Анимационные GIF-файлы
Известно, что
Искусственный мир компьютерной анимации лежит где-то посередине между миром неподвижных изображений, форматы которых были рассмотрены в § 3.3, и реальным миром видеоизображений. Обычные мультипликационные фильмы состоят из множества рисованных изображений-кадров, в которых последовательно изменяются позиции объекта анимации. В результате при отображении с достаточной скоростью такой последовательности изображений у зрителя возникает впечатление движения объектов.
Возможности GIF-анимации связаны с тем, что этот формат позволяет хранить в одном файле несколько различных изображений. Единственный существенный недостаток GIF-файлов связан с применением индексированных цветов, для чего в файле используется глобальная и локальные цветовые палитры. Глобальная цветовая палитра хранит до 256 различных цветовых оттенков, каждый из которых может быть использован в любом из изображений, которое хранится в данном файле. Локальные палитры относятся к каждому отдельному изображению, т. е. хранимые в них цветовые оттенки не могут использоваться в других (не своих) изображениях.
Каждое такое изображение формирует отдельный кадр, причем задержка следующего кадра и его линейное смещением относительно предыдущего по каждой координате может регулироваться. Разрешение для всех изображений, входящих в данный файл, или количество пикселов по каждой координате должно в каждом файле поддерживаться постоянным.
Структура файлового формата GIF представлена на рис. 3.5

Там же задается размер глобальной цветовой таблицы, которая может и отсутствовать. В этом случае обязательно используется для каждого отдельного изображения локальная палитра. В большинстве случаев рекомендуется пользоваться именно глобальной палитрой, что экономит общее информационное пространство, занимаемое файлом.
После указанных трех элементов следуют наборы данных, характеризующие каждое из входящих в файл изображений. Каждое изображение в отдельности описывается локальным дескриптором и локальной цветовой палитрой, после которых следуют данные изображения. Последние обычно состоят из последовательностей пакетов данных, называемых блоками, причем в состав отдельных блоков могут входить и подблоки.
Малый размер GIF-файлов связан с использованием поблочного LZW-сжатия изображения, причем большинство сжимаемых блоков имеют размер 255 байтов. Каждый пиксел декодированного изображения характеризуется размером в 1 байт и содержитзначение индекса цвета, т. е. положение нужного цветового тона в глобальной или локальной цветовой палитре.
Имеется две разновидности формата GIF-файлов: первоначальная версия, названная GIF 87a, и выпущенная двумя годами позднее вторая версия, названная GIF 89а. Вторая версия добавила несколько новых возможностей, в том числе хранение текстовых и графических данных в одном файле. Для этого в описание файла добавлен специальный блок «Управляющие расширения», который размещен сразу после трех общих для всего файла элементов и предшествует описанию отдельных изображений в составе файла. На рис. 3.6

3.5.2.
Автоматизированные методы оценки уровня подготовки студента
Современное образование и, в особенности, дистанционное обучение немыслимо без применения автоматизированных методов оценки уровня подготовки студента, т. е. без системы тестирования с автоматической обработкой его результатов. Немаловажен и тот факт, что в нашей стране намечен переход к единой системе тестирования знаний выпускников средних школ в пределах всей страны. Причем полученные в процессе тестирования результаты будут служить основой для последующего конкурсного зачисления выпускников во все ВУЗы нашей страны. Постепенный переход от системы зачетов и экзаменов к тестированию вероятно затронет всю систему образования России. По нашему мнению, этот процесс должен гармонично сочетаться с постепенным усилением роли самостоятельной работы, с использованием электронных средств обучения и контроля.В этом плане большой интерес представляет всероссийский проект «Телетестинг», который с 1997 г. развивается в нашей стране. Он предназначен для проведения олимпиад по различным предметам среди школьников и представляет собой частный случай дистанционного компьютерного массового тестирования. Система разработана сотрудниками центра «Гуманитарные технологии» при МГУ.
В системе можно выделить четыре основных функциональных блока, а именно: подготовительный, тестирования, телекоммуникационный и анализа и обработки, что иллюстрируется рис. 9.4

Программа «Телетест» представляет собой оболочку, слабо связанную с тематикой тестов, что позволяет сравнительно просто менять предметную тематику, делая систему тестирования достаточно универсальной и пригодной для итогового школьного тестирования, тестирования на вступительных экзаменах в ВУЗ, тестирования по различным предметам в процессе обучения в ВУЗе.
Достоинством этой программы является адаптивный характер тестирования, позволяющий адаптировать уровень сложности заданий к степени подготовленности пользователя. Использование коэффициента сложности отдельных заданий и усложнение уровня заданий для тех, кто успешно справляется с более простыми, способствует более точной оценке уровня знаний и способностей тестируемых.
В то же время следует отметить ограниченные возможности всех систем тестирования, для которых характерна оценка знаний путем выбора ответа из некоторого множества вариантов. В дальнейшем следует, видимо, стремиться к разработке систем, обеспечивающих получение содержательного ответа на вопросы и последующего автоматизированного семантического анализа этих ответов. Здесь определенные возможности открывает технология составления тестов и обработки результатов тестирования на основе HTML-форм и CGI-скриптов. Эта задача достаточно сложна и объемна, поэтому мы ограничимся ее общей постановкой и описанием, уделив основное внимание технологии составления HTML-форм и принципам их автоматизированной обработки.
Полагаю, что абсолютному большинству читателей известно, что основа WWW - это так называемые Web-узлы, т. е. компьютеры, на которых выполняется специальная программа Web-сервер, обеспечивающая, в частности, поиск и выдачу документов по запросу клиентов узла. Документы на Web-узле обычно хранятся в гипертекстовом формате HTML. Клиентами Web-сервера являются программы-браузеры, запущенные на удаленном компьютере, имеющем доступ к сети. Браузер принимает документ, посланный Web-узлом, и отображает его на экране монитора в своем окне.
Аббревиатура CGI (Common Gateway Interface) обозначает ту часть Web-сервера, которая может взаимодействовать с другими программами, выполняющимися на этом же узле. Именно в этом смысле она является шлюзом (Gateway) для передачи клиентских данных программам их обработки. Схема работы CGI представлена на рис. 9.5


Этапы информационного взаимодействия описаны в той временной последовательности, в которой они показаны на рис. 9.4

пользователь с помощью браузера формирует запрос на получение документа и через Интернет посылает его на Web-сервер, частными случаями таких документов могут быть бланк заказа книги или оформления подписки на газету или бланк, заполняемый абитуриентом при поступлении в Университет в другом городе (в США уже есть такие преценденты), причем все такие документы объединяются общим понятием «форма»;
сервер извлекает документ (форму) из своей базы данных и через сеть Интернет посылает его пользователю (клиенту);
клиент с помощью браузера заносит в документ необходимые данные и вновь направляет его через сеть Web-серверу;
сервер с помощью CGI-программы анализирует полученный документ и (при необходимости) направляет его для обработки в соответствующее приложение;
приложение, используя CGI-переменные, обрабатывает направленный в него документ и возвращает серверу выходную информацию;
сервер передает выходную информацию клиенту;
клиент (Web-браузер) получает выходную информацию, которая отображается у него и может быть оценена и использована.
Таким образом, пользователь (клиент) имеет возможность не только получать информацию (документы) от сервера, но и передавать свои данные на сервер, где с помощью соответствующего приложения, установленного на Web-узле, эти данные будут обработаны, а клиент получит результаты обработки данных. Такая система взаимодействия обеспечивает принципиально более высокий уровень интерактивности в системе клиент-сервер, и реализацию дистанционной обработки данных клиента.
CGI-программа может быть написана на любом языке программирования, в составе которого имеются средства для выполнения обмена данными между приложениями. На платформе UNIX (популярный Web-сервер «Апачи» работает именно на этой платформе) для этой цели чаще всего используется язык Перл (Perl).
Интерпретаторы этого языка без преобразования исходного текста программы вырабатывают исполняемый двоичный код. По этой причине CGI-программы часто называют также CGI-сценариями или CGI-скриптами (Script интерпретируемый текст).
CGI-программа создает динамический (виртуальный) гипертекстовый документ или же формирует ссылку на уже имеющийся документ и дополняет его передачей результатов. Чаще всего для передачи данных от удаленного пользователя Web-серверу используются HTML-формы. Именно с их помощью организуется диалог между браузером пользователя и Web-сервером удаленного узла сети. Такой диалог позволяет осуществить важнейшие операции в сети Интернет.
Далее остановимся на кодировании и обработки данных, передаваемых с помощью формы. Существует два метода кодирования содержащейся внутри формы информации. Первый соответствует значению параметра METHOD='GET' и называется application/x-www-form-urlencoded. Второй метод multipart/form-data используется только в том случае, если к содержимому формы подсоединяется локальный файл.
Основная схема кодирования формы в обоих случаях состоит в том, что для каждого элемента, имеющего имя (NAME), создается пара NAME=VALUE, где VALUE - конкретное значение соответствующего элемента формы. Для кнопок и переключателей передается только значение выбранного элемента. Указанные выше пары соединяются в виде символьных последовательностей, причем в качестве разделителей пар используется символ . Сформированный таким образом набор символов пересылается как часть URL-запроса и носит название «строка запроса». Этой строке предшествует конструкция вида «cg-bin/<имя СС1-программы>?», в которой указано имя программы-обработчика данных, а знак вопроса отделяет эту часть от строки запроса.
Внутри символьной последовательности могут содержаться символы, недопустимые в составе URL-запроса. Известно, что ASCII-символы кодируются двумя шестнадцатиричными цифрами. Поэтому недопустимые в составе запроса символы заменяются триадами из знака % и двух цифр 16-тиричной системы счисления, соответствующих этому символу.
Например, символ конца строки и перехода на начало новой (используется при передачи данных из поля TEXTAREA) записывается в виде: %ODOA, где OD соответствует тринадцати в десятичной системе счисления, а ОА - десяти.
Web-сервер, получив URL-запрос от клиента, присваивает переменной среды QUERY_STRING значение строки запроса и вызывает CGI-npoграмму, указанную в первой части запроса. Затем CGI-программа может обратиться к переменной среды QUERY_STRING, чтобы осуществить обработку закодированной в ней информации.
Что требуется от CGI-скрипта? И какова цель обработки информации? Дело в том, что на основании содержащейся в форме информации необходимо создать новый HTML-документ и передать его обратно клиенту.
Какой язык следует использовать в CGI-программе? Сам CGI-интерфейс не накладывает каких-либо ограничений на выбор языка программирования. Поэтому его выбор должен быть основан на тех функциях, которые с его помощью должны быть реализованы. Перечислим их:
удобный интерфейс для взаимодействия с другими программами, например, с СУБД или графическим редактором;
наличие средств доступа к переменным среды, так как именно с их помощью данные формы поступают на вход CGI-скрипта;
наличие средств обработки текста, что требуется для предварительной обработки (декодирования) данных, поступающих на вход программы.
В операционной системе UNIX, используемой на большинстве Web-серверов, широко применяются скрипты, состоящие из конструкций языка shell командной оболочки операционной системы UNIX. В языке shell имеются также встроенные средства характерные для языков программирования высокого уровня: операторы цикла, условного перехода, строковые переменные и пр. Видимо, наличие этого языка и широкое использование командных процедур в оболочке UNIX привели к появлению ряда интерпретирующих языков, пригодных для написания CGI-сценариев. И хотя скрипты можно писать на любом из них, а также на языке Си, наибольшее распространение получил язык Перл практический язык извлечений и отчетов (PERL-Practical Extraction Report Language).
Он не только удовлетворяет трем перечисленным выше требованиям, но обладает тремя дополнительными полезными особенностями:
бесплатным его распространением;
универсальностью его версии существуют практически для всех известных платформ, в том числе для DOS и Windows;
наличием большого числа готовых программных модулей, распространяемых свободно в сети Интернет.
Кроме перечисленного следует отметить, что создание CGI-скриптов на языке Перл стало значительно проще, начиная с версии 5.004 стандартного дистрибутива Перл, в который был включен специальный модуль CGI.pm. Этот модуль, который был подготовлен Линкольном Штейном, автором известной книги «Как создать и поддерживать свой Web-сайт», берет на себя всю рутинную работу по созданию CGI-программы на языке Перл. Модуль, как и сам язык Перл, является платформно-независимым, в частности, он успешно работает и во всех версиях MS Windows.
Браузер MS Internet Explorer
Этот браузер исходно предназначался для работы исключительно на платформе Windows. За шесть лет - от первой версии до нынешней пятой - пакет неузнаваемо переменился, совершенствуясь вместе с самой оболочкой Windows. Работа с современной версией пакета Internet Explorer 5.0 в оболочке Windows 98 или 2000 внешне ничем не отличается от работы с другими приложениями оболочки или с предыдущей версией этой программы. Основная функция Explorer'a состоит в обмене данными в сети Интернет, в частности, отображении Web-страниц и HTML-документов. Браузер может быть загружен теми же приемами, что и другие пакеты оболочки. Он также автоматически запускается при щелчке указателем мыши по любому гипертекстовому документу. Он же обеспечивает и поиск сайтов и документов в сети Интернет, если известны их сетевые URL, атрибуты или другие признаки, пригодные для организации поиска.5.3.1.
CD-ROM-накопители для работы с переносимыми изданиями
Ранее уже отмечалось, что компакт-диски служат важным средством распространения электронных изданий.
С технологической точки зрения CD-ROM представляет собой диск диаметром около 120 мм и толщиной около 1,2 мм. Основная его часть - это подложка, изготавливаемая на основе поликарбонатного пластика, на которую с помощью пресса наносится рельеф или информационное содержание диска. После прессования на лицевую (информационную) сторону диска наносится отражающее покрытие (обычно это алюминиевая пленка толщиной в несколько микрон), на которое сверху напыляется защитный слой лака, предохраняющий информационный и отражающий слои от повреждения.
Информация нанесена на компакт-диск не в виде набора концентрических дорожек, как это выполнено в накопителях на магнитных дисках, а в форме спиральной дорожки, разворачивающейся от внутренней области диска к периферии. Сама информация содержится на этой дорожке в виде так называемых «питов», т. е. микроскопических углублений и промежутков между ними. Ширина информационной дорожки и линейный размер, соответствующий одному биту информации, близок к 0,6 мкм.
Накопители информации на магнитных дисках используют привод с постоянной угловой скоростью вращения. В результате размеры информационных областей, хранящих постоянное количество информации (например, секторов), изменяется в зависимости от положения дорожки, на которой эта область размещается: на минимальном расстоянии от оси вращения размер такой области также минимален, а на периферии диска протяженность этой области наибольшая.
У компакт-дисков каждый бит занимает строго определенное пространство, соответственно протяженность информационного сектора также должна быть постоянной, т. е.
не может зависеть от расположения этого сектора на спиральной дорожке. Вследствие этого скорость перемещения считывающей головки вдоль информационной дорожки также должна быть постоянной. Компакт-диск, в отличие от магнитных дисков, относится к устройствам с постоянной линейной скоростью. Следовательно, угловая скорость вращения компакт-диска должна уменьшаться при чтении информации с периферийных участков диска и, наоборот, увеличиваться при чтении витков спирали, расположенных ближе к оси вращения.
Дисковод для компакт-дисков представляет собой достаточно сложную конструкцию, включающую в себя электронные, оптические и электромеханические узлы. Привод вращения оптического диска сложнее, чем магнитного, так как помимо стабилизации скорости вращения имеется еще узел ступенчатого изменения скорости вращения диска в соответствии с тем, на каком витке спирали находится головка считывания информации. Обычно имеется 8-10 таких ступеней, каждая из которых соответствует определенному диапазону витков спирали. Скорость на самой верхней ступени (для внутренних витков спирали) приблизительно вдвое больше, чем на самой нижней.
Три другие электромеханические подсистемы осуществляют различные виды автоматической регулировки параметров. В частности, система позиционирования головки считывания информации переводит ее на нужный виток спирали. Система автоматического слежения за информационной дорожкой с помощью специального оптического датчика в виде многосегментного фотоприемника, усилителя сигнала рассогласования и исполнительного механизма в виде поворотного зеркальца с гальванометрическим подвесом удерживает световое пятно на дорожке. Система автофокусировки осуществляет перемещение головки считывания вдоль оси вращения оптического диска, обеспечивая точную фокусировку в той плоскости, в которой размещается информация на диске. Кстати, датчиком системы автофокусировки служит тот же самый многосегментный фотоприемник, отдельные элементы которого включены по дифференциальной схеме, а исполнительным механизмом служит так называемый «линейный двигатель».
Последний выполнен в виде тонкой электрической катушки стоком, внутри которой находится намагниченный сердечник. Изменение величины и полярности тока в катушке приводит к ее перемещению в ту или иную сторону вдоль сердечника (такая система много лет используется для преобразования электрических колебаний в звуковые в громкоговорителях или динамиках). Особенность всех этих трех систем состоит в их высокой точности и скорости перемещения.
Главная из оптических подсистем - оптическая головка. Она включает в себя полупроводниковый лазер, фокусирующий объектив, который преобразует излучение лазера в световое пятно диаметром менее 1 мкм, которое должно находиться на соответствующем витке спиральной информационной дорожки, оптический расщепитель, который направляет отраженный от диска световой луч на фотоприемник системы считывания информации. Фокусирующий объектив жестко связан с электрической катушкой системы автофокусировки. Изменение положения объектива компенсирует вибрацию и другие неконтролируемые перемещения оптического диска, поддерживая точную фокусировку света на информационной дорожке.
Позиционер оптической головки на нужный виток спирали двухступенчатый: первая ступень с шаговым двигателем осуществляет грубое позиционирование, точность которого 10-20 витков спирали от требуемой позиции, вторая ступень реализует точное позиционирование с помощью легкого зеркальца, закрепленного на гальванометрическом подвесе. Оно же используется для упоминавшегося ранее слежения за дорожкой.
Скорость информационного обмена с оптическим диском при номинальной скорости вращения диска (приблизительно от 250 до 500 об/с) составляет около 150 Кб/с. Для современных персональных компьютеров это совершенно недостаточно. Поэтому все современные дисководы для оптических дисков работают на кратных скоростях вращения, которые в 40~50 раз превышают номинальную скорость, что позволяет увеличить скорость обмена до 7 Мб/с и более. Емкость оптического диска близка к 700 Мб, т. е. приблизительно за 100 с можно считать всю информацию с оптического диска.
5.1.4.
Дистанционное обучение и организация самостоятельной работы студентов
Все современные образовательные технологии направлены в том числе и на то, чтобы приучить учащихся работать самостоятельно, так как именно самостоятельность дает возможность успешно адаптироваться к работе, в том числе и связанной с быстро меняющимися технологиями. Таким образом, одна из задач обучения состоит в том, чтобы научить и приучить студента самостоятельно работать с учебной (а затем производственной и научной книгой), в частности с электронной. Но особенно важно такое умение при заочном обучении, когда общение студента с преподавателем приобретает эпизодический характер. Современная разновидность заочного обучения - дистанционная подготовка специалистов или дистанционное обучение - преимущественно основано на самостоятельной работе студента.Система заочной подготовки специалистов долгое время в нашей стране не пользовалась популярностью, так как она считалась неэффективной и низкокачественной. Однако в связи с изменением экономической ситуации в нашей стране возникла объективная необходимость получения качественного образования без прекращения рабочей деятельности и без регламентации часов занятий. Во многих случаях требуется второе высшее образование или высшее образование для так называемых «деловых людей», заинтересованных в получении качественного образования и готовых оплачивать необходимые затраты, но не имеющих возможности регулярно посещать учебное заведение. Для таких людей наиболее приемлемо дистанционное обучение с использованием компьютерных обучающих технологий и электронных учебных пособий как в части лекционного материала, так и материала для проведения практических и лабораторных занятий. Если методика подготовки пособий для дистанционного изучения теоретической части различных дисциплин разработана в достаточной степени, то методика подготовка материалов для виртуального проведения лабораторных и практических работ вызывает множество дополнительных трудностей и проблем, связанных с переводом соответствующих видов деятельности в форму компьютерного моделирования.
Далее остановимся подробнее на дистанционной форме обучения. Дистанционная форма обучения - это получение образовательных услуг без посещения учебного заведения, с помощью современных информационных технологий, таких как электронная почта, телевидение и глобальная сеть Интернет. Дистанционное обучение можно использовать для получения высшего образования, для повышения квалификации и переподготовки специалистов, для проведения периодических проверок знаний и навыков персонала.
Слушатель может овладевать знаниями дома, на рабочем месте, или в специальном компьютерном классе в своем родном городе, который может находиться в любой точке России, ближнего и дальнего зарубежья. Ему не нужно тратить время и деньги на проезд к месту занятий и обратно, а также на оплату гостиницы, если учебный центр находится в другом городе или другой стране.
Кроме того, он может изучать учебные курсы в любой последовательности, с той скоростью, которая оптимальна лично для него. Все это делает дистанционное обучение качественнее, доступнее и гораздо дешевле традиционного.
Наконец, есть определенная группа людей - инвалиды, для которых затруднено передвижение, т. е. для них дистанционное обучение может оказаться единственно доступной формой образования. Следовательно, такая образовательная система будет нести и определенную социальную нагрузку.
Дистанционная форма предполагает возможность использования нескольких различных моделей обучения.
Модель заочного высшего образования. Предварительно проводится тестирование знаний будущего слушателя, что позволяет индивидуализировать его программу обучения, уделив большее внимание тем предметам, где уровень его подготовки низкий. Последовательно проходятся утвержденные курсы. По окончанию каждого производится дистанционный контроль знаний. Может использоваться семестровая система, аналогичная сдаче зачетов и экзаменов в обычном ВУЗе, или же некий набор обязательных курсов и курсов по выбору. По окончании изучения и контроля знания всех этих курсов слушателю выдается документ о высшем образовании.
Модель консультаций. Консультирование по предметной области со стороны кураторов или специалистов. В этом случае основное внимание уделяется ответам на вопросы слушателей, а для оценки уровня приобретенных знаний применяется итоговое тестирование.
Модель самообразования. Обеспечивается доступ к учебным материалам и сдача тестов по окончанию изучения каждого курса. Сроки изучения жестко не регламентируются. Принципиально возможно получения высшего образования таким путем.
Модель обучения по требованию или по запросу. В этом случае используются специально разработанные курсы. Эта модель наиболее подходит для обучения персонала корпоративного заказчика. Здесь также целесообразно предварительное тестирование и адаптация учебной программы к уровню подготовки слушателей в совокупности или же к каждому в отдельности.
Комбинированная модель. Скажем, получение заочного образования с использованием дистанционного изучения и контроля по части дисциплин. Или получение дистанционного обучения по запросу с привлечением в дальнейшем наиболее подготовленных лиц к очному или очно-заочному образованию.
Дистанционное обучение обязательно требует наличия специального модульного программного обеспечения для поддержки дистанционного образования. Последнее должно обеспечивать выполнение следующих функций:
инструментальная и методическая поддержка авторских коллективов при подготовке материалов для распространения в рамках виртуального учебного центра;
инструментальная поддержка процессов управления корпоративными знаниями;
поддержка проведения собственно дистанционного обучения;
обеспечение дистанционного тестирования и прием зачетов и экзаменов;
администрирование в системе, включая учет слушателей, организация библиотеки, управление учебным процессом в целом и пр.
Взаимоотношения в процессе дистанционного образования могут происходить по схеме, представленной на рис. 9.3

слушатель после регистрации зачисляется организатором в учебную группу и получает доступ к материалам учебных курсов, размещенным на сервере, снабжается необходимыми дополнительными материалами (учебники, CD-ROM и т.п.), кроме того, на сервере автоматически создается и ведется его персональная страница;
на своей персональной странице слушатель получает информацию от организатора и куратора группы, включая методические рекомендации по планированию выполнения учебных заданий, комментарии своего куратора;
по мере изучения курса слушатель проходит тестирование и сдает экзамены. Доступ к тестам и экзаменам возможен также с персональной страницы слушателя;
в процессе обучения и выполнения контрольных заданий слушатель может использовать электронную почту, прямой обмен файлами с куратором и коллегами по группе, телеконференции с преподавателем по изучаемому курсу и с куратором по общеорганизационным вопросам. При наличии аудио- или видео оборудования слушатель может обсуждать вопросы в режиме аудио или видеконференции;
слушателю доступен раздел «Часто задаваемые вопросы». Дополнительным средством общения является сервер комментариев, позволяющий вставлять заметки на страницах электронного учебника, при этом заметки может видеть сам слушатель, его куратор, коллеги по учебной группе и ведущий курс преподаватель, что обеспечивает дополнительную обратную связь и позволяет постоянно совершенствовать курс.
В США, уже действует множество высших учебных заведений, реализующих дистанционное обучение. В последние годы такие ВУЗы стали появляться и в нашей стране. Во МГУП и его СПб Институте также взят курс на развитие системы заочного образования и внедрение в нее элементов системы дистанционного обучения студентов.
9.5.
Достоинства и недостатки электронных учебников
В последние годы количество компьютеров в нашей стране растет в геометрической прогрессии. В нашем городе их количество превысило 500 тысяч. Значительная их часть оборудована дисководом для компакт-дисков или даже DVD-дисководом. Во многих из них имеются также звуковые карты, поддерживающие стереозвук, колонки, микрофон, стереонаушники и другие средства мультимедиа.Длительный опыт общения автора со студентами специальности 2202 показал, что к IV курсу большинство (до 80-90%) студентов имеют компьютер в личном пользовании. Естественно, поэтому, стремление к более интенсивному использованию компьютера в учебном процессе, включая самостоятельную работу студентов. Вначале была предпринята попытка использовать компьютер при проведении лекций для вывода изображений: блок-схем алгоритмов, структурных схем компьютерных узлов. Соответствующие файлы автор готовил заранее и демонстрировал аудитории на 19-дюймовом мониторе, а затем разрешал копировать их на дискеты студентам (т. е. студенты также могли не тратить время на копирование рисунков в свои конспекты). Далее пришла пора выводить на экран программы с комментариями, которые также копировались на дискеты желающим студентам. Здесь роль лектора состояла в демонстрации на компьютере работы программы (студенты убеждались, что программа действительно выполняет свои функции) и привлечении внимания студентов к структуре и назначению отдельных ее фрагментов, различным методам и средствам реализации отдельных процедур и программ.
Таким образом, среди студентов распространялись, по существу, фрагменты электронного учебника в наиболее простой форме: текстовых файлов или файлов в формате редактора Word под Windows, реже в графическом формате BMP или PCX, доступном с помощью встроенного в оболочку Windows редактора Paint. Студенты имели потенциальную возможность в любое время использовать эти материалы, скажем, в процессе подготовки к лабораторным занятиям или к сдаче зачета.
Даже в результате применения таких простых и доступных большинству преподавателей средств удалось приблизительно на 50% увеличить информативность и эффективность проведения лекций и на столько же снизить время, затрачиваемое на чтение соответствующих разделов лекционного курса.
Кроме того, студенты, пропустившие занятия, получали возможность самостоятельно освоить лекционный материал. Следует отметить, что изложенные на лекции материалы по курсу «Организация ЭВМ и систем», включали процедуры и фрагменты программ на ассемблере с подробными комментариями, что позволило студентам самостоятельно выполнять лабораторные работы по курсу на своем домашнем компьютере, а затем предъявлять их преподавателю.
Естественно, что в тех курсах, где количество графического и текстового материала (блок-схем и структурных схем, алгоритмов, листингов программ), подготавливаемых лектором на доске в процессе чтения лекций, сравнительно мало, эффективность применения перечисленных мер также будет ниже. Следует также отметить, что близкие к достигнутым результаты могут быть получены путем предварительной подготовки печатного раздаточного материала для студентов (тех же самых блок-схем и листингов программ с подробными комментариями). Однако последний способ требует заметно больших усилий преподавателя (или учебно-вспомогательного персонала) на подготовку материалов и больших материальных затрат.
Конечно, общение с обычным печатным учебником для большинства из нас представляется более естественным и привычным. Учебные пособия можно читать в транспорте, во время еды и даже лежа в постели, причем во всех этих случаях практически с одинаковым успехом. Однако подготовка и тиражирование учебных изданий требует значительных затрат времени и материальных средств. В нашей стране никто таких расчетов не делал, а в штате Техас (США) Комитет по школьному образованию подсчитал, что дешевле обеспечить каждого школьника компьютером и учебниками в электронной форме, чем ежегодно расходовать огромные средства на печать этих учебников.
Сточки зрения скорости подготовки электронные учебники также имеют существенные преимущества перед печатными. Для тех учебных предметов, темой которых являются быстро меняющиеся технологии, скорость подготовки и модернизации учебных пособий является чрезвычайно важным фактором.
Сошлюсь на пример из своего личного опыта. Подготовленное мною пособие по элементам и узлам современных компьютеров по данным на конец августа 1999 г. было отпечатано в декабре 1999 г. Но к моменту проведения лекций в новом учебном году в сентябре 2000 г. в части материнских плат, жестких магнитных дисков и процессоров пособие уже заметно устарело. Пришлось оперативно дополнить его новыми данными в форме электронных файлов в формате редактора Word 97.
Остановимся на преимуществах и недостатках электронного пособия по сравнению с печатным. Существенных недостатков у электронного учебника два:
необходимость специального дополнительного оборудования для работы с ним, прежде всего - компьютера с соответствующим программным обеспечением и качественным монитором, а иногда дополнительно также дисковода для компакт-дисков и/или сетевой карты или модема для работы в локальной или глобальной сети;
непривычность, нетрадиционность электронной формы представления информации и повышенной утомляемости при работе с монитором.
Достоинств электронных учебников гораздо больше. К ним можно отнести:
Возможность адаптации и оптимизации пользовательского интерфейса под индивидуальные запросы обучаемого. В частности, имеется в виду возможность использования как текстовой или гипертекстовой, так и фреймовой структуры учебника, причем количество фреймов, их размеры и заполнение может изменяться. Вместо части фреймов, по желанию студента, можно использовать всплывающие окна с тем же самым содержимым, например, с рисунками или списком определений.
Возможность использования дополнительных (по сравнению с печатным изданием) средств воздействия на обучаемого (мультимедийное издание), что позволяет быстрее осваивать и лучше запоминать учебный материал. Особенно важным нам представляется включение в текст пособия анимационных моделей. Положительный эффект можно достигнуть и с помощью звукового сопровождения, соответствующего лекторскому тексту.
Возможность построения простого и удобного механизма навигации в пределах электронного учебника.
В печатном издании таких возможностей две: оглавление и колонтитулы, иногда к ним также относят глоссарий. Однако для практической реализации этих возможностей необходимо листать страницы учебника. В электронном пособии используются гиперссылки и фреймовая структура или карты-изображения, что позволяет, не листая страниц, быстро перейти к нужному разделу или фрагменту и при необходимости так же быстро возвратиться обратно. При этом не требуется запоминать страницы, на которых были расположены соответствующие разделы.
Развитый поисковый механизм не только в пределах электронного учебника, но и вне его. В частности, по гипертекстовым ссылкам можно перемещаться по тексту издания, просматривать рисунки, обращаться к другим изданиям, ссылки на которые имеются в нем (литература и пр.), даже написать электронное письмо автору пособия с просьбой объяснить те или иные положения учебника. При использовании сетевых обучающих структур возможно обсудить положения учебника с другими студентами (в электронном читальном зале), оставаясь на своем рабочем месте.
Возможность встроенного автоматизированного контроля уровня знаний студента, и на этой основе автоматический выбор соответствующего уровню знаний слоя учебника, как указано в следующем пункте.
Возможность адаптации изучаемого материала к уровню знаний студента, следствием чего является улучшение восприятия и запоминания информации. Адаптация основана на использовании слоистой структуры издания, причем в соответствии с результатами тестирования студенту предоставляется слой, соответствующий уровню его знаний.
Главное преимущество электронного учебника это возможность интерактивного взаимодействия между студентом и элементами учебника. Уровни ее проявления изменяются от низкого и умеренного при перемещении по ссылкам до высокого при тестировании и личном участии студента в моделировании процессов. Если тестирование подобно собеседованию с преподавателем, то участие в моделировании процессов можно сопоставить с приобретением практических навыков в процессе производственной практики в реальных или приближенных к ним условиях производства.
С внедрением электронных учебников изменяются и функции библиотеки. В этом случае ее роль играет электронный читальный зал, оборудованный компьютерами, объединенными в локальную сеть, которая связана с текстовой базой данных - хранилищем электронных учебников. Все читатели такой библиотеки без всякой очереди и ожидания могут самостоятельно выбирать и читать любые электронные учебники, в том числе и одинаковые, автоматически тиражируемые для них в любом количестве экземпляров.
9.2.
Достоинства и недостатки технологии E-book
К преимуществам этой технологии можно отнести следующие:значительно облегчается проблема выбора изданий и их доставка через Интернет;
возможность самостоятельного тиражирования и распространения электронных изданий их авторами;
простота перемещения больших наборов книг (библиотек) вместе с читателем;
простота аннотирования и добавления пометок к электронным изданиям читателем.
К недостаткам же можно отнести следующие:
высокую стоимость аппаратных средств E-book;
определенную зависимость владельца E-book от поставщика элект ронных изданий, так как для многих видов аппаратных средств существует привязка к сайту изготовителя, с которого только и можно получать эти издания;
пока еще недостаточно высокое качество отображения электронно го издания на экране устройства.
В будущем, скажем к 2010 г. можно ожидать широкого распространения аппаратных средств и технологий E-book, если не повсеместно, то хотя бы в США, Японии, странах Западной Европы.
Именно в этих странах, с одной стороны, значительная часть общества ориентируется на все новое и передовое, с другой стороны, очень велика роль и воздействие рекламных компаний на общество. Кстати, летом 2001 года количество проданных в США устройств E-book достигло 500 миллионов экземпляров, что явилось результатом целенаправленной агрессивной рекламной акции. Очень может быть, что новая техника и технология E-book будет активно внедряться и в нашей стране. Уже в 2001 г. в сети Интернет появились первые сайты, рекламирующие и распространяющие эту технику.
Другие средства проектирования Web-сайтов
Рассмотрим несколько других программ для проектирования сайтов. Многие профессиональные разработчики используют программный пакет LiquidFX Pro v4.0 Он включает в себя HTML-редактор, графический редактор, специальную утилиту для извлечения информации из баз данных нее форматирования. Он также поддерживает Java-скрипты и т. д. В пакете много функций и дополнительных средств, которые позволяют создавать профессионально оформленные Web-сайты.Младший брат рассмотренной программы - LiquidFX Express - распространяется условно бесплатно. Он ориентирован преимущественно на лиц, не имеющих опыта оформления сайтов, предоставляя для них удобный, интуитивно понятный интерфейс. В пакете реализуется технология проектирования страниц, напоминающая объектно-ориентированное программирование. Редактирование HTML-тегов осуществляется в режиме WYZIWYG. Большинство контейнеров выполнено в виде готовых конструкций, которые представляются в виде легко узнаваемых пиктограмм. Пользователь должен задать их параметры и должным образом разместить на Web-странице.
Многие молодые люди отдают предпочтение пакету Arachnophilia. Он чем-то напоминает HomeSite, о котором шла речь в § 4.4. Поддерживает разработку Java-скриптов, HTML-форм, CGI-скриптов, фреймов и т. д. Предусмотрен встроенный FTP-клиент для загрузки на сайт страниц, которые были изменены. Мощная и удобная система макросов, использования «горячих клавиш». Создание сайтов и создание страниц значительно упрощается вследствие возможности использования библиотеки заготовок.
Определенный интерес представляют новые разработки фирмы Silicon Graphics. Первая из них - WebMagic - предоставляет собой полный набор программных средств, необходимых для творческой работы Web-дизайнера.
Интерфейс основной программы WebMagicAuthor имеет достаточно полный набор пиктограмм и команд меню, позволяющих создавать разнообразные макеты страниц. Для организации гиперсвязей между различными типами объектов используется программа IndigoMagic. Здесь для связи объектов любого типа используются пиктограммы объектов, связываемые с помощью указателя мыши.
Еще раз отметим, что объектами могут быть HTML-страницы, видео- и аудио-клипы в самых различных форматах, графические изображения и даже трехмерные объекты VRML
С помощью встроенной модели цифровой камеры IndyCam, можно записать любое аналоговое изображение. Интегрированная программа Capture записывает «живое видео», полученное от IndyCam, или любого другого записывающего устройства. Cdman и DATman дают возможность легко перевести в нужный цифровой формат звуковую информацию с компакт-диска или DAT-кассет, a Sound Editor обеспечивает возможность ее редактирования. Программа IRIS Impresario позволяет вводить изображения с фотографий, сканировать тексты и иллюстрации. Затем эти файлы конвертируются в форматы, необходимые для передачи по сетям Internet.
Программный продукт Showcase, который входит в любую стандартную комплектацию программных средств фирмы SiliconGraphics, помогает создать множество дополнительных эффектов - начиная от интеграции текстов, эксперимента с цветом и заканчивая включением сложных трехмерных файлов.
Программа MovieConvert импортирует видеоданные практически любого промышленного формата, необходимые вырезки, склейку и монтаж кадров позволит осуществить программа MovieMaker. И, наконец, преобразовать готовое видео в сетевой формат поможет MovieMaster.
Еще одна интегрированная в пакет программа - NetsiteCommunicationServer- позволит быстро распространять содержание Web-страниц как внутри корпоративной, так и в глобальной сети. К тому же Netsite в несколько раз быстрее доставляет по адресу документы, чем обычный сервер HTTP. Удобный графический интерфейс Netsite позволяет легко конфигурировать систему.
Другой полный набор функциональных средств для создания динамических Web-страниц фирмы Silicon Graphics носит имя COSMO. Все эти средства тесно взаимосвязаны и образуют целостное и законченное решение. Подобная технология обеспечивает прозрачную интеграцию достаточно разрозненных приложений. Пользователю теперь не придется запоминать хитроумные способы запуска Java Develpoment Environment (Cosmo Code).
Если потребуется установить ошибки в приложениях Java, это легко можно сделать, не покидая среды CosmoCreate.
Программное обеспечение Cosmo Create представляет собой пакет решений для разработки интерактивного мультимедийного содержания Web-страниц. Отныне этот процесс не ограничивается лишь поиском и установкой необходимых гиперсвязей. Автор получает доступ к широкому спектру цифровых изобразительных средств, таких как графические образы, аудио- и видеоэффекты, видеоклипы, трехмерная графика и язык программирования Java. Каждое из этих изобразительных средств само по себе нуждается в огромном количестве инструментариев для создания необходимых файлов. Вслед за этим необходимо довольно долго учиться тому, как получить доступ к необходимому файлу, а затем его отредактировать.
Одно из огромных преимуществ Create - это возможность для различных мультимедийных редакторских средств работать в режиме прозрачности. Специальный редактор проверит содержание файлов, произведя по желанию пользователя необходимые модификации. Если, например, требуется отредактировать какой-либо объект - просто нужно выделить его мышью, а затем сообщить, что данный объект нуждается в редактировании. Весь набор редакторских средств тут же появится на экране. После необходимых модификаций объект автоматически сохраняется, и продолжается работа в COSMO Create. В состав COSMO Create также входят средства проверки орфографии (Spell Checker), возможности работы с кадрами, HTML-формами и пр.
CosmoCode - это профессиональная графическая UNIX среда для языка программирования Java, которая позволяет создавать интерактивные программные приложения, работающие на разных платформах. Инструментальные средства визуальной разработки SiliconGraphics существенно расширяют возможности Java за счет добавления трехмерных библиотек и цифровых мультимедия-средств. CosmoCode состоит из run-time интерпретатора и компилятора языка Java, графического отладчика, визуального редактора исходных кодов, а также библиотек Cosmo MotionEngine и CosmoMediaBase.
CosmoMediaBase представляет собой новый класс программного обеспечения для управления содержимым мультимедийных баз данных. Этот пакет дает Web-разработчикам и администраторам узлов возможность динамического хранения, поиска и доставки мультимедиа-данных.
Можно указать также несколько дополнительных программных модулей для создания или модификации объектов определенного типа. Так, в качестве примера программы для создания VRML-миров можно указать InternetBD Space Builder. Простой программный модуль для обработки звука - это Cool Ed it.
Тем, кто любит создавать графические указатели ссылок можно порекомендовать программу Xara WebStyler. Она была специально для этого создана. Здесь можно сделать обычные и трехмерные надписи, кнопки самого разного размера и стиля и пр. На этом можно закончить обзор дополнительных средств Web-дизайна.
6.5.2.
Другие виды оптических накопителей
В конце 1998 г. появился новый оптический носитель для хранения и распространения мультимедийных изданий. Он получил название DVD-диск, что представляет собой аббревиатуру от
Другие конструкции DVD-диска позволили еще в несколько раз увеличить информационную емкость. Так, односторонний двухслойный диск содержит два информационных слоя, расстояние между которыми близко к 0,5 мм. Один из этих слоев полупрозрачен, в результате чего проходящая сквозь него часть светового потока полупроводникового лазера может быть сфокусирована на другом слое. Информационная емкость каждого слоя близка к 4,25 Гб, а общая емкость такого диска составляет 8,5 Гб.
В двустороннем однослойном диске используются два полупроводниковых лазера, по одному с каждой стороны диска. Каждый лазер работает со своим информационным слоем. Если емкость одного такого слоя 4,7 Гб, то суммарная емкость диска составит 9,4 Гб. Последняя конструкция может быть усовершенствована таким образом, что с каждой стороны диска будут по два информационных слоя, причем внешние, т. е. расположенные ближе к периферии диска, делаются полупрозрачными. Суммарная емкость такого четырехслойного диска близка к 17 Гб.
Скорость вращения DVD-дисков не слишком велика и соответствует 2-4-кратному приводу CD-ROM. При этом скорость информационного обмена составляет приблизительно 1,5 Мб/с.
Такая скорость обмена отвечает требованиям форматов MPEG-2 и MPEG-4. Дальнейшее совершенствование таких устройством связано с развитием полупроводниковых лазеров по пути укорочения длины волны излучения. Фирма Hitachi, лидер в области DVD-технологий, обещает в ближайшие годы разработать голубой полупроводниковый лазер, что позволило бы еще втрое увеличить плотность записи информации.
В последние годы все шире используются устройства для записи информации на компакт-диск - CD-R-дисководы (CD-Recorder). Такие диски практически вытеснили существовавшие с 1985 г. диски WORM (Write Once Read Many), размеры которых изменялись в пределах от 5,25 до 12 дюймов. Причина этого очевидна - компакт-диск стал практическим стандартом в компьютерных технологиях. Записываемый компакт диск успешно может быть прочитан с помощью любого CD-ROM-дисковода.
Компакт-диск с однократной записью несколько отличается от обычного. В качестве отражающего слоя в нем используется тончайшая пленка золота, а информационный слой - диэлектрик с низкой температурой испарения. Сфокусированный луч лазера локально испаряет диэлектрик, в результате чего возникают локальные вздутия отражающей пленки, изменяющие характеристики отражения для считывающего луча полупроводникового лазера.
При занесении информации на CD-R-диск можно сразу, за один прием заполнить весь диск. Такой режим называют односеансовым или односессионным. Можно и несколько раз устанавливать диск в дисковод и постепенно заносить информацию на спиральную дорожку. В течение одного сеанса можно заполнить один или несколько витков спирали. Первый сеанс записи требует не менее 22 Мб информационного пространства, а каждый последующий - не менее 13 Мб. В течение каждого сеанса наряду с полезной на диск заносится большое количество служебной информации, поэтому количеством сеансов записи не следует злоупотреблять. Кроме того, следует иметь в виду, что односеансовые диски читаются всеми стандартными дисководами для компакт-дисков, а многосеансовые - только дисководами CD-RW.
Среди характеристик CD-R дисковода указывают скорость занесения информации на диск и ее чтения с диска. Обычно эти значения составляют 2-8 и 10-12 крат. Лишь в 2000 г. фирме

5.2.
Форматы цифрового видео
В этом разделе мы проанализируем характерные форматы представления цифрового видео, такие как QuickTime фирмы

Общая черта всех популярных форматов цифровых видеофайлов состоит в том, что основная часть любого из них - это система сжатия и восстановления видеоданных (compression/decompression - сокращенно codec), называемая кодеком. Обычно программы, поддерживающие основные форматы видеофайлов, позволяют замещать старые кодеки на новые, более совершенные, по мере разработки последних. Такой подход позволил легко адаптировать форматы видеофайлов и поддерживающие их программы к новым технологиям, как только те становились доступными.
Исходные релизы форматов QuickTime и VfW содержали очень простые кодеки, так как уровень развития компьютерной техники того периода не мог обеспечить применение более качественных методов, требовавших значительно более высоко уровня вычислительного ресурса. По мере совершенствования компьютерных технологий стало возможным использовать более эффективные методы сжатия и распаковки, что привело к применению новых кодеков.
К наиболее известным и широко применяемым форматам следует отнести

Формат был создан первоначально для платформы Macintosh для хранения аудио- и видеоданных на магнитных и оптических носителях.
Сейчас он используется и в оболочке Windows. Предусмотрен специальный набор средств, называемый Movie Toolbox, который обеспечивает редактирование и модификацию видеофильмов в данном формате, т. е. можно вклеивать, вырезать, копировать и редактировать отдельные видеофрагменты таким же образом, как это делается при профессиональном монтаже обычного кино. Данные в этом формате можно хранить на магнитном или компакт-диске в виде обычного файла, а также помещать на цифровой видеомагнитофон.
Набор средств Movie Toolbox определяет шесть методов сжатия, используемых при хранении видеофильмов в этом формате. Перечислим эти методы.






Аудиоданные в этом формате кодируются в виде последовательности квантованных дискретных выборок в формате AIFF, как это было описано в § 3.4 или непосредственно в ресурсе звуковой среды видеофильма.
Основная структурная единица файлов этого формата носит название атом. Различают атомы-контейнеры и атомы-листья. Контейнеры содержат другие атомы, в том числе и атомы-контейнеры. А атомы-листья содержат только данные. Каждый поток данных файла хранится в отдельном атоме дорожки. Дополнительные сведения о данном формате можно почерпнуть из книг

Комитет Motion Picture Expert Group, как уже ранее упоминалось, был создан международной ассоциацией по стандартизации специально для создания высококачественных стандартов сжатия цифрового видео. И действительно был разработан ряд стандартов, таких как MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 для воспроизведения видео с различной скоростью и качеством на платформах Windows, Macintosh и UNIX, а также рекомендован определенный набор методов сжатия видео- и аудиоданных.



Стандарты MPEG определяют только способ хранения данных, но не указывают, как были получены данные в этом формате. Все форматы MPEG с потерями. Для кодирования данных в этом формате вычислительных ресурсов ПК недостаточно. Корректная обработка MPEG на ПК без дополнительных аппаратных средств также связана с определенными трудностями. Они могут привести к задержкам или ухудшению качества воспроизведения.
Формат MPEG хранит несколько типов кадров.
Независимые или ключевые кадры (l-frames) не требуют никакой дополнительной информации для декодирования. При их сжатии используется методика, аналогичная JPEG-сжатию, но более эффективная. Предсказуемые кадры (P-frames) хранят различие между предыдущим независимым или предсказуемым кадром и текущим кадров (то, что в § 3.5.2 определялось как межфреймовое дельта-сжатие или компенсация движения). Дальнейшее улучшение качества сжатия достигается путем использования двунаправленных предсказаний движения или B-frames. В нем предсказание сохраняется как разности текущего как с предыдущим, так и с последующим кадрами, вследствие чего последовательность кадров может иногда нарушаться.
При кодировании звука MPEG отбрасывает ряд избыточных данных, опираясь на особенности человеческого слуха, о которых уже говорилось в § 3.4. В результате достигается гораздо более высокий уровень сжатия по сравнению с РСМ и u-Law, о которых говорилось в предыдущем параграфе. Оценивая данный формат, следует отметить, что он гарантирует самое высокое качество как видео, так и аудио, но требует наличия большого количества вычислительных ресурсов.


Поддержка равномерного потока данных требует внимания ко всем частям системы воспроизведения для того, чтобы сохранить синхронизацию независимо от задержек при распаковке видеоданных.
В структуре AVI-файла содержатся два блока LIST. Первый из них (LIST hdrl) содержит информацию о фильме в целом и каждом из его потоков, включая разрешение экрана и частоту кадров видеоданных, а также формат, частоту оцифровки и разрядность квантованных аудиоданных.Второй блок LIST movi хранит сами видео- и аудиоданные в виде отдельных потоков, сегментированных на блоки выборки. Интересно отметить, что в формате AVI звуковые данные опережают видео на 0,75 с.
Форматы представления аудиофайлов
В этом разделе речь пойдет о цифровых форматах, хранящих звук файлов. Иначе говоря, - о хранении оцифрованного звука. Напряжение, передаваемое по телефонным каналам и несущее звук, представляет собой аналоговый сигнал достаточно сложной формы. Чтобы преобразовать такой сигнал в цифровую форму, необходимо выполнить последовательно две операции: дискретизацию и квантование.


Частоту дискретизации определить достаточно просто. В соответствии стеоремой Котельникова частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты спектра звукового сигнала. Принятая в настоящее время частота дискретизации для аудио-CD составляет 44100 Гц, т. е. максимальная воспроизводимая частота звукового спектра составляет 20050 Гц, что превышает диапазон звуков, воспринимаемых ухом человека. Это обеспечивает идеальное звучание таких устройств. Частота дискретизации в телефонных сетях составляет 8000, что более чем в два раза превышает полосу пропускания телефонного канала, равную 3000 Гц.
Количество уровней или разрядность квантования характеризует точность передачи уровня звукового сигнала. Действительно, при 256 уровнях квантования или представлении уровня звука с помощью 8 бит информации, величина погрешности квантования равна половине расстояния между соседними уровнями, так как к именно с этой точностью значение электрического напряжения может быть преобразовано в цифровой код (притом условии, что наименьшему уровню сигнала, обозначенному min на рис. 3.4

отнесено к одному из двух соседних уровней, между которыми находится реальное значение сигнала. Сказанное иллюстрируется рис. 3.4

Закодированные описанным способом цифровые аудиоданные характеризуются значительной избыточностью, т. е. они могут быть упакованы, а затем восстановлены без всякой потери качества. Однако применение для сжатия цифрового аудио архиваторов обычного типа, таких как ARJ или ZIP, позволяет сжать исходный файл приблизительно лишь на 20%, т. е. оно неэффективно.
Основная идея сжатия аудиосигнала с потерями - пренебрежение теми фрагментами звука, которые лежат вне пределов восприятия человеческого уха. Первая такая возможность определяется маскирующим эффектом, в соответствии с которым сильные звуки приводят к невосприимчивости уха к слабым в том же самом частотном диапазоне. Поэтому слабые звуки можно кодировать с малым количеством уровней, в результате чего сокращается количество информации, используемое при кодировании звука.
Далее, весь частотный диапазон делится на подполосы, каждая из которых обрабатывается отдельно, причем маскирующий эффект используется как внутри каждой подполосы, так и между ними, т. е. очень мощный звук в одной из подполос приводит к маскированию во всех остальных. Затем используются особенности психоакустической модели человеческого слуха, в соответствии с которой тщательно сохраняются звуки хорошо воспринимаемых частот и удаляются звуки тех частот, которые не воспринимаются.
Для стереозвучания используется дополнительный прием, связанный с тем, что стереоэффект воспринимается человеком только в области средних звуковых частот. Поэтому сигнал низких и высоких частот передается в монофоническом звучании.
Наконец, используются специальные алгоритмы сжатия, основанные на высокой предсказуемости звукового сигнала, т. е.
большом значении его коэффициента автокорреляции. Все перечисленные выше методы и алгоритмы позволяют получить десятикратный и более высокий коэффициент сжатия практически без потери качества звучания, что реализуется в формате МРЗ, разработанном

Для воспроизведения звуковых файлов

Из форматов звуковых файлов следуетупомянуть AU для UNIX-подобных систем и платформ, WAV - стандарт звуковых файлов для операционной системы Windows, AIFF - стандарт звуковых файлов для платформы Apple Macintosh и MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - формат электронных музыкальных инструментов. Кратко остановимся на каждом из них.

частота дискретизации и разрядность квантования, число звуковых каналов и метод кодирования. Наиболее распространенные файлы этого формата носят подзаголовок p-Law, рассчитанные на один звуковой канал с полосой 8000 Гц. Подзаголовок p-Law означает преобразование значений линейного квантования в логарифмическую шкалу значений, которая производится в соответствии с уравнением:

где Y? - значение в логарифмической шкале, m - исходное квантованное значение, mp - максимальная величина последнего значения, ? - постоянное значение, величина которого определяет область, в которой обеспечивается наиболее высокое качество звучания.
В формате AU наряду с 8-разрядным логарифмическим кодированием, предусмотрена возможность представления 16-разрядного линейного стереозвука, имеющего частоту дискретизации 22050 и 44100 Гц.

Формат WAV поддерживает также ряд дополнительных блоков данных. К ним относят дополнительную информацию о сжатых звуковых данных. В частности, фирма IBM зарегистрировала специальные коды форматирования для сжатия в формате u-Law. Специальный блок позволяет помечать определенные позиции в потоке звуковых данных, что дает возможность синхронизировать звуковой ряд с видеорядом. Предусмотрены также блоки для размещения дополнительной текстовой информации.


3.5.
Форматы представления графической информации
Без
Известны два способа описания компьютерного изображения: точечный (растровый), при котором изображение формируется из отдельных точек, и векторный (контурный), где изображение состоит из отдельных объектов, ограниченных замкнутыми или незамкнутыми контурами, каждый из которых представляет собой сочетание отдельных отрезков прямых линий (векторов) и кривых (дуги окружностей, фрагменты параболических кривых и кубических сплайнов) линий. Каждый такой графический объект можно перемещать, масштабировать, вращать без потери качества изображения и независимо от любых других объектов.
Векторные файлы содержат математическое описание всех элементов изображения, которое используется программой визуализации для их отображения на экране монитора. Таким образом, сам процесс отображения информации требует определенных вычислительных мощностей для преобразования математического описания объектов в растровый формат монитора. Векторная графика характеризуется рядом положительных черт, к числу которых можно отнести следующие:
Экономичность хранения изображений, т. е. сравнительно небольшие размеры графических файлов, хранящих изображение в векторном формате.
Легкость трансформации и манипулирования отдельными графическими объектами (и всем изображением в целом).
Максимальное использование разрешающей способности выводного устройства, с помощью которого осуществляется визуализация цифрового изображения, так как величина разрешения обычно в графическом файле непосредственно не задана.
Простота интеграции с текстом, который состоит из отдельных символов, формируемых преимущественно контурным методов (например, элементы TrueType-шрифтов и шрифтовые объекты в формате PostScript).
Простейшие форматы векторного типа реализованы в электронных таблицах, используемых в пакетах Lotus 1-2-3 и Excel. Большинство же векторных форматов разработано для хранения чертежей, созданных программами САПР (Систем Автоматизированного Проектирования). В издательском деле и полиграфии к наиболее распространенным можно отнести формат PostScript, используемый для описания сверстанных страниц в фотонаборных автоматах и лазерных принтерах.
С точки зрения живописности и реалистичности изображения векторная графика имеет весьма ограниченные возможности, поэтому в издательском деле шире используется растровое представление. В случае применения векторной графики определенные трудности возникают и с автоматизацией ввода графического изображения в компьютер или оцифровкой изображения. Сканеры, цифровые фото- и видеокамеры хранят оцифрованное изображение в растровых форматах.
Точечная, или растровая, графика исторически стала применяться значительно раньше векторной. К ней можно отнести художественные изображения мозаичного типа: смальту, мозаику и даже вышивку. Таким образом, к ней относят изображения, полученные из мельчайших отдельных элементов, каждый из которых неделим и описывается постоянством тона на всем своем протяжении. Такие элементы принято называть пикселами (это понятие мы уже упоминали в главе 2). Каждый такой пиксел формально независим от соседних, т. е. может иметь различные характеристики: яркость, цветовой тон, насыщенность цвета и прочее.
К достоинствам точечной графики можно отнести следующие факторы:
простота и легкость ввода (оцифровки) изображений;
удобство технической реализации вывода информации (на монитор, лазерный или струйный принтер и т. д.);
реалистичность изображения;
возможность получения тонких живописных эффектов, таких как туман, тонкие цветовые переходы и нюансы цвета, перспектива изображения, размытость и нерезкость и пр.
Однако и недостатки точечной графики существенны. К основным из них относятся:
необходимость точных установок параметров до начала создания графического изображения, в частности, задания количества точек на единицу длины изображения, размера изображения по каждой координате, а также глубины цвета - количества бит для цветового представления каждого отдельного пиксела;
большой информационный объем получаемого графического файла, который определяется произведением трех величин: площади изображения, разрешающей способности и глубины цвета в согласованных единицах измерения, например, максимальное разрешение в пакете PhotoShop составляет 10000 пиксел/дюйм при максимальном значении 30000 пикселов по каждой координате, чему соответствуют размеры файлов до нескольких сотен Мб;
при повороте и других трансформациях изображения составляющие его горизонтальные и вертикальные линии превращаются в ступенчатые, т. е. обязательно появляются искажения при трансформациях изображения.
Важной характеристикой любого изображения, в частности растрового, является глубина цвета. Самое простое изображение использует два уровня серого, т. е. черный и белый. На цветовое описание элемента такого изображения (пиксела) требуется лишь 1 бит. Следующий вариант использует множество уровней серого, обычно 256, в результате чего каждый элемент изображения кодируется 1 байтом. Цветные изображения также могут быть различных типов.
В некоторых графических файлах используют так называемые индексированные цвета. В этом случае количество цветовых оттенков обычно не превышает 256, причем все они хранятся в самом графическом файле в виде палитры цветовых оттенков и каждый возможный цветовой тон в изображении соответствует одному из элементов этой палитры. Общее разнообразие или глубина цвета равна, как и в предыдущем случае, 8 битам, или 1 байту. Кстати, индексированные цвета используются и в оболочке Windows в виде встроенной палитры цветов, с которой мы еще не раз встретимся в рамках данного учебника.
Наконец, так называемое полноцветное изображение (True color) чаще всего работаете RGB-цветовом пространстве и использует! байт на каждый из трех основных цветовых компонент (красная, зеленая и синяя), т. е.
общая глубина цвета равна 24 битам, или 3 байтам. При таком представлении количество различных цветовых оттенков превышает 16 миллионов. В некоторых графических файлах используется даже 48-битная глубина цвета. В этом случае каждый основной цвет представляется 16 битами или 65576 различными уровнями, а общее число различных цветовых оттенков выражается фантастической величиной, превышающей 2,6-1014.
Для электронных изданий, зачастую распространяемых по сетям, информационный объем представляет собой очень важную характеристику. Понятно поэтому стремление использовать векторные форматы или же специальные растровые форматы с внутренним сжатием информации для представления графических файлов. Кратко остановимся на методах и средствах сжатия изображений.
Существует две группы методов сжатия изображений: без потерь и с потерями. В первом случае при распаковке сжатого графического файла полностью восстанавливается вся исходная информация, в том числе, цветовой оттенок каждого отдельного пиксела. Во втором же - часть информации теряется, т. е. изображение становится несколько менее качественным, некоторые мелкие его детали утрачиваются. Во многих случаях это вполне допустимо, так как человеческий глаз различает, в лучшем случае, лишь несколько тысяч оттенков цвета и не реагирует на мел кие детали изображения (разрешение глаза близко к одной угловой минуте, откуда при нормальном расстоянии до изображения в 25-30 см можно подсчитать величину линейного разрешения глаза, которая близка к 90-100 мкм).
Большинство методов сжатия без потерь основано на варианте группового кодирования (Run-Length Encoding - RLE). Идея такого метода заключается в том, что последовательности повторяющихся значений заменяются на пару чисел, первое из которых дает количество повторяющихся
значений, а второе - само это значение. В описаниях многоцветных изображений очень часто соседние пикселы характеризуются одними и теми же тоновыми и цветовыми характеристиками, что и обеспечивает эффективность такого сжатия

Энциклопедия форматов графических файлов.- Киев: BHV-Киев, 1997.',''));">
Схема сжатия без потерь Лемпела-Зива-Велча (LZW) в последние годы используется все шире и шире. Она позволяет работать сданными любого типа, обеспечивая достаточно быстрое сжатие и распаковку данных. Этот алгоритм называют алгоритмом подстановок или алгоритмом сжатия словарного типа. На основе входного потока данных алгоритм формирует словарь данных (его также называют переводной таблицей или таблицей строк). Образцы новых данных сравниваются с записями словаря. Если они там не представлены, то создается новая кодовая фраза. Если строка повторно встречается во входном потоке, то в выходной поток записывается ссылка на соответствующую строку словаря, которая имеет меньшую величину, чем исходный фрагмент данных. Таким образом реализуется сжатие информации.
Декодирование LZW-данных производится в обратном порядке. Декомпрессор читает код из потока данных и, если этого кода еще нет в словаре, добавляет его туда. Затем этот код переводится в строку, которую он представляет, и заносится в выходной поток несжатых данных.
Ряд графических форматов, в том числе и один из базовых - TIFF - используют в своих современных версиях встроенное LZW-сжатие. В частности, этот формат использован для представления рисунков в данной книге. Достоинством этого метода для графических файлов является хорошее сжатие данных для любой глубины представления цвета, начиная от штриховых и кончая полноцветными изображениями. В частности, такое сжатие успешно используется в формате GIF с индексированными цветами (глубина цвета 8 бит). Оба эти формата будут описаны в данном разделе.
В других случаях используется сжатие с регулируемой величиной потерь и переменным коэффициентом сжатия. Чем больше величина потерь, тем больше и коэффициент сжатия. Программа сжатия обычно делит все изображение на блоки размером 8x8 пикселов каждый. Уменьшение сжимаемого фрагмента позволяет уменьшить пропорционально квадрату его линейных размеров время обработки, т. е. деление на фрагменты эффективно увеличиваетскорость преобразования. Далее к значениям пикселов применяется формула, называемая дискретным косинусным преобразованием.
Оно преобразует матрицу пикселов в матрицу значений амплитуд пространственного спектра изображения.
Значения элементов полученной матрицы характеризуют различные составляющие спектра: левый верхний угол результирующей матрицы соответствует самым низким частотам пространственного спектра, а правый нижний - самым высоким. Коэффициент качества преобразования, введенный предварительно пользователем, используется при получении значений элементов матрицы квантования. Чем ниже коэффициент качества, тем большие будут значения у элементов последней матрицы. Далее каждый элемент матрицы амплитуд делится на соответствующий элемент матрицы квантования. Полученные в итоговой матрице значения округляются до ближайшего целого числа. В результате таких операций в правой нижней части итоговой матрицы будет тем больше нулевых элементов, чем ниже заданный пользователем коэффициент качества. Затем программа сжатия кодирует элементы последней матрицы, начиная от левого верхнего по строке до правого нижнего одним из методов кодирования без потерь, причем чем больше нулей в последней матрице, тем меньше окажется информационный объем сжатого файла. Величина коэффициента сжатия для этого метода изменяется в пределах от 10 до 100 в зависимости от заданного значения коэффициента качества.
Декодирование сжатого описанным методом файла изображения начинается с шага обратного преобразования без потерь, в результате чего восстанавливается заключительная матрица, в которой содержится ряд нулевых элементов в правой нижней части. Затем значения элементов этой матрицы домножаются на элементы матрицы квантования, хранимой в самом сжатом файле. В результате получим восстановленную матрицу амплитуд пространственного спектра, значения которой отличаются отэлемен-тов исходной (они округлялись до целого значения в процессе сжатия с потерями), что и определяет отличия восстановленного изображения от исходного. Далее применяется обратное косинусное преобразование, в результате чего получим восстановленную матрицу значений пикселов, размер которой по-прежнему 8x8.
В результате потери высокочастотных составляющих восстановленное изображение будет выглядеть более блеклым и размытым по сравнению с исходным.
Далее остановимся на основных форматах графических файлов. Самым универсальным графическим форматом является TIFF, разработанный известной в компьютерном мире фирмой




пригодность для различных платформ, т. е. формат является платформно-независимым;
малый размер файлов благодаря использованию мощного алгоритма сжатия без потерь.
Изображение записывается в этом формате с использованием RGB-цветовой модели и данных встроенной в файл палитры индексированных цветов.
К сожалению, серьезным ограничением для этого формата является ограниченная глубина цвета, не превышающая 8 бит на пиксел. Важное достоинство этого формата состоит в том, что он позволяет хранить в одном файле несколько изображений. Современная версия GIF89a решила проблему обработки таких изображений, размещенных в одном файле, с помощью дополнительно включенного в файл блока управления графикой. Этот блок позволяет программе просмотра организовать взаимодействие каждого последующего изображения с текущим, что и обеспечило создание широко распространенных анимационных GIF-файлов.
Графические данные в этом формате могут храниться как последовательно, строка за строкой, так и в формате, чередующем строки. В последнем случае рисунок первоначально строится на основе 1/8 части от общего описания, а в дальнейшем изображение «прорисовывается» все четче и четче.
Растровый формате глубиной представления цвета до 48 битс использованием той же RGB-модели создан специальной группой разработчиков и получил название PNG (Portable Network Graphic - переносимый сетевой формат), что произносят как «пинг». Формат PNG изначально планировался как замена формату GIF, но с улучшенными возможностями представления цвета. Он, как и GIF, поддерживает чередование строк и ускоренную начальную загрузку файла. В нем используется улучшенный алгоритм сжатия информации. Кроме того, в формате поддерживается режим полупрозрачных корректирующих слоев, аналогичный используемым в векторном AI и растровом PSD форматах графических пакетов фирмы Adobe. Единственное ограничение формата PNG по сравнению с GIF состоит в невозможности хранения в одном файле нескольких изображений и, вследствие этого, отсутствии анимационных возможностей.
Рассмотренные выше графические форматы содержали внутреннюю компрессию без потерь информации. Еще один формат, который относят к числу самых употребительных, характеризуется регулируемой величиной сжатия в зависимости от допустимой потери качества изображения. Этот

Этот формат также растровый с глубиной цвета, равной 24 битам. Преимущественно используется цветовая модель HSL (Hue-Saturation-Lightness, или Оттенок-Насыщенность-Яркость). Алгоритм сжатия, используемый в таких файлах, носит название «алгоритм сжатия JPEG». Он был описан ранее в этом же разделе в качестве примера технологии сжатия с потерями в графических файлах. Различные его варианты использованы также при организации сжатия видеоданных (см. § 3.5).
Графические программы, которые позволяют хранить данные в этом формате, обычно выводятспециальную линейку, на которой устанавливается значение параметра качества, изменяющегося в пределах от 0 до 10 (рис. 3.3

Используемый в формате JPEG подход «сжатие с потерями» частично идентифицирует и удаляетту информацию, которая несущественна для восприятия изображения. Лишь при сжатии изображения с резко выраженными контурами линии начинают «дрожать». При высоких значениях коэффициента качества изображения этот эффект не проявляется. Возможно, в дальнейшем появится вариант формата с избирательной установкой коэффициента качества для различных фрагментов изображения, что позволит достигнуть высокого качества при очень высоких коэффициентах сжатия.
В заключение этого раздела укажем последовательность графических форматов в порядке убывания их популярности (или частоты применения) для электронных изданий и документов: GIF, JPEG, PNG, TIFF.
3.4.
Форматы представления текстовых блоков электронного издания
Еще несколько лет тому назад ответ на поставленный в заголовке данного параграфа вопрос был предельно прост: текстовые блоки должны быть в



В широко распространенном в нашей стране текстовом редакторе Microsoft Word, начиная с версии 1997 г., предусмотрена возможность включения в состав документа не только анимации в формате GIF, но также и видеофильма в формате QuickTime, видеоклипа в формате AVI, клипа мультимедиа. На рис. 3.2

Таким образом, наряду с форматом HTML и PDF (последний, строго говоря, хранит текст в графическом формате), текстовые блоки электронных изданий могут быть представлены в

В том случае, когда электронное издание не содержит мультимедиа-компонентов, то оно может храниться в формате любого текстового редактора или верстального пакета; единственное дополнительное требование к текстовому редактору состоит в том, что он должен поддерживать графические форматы рисунков, если они включены в текст издания.
Для чисто текстовых изданий ограничений еще меньше. Их можно хранить и распространять в любом текстовом формате, используемом в современных персональных компьютерах. В частности, может использоваться форматТХТ (в том числе «простой текст» или plain text), гораздо более экономичный, чем формат DOC. Для кодирования любого символа такого текста используется всего один байт. Пример такой кодировки представляет

Однако для некоторых восточных языков, например китайского или японского, этот подход неприменим, так как разнообразие символов в этих языках многократно превышает 256 - предельное значение этого параметра в ASCII-стандарте. В последние годы все более прочные позиции приобретает стандарт Unicode, или ISO 10646, т. е. стандарт под номером 10646 Международной организации по стандартизации (International Organization for Standartization). В этом стандарте каждый символ кодируется уже 2 байтами, т. е. предельное разнообразие символов достигает значения 65536. Этот стандарт часто называют стандартом многоязыковой поддержки, так как он позволяет кодировать символы государственных языков всех стран нашей планеты.
Однако в ТХТ-формате электронное издание не удовлетворяет даже самым скромным эстетическим запросам, так как в нем нет возможности использования не только графики, но даже шрифтов различного начертания, заголовков и подзаголовков, примечаний и других элементов, которые в совокупности называют «разметкой текста» (markup).
Из языков разметки текста помимо HTML, рассмотренного в предыдущей главе, наибольшее распространение получили:
TROFF, применяющийся при оформлении документации в рамках операционной системы UNIX и различных ее версий, включая LINUX;
ТЕХ, который широко используется для подготовки изданий с большим количеством математических формул;
SGML (Standart Generic Markup Language).
Исходная программа форматирования электронных документов в системе UNIX называлась ROFF (от Run OFF - тиражирование). TROFF означает Typesetting ROFF, т. е. форматирование текста для принтеров с высоким разрешением и фотонаборных устройств. Хотя область распространения этого языка и поддерживающих его программ постепенно сужается, в США он продолжает использоваться для создания электронных отчетов, которые могут одинаково успешно выводится на терминалах с низким разрешением и распечатываться с полиграфическим качеством.
Система верстки и язык ТЕХ был разработан хорошо известным среди программистов и математиков профессором Дональдом Кнутом для подготовки книг и пособий по математическим дисциплинам. ТЕХ работает на различных аппаратных и программных платформах. Его можно отыскать в сети Интернети бесплатно перенести паевой компьютер. Имеются и коммерческие версии этого продукта, в частности для платформы Macintosh фирмы Apple. Отметим, что помимо математических книг на этом языке издаются различные академические журналы, в том числе и в нашей стране.
Язык SGML реализует принцип логической разметки текста, который позволяет разграничить содержимое издания и его электронное представление. Именно этим принципом руководствовались специалисты фирмы
IBM, создавшие этот язык, который с 1986 г. получил статус международного стандарта. Кстати, HTML был создан именно на основе SGML. Основное достоинство языка SGML состоит в его универсальности независимости от программных средств для его интерпретации. Этот формат может быть конвертирован в форматы TROFF или ТЕХ. Язык изначально создан для производственных нужд, связанных с длительным хранением электронных документов большого объема, таких как описания крупных проектов или их документация.
Большинство из перечисленных текстовых форматов можно встретить в многочисленных «Электронных библиотеках», представленных в сети Интернет, о чем подробнее будет сказано в главе 8. Для ускорения загрузки таких изданий на компьютер пользователя они нередко представлены в архивированном виде, для чего чаще всего используются программы-архиваторы ARJ, ZIP и RAR, работающие в DOS'e, и WINZIP и WINRAR, предназначенные для работы в оболочке Windows.
Специальные языки разметки страниц в будущем будут активно развиваться. Одна из причин этого связана с автоматизацией извлечения информации из подготовленных электронных изданий. Такая операция обязательно производится для облегчения поиска информации, в частности, в сети Интернет. Для изданий, в производстве которых использованы принципы логической разметки и языки разметки страниц, многократно повышается эффективность поиска ключевых слов и выражений, адекватно отражающих содержание этих изданий.
3.3.