Курс лекций Информационные технологии в ИТСС

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

основу был положен формат компрессии H.264/AVC (его еще называют MPEG4 Part 10). Он использует более "продвинутые" и эффективные алгоритмы компрессии, чем рассмотренный нами выше MPEG-2, а значит, говоря проще, позволяет записать на носитель больше видео и в лучшем, нежели MPEG-2 качестве. Что, собственно, нам и требовалось!

Формат позволяет, как проводить анаморфное преобразование 1920->1440, так и не проводить его, работая с разрешением 1920х1080 на протяжении всех этапов кодирования вплоть до записи на носитель. Максимальный видеопоток, предусматриваемый форматом, составляет 24 Мбит/с, что почти соответствует потоку HDV при более совершенных алгоритмах компрессии, а значит, потенциально более высоком качестве.

Пора поговорить и о недостатках. А они состоят в том, что:

во-первых, применение формата MPEG-4 Part 10 для кодирования видео требует очень и очень немалых (даже для сегодняшнего дня) компьютерных ресурсов. В частности, только для просмотра такого видео Sony рекомендует двухъядерный процессор на ядре NetBurst (Pentium 4) с частотой 2.8 ГГц (и 1 Гигом оперативки) или одноядерный Pentium 4 с частотой от 3.6 ГГц и выше. А что уж говорить о редактировании? Тут без Core 2 Duo E6600 и выше не обойтись!

Во-вторых, из-за высокой степени компрессии, которую обеспечивает формат сжатия AVCHD, потери качества видео при рекомпрессии (которая всегда производится в местах вставки титров, переходов, эффектов) будут выше, нежели для формата HDV. Ведь H.264/AVC создавался как формат конечного хранения видео (то есть вы редактируете видео в каком-то другом формате, а потом сохраняете результат в H.264 с однократной компрессией) и, по-хорошему, не предназначен для редактирования.

В-третьих, раз уж мы заговорили о редактировании, то надо сказать, что поддержка формата AVCHD в нормальных видеоредакторах пока менее широка, нежели поддержка формата HDV.

8.5 Мультимедиа-контейнеры

Рассмотрим на пальцах, что представляет собой типичный видеофайл с фильмом.

Во-первых, это видеоряд. Во-вторых, это одна или несколько аудиодорожек. И всё это некоторым образом смешано в одном файле.

Так вот, видео и аудио в общем случае зажато с помощью определённого кодека - этакого архиватора. Таким образом, формат отдельно взятого видео и аудио определяется кодеком. А то, каким именно образом это перемешано определяется контейнером. Существует множество различных кодеков и множество различных контейнеров. Наиболее распространённым на данный момент является контейнер AVI (Audio Video Interleave).

В общем случае при воспроизведении видеофильма используется следующий механизм:

Специальный компонент называемый сплиттер принимает на вход данные из файлаконтейнера. Сплиттер, зная формат контейнера, разделяет аудио и видео потоки. Аудиопоток поступает на вход декодеру аудио. Декодер аудио выполняет декодирова-

91

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ние аудиопотока, после чего декодированный аудиопоток поступает на аудиокарту. Видеопоток поступает на вход декодеру видео, в целом цепочка аналогична аудио.

Таким образом, для успешного воспроизведения видеофайла необходимо иметь следующие компоненты:

•Сплиттер, подходящий для данного контейнера;

•Соответствующий декодер для видео;

•Соответствующий декодер для аудио.

Атеперь давайте рассмотрим вышеописанный механизм воспроизведения видеофайла на примере, рис. 8.11.

Рис. 8.11

Эта картинка называется "DirectShow граф" или просто "граф". А "квадратики", изображённые на графе называются "DirectShow фильтр" или просто "фильтр"

Все три основных компонента перед глазами:

•Сплиттер - AVI Splitter

•Видеодекодер - DivX Decoder Filter

•Аудиодекодер - MPEG Layer 3 Decoder

Самый распространенный сплиттер это сплиттер для AVI-файлов, он входит в состав DirectShow. Именно поэтому обычно не возникает проблем при просмотре AVI-файлов. Однако AVI контейнер имеет ряд серьезных ограничений и недостатков, поэтому в последнее время набирают популярность контейнеры OGM (Ogg Media), MKV (Matroska, рис. 8.12) и MP4.

Рис. 8.12

Помимо стандартного сплиттера от Microsoft, есть ещё несколько различных реализаций AVI-сплиттера. Так как сплиттер отвечает за синхронизацию аудио и видео то некорректный сплиттер может быть одной из причин рассинхронизации.

92

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

Обратимся к примеру "на пальцах". Есть такой формат архивов, называется ZIP. Существует множество архиваторов, которые могут с ним работать. Вы можете сжать архив, используя WinZIP, а распаковать его, используя WinRAR, и всё будет работать. Так вот, в приведённом примере ZIP это спецификация, а WinZip, WinRar, PowerArchiver, 7-zip и.т.д. - реализация.

7-zip жмёт в Zip сильнее, чем WinZIP, однако, полученный в результате zip-файл без проблем распакуется WinZip-ом.

Аналогичный пример работает и для видео/аудиокодеков. Речь пойдёт о семействе

DivX 5.1+, XviD 1.0+, DivX 3, Nero Digital. Реально все эти кодеки реализуют формат MPEG4 Part 2.

8.6 DivX

DivX 3 — это взломанный вариант экспериментальной версии MPEG–4 кодера от Microsoft. Оригинальные версии кодера имели существенное ограничение: они поддерживали только контейнер ASF (Advanced Streaming Format, позже этот формат был переименован в Windows Media). При помощи DivX можно было сжать целый фильм с видео DVD до размеров CD — в таком виде его можно передать через Интернет. С появлением DivX начался бум пиратского копирования видео продукции, в первую очередь кинофильмов и видеоклипов. Это, в свою очередь, повлекло за собой с одной стороны широчайшее распространение DivX кодека, а с другой — бурю протеста, как со стороны Microsoft (по поводу нелегального использования их программы), так и со стороны издателей кинофильмов (особенно усердствует MPAA, Motion Picture Association of America, Американская ассоциация кинопроизводителей). Но самое главное — это было в далёком 1999 году!

За прошедшие годы многое произошло: возникла компания DivX Networks, которая занялась разработкой «лицензионно чистого» программного обеспечения для сжатия видео. Получив немалые инвестиции, в 2000—2001 годах компания организовала проект OpenDivX — разработка MPEG–4 кодера видео с открытыми исходными кодами. Позже, когда DivX Networks собрала коллектив разработчиков и доказала, что всё начато «с чистого листа», исходные коды проекта были закрыты: дальше проект развивался силами компании. На основе тех же исходных кодов OpenDivX возник проект с открытыми исходными кодами XviD, он развивался параллельно с DivX 4— 5. Возникла довольно необычная ситуация: параллельно развивались два проекта, коммерческий и некоммерческий, с закрытыми и открытыми исходными кодами; причём оба являются продолжением OpenDivX. Такая конкуренция способствовала развитию обоих проектов: DivX и XviD сегодня — самые лучшие и распространённые MPEG–4 кодеки видео.

8.7 MP3

MP3 (более точно, MPEG-1 Layer 3 (но не MPEG-3)) — лицензируемый формат файла для хранения аудио-информации.

На данный момент MP3 является самым известным и популярным из распространённых форматов цифрового кодирования звуковой информации с потерями. Он широко используется в файлообменных сетях для оценочной передачи музыкальных произведений. Формат может проигрываться практически в любой популярной операционной

93

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

системе, на практически любом портативном аудио-плеере, а также поддерживается всеми современными моделями музыкальных центров и DVD-плееров.

В формате MP3 используется алгоритм сжатия с потерями, разработанный для существенного уменьшения размера данных, необходимых для воспроизведения записи и обеспечения качества воспроизведения очень близкого к оригинальному (по мнению большинства слушателей), хотя меломаны говорят об ощутимом различии. При создании MP3 со средним битрейтом 128 кбит/с в результате получается файл, размер которого примерно равен 1/10 от оригинального файла с аудио CD. MP3 файлы могут создаваться с высоким или низким битрейтом, который влияет на качество файларезультата. Принцип сжатия заключается в снижении точности некоторых частей звукового потока, что практически неразличимо для слуха большинства людей. Данный метод называют кодированием восприятия. При этом на первом этапе строится диаграмма звука в виде последовательности коротких промежутков времени, затем на ней удаляется информация не различимая человеческим ухом, а оставшаяся информация сохраняется в компактном виде. Данный подход похож на метод сжатия, используемый при сжатии картинок в формат JPEG.

Параметр «битрейт» выражает степень сжатия потока и, тем самым, определяет размер канала, для которого сжат поток данных. Чаще всего битрейт звука и видео измеряют в килобитах в секунду.

В прошлом было распространено мнение, что запись с битрейтом 128 кбит/c подходит для музыкальных произведений, предназначенных для прослушивания большинством людей, обеспечивая качество звучания Audio-CD. В действительности всё намного сложнее. Во-первых, качество полученного MP3 зависит не только от битрейта, но и от кодирующей программы (кодека) (стандарт не устанавливает алгоритм кодирования, только описывает способ представления). Во-вторых, помимо превалирующего режима CBR (Constant Bitrate — постоянный битрейт) (в котором, проще говоря, каждая секунда аудио кодируется одинаковым числом бит) существуют режимы ABR (Average Bitrate — усреднённый битрейт) и VBR (Variable Bitrate — переменный бит-

рейт). В-третьих, граница 128 кбит/c является условной, так как она была «изобретена» в эпоху становления формата, когда качество воспроизведения звуковых плат и компьютерных колонок, как правило, было ниже, чем в настоящее время.

На данный момент наиболее часто встречаются MP3 файлы с битрейтом 192 кбит/c, что может косвенно говорить о том, что большинство считает этот битрейт достаточным. Реально воспринимаемое «качество» зависит от исходного аудиофайла, слушателя и его аудиосистемы. Некоторые меломаны предпочитают сжимать музыку с «максимальным качеством» — 320 кбит/c, либо даже переходить на кодеки без потерь, например FLAC. Также среди меломанов бытует мнение, что некоторые сэмплы (фрагменты аудиозаписи) не поддаются качественному сжатию с потерями: на всех возможных битрейтах не составляет особого труда отличить сжатое аудио от оригинала.

Существует три версии MP3 формата для различных нужд: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-2.5. Отличаются они возможными диапазонами битрейта и частоты дискретизации:

•32—320 кбит/c при частотах дискретизации 32000 Гц, 44100 Гц и 48000 Гц для

MPEG-1 Layer 3;

94

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

•16—160 кбит/c при частотах дискретизации 16000 Гц, 22050 Гц и 24000 Гц для

MPEG-2 Layer 3;

•8—160 кбит/c при частотах дискретизации 8000 Гц и 11025 Гц для MPEG-2.5 Layer 3.

Наиболее распространённые кодеки мр3:

•mp3PRO-codec

•LAME-codec

Технические недостатки. Количество каналов звука ограничено двумя.

Юридические ограничения. Патентом на MP3 владеет компания Alcatel-Lucent, что позволяет ей предъявлять претензии ко всем незаконно использующим её собственность.

8.8 AAC

AAC (Advanced Audio Coding) — собственнический (патентованный) формат аудиофайла с меньшей потерей качества при кодировании, чем MP3 при одинаковых размерах.

Также AAC — это широкополосный алгоритм кодирования аудио, который использует два основных принципа кодирования для сильного уменьшения количества данных, требуемых для передачи высококачественного цифрового аудио. Данный формат является одним из наиболее качественных, использующих сжатие с потерями, поддерживаемый большинством современного оборудования, в том числе портативного.

На 2008 год распространён значительно меньше, чем MP3 и другие альтернативные решения.

AAC (Advanced Audio Coding) изначально создавался как преемник MP3 с улучшенным качеством кодирования. Формат AAC вышел в свет в 1997 как новая, седьмая, часть семейства MPEG-2. Существует также формат AAC, известный как MPEG-4 Часть 3.

Превосходства AAC над MP3:

•До 48 звуковых каналов

•Большая эффективность кодирования как при постоянном, так и при переменном битрейте.

•Частоты дискретизации от 8 Гц до 96 кГц (MP3: 8 Гц — 48 кГц)

•Более гибкий режим Joint stereo.

8.9Вопросы для самоконтроля

1.Что такое частота слияния мельканий?

2.В чем состоит главная проблема при оцифровке видео?

95

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

3.Назовите стандарты аналогового широковещательного телевидения.

4.С какой целью видеокадры делятся на полукадры?

5.Как производится дискретизация аналогового видео?

6.Какие существуют подходы к сжатию цифрового видео?

7.Что такое временное сжатие видео?

8.Что такое пространственное сжатие видео?

9.Назовите достоинства и недостатки MJPЕG.

10.Какие подходы используются в сжатии MPEG?

11.В чем состоит сущность технологии компенсации движения?

12.Для чего используются В-изображения?

13.Что такое последовательность MPEG в порядке потока битов?

14.В чем отличия MPEG-4 от MPEG-2?

15.Какие существуют форматы видео высокого разрешения?

16.Что такое мультимедиа-контейнер?

17.Что такое DivX?

18.Что такое МР3?

19.Что такое ААС?

96

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ЛЕКЦИЯ 9

9 Компьютерные сети: классификация, топологии

В этой главе вы найдете ответы на следующие вопросы:

■Какие возможны типы сетей?

■Что такое эталонная модель OSI?

■Какие существуют сетевые топологии?

■Каковы преимущества и недостатки различных топологий?

Практически сразу после появления ЭВМ возник вопрос о налаживании взаимодействия компьютеров друг с другом, чтобы более эффективно обрабатывать информацию, использовать программные и аппаратные ресурсы. Появились и первые сети, в то время объединявшие только большие ЭВМ в крупных компьютерных центрах. Однако настоящий «сетевой бум» начался после появления персональных компьютеров, быстро ставших доступными широкому кругу пользователей. Компьютеры стали объединять в локальные сети (Рис. 9.1), а локальные сети — соединять друг с другом, подключать к региональным и глобальным сетям. В результате за последние пятнадцать-двадцать лет сотни миллионов компьютероввмиребыли объединены всети, иболеемиллиарда пользователей получили возможностьвзаимодействоватьдругсдругом.

Сеть (Network) — группа компьютеров и/или других устройств, какимлибо способом соединенных для обмена информацией и совместного использования ресурсов.

Ресурсы — программы, файлы данных, а также принтеры и другие, совместно используемые периферийные устройства в сети.

Рис. 9.1 Простейшая сеть: несколько компьютеров и общий принтер

9.1 Классификация компьютерных сетей

Возможно множество различных способов классификации компьютерных сетей. Здесь мы рассмотрим только основные из них.

• Взависимостиотрасстоя-

ниямеждусвязываемыми узламисетиможноразделитьнатриосновныхклас-

са: локальные, региональныеиглобальные(Рис. 9.2).

Рис. 9.2 Классификация сетей по расстоянию между узлами

97

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — небольшая группа компью-

теров, связанных друг с другом и расположенных обычно в пределах одного здания или организации.

Региональная сеть — сеть, соединяющая множество локальных сетей в рамках одного района, города или региона.

Глобальная сеть — сеть, объединяющая компьютеры разных городов, регионов и государств.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многоуровневые иерархии, которые предоставляют мощные средства для обработки огромных массивов данных и доступ к практически неограниченным информационным ресурсам. На рисунке 9.3 приведена одна из возможных иерархий вы-

числительных сетей.

Рис. 9.3 Пример объединения сетей

Локальные вычислительные сети (ЛВС) могут входить в качестве компонентов в состав региональной сети; региональные сети — объединяться в составе глобальной сети; наконец, глобальные сети могут образовывать еще более крупные структуры. Самым большим объединением компьютерных сетей в масштабах планеты на сегодня является — Интернет.

Интересным примером связи локальных и глобальных сетей является виртуальная ча-

стная сеть (Virtual Private Network, VPN).

Так называется сеть организации, получающаяся в результате объединения двух или нескольких территориально разделенных ЛВС с помощью общедоступных каналов глобальных сетей, например, через

Интернет (рис.9.4).

Рис. 9.4 Виртуальная частная сеть — несколько локальных сетей, объединенных через Интернет

• Потипусредыпередачисетиделятсянапроводныеибеспроводные(Рис. 9.5)

98

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

Рис. 9.5 Классификация сетей по типу среды передачи

•По скорости передачи информации сети можно разделить на низко-, средне- и высокоскоростные (Рис. 9.6)

Рис. 9.6 Классификация сетей по скорости передачи информации

•С точки зрения распределения ролей между компьютерами сети бывают одноранговые и клиент-серверные (Рис. 9.7).

Рис. 9.7 Классификация сетей по распределению ролей между компьютерами

Сервер — специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный соответствующим программным обеспечением, централизованно управляющий работой сети и/или предоставляющий другим компьютерам сети свои ресурсы (файлы данных, накопители, принтер и т. д.).

Клиентский компьютер (клиент, рабочая станция) — компьютер рядово-

го пользователя сети, получающий доступ к ресурсам сервера (серверов).

Поскольку понятия одноранговых и клиент-серверных сетей очень важны, рассмотрим их подробнее.

9.1.1 Одноранговые сети

В одноранговой сети (Рис. 9.8) все компьютеры равноправны. Каждый из них может выступать как в роли сервера, т. е. предоставлять файлы и аппаратные ресурсы (нако-

99

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

пители, принтеры и пр.) другим компьютерам, так и в роли клиента, пользующегося ресурсами других компьютеров. Например, если на вашем компьютере установлен принтер, то с его помощью смогут распечатывать свои документы все остальные пользователи сети, а вы, в свою очередь, сможете работать с Интернетом, подключение к которому осуществляется через соседний компьютер.

Рис. 9.8 Пример одноранговой сети

Преимущества и недостатки одноранговых сетей:

	Преимущества		Недостатки
• легкость в установке и настройке;		• необходимость помнить столько паролей,
•	независимость отдельных компьютеров и		сколько имеется разделенных ресурсов
	их ресурсов друг от друга;		(для сетей на основе Windows 95/98), либо
•	возможность для пользователя контроли-		имен и паролей для входа (для сетей на
	ровать ресурсы своего собственного ком-	•	основе Windows NT/2000/XP);
	пьютера;		необходимость производить резервное
•	сравнительно низкая стоимость разверты-		копирование отдельно на каждом компь-
	вания и поддержки;		ютере, чтобы защитить все совместно ис-
•	отсутствие необходимости в дополни-	•	пользуемые данные;
	тельном программном обеспечении (кро-		отсутствиевозможностицентрализованного
	ме операционной системы);		управлениясетьюидоступомкданным;
•	отсутствие необходимости в постоянном	• как результат — низкая общая защищен-
	присутствии администратора сети		ность сети и данных.

Администратор сети — человек, обладающий всеми полномочиями для управления компьютерами, пользователями и ресурсами в сети.

Администрирование сети — решение целого комплекса задач по управлению работой компьютеров, сетевого оборудования и пользователей, защите данных, обеспечению доступа к ресурсам, установке и модернизации системного и прикладного программного обеспечения.

Число компьютеров в одноранговых сетях обычно не превышает 10, отсюда их другое название — рабочая группа. Типичными примерами рабочих групп являются домашние сети или сети небольших офисов.

9.1.2 Сети с выделенным сервером (сети типа «клиент-сервер»)

Как правило, сети создаются в учреждениях или крупных организациях. В таких сетях (Рис. 9.9) выделяются один или несколько компьютеров, называемых серверами, задача которых состоит в быстрой и эффективной обработке большого числа запросов других компьютеров — клиентов.

100