеосигнала (Video input Video output (ViVo)) с АЦП или цифроаналоговым преобразованием (ЦАП) соответственно.

Рассмотрим мультимедийные возможности видеокарт ViVo. Приведенная на рис. 1.4. видеокарта имеет два выхода на аналоговые VGA 1 и на цифровые 3 мониторы. Между ними находится комбинированный разъем (вход-выход) аналогового видеосигнала. Назначение этого разъема вывод (TV-out) аналогового видеосигнала на телевизор, видеомагнитофон или аналогичные по назначению устройства. Разъем выполнен по стандарту S-VHS, однако использование широко распространенного переходника S-VHSVHS (тюльпан) позволяет подключать (см. рис. 1.5) любые VHS устройства Рис. 1.4. Изображение видеокарты Galaxy 3G Graphic GeForce4 Ti 4200 64MB:

1VGA-разъем подключения аналогового монитора; 2S-VHS вход-выход;

3разъем подключения аналогового монитора (телевизоры, видеомагнитофоны, аналоговые видеокамеры и т.п.). Вторая функция этого разъема ввод в компьютер аналогового видеопотока.

Однако, как и в случае с видеокамерами (см. пункт 1.2.1.4.) предусмотрено корректное АЦП или ЦАП видеосигналов только NTSC (американской) и PAL (европейской) кодировок. В настройках драйвера видеокарты в качестве второго выхода выбирается либо "VGA-дисплей", либо "телевизор".

Рис. 1.5. Типовая схема подключения аналоговых устройств к видеокарте ViVo:

1- разъем видеокарты; 2- соединительный шнур; 3- DVD-плеер;

4- видеомагнитофон; 5- видеокамера; 6- цифровой фотоаппарат;

7- телевизор; 8- мультимедийный проектор Возможно также одновременное подключение двух мониторов.

Видеоадаптер позволяет растягивать на второй монитор рабочий стол Windows (как по горизонтали, так и по вертикали). Причем разрешения и развертки у мониторов устанавливаются независимо. В режиме клонирования содержимое второго монитора полностью или частично повторяет картинку основного монитора. Если разрешение у второго меньше чем у первого, то выводится только часть экрана, которая перемещается вслед за курсором мыши (т. н.

"виртуальный экран" или автопанорамирование). Дополнительно для каждого монитора задаются раздельная цветокоррекция, тип развертки и синхронизации, сглаживание, растягивание изображения и пр. Режим zoom позволяет многократно увеличить определенную область первого монитора на втором мониторе или может работать по принципу "увеличительного стекла".

Другое, не менее полезное применение второго выхода видеокарты это полноэкранное отображение окна видеооверлея.

Таким образом, во время аудиторного занятия можно одновременно транслировать на один из мониторов (мультимедиа-проектор, плазменную панель) видеофильм или презентацию, а на другом (дисплей основного монитора) работать с различными приложениями. В простейшем случае результата можно достичь, развернув воспроизводимое изображение на полный экран (например, в медиаплеере Windows).

В разделе использовались обзоры сайта 1.2.3. ТВ-тюнеры Для корректного захвата и АЦП преобразования теле- видеосигналов в отечественной кодировке SECAM предпочтительнее использовать встроенный в ПК телеприемник. Таким образом, открывается возможность качественной записи научно-популярных телепрограмм или их фрагментов. После нелинейного цифрового монтажа (см. параграф 2.1.2) видеофильмы могут транслироваться на экран, передаваться (в том числе дистанционно) обучаемым или включаться в презентации (визуальное сопровождение лекционных занятий) в качестве демонстрационных роликов. Помимо этого стандартный современный ТВ-тюнер (телеприемник) обеспечивает:

• прием и просмотр телевизионного сигнала и телетекста;

• просмотр телевизионных программ от 1/4 размера до растягивания на полный экран (Full Screen);

• просмотр телевизионных программ на рабочем столе вашего компьютера (Active Desktop);

• режим масштабирования видеоизображения в окне (overscan);

• поддержку захвата и сохранения кадра в формате BMP, TIFF, JPG и PCX;

• полноценный прием 181 телевизионного канала;

• возможность предварительного просмотра 16 каналов ТВ;

• наличие функции автосканирования всего ТВ диапазона;

• поддержку режима Digital VCR цифрового видеомагнитофона;

• запись/воспроизведение ТВ программ и видеофрагментов;

• наличие функции Time Shift - вы можете поставить просмотр на паузу, а через несколько минут подойти и продолжить просмотр с того места, где вы его остановили;

• функцию Time Shift доступную и для FM радио;

• функцию I-Record, позволяющую во время продолжения записи воспроизвести любую часть уже записанной программы;

• проигрывание записанных файлов в режиме "картинка в картинке";

• запись программ по таймеру;

• поддержку управления питанием ACPI;

• поддержку видеоформатов записи/воспроизведения сигнала в NTSC, PAL, SECAM;

• подачу входного сигнала через телевизионный коаксиальный кабель, композитный VHS или S-Video входы;

• функции полноэкранной и фоновой записи изображения (с разрешением 720 x 480 для NTSC, 768 x 576 для PAL/SECAM видеосигналов);

• автоматическое определение стандарта вещания для канала c кодировками (PAL/SECAM);

• прослушивание радиосигнала в FM диапазоне в стереорежиме;

• функцию автосканирования (AutoScan) FM диапазона, фиксированных настроек, ручную точную настройку;

• управление с дистанционного пульта графическим манипулятором • функцию "всегда поверх всех окон";

• цифровую запись видео с одновременным сжатием в формате MPEG1/MPEG2 или с помощью дополнительно установленных в операционную систему ПК кодеков (например MPEG4);

• звукозапись передач с встроенного FM тюнера в формате MP3;

• участие в видеоконференциях;

• дистанционное управление прослушиванием музыки, в том числе на Из приведенных возможностей ТВ-тюнеров особо выделим способность таких устройств технически обеспечить проведение телеконференций, которые являются перспективной технологией дистанционного образования и организационных мероприятий. Также отметим удобную возможность на расстоянии управлять компьютером с помощью пульта дистанционного управления в режиме эмуляции графического манипулятора мышь. Такая функция ТВ-тюнера не сковывает лектора или экспериментатора необходимостью находиться вблизи персонального компьютера мультимедийного комплекса, чтобы поменять слайд презентации или запустить регистрацию данных или изображений.

предпочтительно остановить выбор на встроенном в ПК ТВ-тюнере, выполненном как плата расширения (рис. 1.6).

На рис. 1.7. изображена типовая схема подключения к плате ТВ-тюнера различных источников аналогового видеосигнала или цифровых устройств оборудованных аналоговым выходом VHS или S-VHS. К сожалению, типичные телеприемники, как правило, не имеют ни аналогового, ни цифрового выхода.

Поэтому для вывода видеосигналов необходимо применять устройства другого класса. В разделе использовались обзоры сайтов 7, Рис. 1.6. Изображение платы расширения Aver TV Studio 307: 1- вход антенны FM-тюнера; 2- вход телевизионной антенны; 3- разъем стандарта S-Video;

4- композитный вход VHS (тюльпан); 5- аудиовыход; 6- аудиовход; 7- разъем для подключения ИК-датчика пульта дистанционного управления 1.2.4. Вэб-камеры В последние годы широкое распространение получили вэб-камеры, т.е.

компактные устройства, предназначенные для регистрации и передачи цифрового видеосигнала по USB-интерфейсу в персональный компьютер.

Однако плохая оптика, ПЗС-матрица небольшого разрешения (малое количество пикселей) и ограничения по скорости передачи видеопотока, присущие USB-порту, являются причиной недопустимо низкого качества видеоизображения, особенно при выводе на большие экраны. Поэтому не рекомендуется включать такие приборы в видеоподсистему образовательного мультимедийного комплекса.

Рис. 1.7. Типовая схема подключения аналоговых и цифровых устройств к ТВ-тюнеру: 1- телевизионная антенна; 2- радиоантенна антенна FM диапазона; 3- плата расширения (ТВ-тюнер); 4- размещение ИК датчика пульта дистанционного управления на мониторе ПК; 5- стереоаудиосистема;

6- DVD-плеер; 7- аналоговый видеомагнитофон формата VHS; 8- видеокамера VHS или S-VHS 1.2.5. Цифровые фотоаппараты Принципы работы цифровой фотокамеры точно такие же, как и обычной.

Только в роли пленки выступает специальная чувствительная к свету ПЗС или КМОП-матрица (см. приложение 4.4). Сигнал с матрицы обрабатывается процессором фотоаппарата (сжатие, удаление эффекта "красных глаз" и т.п.) и сохраняется на карте памяти (см. приложение 4.5). Потребительские свойства аппарата, таким образом, складываются из качества используемой оптики, свойств матрицы и возможностей электронной начинки.

1.2.5.1. Классификация Перед обсуждением принципов работы и важных критериев выбора цифровой камеры для образовательного мультимедийного комплекса приведем классификацию имеющихся на рынке моделей.

1.2.5.1.1. Бытовые камеры (ультракомпактные и компактные “мыльницы”) Дешевы и компактны, органы управления минимизированы, оснащены объективом с пластиковыми линзами и постоянным фокусным расстоянием.

Разрешение (количество пикселей ПЗС матрицы) лежит в пределах 1.5 3. Мпкс.

Рис. 1.8. Ультракомпакты Casio S600 и “мыльница” Sony P Имеют только цифровое увеличение. Из недостатков можно отметить отсутствие функции ручных настроек параметров фотографирования, слабую яркость фотовспышки, малую глубину резкости, небольшую по размеру матрицу и, следовательно, невысокое качество фотоснимка, малую величину буфера памяти, что приводит к большому интервалу времени между снимками.

Некоторые компактные камеры оснащены несколькими жанровыми режимами съемки, имеют автоматический объектив с измененяемым фокусным расстоянием, разрешение (количество пикселей ПЗС-матрицы) лежит в пределах 3.0 - 5.0 Мпкс. Имеется возможность как оптического, так и цифрового увеличения. Недостатки те же отсутствие функции ручных настроек параметров фотографирования, слабая яркость фотовспышки.

Механическая часть автоматического объектива легко повреждается частицами пыли и песка при работе вне помещений.

1.2.5.1.2. Ультразумы Это достаточно компактные и относительно легкие камеры, при этом объектив у них, как правило, очень хороший. Диапазон фокусных расстояний достаточно большой это 8-, 12- и даже 15- кратные зумы. Камеры обеспечивают очень неплохое качество изображения в основном при ярком Рис. 1.9. Ультразумы Canon PowerShot S2 IS и Panasonic Lumix FZ дневном свете. Как только освещение становится недостаточным, тут же возрастают шумы. Поэтому рассчитывать на результат, сопоставимый с зеркальными камерами, конечно же, не стоит. Преимущество ультразумов в сравнении с зеркальными камерами заключается в том, что они намного легче и меньше по размерам. Несъемный объектив удобен тем, что он спроектирован именно для своей матрицы, есть и еще плюс - пыль не садится на сенсор.

1.2.5.1.3. Полупрофессиональные камеры Матрицы этих камер обычно больше, чем у компактов, а тем более у ультракомпактов, и размер их чаще всего составляет 2/3 дюйма (против 1/1,8 и 1/2,5 дюйма у компактов). В результате шумы намного меньше, а качество изображения и его внутрикамерная обработка значительно лучше. Как правило, они позволяют записывать RAW-файлы (см. приложение 4.7.3).

Есть возможность назначать параметры съемки самостоятельно. А это значит, что такие камеры обеспечивают почти максимальный контроль над съемкой. Встроенная вспышка у них значительно лучше и мощнее, чем у младших моделей, часто есть и “горячий башмак” для подключения внешней.

Питание производится от емкого аккумулятора, заряда которого хватает на и более снимков.

Рис. 1.10. Полупрофессиональная камера Sony F828 с оригинальным поворотным объективом Камеры позволяют присоединить бленды для объектива, фильтры, конвертеры, поддерживают карты памяти большой емкости. Практически все поддерживают формат CF или микровинчестер IBM Micro drive. Часто камера имеет два слота и поддерживает несколько типов карт: например, xD-Picture, Secure Digital или Memory Stick Pro (см. приложение 4.5). Корпус камер часто изготавливается из прочного магниевого сплава. На корпусе имеются многочисленные органы управления (кнопки, колесики), что в целом облегчает ручную настройку. Оптика у этих камер очень хорошая, подобранная с учетом особенностей матрицы, обеспечивает высокое качество изображения. При достаточном свете и грамотном использовании камеры результат может быть сопоставимым с результатом съемки зеркальными камерами. И снимок может быть отпечатан на формат вплоть до А3. Плюсы этих камер: формат RAW, высокое качество изображения, гибкость в работе, оптимальные вес и размеры для творческой работы. Удачно реализован режим макросъемки, позволяющий фотографировать мелкие объекты. Минусы в сравнении с зеркальными:

намного медленнее, больше “шумят”, особенно при высокой чувствительности ISO. В таких условиях зеркальные камеры вне конкуренции.

1.2.5.1.4. Зеркальные профессиональные и полупрофессиональные модели Зеркальные камеры - это особый класс, они принципиально отличаются от компактных. ПЗС-сенсор намного больше, чем у компактов. Разрешение 5 - 22 Мпкс. Чистота и резкость оптического видоискателя не сравнимы с ЖК-дисплеем компактных камер. Зеркальные камеры имеют байонет, который обеспечивает крепление широкого парка объективов как “цифровых”, так и обычных. Камеры поддерживают и старые объективы без автофокусировки.

Использовать разные объективы очень удобно. Для каждого вида съемки не нужно приобретать отдельную камеру, достаточно сменить объектив. Система автофокусировки работает очень быстро, зум удобно управляется ручным вращением, а не так как у компактов, медленным и неточным приводом.

В зеркальной камере имеется масса настроек, которые позволяют полностью контролировать съемку. Есть многочисленные автоматические режимы съемки и возможность полного ручного управления (от выдержки и диафрагмы до светочувствительности ПЗС- или КНОП-матрицы).

Ручное управление незаменимо, например, при съемке трековых фотографий, когда долгое время экспозиции обеспечивает получение изображения не тела, а его траектории. Камера оборудована датчиками внешней среды и мощным микрокомпьютером. Для получения качественного снимка достаточно выбрать подходящий режим съемки, например “Свеча” с точечным источником освещения в кадре, и в соответствии с выбранной программой микрокомпьютер на основании показаний датчиков внешней среды рассчитает и установит многочисленные параметры фотоаппарата для получения качественного снимка.

Скорость работы вполне достаточна для серийной съемки быстро пространственно-временные характеристики процессов. Фотокамеры такого класса, как правило, имеют программное обеспечение, позволяющее при подключении к компьютеру задать программу автоматической работы камеры, что неоценимо при проведении лабораторных и натурных измерений и наблюдений.

На объектив зеркальной камеры легко установить светофильтр, а вот на компактной камере его трудно использовать и встретить в продаже не так-то просто. Если объектив камеры достаточно качественный, то фотографии с зеркальной камеры не сравнить со снимками с компактов. Запас качества достаточен для того, чтобы использовать камеру как микроскоп или телескоп (см. пункты 3.2.3.3, 3.2.3.4). Изображения можно печатать в формате А3 и даже больше или проецировать на большой экран. Зеркальная камера незаменима в том случае, когда требуется гарантированно качественный результат. Она его в состоянии обеспечить в отличие от компактных, где нередко нужно сделать серию снимков, чтобы отобрать более-менее приемлемый. Профессиональные Рис. 1.11. Зеркальная фотокамера Olympus E-500 со сменным телескопическим объективом модели отличаются от других повышенной надежностью, ресурсом затвора и, как правило, отсутствием жанровых режимов съемки с автоматической настройкой.

Таким образом, у зеркальных полупрофессиональных моделей цифровых фотоаппаратов недостатки с точки зрения компонента мультимедийного комплекса отсутствуют.

1.2.5.2. Принципы работы и конструкция Рассмотрим теперь устройство и основные элементы конструкции цифровых фотокамер.

Состоит камера из двух основных частей - корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и Рис. 1.12. Схема цифровой зеркальной фотографической камеры тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе. Светочувствительные матрицы подробно описаны в приложении 4.4.

1.2.5.2.1. Выдержка В процессе фотографирования затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркальных камерах невозможно визирование по дисплею ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей. Единственное на сегодняшний день исключение Olyimpus E-330. В компактных камерах матрица не закрыта затвором, поэтому можно компоновать кадр по дисплею.

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинами или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя увидеть он виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому, что у ультракороткими.

1.2.5.2.2. Фокусировка Часто для автофокусировки используется сама матрица. В общем случае автофокусировка бывает двух типов активная и пассивная. Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной или ультразвуковой областях. Такая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. Камера фокусируется на изображении, обладающем наибольшим контрастом. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки. В принципе для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать “плавающую” точку фокуса, которую пользователь сам может разместить, где ему угодно. Микрокомпьютер полупрофессиональных камер может сам установить плоскость фокусировки, рассчитав скоростные параметры быстро двигающегося тела.

1.2.5.2.3. Объектив Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз трех и более. Одна линза не может создать совершенное Рис. 1.13. Схема расположения линз в объективе фотоаппарата изображение по краям оно будет искажаться (это называется аберрацией).

Пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует ирисовая диафрагма круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, то искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них в отдельности. Чем больше линз тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло не пропускает весь свет какая-то часть рассеивается и отражается.

Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление 9. Если посмотреть на объектив камеры, то будет видно, что поверхность линзы имеет сиреневатый или красноватый (в оптике американских производителей) оттенок это и есть признак просветляющей оптики.

Одна из характеристик объектива светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например: 28/2, где фокусное расстояние, а 2 светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 1445/3,55,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном или телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы, т. е. на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.

1.2.5.2.4. Фокусное расстояние Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае матрицы ПЗС). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его "дальнобойность", то есть как далеко он “видит”. Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы приближают, но у них маленький угол обзора. Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светочувствительной матрицы. Для 35-миллиметровых пленочных камер нормальным (т. е. примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием называются широкоугольными, с большим телеобъективами.

Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива камеры часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35-миллиметрового кадра, и поэтому приходится “переводить” цифры в более привычный эквивалент.

Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах по сравнению со старыми, “пленочными” объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для аналоговой камеры суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше.

Что касается телеобъективов, то увеличение их “дальнобойности” играет положительную роль, так как обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм стоит довольно дорого.

1.2.5.2.5. Видоискатель В аналоговых пленочных камерах компоновать кадр можно, только пользуясь видоискателем. В цифровых не зеркальных аппаратах для этого удобнее использовать жидкокристаллический дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя нет из-за того, что для него не хватает места.

Рис. 1.14. Типичное расположение информации на объективе: левая часть нижней надписи - фокусное расстояние зума, правая часть - светосила Самое важное в видоискателе это то, что через него можно увидеть.

Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель (см. рис. 1.15), и таким образом становится видна реальная площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на светочувствительную матрицу. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.

В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует изображению, захваченному матрицей камеры.

Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В Рис. 1.15. Схема видоискателя зеркальной камеры таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы точно так же, как и на внешний дисплей.

1.2.5.2.6. Вспышка Импульсный источник света используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется “горячий башмак”. Но и штатная фотовспышка имеет многоимпульсные режимы разной мощности. Интересно заметить, что микрокомпьютер камеры имеет возможность задать серию вспышек до экспозиции кадра, чтобы датчики внешней среды могли определить оптимальные параметры работы камеры со вспышкой.

1.2.5.3. Критерии выбора цифровой фотокамеры для мультимедиа-комплекса Из обсужденного выше можно сформулировать следующие критерии выбора цифрового фотоаппарата для включения в мультимедийный комплекс.

Камера должна обладать:

просветленной стеклянной оптикой;

• матрицей не менее 8 Мпкс для цифрового масштабирования и увеличения изображений или их фрагментов;

• внешними датчиками, микрокомпьютером и большим набором жанровых режимов съемки для обеспечения приемлемого качества изображений в сложных условиях (например, при регистрации • высокой скоростью серийной съемки (не менее 1 кадра в секунду) для проведения пространственно-временных измерений;

• USB интерфейсом для сопряжения с персональным компьютером мультимедиа-проектором;

• программным обеспечением и драйверами под Windows XP для управления камерой с помощью компьютера и задания программ • емкостью флеш-памяти не менее 1 Гб;

• адаптером питания от бытовой сети электропитания помимо аккумулятора для обеспечения постоянной готовности камеры во Наилучшим образом удовлетворяют большинству описанных условий зеркальные цифровые фотокамеры полупрофессионального класса.

В обзоре использовались материалы сайтов 10, 1.2.6. Мониторы 1.2.6.1. Введение позволяющего просматривать “документы” или в интерактивном режиме работать с операционной системой и пользовательскими приложениями.

Небольшие по сравнению с экранами (см. параграф 1.2.8) размеры дисплея подразумевают эффективную работу одного пользователя. Поскольку монитор является одним из важнейших элементов вывода изображений ПК, рассмотрим характеристики и критерии выбора дисплея подробнее.

электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плоско-панельные.

1.2.6.2. Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, CRT)

Работают такие устройства (Cathode Ray Tube “CRT” Электронно лучевая Трубка “ЭЛТ”) по принципу, аналогичному тому, что используется в кинескопе обычного домашнего телевизора. В герметичной колбе с узкой стороны, (см. рис. 1.16) установлена электронная пушка 1. С другой стороны, большей по площади, плоскость 2, точечно покрытая люминофором. Она способна светиться под ударами электронов 3. Как и телевизоры, мониторы сегодня существуют с плоским экраном и традиционным, т.е. выпуклым. В отличие от традиционного монитора, плоскоэкранный обычно дает более четкое изображение без искажений. Следует отметить, что некоторые производители выпускают так называемые псевдоплоские модели, когда традиционный экран закрывается качественным стеклом, создавая иллюзию абсолютной плоскости. Такие дисплеи искажают изображение ничуть не меньше традиционных. Постепенно электронно-лучевая технология уступает свои позиции жидкокристаллической, и в развитых странах продажи ЭЛТ-мониторов практически сходят на "нет".

Несмотря на развитие ЭЛТ технологии, эти мониторы занимают достаточно много пространства на рабочем столе, имеют высокое энергопотребление и негативно влияют на здоровье.

Рис. 1.16. Схема электронно-лучевой трубки (ЭЛТ): 1- электронная пушка, 2- экран с люминофором, 3- пучок электронов, 4- пластины с управляющим напряжением 1.2.6.3.Плоско-панельные дисплеи Плоско-панельные технологии в свою очередь подразделяются на множество различных технологий (см. рис. 1.17): LCD (жидкокристаллические дисплеи), плазменные дисплеи, LED (светоизлучающие диоды) и другие.

Среди этих технологий различаются те, которые излучают свет, и те, которые управляют проходящим через них светом. На сегодняшний день наиболее интересной и перспективной технологией считаются так называемые TFT-LCD-матрицы (они же “активные” матрицы). Эти устройства используют проходящий через них свет для формирования изображения. Кроме активных LCD существуют пассивные дисплеи STN и DSTN, однако сегодня они применяются только в дешевых ноутбуках.

1.2.6.3.1. Принципы действия и основные характеристики ЖК-мониторов Жидкие кристаллы были открыты еще в 1888 г. Но практическое Жидкокристаллическим называют переходное состояние вещества, при котором оно приобретает текучесть, но при этом не теряет свою кристаллическую структуру. Наибольший практический интерес представляют оптические свойства жидких кристаллов. Благодаря сочетанию полужидкого состояния и кристаллической структуры приложенным электрическим полем можно изменять ориентацию плоскости поляризации проходящего через кристалл света.

Рассмотрим теперь принципы действия ЖК-монитора. Аббревиатура TFT расшифровывается как тонкопленочный транзистор (Thin Film Transistor) и описывает элементы, которые активно управляют индивидуальными пикселями. Принцип формирования изображения достаточно прост: панель состоит из множества мельчайших пикселей, каждый из которых может формировать любой цвет. Для этого используется задняя подсветка, состоящая из одной или множества флуоресцентных ламп. Для управления проходящим светом используется так называемый затвор.

LCD (Liquid Crystal Display) это дисплей, основанный на жидких кристаллах. Можно выделить несколько технологий создания LCD-матриц.

Нематические ЖК (Twisted Nematic - TN). Жидкие кристаллы могут упорядоченно располагаться в виде скрученной структуры, которая изменяет плоскость поляризации света. В процессе формирования точки используются два поляризатора с перпендикулярно ориентированными плоскостями поляризации и цветные светофильтры. Все это позволяет точно задать яркость Рис. 1.18. Режимы работы субпикселя нематического ЖК дисплея:

а- пропускание света, б- поглощение света; каждый пиксель состоит из трех субпикселей RGB (красный, синий и зеленый) проходящего света и его цвет следующим образом. Между двумя стеклянными панелями расположены жидкие кристаллы. Когда они скручены, проходящий вдоль них свет изменяет плоскость поляризации и проходит через второй поляризатор (см. рис. 1.18, а).

Приложенное к ячейке с помощью TFT-транзистора напряжение создает электрическое поле, которое упорядочивает ориентацию молекул поляризует жидкие кристаллы. В результате проходящий луч поляризованного света не меняется и поглощается вторым поляризационным фильтром (см. рис. 1.18, б), что приводит к отсутствию света в конкретной точке. Для формирования цвета каждый пиксель состоит из трех субпикселей со светофильтрами (красного, зеленого и синего цветов).

IPS-матрицы. Второй по времени разработки стала технология IPS (In Plane Switch). Такие матрицы производят заводы Hitachi, LG и Philips.

Компания NEC производит матрицы, сделанные по сходной технологии, но с собственной аббревиатурой SFT (Super Fine TFT).

Рис. 1.19. В матрице IPS кристаллы всегда параллельны поверхности экрана Как следует из названия технологии, все кристаллы расположены постоянно параллельно плоскости панели и поворачиваются одновременно.

Для этого пришлось расположить на нижней стороне каждой ячейки по два электрода. В выключенном состоянии ячейка не пропускает свет и на экране будет черная точка (а не постоянно светящаяся, как у TN). IPS-технология обеспечивает наилучшую цветопередачу и максимальные углы обзора. Из существенных недостатков большее, чем у TN, время отклика, более заметная межпиксельная сетка и высокая цена.

(соответственно у LG, Philips и NEC). Они обеспечивают уже приемлемое время отклика на уровне 25 мс, а новейшие и того меньше 16 мс. Благодаря хорошей цветопередаче и углам обзора IPS-матрицы стали стандартом для графических профессиональных мониторов.

MVA/PVA-матрицы. Как компромисс между TN и IPS можно рассматривать разработанную Fujitsu технологию VA (Vertical Alignment). В перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий. Но при повороте матрицы относительно направления взгляда кристаллы будут видны не одинаково. Для решения этой проблемы применяется мультидоменная структура.

Разработанная Fujitsu технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) Рис. 1.20. В матрицах VA типа во включенном состоянии структура предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачиваются в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом, для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются.

В матрицах PVA, разработанных компанией Samsung, нет выступов, и в выключенном состоянии кристаллы строго вертикальны. Для того чтобы кристаллы соседних субдоменов поворачивались в противоположных направлениях, нижние электроды сдвинуты относительно верхних.

С целью уменьшения времени отклика в матрицах Premium MVA и S-PVA применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, которую обычно называют Overdrive.

Цветопередача матриц PMVA и SPVA почти также хороша, как и IPS, время отклика немного уступает TN, углы обзора максимально широкие, черный цвет наилучший, яркость и контраст максимально возможные. Однако даже при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на градусов можно заметить искажения в полутонах.

1.2.6.3.2. Архитектура TFT-пикселя расположены рядом друг с другом. Как излагалось выше, каждый пиксель состоит из трех цветных ячеек. Это означает, что матрица с разрешением Рис. 1.21. Схема TFT-пикселей. В левом верхнем углу каждой ячейки расположен тонкопленочный транзистор. Цветные светофильтры позволяют формировать любой RGB цвет 1280 x 1024 пикселя, имеет 3840 x 1024 транзисторов (и пиксельных элементов). Точка или пиксельный шаг для 15,1" TFT (1024 x 768 пикселя) составляет около 0,0188" (или 0,30 мм), а для 18,1" TFT (1280 x 1024 пикселя) около 0,011" (или 0,28 мм).

Говоря об архитектуре пикселя, необходимо обратить внимание на физические ограничения TFT. Теоретически, чем меньше интервал между пикселями, тем выше разрешение, однако на 15" (около 38 см) дисплее с точкой 0.0117" (0,297 мм) будет невозможно получить разрешение 1280 x 1024.

1.2.6.3.3. Проблемы масштабирования Каждый пиксель TFT-панели находится в фиксированном положении и тем самым определяет разрешающую способность монитора, т.е. число пикселей соответствует максимальной разрешающей способности. Но что происходит при уменьшении разрешения, например, при запуске игр или видео? В этом случае изображение “подгоняется” до размера дисплея. С технической точки зрения эта задача значительно сложнее изменения масштаба на ЭЛТ-мониторе.

Рис. 1.22. Примеры масштабирования TFT матрицы. Слева направо: 1- 600 х масштабирования, применена технология “продвинутого” масштабирования;

4 - 1600 х 1200 пикселей, целый коэффициент масштабирования отклоняющее напряжение, и луч попадает в другую точку. Кроме того, луч может попасть в точку между двумя соседними пикселями. В случае TFTматрицы все значительно сложнее. Из-за активного управления каждым пикселем изображение для меньших разрешений повторно пересчитывается.

Если используется целый коэффициент масштабирования (например, 2 при переходе на 800 x 600 с 1600 x 1200) все очень просто: высота и ширина каждого пикселя удваиваются. В случае не целого коэффициента (например, при переходе к 800 x 600 с 1024 x 768 - 1,28) ситуация значительно усложняется.

Где отображать один пиксель, а где два? При математическом округлении отображении текста (см. рис. 1.22). Благодаря новым алгоритмам (“продвинутое масштабирование”) используется оптический эффект: если данные не могут быть назначены пикселю однозначно, то интенсивность такого пикселя уменьшается.

1.2.6.3.4. Важные критерии для выбора LCD-монитора Реальный диагональный размер экрана. Видимый диагональный размер ЭЛТ-монитора всегда меньше фактического диагонального размера трубки примерно на 1". TFT панели не имеют этой краевой области, поэтому указанный диагональный размер тот же, что и видимый диагональный размер.

Это означает, что панель размером 15.1" эквивалентна размеру 17" ЭЛТ-монитора.

Угол обзора. Эта характеристика является критической практически для всех плоско-панельных дисплеев. Не каждый LCD может похвастаться углом обзора, эквивалентным стандартному ЭЛТ-монитору. Меньший угол связан в первую очередь с конструктивными особенностями LCD. Если посмотреть на дисплей сбоку, изображение будет казаться очень темным или будет наблюдаться искажение цвета. Этот эффект положителен только при работе за компьютером в банках и других учреждениях, где очень важно, чтобы отображаемый документ был виден только оператору. Сегодня разработчики трудятся над технологиями, позволяющими увеличить значение угла обзора (максимальный угол обзора равен крайнему значению, при котором коэффициент контрастности снижается до 10:1 от оригинального значения при перпендикулярном положении к плоскости экрана.) Существуют различные методы: IPS (in-plane switching), MVA (multi-domain vertical alignment) и TN+film (twisted nematic and retardation film), которые позволяют увеличить угол до 160 градусов и более, что уже эквивалентно стандартной величине для ЭЛТ-мониторов.

Коэффициент контрастности. Коэффициент контрастности получается из максимального и минимального значений яркости. На ЭЛТ-мониторах это коэффициент равен 500:1 и позволяет получить фотореалистическое качество картинки. Для LCD этот коэффициент имеет значительно меньшее значение.

Это особенно заметно при отображении черного цвета. На ЭЛТ-мониторе черный цвет формируется достаточно просто, изменением уровня всех цветовых составляющих. На LCD подсветка обычно не регулируется и постоянно находится во включенном состоянии. Для отображения черного цвета жидкие кристаллы должны полностью блокировать прохождение света.

Однако физически это не возможно. Несмотря на блокировку, свет частично будет проходить через кристаллы. Разработчики решают эту проблему, и сегодня приемлемыми значениями для LCD являются 250:1 - 300:1.

Яркость. Максимальная яркость TFT-дисплеев определяется возможностями лампы подсветки, поэтому получить значения в 200-250 кандел не очень сложно. Технически можно получить еще большее значение яркости, но на практике этого не требуется. Максимальная же яркость ЭЛТ-монитора находится на уровне 100-120 кандел/м2. Большее значение яркости возможно, однако это негативно отразится на сроке жизни люминофора.

Пиксельные ошибки. На некоторых LCD-мониторах имеются “мертвые точки”. Это происходит из-за дефектных транзисторов, т.е. конкретный транзистор не может управлять световым потоком. Он либо всегда блокирует свет, либо всегда пропускает. Современные стандарты качества разрешают наличие до пяти “мертвых пикселей” на новой TFT-матрице. Чтобы избежать покупки монитора с дефектными пикселями, нужно провести элементарное, но высокоточное тестирование. Подготавливаются (например, в редакторе Paint) два графических файла, которые при просмотре задают белый и черных цвет в масштабе дисплея выбранного разрешения. При покупке нужно задать на выбранном мониторе последовательно белый и черный фон. Неработающие пиксели, причем, как пропускающие свет, так и не пропускающие легко обнаружатся на черном и белом фоне соответственно.

Время отклика. Одной из критических характеристик многих TFTдисплеев является время отклика жидких кристаллов. Это приводит к видимой задержке при отображении анимированных сюжетов. Для современных TFTдисплеев типичным значением отклика является 20-30 мс. Сравним: для нормального просмотра видео необходимо отображать 25 кадров в секунду, т.е.

каждый кадр может отображаться не более 40 мс. Это говорит о том, что TFTдисплей в принципе подходит для просмотра видео.

Входной сигнал и цветопередача. По сравнению с цифровыми плоско-панельными дисплеями, LCD, оборудованные стандартным VGAразъемом, должны конвертировать аналоговый сигнал обратно в цифровой, что приводит к потере качества цветопередачи. Некоторые производители рекомендуют использовать A/D конвертеры, самые дешевые из которых могут передавать только 18 bit (3 x 6 bit на каждый цвет (красный, зеленый и синий)).

Это приводит к снижению числа отображаемых цветов до 262,144 (псевдо RGB). Большая часть современных конвертеров уже поддерживает режим “True Color” 16,7 · 106 цветов.

1.2.6.3.5. Преимущества и недостатки TFT-дисплеев Рассмотрим основные преимущества TFT-панелей по сравнению с электронно-лучевыми моделями дисплеев:

• занимают мало места на рабочем столе;

• некоторые модели имеют цифровой вход, нет необходимости в ЦАП сигнала, выполняемого видеоадаптером, и обратного АЦП сигнала • не имеют никаких вредных для здоровья человека излучений, так как высокое напряжение в них не используется и отсутствует тормозное излучение электронов;

• отсутствуют блики на поверхности экрана;

• отсутствует мерцание экрана: для формирования изображения на экране ЭЛТ электронный луч должен пройти весь экран слева направо сверху вниз, после чего экран гаснет, и луч переходит в исходную позицию; в большинстве случаев возникшее мерцание не заметно, однако оно оказывает негативное утомляющее влияние на глаза, тогда как в случае TFT-дисплеев каждый пиксель горит постоянно, меняется только интенсивность свечения;

• система крепления большинства современных моделей позволяет изменять на 900 градусов ориентацию монитора (см. рис. 1.17);

• очень четкое изображение в оптимальном для него разрешении;