第三章 多媒体扩展设备

第三章 多媒体扩展设备 教学目的和要求： 1、了解：激光存储系统、触摸屏系统、扫描仪、数码相机、数码摄像机、彩色打印机、图像分样机、多媒体投影仪等多媒体扩展设备的分类、基本技术指标、。 2、掌握：声音卡、音箱、单元音箱、与显示卡的基本技术指标的意义，如何按照视音频处理工作需要选择这些部件。 教学重点和难点： 由于文科专业学生的电子技术，数学、物理方面的基础较为薄弱，因此，各种多媒体扩展设备的技术指标和基本工作原理是本章的教学难点。 教学方法与手段： 本章大部分为理论知识，采用的主要教学方法为讲授法，多媒体手段授课，向学生讲解各种多媒体扩展设备的构成原理和主要技术指标，展示一些多媒体设备的图片和视频。 第一节 扩展设备简介 第二节 触摸屏 第三节 扫描仪 第四节 数码相机 第五节 彩色打印机 第六节 彩色投影仪 第七节 数字摄像机 复习与作业要求： 本章涉及的多媒体扩展设备较多，课后必须认真复习相应的，针对本章教学的难点较多，复习和作业的重点内容是各种多媒体设备的技术指标和工作原理，有条件的同学可以操作这些设备，对所学的内容加深了解和掌握。 考核知识点： 触摸屏、扫描仪、数码相机、彩色打印机、彩色投影仪、 数字摄像机等多媒体扩展设备的主要技术指标和工作原理。 辅助教学活动： 课后学生通过互联网查阅资料，了解各种多媒体技术设备的发展现状，以购买者的身份去选择多媒体设备，从而更好地了解和掌握、多媒体扩展设备的技术指标和工作原理。 教学过程： 本章学习目标： 通过本章的学习，了解多媒体系统的组成，多媒体硬件设备的种类、原理与使用及简单的维护。 本章： ​ 了解多媒体系统的组成 ​ 了解多媒体系统的硬件输入设备 ​ 了解多媒体系统的硬件输出设备 视频采集卡 视频采集卡是一种视频接口板，其作用是将摄像机、录像机等设备与计算机连接起来，对视频信号进行采集。 视频采集过程就是将其他数据源（如电视机，模拟录像机、VCD机、数字摄像机等）输出的视频数据或者视频音频的混合数据导入计算机，并转换成计算机可辨别的数据，成为可以编辑处理的数字信号。 根据不同的应用、不同的适用环境和不同的技术指标，目前有多种规格的视频采集卡。按采集的图像质量指标不同，视频采集卡可分为广播级视频采集卡、专业级视频采集卡、民用级视频采集卡3种。 图3-1-6 视频采集卡 从视频采集卡的性能参数，可以归纳出以计算机为硬件环境的视频采集卡的主要功能和技术指标： 1、接口：视频采集卡的接口包括视频与PC机的接口和与视频设备的接口。目前计算机视频采集卡通常采用32位的PCI总线接口，它插到计算机机主板的扩展槽中，以实现采集卡与计算机的通讯与数据传输。采集卡至少要具有一个复合视频接口（Video In）以便与模拟视频设备相连。需要注意的是视频采集卡一般不具备音频输入接口，不能用视频采集卡直接采集电视射频信号，同时也不能直接采集到模拟视频中的伴音信号。要采集伴音，计算机需要装有声卡，视频采集卡通过计算机声卡获取数字化的伴音并把伴音与采集到的数字视频同步到一起。一般的采集卡都支持PAL和NTSC两种电视制式。 2、功能：在计算机上通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频序列。大多数视频采集卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后才通过PCI接口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的计算机视频采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高档一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG-1格式的文件。 摄像机和计算机的连接，有模拟视频线连接和1394数码线连接两种。模拟视频线连接就是通过摄像机的复合视频输出口与采集卡的视频输入口连接，将模拟视频信号输入采集卡，再由采集卡将模拟信号转化为数字信号。1394数码线连接则是采用最新的IEEE1394外部串行总线标准，直接将数码摄像机的数字视频信号输入计算机，由于这种传输是纯数码传输，不存在模数信号转换过程，因此采集到的视频信号没有任何衰减，采集速度也很快。随着数码摄像机的普及，通过1394数码线连接来采集数字视频信号也越来越广泛。 观察1394连接线，可以发现线的两端接口不同，一端是6针与安装在计算机上的视频采集卡连接，一端是4针与数码摄像机连接，如图图3-1-7所示。 图3-1-7 连接线头 3、操作步骤： 启动电脑，打开相应的采集软件，一般可采用以下几个步骤： ① 建立新文件：因为采集下来是AVI格式的视频文件，占用的空间比较大，所以新文件应该建立在空间比较大的硬盘。 ② 采集素材：把需要的素材采集到电脑的硬盘，这时候在电脑就可以控制摄像机的动作了，例如：放像、停止、倒带、进带等。 ③ 编辑素材：采集下来的素材可能有些不要的画面或片段，可以把它切掉，把素材重新按照需要的次序排列，可以实现很多的变化。 ④ 节目保存：这时候可以选择生成一个新的文件，新文件就是你做出来的节目。存储为AVI格式的文件，可以回录到摄像机的磁带上。存储为MPEG格式的文件，可以刻在光盘上。 4.1.3 光盘存储器 在多媒体计算机中，由于所处理的图像与视频其容量极大，采用光盘作为一种新兴的、较为理想的信息存储手段，光盘存储技术在计算机外部存储设备应用上得到了飞速的发展。它已向磁盘存储技术提出挑战，在许多新的应用领域展示了强大的生命力。虽然在存取时间和数据传输率这两个性能上还不及硬盘，但其价格低廉，使用方便，因此应用十分广泛。 光盘存储系统由光盘片和光盘驱动器组成。它具有以下特点： （一）光盘 CD(Compact Disc)称之为光盘。它是通过光学方式来和读取二进制信息的。20世纪70年代初，人们发现激光经聚焦后可获得直径小于1μm（10-6m）的光束。利用这一特性，Philips公司开始了激光记录和重放信息的研究。到20世纪80年代初，成功开发了数字光盘音响系统。随着多媒体技术的发展，以前只能在模拟存储设备上记录的视频及音频信号，可以经过数据化，以数字形式存储在计算机的存储器中。 1、光盘的主要特点： ① 记录密度高、存储容量大 一张标准（12cm）CD-ROM光盘容量可达650Mb，相当于470张软盘。小盘（8cm） CD-ROM容量可达200MB。DVD格式的光盘容量可达4.7G。 ② 采用非接触方式读/写信息 在读取光盘信息时，光盘与光学读/写头不互相接触。这样的读/写方式当然就不会使盘面磨损、划伤，也不会损害光头。此外，光盘的记录层上附有透明的保护层，记录层上不会产生伤痕和灰尘。光盘外表面上的灰尘颗粒与划伤，对记录信息的影响很小。 ③ 信息保存时间长 对于只读型光盘，不必担心文件会被误删除，也不必担心在使用时会感染病毒。如果使用与保存得当，一张光盘上的信息可保存长达几十年甚至更长。 ④ 多种媒体的融合 光盘可以同时存储文字、图形、图像、声音等信息媒体。以光盘为介质的各种电子出版物目前已十分普及，它的内容图文并茂，大大地增加了读者的阅读兴趣，而且还易于将信息按相关性进行组织以方便用户使用。 ⑤ 价格低廉 与磁带、磁盘相比，光盘是目前计算机数据最便宜的存储介质。 2、光盘的标准： 由于光盘能存储不同类型的数据，包括音频和视频数据、计算机软件程序等，而这些数据的组织方式各有不同，由此制定了一些国际标准，以适应多媒体的各种应用。标准对各类光盘的物理尺寸、编码方式、数据记录方式以及数据文件的组织方式都有详细的规定。目前主要的光盘标准及产品有：CD-DA、CDROM、CD-R、Photo-CD、VCD、DVD等 图3-1-8 光盘技术发展过程中的主要产品 ① CD-DA标准 CD-DA(Compact Disc-Dietal Audio)称之为数字式激光唱盘或CD唱盘。1982年Sony和Philips公司合作开发了数字光盘音响系统并制定CD唱盘标准。因为该标准出版时采用了红色封面，因而也称为红皮书标准。CD唱盘是CD家族的第一个成员，其标准是以后各种新的CD标准的基础。CD-DA的应用领域是用于存储数字化的高保真立体声音乐。 ②CD-ROM标准 该标准从CD-DA发展而来,自从数字唱盘问世以来，人们很容易联想到使用光盘存储计算机处理的数据。1985年，Philips和Sony公司联合推出CD-ROM的光盘规范，又称黄皮书标准。 该标准使得光盘以统一的格式存储只读的信息，作为PC机的通用只读存储器来存储计算机数据。CD-ROM是在CD-DA之后产生的,尽管两者之间有许多相似之处，但是它们有一个根本的区别：音频CD只能存放音乐，而CD-ROM可以存放文本、图形、声音、视频及动画。 CD-ROM可以播放CD上的音乐，但如果将一张CDROM盘片插入CD播放机中，则只能听到嘈杂的响声。 ③CD-R标准 CD-R(Compact Disk Recordable即可记录光盘)是一种可刻录多次的光盘。基于橙皮书的CD-R空白光盘实际上没有记录任何信息，一旦按照某种文件格式并通过刻写程序和设备，可以将需要长期保存的数据写人空白的CD-R盘片上，这时的CD-R光盘就可以变成基于红皮书、绿皮书和黄皮书的格式。 ④VCD标准 激光视盘(LD)和激光唱盘的成功很自然地促使人们产生把数字电视放到CD盘上的想法。Video-CD(简称VCD)是由JVC、Philips等公司于1993年联合制定的数字电视视频技术规格。称之为白皮书。它用来描述光盘上存放采用MPEG-1(活动图像专家组)标准编码的全动态图像及其相应声音数据的光盘格式，是继CD-DA、CD-ROM之后又一个具有很强应用前景的光盘产品。它可以在一张普通的CD光盘上录制全屏幕、全动态的视频与音频数据及相关的处理程序。同激光视盘(LD)相比，它体积小、价格便宜且有很好的音、视频质量和很好的兼容性。 VCD的出现与MPEG-1标准有着密切的关系。 MPEG-1是一个专用于处理活动影像的标准，也是一个与特定应用对象无关的通用标准，从CD-ROM上的交互系统到电信网络和视频网络上的视频信号发送都可以使用。VCD盘片按照MPEG-1标准对音、视频数据进行压缩以后，提高了存储空间的有效利用率，使一张盘片能存放74分钟的活动图像与伴音(如果不压缩，一张盘片只能存放4分钟的节目内容)。 ⑤DVD标准 DVD(Dietal Video Disc，数字视频光盘)是继上述光盘产品之后的新一代光盘存储介质。与以往的光盘存储介质相比，DVD采用波长更短的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方法,具有更高的道密度和位密度,并支持双层双面结构。在与CD大小相同的盘片上，DVD盘片可提供相当于普通CD盘片 8-25倍的存储量以及9倍以上的读取速度。 DVD与新一代音频、视频处理技术(如MPEG2、HDTV)相结合，可提供近乎完美的声音和影像。DVD与计算机结合,可提供新的海量存储介质。正如CD技术带来了音频记录的革命，DVD技术很可能带来视频记录和多媒体技术的革命。 在视频与音频处理上，DVD盘片既不同于大影碟（LD）以及广泛使用的VCD，也不同于未经压缩的普通音乐CD。无论从技术上还是从视听质量上，DVD都达到了最高水准。对视频信号的处理，DVD采用的是MPEG2压缩编码标准。目前的DVD能满足现行电视标准，单面单层的DVD视盘能够存储133分钟的电影，其水平清晰度可达480线，而VCD的水平清晰度仅为250线，我国自主产权的SVCD可过350线，LD影碟也不过430线；因此DVD的画面质量是相当高的。 DVD采用MPEG-2作为视频压缩技术，对视频图像进行冗余量处理，以实现无明显失真的视频图像压缩。与采用MPEG-1的VCD相比，其图像分辨率更高，更清晰。 尽管DVD盘片外形相同，但其格式有些不同，可分为DVD5、DVD9、DVD10、DVD18等几种，详见表3-2所示。 表3-2 格式 DVD5 DVD9 DVD10 DVD18 单面单层 单面双层 双面单层 双面双层 容量 4.7GB 8.5GB 9.4GB 17GB 节目时间 133分钟 242分钟 260分钟 480分钟 3、光盘的类型： 按照数据存储格式和类型,光盘可分为许多不同的类型,并以不同的名称以示区别。因而CD通常是指上面所讲的光盘的总称，如CD-DA、CD-ROM、VCD、DVD等，当按光盘的读写性能来说，可分为3种类型： ① 只读型光盘（CDROM） 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读取上面的数据，而不能写入或修改光盘中的数据。它适用于大量的、通常不需要改变的数据信息存储,如各类电子出版物、大型软件的载体。 最常见的只读光盘为CDROM光盘。当然，CD-DA、VCD、DVD等也都属于只读式光盘。 ②多次可写光盘（CDR） 这种光盘允许用户一次或多次写入数据，并可随时往盘上追加数据，直到盘满为止。信息写入后则变成只读状态，不可再作修改（即不可擦写），主要用于重要数据的长期保存。目前广泛应用的CD-R就属于这类光盘。 目前的CD-R都支持多次写入，而且可以在CDROM驱动器上读出所有逐步累加刻入的任何数据。 目前市面上的空白光盘有绿盘、金盘和蓝盘三种类型,它们的主要区别在于使用了3种不同颜色的有机染料,从而呈现出不同的颜色。从数据记录和读取的原理来看，它们都具有相同的功能，但质量和性能却有较大的差别。 (1) 绿盘。绿盘是最早开发生产出来的CD光盘，由于CD光盘的标准是基于花青染料，根据记录灵敏度、记录阙值和反射率等记录特性制定的，所有的刻录机均按照橙皮书规格进行设计生产，因此绿盘对刻录机的兼容性较强。绿盘的记录灵敏度很高，它具有较低的写入功率和较宽的波动范围，各种刻录机都能在记录层快速形成可靠的信息凹坑。但是，绿盘对强光过于敏感，如在夏日阳光的曝晒下，花青染料会发生理化变化而使光盘失效。为了降低绿盘对强光的敏感性，一些CD绿盘生产厂家在花青染料中加入了不易感光的材料，结果使花青染料的颜色变淡，盘的颜色与金盘接近，这种CD光盘被称为金绿盘。 (2) 蓝盘。为了降低绿盘和金盘的成本，三菱化学公司开发生产出了一种金属化的AZO有机染料，并使用成本较低的银做反射层涂料。AZO本身为深蓝色，与反射层的银白色混合后，使CD-R光盘的记录面呈蓝色，因此被称为蓝盘。 (3) 金盘。针对花青染料对强光敏感的缺点，三井公司又开发出了酞花青染料。献花青染料本身呈淡黄色，与反射层的金色混合后使光盘的记录面呈现金黄色，因此这种光盘被称为金盘。酞花青染料具有较高的稳定性，对室内和室外强光均不敏感。但金盘对刻录机的写入激光功率要求较高。金盘的使用寿命最长，超过100年，适于可靠地长期保存数据。 ③可擦写光盘（CDRW） 这种光盘具有和磁盘一样的可擦写性,可多次写入或修改光盘上的数据,更适合作为计算机的新型标准外存设备，目前有相变(phase-change)和磁光(magneto-optical)两种类型。 相变型光盘(PCD)采用晶体一非晶体作为材料,多数为蹄合金。在激光束的热力作用下，其状态由非晶体状态转变为晶体状态，同时,也可以由晶体状态转变为非晶体状态。这种结晶态的互换，就形成信息的写入和擦除。 磁光型光盘(MOD)主要是由各种易于在垂直于表面方向磁化的介质制成。铁磁性介质在外磁场的作用下可具有一定的方向性，这种方向性在激光束的热力作用下可发生翻转，这种翻转构成其可擦除性，擦写次数可达百万次以上。由于磁光型光盘在进行数据擦除和写入时需要激光和外磁场共同作用，因此也简称磁光盘。 （二）光盘驱动器 光盘驱动器是多媒体计算机中一个重要的设备。它为大规模的数据存储提供了可能。光盘驱动器与光盘组成光盘存储器。 图3-1-9 光盘驱动器的外形 1、安装使用 CD-ROM驱动器的安装十分方便，先进行硬件安装后，再连接电源插头与信号排线。其面板操作按键功能如图3-1-9所示。 图3-1-10 光盘驱动器的前视与后视图 早期的光盘驱动器需要安装附带的驱动程序。而现在，在Windows操作系统下，都不必安装驱动程序，就可以使用。 2、CD-ROM驱动器的指标 ① 访问时间 访问时间是指从驱动器找到文件并开始从盘中读入数据所需的平均时间。访问时间反映了光驱对读人数据请求的快慢。一般来讲，对CD-ROM的平均访问时间比硬盘要长。加快CD-ROM访问时间的方法之一是提高光驱中马达旋转的速度，所以出现了各种倍速的光驱产品。其次是采用“磁盘高速缓存”技术，可明显缩短访问时间。第三种方法是采用更快的CDROM接口标准。 ②数据传输率 数据传输率的物理意义是指每秒钟向计算机传送的数据量(位)。 CDROM驱动器实际的传输率不仅取决于驱动器速度，还取决于CD格式及操作软件。 ③驱动器接口标准 接口标准指的是CD-ROM驱动器与主机连接线的定义标准。常见有专用接口、IDE接口和SCSI接口标准。 ④缓冲存储器 缓冲存储器又称“cache”，是在光驱中内置的RAM存储器，它用来暂存CDROM中读出的数据，以便能够保持一个恒定的数据传输率向主机传送数据，现在一般光盘驱动器中都有2M。 ⑤容错性 指CD-ROM驱动器在读坏盘（差盘）时的纠错能力。 ⑥内置式与外置式 内置式光盘驱动器是安装在计算机机箱内部，就像软盘驱动器一样，只需要一个5.25英寸磁盘驱动器支架，并且用排线与计算机系统相连接。 外置式光盘驱动器是在计算机机箱外部的一个小盒子，需要外接电源供电，并且需要使用SCSI或USB接口与计算机相连。 感光器是数码相机的核心，也是最关键的部件。它是一个感光器件，相当于传统光学相机的胶卷。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是感光器件的色彩深度。 2、最大像素与有效像素 所谓的最大像素（Maximum Pixels）是经过插值运算后获得的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要增加的像素。插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。 有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最大像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。 3、最高分辨率与图像分辨率 数码相机能够拍摄最大图片的面积，就是这台数码相机的最高分辨率。图像分辨率为数码相机可选择的成像大小及尺寸，单位为dpi。常见的有640 x 480；1024 x 768；1600 x 1200；2048 x 1536。 4、光学变焦与数码变焦 数码相机的光学变焦是依靠光学镜头结构来实现变焦。其光学变焦方式与传统光学相机相同，就是通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远。数字变焦也称为数码变焦（Digital Zoom），数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。这种方法如同用图像处理软件把图片的显示面积放大，只不过程序在数码相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素使用“插值”处理手段来放大，将CCD影像感应器上的像素用插值算法将画面放大到整个画面，没有很大的实用价值。 （三）结构 数码相机在市场上有很多的种类与品牌，常见的品牌有：索尼SONY、佳能Canon、奥林巴斯Olymplus、联想、方正等，这里以较为常见的SONY的P系列数码相机为列来进行介绍，以下是SONY DSC-P10数码相机的各部分示意图。 1、认识数码相机的结构： 图4－2-3　　sony dsc-P7数码相机正面图 其中，各个部分为⑴电源开关，⑵电源指示灯，⑶快门，⑷腕带按钮，⑸闪光灯，⑹扬声器，⑺取景器，⑻自拍器，⑼话筒，⑽镜头，⑾三脚架插孔。 图3-2-4　　sony dsc-P7数码相机正面图 其中，各个部分为⑴功能控制按钮，⑵取景器，⑶LCD屏幕，⑷DSP/LCD开关按钮，⑸电源输入插孔，⑹菜单按钮，⑺USE接口，⑻模式接钮，⑼变焦按钮，⑽电池与记忆棒盖，⑾视频输出插孔 2、认识移动存储卡: 移动存储卡作为数码相机等设备的必需附件，在购买相机及使用相机时都是比较重要的，但选择由于技术标准不同，在市场上存在着各种不同的厂商与产品，常见的有以下几种： ① CF CF(CompactFlash)卡是存储卡市场的最早的产品，由Sandisk公司于1994年推出第一套标准。如今，以Sandisk及柯达、佳能、尼康、奥林巴斯等影像巨头为核心组成的CF卡标准组织现有成员约250家，涵盖了几乎所有数码相机生产厂商，使用CF卡的数码相机产品已经超过300款，CF卡还被PDA、掌上游戏机、MP3播放器等便携设备所采用。 CF卡的数据吞吐为并行方式工作，目前最快的CF卡大概可以达到5MB/秒读和4MB/秒写的速度，同时具有良好的兼容性、扩展性与开放性，在专业数码相机与高端非专业数码相机上的应用不但已经占据了主流，而且在可以预见的将来无可替代。其价格也是市场上各种闪存器件中同等容量价格最低的产品。 ② SM卡 SM又名聪明卡(SmartMedia)，最早是由Toshiba（东芝）公司推出的，被奥林巴斯、富士等公司用作其数码相机的存储器件。它仅仅是将存储芯片封装起来，自身不包含控制电路，所有的读写操作安全依赖于使用它的设备。 尽管由于结构简单可以做得很薄，在便携性方面优于CF卡，但兼容性差。 ③ MMC卡 多媒体卡(MultiMediaCard)是由Sandisk和西门子于1997年联手推出的，它身材娇小，面积仅为24mm x 32mm，厚度仅1。4 mm，因此在MP3、手机、GPS全球定位系统、掌上电脑等等，都可以使用。 　 　 图3-2-5　　CF卡、SM卡和MMC卡 ④ SD卡 在各种存储卡标准中，SD卡的风头最为强劲。SD卡由东芝与松下联合推出，从很多角度看，SD卡都可看作MMC的升级。SD卡和MMC外形极为相似，大小一样，只是SD卡略厚一些。 SD卡的全称Secure Digital Card直译成汉语就是“安全数字卡”，SD之所以成为SD就是因为引入了数据保密机制，它将DVD的保密技术移植到闪存设备中来，数据加密存储，有利于保护数据安全和知识产权。 ⑤ 记忆棒 记忆棒被索尼公司专用存储设备，主要用于索尼公司的数码相机、MP3播放器、数码摄像机、电子玩具、PDA等。 索尼的记忆棒的有很多优点分别是：第一，完美的外形和体积，与方方正正的CF卡比起来的确如此，但和小妹妹MMC、SD比起来，就显得不够秀气了，于是索尼又匆匆推出了减肥版的Memory Stick Duo，但两者并不能直接兼容，需要插一个转接棒。 ： 作业：