Информатика. Лекции. Краткая история компьютерной техники Первые компьютеры: Z3, Colossus, eniac
| Вид материала | Лекции |
- Лекция Развитие компьютерной техники, 430.69kb.
- 1. Что такое информатика?, 205.32kb.
- Положение о проведении Всероссийского игрового конкурса «Кит компьютеры, информатика,, 59.05kb.
- Учебной дисциплины «Компьютерная графика» для направления 010400 «Прикладная математика, 36.03kb.
- Урок подготавливается и проводится учителем информатики совместно с учителем предметником, 138.11kb.
- Врассказе «Краткая история парикмахерского дела», 191.64kb.
- Передача информации между компьютерами существует, наверное, с самого момента возникновения, 65.58kb.
- Характеристика предмета «Радиоприемные устройства», взаимосвязь с другими, 3189.29kb.
- Реферат по информатике История вычислительной техники, 158.06kb.
- Общие принципы построения вычислительных сетей, 1480.56kb.
Многоканальный звук в киноВпервые многоканальное представление звука было использовано в 1941 году, когда вышел фильм студии Дисней "Fantasia". От моно звука создатели картины перешли сразу к трем каналам: левому, правому и центральному. А получившийся формат записи был назван "Fantasound". Однако, Вторая Мировая война временно приостановила развитие многоканального звука, и только в середине 50-х годов появились новые коммерчески успешные форматы окружающего звука. Форматы с магнитной записью звука на пленку просуществовали до середины 70-х годов, когда на сцену вышла фирма Dolby. В 1974 году была представлена технология Dolby Stereo, использующаяся в большинстве фильмов и поныне. Взамен магнитных звуковых дорожек, которые довольно сильно шумели и со временем изнашивались, фирма Dolby предложила использовать оптическую дорожку, на которую «точками» (пикселями) записывалась звуковая информация, но уже с двумя каналами звука. Эти две дорожки расположены там же, где и старая монодорожка (которую продолжали использовать для совместимости со старыми кинопроекторами). Поэтому фонограмма могла быть считана любым киноаппаратом если не в стерео, то хотя бы в моноварианте. А в 1992 году на премьере фильма Batman Returns («Бэтмен возвращается») был представлен уже цифровой формат Dolby SR-D. Это формат шестиканального звука, а точнее формат 5.1, так как после 70-х годов в обозначении формата канал Low Frequency Effects из-за ограниченного частотного диапазона (не выше 300 Гц, обычно до 125 Гц) принято стало писать через точку. В настоящее время этот формат является самым распространенным (в том числе и в домашних кинотеатрах). Широкой публике он больше известен под торговой маркой Dolby Digital, профессионалы же от кинопроизводства обычно называют его SR-D. Запись звука в Dolby Digital Цифровой формат Dolby SR-D был представлен публике в 1992 году на премьере фильма Batman Returns («Бэтмен возвращается»). Широкой публике он больше известен под торговой маркой Dolby Digital. Звук в Dolby Digital записывается в пространство между перфорациями при помощи «точек» (пикселей). Место для аналоговой дорожки (с Dolby Stereo или SR) сохраняется. Она выполняет роль резервной, и на нее переключается воспроизведение, если возникают проблемы с цифровой дорожкой. Совмещение цифровой и аналоговой записи звука на одной пленке позволяет использовать одну и ту же копию фильма как в цифровых, так и в аналоговых кинотеатрах (вплоть до моно). Кроме того, не требуется специальной пленки, так как пикселы в Dolby Digital довольно большие и легко воспроизводятся на обычной кинопленке Fuji, Kodak или Agfa. Из-за большой величины пикселей и малого пространства между перфорациями поток данных, который удается туда «поместить», сравнительно небольшой — 320 Кбит/с (напомним, что поток данных с обычного музыкального компакт-диска составляет более 1400 Кбит/с). Поэтому для размещения в этом тесном цифровом пространстве шести (а точнее 5.1) каналов компания Dolby применила сжатие звуковых данных с помощью алгоритма AC-3. Система сжатия AC-3 обладает высокой эффективностью (коэффициент сжатия, использующийся в кинопроизводстве, составляет почти 13:1) при минимальных потерях в качестве звучания. Однако, стоит иметь в виду, что алгоритмы и психоакустические модели AC-3 разрабатывались именно для кинозвука и не предназначены для чисто музыкальных фонограмм, что подтверждает и сама фирма Dolby. Погрешности, вносимые процессом кодирования, малозаметны при демонстрации фильма, в то же время в музыке они становятся слышны и иногда неприятны (это в особенности касается тех случаев, когда кодер применяет технику объединения высоких частот). История звука в компьютере Звук в компьютере Теперь, когда мы разобрались с историей компьютеров, можно наконец-то вернуться к главному вопросу нашей статьи — истории звука в компьютере. Естественно, что первым звуковым устройством компьютера стал PC Speaker, возможно близко знакомый многим из читателей. Даже сейчас все компьютеры оснащаются таким Speaker’ом, который, правда, в основном используется в диагностических целях, чтобы оповестить нас о процессе загрузки компьютера и возможных неполадках в ее ходе. Еще в компьютере Apple II (в оригинальном написании Apple ][), в качестве монитора к которому подключался цветной телевизор, динамик телевизора использовался фактически по той же схеме, что и обычный PC Speaker. Правда, впервые сам Speaker появился только в первом PC-компьютере. Изначально возможности PC Speaker’а были весьма ограниченными, так как, например, его разрядность составляла всего 1 бит. Тем не менее, пользователи первых компьютеров не собирались мириться с подобным положением вещей. Как результат, разные умельцы научили PC Speaker не только издавать звуки, похожие на музыку, но и проигрывать MIDI, а также WAV файлы, что поистине кажется невозможным. Однако, это факт, подтверждаемый множеством приложений, предназначенных как раз для того, чтобы проигрывать на PC Speaker’е музыкальные файлы различных форматов. Посмотреть подобные приложения можно здесь: ссылка скрыта. Правда, как это часто бывает, помимо программного подхода, существовал еще и подход аппаратный, который заключался в «ручном» изготовлении простейших ЦАП (цифро-аналоговых преобразователей), которые подключались к параллельному порту. Такие устройства в последствии получили название Covox, а многие игры были переизданы с поддержкой Covox’а. Тем не менее, все это не спасло ни Covox, ни PC Speaker в 1987 году, когда появилась первая звуковая карта. Первые звуковые карты Пионером рынка звуковых карт стала не компания Creative, как можно было бы подумать, а AdLib, выпустившая в 1987 году свою 8-битную карта AdLib Sound. Данная карта имела «на борту» 12-канальный MIDI-синтезатор Yamaha OPL2. К сожалению, несмотря на свою широкую распространенность, эта плата была предназначена исключительно для воспроизведения MIDI-музыки, что, видимо, и предрешило ее дальнейшую судьбу. Ведь конкурентом карты AdLib стала карта Creative Labs Sound Blaster, которая уже имела 8-битные ЦАП и АЦП (аналого-цифровой преобразователь), которые работали в режиме псевдостерео. Функциональное превосходство и полная аппаратная совместимость с картой AdLib Sound определили безоговорочного победителя в конкурентной борьбе — карту Sound Blaster. Начало конца было положено в 1989 году. Стоит, правда, отметить, что до фантастического успеха аудио карт фирмы Creative Labs еще должно было пройти некоторое время. Сначала появилась карта Sound Blaster Pro, все еще с 8-битным звуком, но уже поддерживающая частоту сэмплирования 22 кГц, а также полноценное стерео звучание. Эта карта так сильно понравилась компании Microsoft, что та включила ее в свою историческую спецификацию MPC (Multimedia PC) в 1991 году. Значимость этого события в том, что с этого момента без карты Sound Blaster Pro внутри компьютера невозможно получить сертификацию Multimedia PC, а значит компании-сборщики вынуждены обращаться к тогда еще молодой азиатской компании, которая начала свой бурный рост. Только после этого появилась легендарная SB16 или Sound Blaster 16, обеспечивающая дискретизацию аудио с частотой 44 кГц и глубиной 16 бит. Одновременно с этим начался бум дешевых 8-битных карт, совместимых с Sound Blaster Pro. Именно с этого момента словосочетание Sound Blaster стало нарицательным именем для любой звуковой карты. Напоследок остается добавить, что, пожалуй, самым первым специализированным устройством для воспроизведения звука стали не упомянутые уже звуковые карты, а выпущенная в 1982 году карта Tandy, которую, правда, назвать картой можно только с большой натяжкой, ведь это «нечто» имело встроенный динамик, с помощью которого и воспроизводило звуки заданной частоты и громкости. Sound Blaster Clone Во многом успех компании Creative Labs был обусловлен теми же «недочетами», что допустила ранее компания IBM в отношении своих компьютеров. Первые успешные звуковые карты не были защищены патентами, что позволяло сторонним разработчикам выпускать собственные изделия совместимые как на аппаратном, так и программном уровне. Все это вылилось в настоящий бум дешевых “Sound Blaster Pro (compatible)” (совместимых с Sound Blaster Pro) карт, которые получили одно на всех название Sound Blaster Clone. Возникла ситуация, когда все компьютеры назывались IBM PC, а все звуковые карты — Sound Blaster. Однако, в отличие от компании IBM фирма Creative Labs не собиралась мириться с подобным положением вещей. Новая разработка компании Sound Blaster 16 была «покрыта» патентами с ног до головы. Время безнаказанного клонирования закончилось. С этого момента всем конкурентам осталось использовать режим эмуляции Creative Sound Blaster Pro. А распространению нового детища Creative Labs, продажи которого начались в 1994 году, снова посодействовала компания Microsoft. На этот раз уже выпуском специального API (Application Programming Interface — интерфейс программирования приложений), к области звука в котором относилась часть под названием Direct Sound. Одновременно начался и выпуск игр с поддержкой Direct Sound. Однако, если карта не поддерживала этот API на аппаратном или программном уровне, то пользователь вряд ли услышал бы что-то более интересное, чем отрывистые «хрипы». Как нетрудно догадаться, первой картой с поддержкой этого API стала именно Sound Blaster 16. Продолжение истории: FM против WT Как легко понять, карта Sound Blaster 16 стала не только первой картой, поддерживающей стандарт Direct Sound, но и обеспечивающей так всем приевшееся «CD-качество», так как параметры ее звука полностью отвечали первому наиболее широко распространившемуся формату цифрового звука — CD Audio (глубина звука 16 бит и частота дискретизации 44.1 кГц). На долгое время такие характеристики стали стандартом «бытового» компьютерного звука. Лишь сейчас намечается тенденция перехода к более качественному цифровому звучанию, ранее доступному лишь профессиональным пользователям (музыкантам) — глубина звука 24 бита и частота дискретизации не меньше 96 кГц. Однако, даже в это время происходили определенные изменения в технологиях, которые применялись в звуковых картах. Если обратить внимание, то первые миди-синтезаторы, встраиваемые в звуковые карты (например, Yamaha OPL2 и OPL3) работали на основе частотной модуляции (Frequency Modulation или просто FM). Вместе с тем в середине 90-х годов появляется технология таблично-волнового синтеза (от английского Wave Table, или просто WT). Здесь вместо алгоритма для синтезирования звука применяются уже записанные фрагменты звучания реальных инструментов. Существовало несколько реализаций данной технологии, различающихся в том, где хранились записанные звуки инструментов. В одной из них инструменты хранились в памяти самой карты (ROM или Read Only Memory, то есть «памяти только для чтения»). При этом модуль ROM-памяти мог быть как предустановлен на плате, так и подключаться к ней в виде дочерней платы (через специальный разъем или очень редко — через MIDI-порт карты). Примерами карт, использующих только ROM, могут служить Turtle Beach TBS-2000 и Sound Galaxy WaveRider 32 3D. В другой реализации инструменты хранились на жестком диске и подгружались по мере необходимости в RAM (Random Access Memory или память произвольного доступа). Преимуществом такого способа стала возможность использовать банки инструментов, размеры которых превосходили объем памяти звуковой карты. Так, в процессе работы инструменты подгружались в память карты по мере необходимости. Проблема заключалась лишь в длительном времени загрузки инструментов. Эта технология получила название Patch Cache. А примером карт, работающих по принципу Patch Cache, могут быть UltraSound и UltraSound MAX. Существовала и третья, смешанная реализация способа хранения инструментов — банк среднего качество в ROM памяти карты + возможность загружать новые звуки в RAM. Примером такой карты может служить всем известная Sound Blaster AWE32. Новая шина PCI Следующей эпохой эволюции компьютерного звука стало появление новой системной шины PCI. Она не только реализовала очевидную возможность «широкополосного» 32-битного общения звуковой карты с материнской платой, но и значительно увеличила скорость передачи данных. Как результат, для хранения банков звуков стало возможным использовать оперативную память компьютера без какого-либо негативного влияния на скорость загрузки. А значит — увеличить не только количество хранимых звуков, но и их качество. Конечно, в первую очередь все это важно для хранения банков звуков, которые используются при таблично-волновом MIDI-синтезе. Использование оперативной памяти позволяет также снизить и стоимость самой звуковой карты за счет исключения из ее структуры дорогих микросхем памяти. Кроме того, новые PCI-карты были менее требовательны к ресурсам. Во-первых, они позволили освободить процессор от участия в пересылке данных на карту (bus-mastering). Во-вторых, для них требовалось всего одно прерывание (IRQ), в то время как ISA-карты обычно требовали одно-два прерывания и еще один канал памяти (DMA). Добавим ко всему сказанному подоспевшую к моменту появления карт спецификацию PC 99, в которой не было вообще предусмотрено наличие шины ISA ни в виде слотов, ни в «скрытом» виде — как главной магистрали для BIOS, COM, FDD, LPT. И становится очевидным, что переход на PCI был лишь вопросом времени. Правда, при всех своих плюсах оказался у новых карт и маленький минус — отсутствие поддержки старых DOS-игр, для которых приходилось эмулировать одну из ISA-карт, тот же Sound Blaster, например. Все это на первых порах несколько охлаждало пыл любителей компьютерного звука, но не остановило в конечном итоге колесо истории. Нельзя не сказать и несколько слов о компании Creative, являвшейся лидером на рынке ISA-аудиокарт. Появление шины PCI нанесло серьезный удар по компании, так как она не была готова предложить качественный продукт для новой шины. Хотя в лабораториях компании и имелся образец карты с EMU8005 на шине PCI, в Creative не хотели просто перенести старый чип на новую шину. Для лидерства требовался совершенно новый продукт. А в это время конкуренты во всю продавали PCI-аудиокарты, противопоставить которым было нечего. Теряя рынок и прибыль, компания Creative тем не менее решила выждать и посмотреть, что предложат конкуренты, при этом усиленно работая над новейшим аудиопроцессором. Однако, крупных сборщиков компьютеров такая ситуация естественно не могла устроить, так как им нужен был «бренд», аналог “Sound Blaster” для новой шины. Чтобы хоть как-то «заткнуть дыру», образовавшуюся в отсутствие серьезного бренда, Creative решает выпустить на рынок аудиокарту с «чужим» чипом. Для этого была выбрана фирма Ensoniq, в то время нуждавшаяся в средствах, а поэтому поглощенная Creative. Так появились карты Sound Blaster 64 PCI и Sound Blaster 128 PCI. В общем, эти продукты по качеству не уступали картам AWE64, но были гораздо более дешевыми, так как в них отсутствовал полноценный аудиопроцессор, а также имели DirectSound3D-драйверы. Стоит обратить отдельное внимание, что 64 и 128 в названии карт — это не разрядность, а общее количество голосов WT-синтеза. Впрочем, это решение оказалось временным не только теоретически, но и практически. Рынок очень быстро захватили PCI-карты других производителей. В лидеры вышли PCI-карты на чипе Aureal Vortex, производством которых занималась компания Diamond Multimedia (карты Diamond Sonic Impact и Diamond Monster Sound). Low-End сектор рынка дешевых продуктов «забрала» себе ESS, а в области Home Studio лидировала Yamaha с ее XG-MIDI звуковыми картами. Некоторые журналисты даже предрекали падение и закат «ненавистной империи Creative». Возрождение феникса Вместе с тем, Creative и не собиралась никуда «закатываться». Наоборот, компания в это время начала осваивать новые для себя рынки: качественной мультимедийной акустики (начав освоение уже с привычного поглощения компании Cambridge SoundWorks в 1997 году) и DVD-наборов (OEM- приводы и аппаратные MPEG2-видеодекодеры от Matsushita и SigmaDesign). Одновременно с этим не забывали в компании и об основной проблеме — известная ранее марка SoundBlaster уже «не работала», а крупные заказчики (сборщики) уходили к другим производителям. В результате компании Creative пришлось отложить совершенствование внутренних алгоритмов своего нового аудиочипа, выпустив аудиопроцессор со сменным внутренним микрокодом. Более того, сложившуюся ситуацию компании удалось обратить себе на пользу с помощью изящной PR-акции: «Наша уникальная технология позволит преображать звуковую карту только сменив драйвера!». Правда заключалась в том, что новый аудиопроцессор EMU10K1 действительно позволял подобное, лукавство — в том, что полная переработка кода и драйверов весьма хлопотное дело, которое не может происходить часто. Наконец в 1998 году долгожданный выход карты Sound Blaster Live! состоялся, тем самым ознаменовав появление целого нового семейства звуковых карт для шины PCI с новым аудиопроцессором. А краеугольным камнем успеха новой карты Sound Blaster Live! стал чип EMU10K1, который компания Creative не без основания назвала “The EMU10K1 Digital Audio Processor” (Цифровой Аудио Процессор). Live! — живее всех живых После успеха первой карты SB Live! вряд ли кто-то решился бы сказать, что продолжения не будет. И оно, конечно, последовало. Типичными представителями второго поколения карт Live! можно назвать карты Value, Player, Platinum (последнее название следует по аналогии с AWE64 Gold). Улучшения коснулись практически всех аспектов – от технического процесса производства крат и разводки платы, до использования новых разъемов и модулей расширения Live!Drive. Одной из особенностей карты стало появление на задней панели неприметного цифрового выхода под названием Digital Out. Выход этот был трехконтактным, поэтому позволял использовать себя сразу в нескольких режимах:
На карте также имелась перемычка, которая определяла: передавать на центральный контакт информацию с сигналом только для фронтальных колонок или объединенный сигнал «фронт + тыл». Дальнейшее развитие третьего поколения – Sound Blaster Live! 5.1 – происходило за счет избыточности, заложенной в чипе EMU10K. Трехмерный звук Одновременно с бумом PCI-карт, пришедшемся примерно на 1998 год (хотя сама шина и была разработана на 6 лет раньше — в 1992 году), в область компьютерного звука стали проникать новые звуковые технологии, и в первую очередь — трехмерный звук. Развитию трехмерного компьютерного звука способствовало появление технологии EAX (Environmental Audio Extension) — фирменной технологии компании Creative, пришедшей на смену DirectSound3D. EAX — это API для создания звучания окружающей среды, являющееся расширением DirectSound3D производства Microsoft. Оба интерфейса дополняли друг друга, а основной целью EAX была помощь разработчикам игр в создании ощущения реальности происходящего в игре с помощью звука. DirectSound3D позволял управлять позиционированием источников звука и ориентированием слушателя в виртуальном 3D пространстве игры, перемещать в пространстве как источники звука, так и слушателя, а также изменять различные параметры звука, например, характер направленности (источник может распространять более громкий звук в одном направлении) и действие эффекта Допплера (увеличение высоты тональности при приближении источника звука к слушателю и снижение тональности при удалении). EAX расширил его возможности за счет создания мира вокруг источников звука и слушателя — виртуальной звуковой среды окружения. В основе технологии лежало пространственное моделирование влияния окружающей среды на распространение звука. Цифровой сигнальный процессор спецэффектов в режиме реального времени для каждой частоты акустического спектра звука рассчитывал параметры реверберации (отражения) и хоруса (взаимного наложения сигналов). В результате эмулировалось реалистичное трехмерное звучание источника в большинстве типовых сред: концертный зал, арена, жилое помещение, город, пещера, и даже ванная комната. В своем развитии технология претерпела ряд изменений и в настоящее время стремительно совершенствуется. Существенным улучшением технологии стала вышедшая в 2001 году EAX Advanced HD (High Definition). В этой версии компания Creative реализовала множество революционных новшеств: оперирование 64-звуковыми потоками, восемнадцать параметров для настройки звуковых источников, в том числе эффекты местного и изолированного отражения звука. Появились инструменты, с помощью которых стало возможным имитировать приближение или удаление смежных пространств, отличных по акустическим свойствам от комнаты со слушателем — Environment Panning. Разработчики устранили и недостаток, присущий обеим предшественницам третьей версии ЕАХ: мгновенное изменение акустических условий при переходе из одного помещения в другое. Чтобы избежать резких переходов между звуковыми сценами, EAX Advanced HD обрела функцию «морфинга». Был также добавлен эффект эксклюзий, позволяющий воспроизводить звуки, попадающие в помещение через отверстие. Более выразительных пространственных эффектов удалось добиться благодаря средствам контроля ранних ревербераций и отражений для каждого источника звука. Была улучшена еще и дистанционная модель для автоматического управления реверберацией и начальными отражениями в зависимости от положения источников звука относительно персонажа. А инструменты частотной фильтрации отраженного звука дали возможность делать акустику открытых пространств более правдоподобной. В марте 2003 года свет увидела четвертая версия объемного звучания EAX. В ее состав были включены одиннадцать звуковых эффектов студийного качества, открывающие бесконечные возможности перед разработчиками игр. Наиболее значимым новшеством EAX Advanced HD 4.0 стала поддержка многопространственности. Если раньше можно было моделировать акустические условия только в том помещении, где находится слушатель, то теперь появилась возможность имитировать звуковое пространство в четырех смежных помещениях одновременно. В результате звук от каждого источника распространяется как по своему окружению, так и по окружению слушателя. Вторым важным нововведением для разработчиков игр стала возможность использовать целый ряд аппаратных эффектов в реальном времени. Пятая, последняя на сегодняшний день версия EAX Advanced HD 5.0 повысила число звуковых потоков до 128. Технологии позволили добавлять низкочастотные составляющие и обрабатывать каждую из них, используя четыре звуковых эффекта в любых комбинациях. Дополнительные голоса сделали звучание более детальным, усложнили звуки, издаваемые оружием, а также обогатили звуковую окраску местности. Основными добавлениями последней версии EAX стали: |