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主讲：夏洪文. 第三章 多媒体接口部件. 本章要点. 声卡及其工作原理 显示卡及其工作原理 视频采集卡 A/D 与 D/A 转换器 调制解调器. 3.1 声卡. 作为多媒体计算机的象征，声卡的历史远不如其他 PC 硬件历史悠久。在还没有发明声卡的时候， PC 游戏是谈不上任何好的声音效果的，只能从 PC 小喇叭里发出单调的提示音。虽然效果不佳，但在当时已经令人非常满意了。直到 ADLIB 声卡的诞生才使人们享受到了真正悦耳的电脑音效。. 3.1 声卡.
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主讲：夏洪文 第三章 多媒体接口部件
本章要点 • 声卡及其工作原理 • 显示卡及其工作原理 • 视频采集卡 • A/D 与D/A转换器 • 调制解调器
3.1 声卡 • 作为多媒体计算机的象征，声卡的历史远不如其他PC硬件历史悠久。在还没有发明声卡的时候，PC游戏是谈不上任何好的声音效果的，只能从PC小喇叭里发出单调的提示音。虽然效果不佳，但在当时已经令人非常满意了。直到ADLIB声卡的诞生才使人们享受到了真正悦耳的电脑音效。
3.1 声卡 • 声卡是处理音频信号的PC插卡，也称音频卡，是多媒体计算机主要的音频信息输入输出设备。它的出现不仅为电脑进入家庭创造了条件，也有力地推动了多媒体计算机技术的发展，并已广泛用于娱乐、教育、查询等方面，是多媒体硬件平台的主要设备之一。
3.1.1 声卡的功能 • 1．音频信号的录制与播放 • 完成音频信号的A／D和D／A变换，将音频信号通过声卡录入计算机，并以文件的形式进行保存。在需要播放时，只需调出相应的声音文件进行播放，就像普通录放机一样。从而使计算机既有图像显示，又有声音输出。音频卡还可以与CD-ROM驱动器相连，实现对CD唱片、VCD、MP3音乐的播放。
3.1.1 声卡的功能 • 2．音频信号编辑与合成 • 编辑与合成就像一部数字音频编辑器，它可以对声音文件进行多种特殊效果处理，包括倒播、增加回音、静噪、淡入和淡出、往返放音、交换声道以及声音由左向右移位或声音由右向左移位等，这些对音乐爱好者都是非常有用的。
3.1.1 声卡的功能 • 3．MIDI接口和音乐合成 • MIDI接口是乐器数字接口的标准，它规定了电子乐器与计算机之间相互数据通信的协议。通过软件，计算机可以直接对外部电子乐器进行控制和操作。音乐合成功能和性能依赖于合成芯片。目前合成器芯片主要是采用调频(FM)方式合成音乐，通常音频卡给出的性能是以这些合成芯片为基础的。有的音频卡带有波形表音乐合成，达到真实乐器效果的CD质量音响，支持32，64，128复音的多音色MIDI通道。
3.1.1 声卡的功能 • 音频卡的另外一些功能是完成与CD-ROM和游戏棒的接口。
3.1.2 声卡工作原理 • 1．数字化音频信号处理 • 声卡的主要的作用之一是对声音信息进行录制与回放，在这个过程中采样的位数和采样的频率决定了声音采集的质量。输入模拟音频信号经A／D转换形成声音格式文件存储，数字化过程中的采样频率可根据用户需求进行选择，一般声音卡均支持双通道立体声信号的采样，可支持的采样频率有：
3.1.2 声卡工作原理 • 2．混音器 • 音频卡上的混音器Mixer可进行多声源混音处理，混音器通过I／O端口（地址和数据端口）可对混音器的各种功能进行可编程设置：
3.1.2 声卡工作原理 • 3．MIDI合成器与接口 • MIDI是一种电子乐器之间以及电子乐器与电脑之间的统一交流协议。MIDI文件是一种描述性的“音乐语言”，它将所要演奏的乐曲信息用字节表述下来。
3.1.2 声卡工作原理 • MIDI接口规范允许MIDI设备之间以协议方式通信。接口规范要求多媒体PC中包括一个内部合成器和标准MIDI接口连接。一台M1DI设备应有一个或几个端口，它们分别称为： • (1)输入口MIDI In： 接收从其他MIDI设备发送来的MIDI信息。 • (2)输出口MIDI Out： 输出本设备产生的MIDI信息。 • (3)转送口MIDI Thru：转送由MIDI输入的MIDI信息。
3.1.3 声卡的声道数 • 声卡所支持的声道数也是技术发展的重要标志，从单声道到最新的环绕立体声。
3.1.3 声卡的声道数 • 1． 单声道与立体声 • 单声道在早期的声卡采用的比较普遍，缺乏对声音的位置定位，而立体声技术则彻底改变了这一状况。声音在录制过程中被分配到两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果。这种技术在音乐欣赏中显得尤为有用，听众可以清晰地分辨出各种乐器来自的方向，从而使音乐更富想象力，更加接近于临场感受。
3.1.3 声卡的声道数 • 2． 四声道环绕 • 立体声虽然满足了人们对左右声道位置感体验的要求，但是随着技术的进一步发展，人们逐渐发现双声道已经越来越不能满足我们的需求。PCI声卡的大宽带带来了许多新的技术，其中发展最为迅速的当数三维音效。
3.1.3 声卡的声道数 • 3．5.1声道 • 5.1声道已广泛运用于各类传统影院和家庭影院中，一些比较知名的声音录制压缩格式，譬如杜比AC-3（Dolby Digital）、DTS等都是以5.1声音系统为技术蓝本的。其实5.1声音系统来源于4.1环绕，不同之处在于它增加了一个中置单元。这个中置单元负责传送低于80Hz的声音信号，在欣赏影片时有利于加强人声，把对话集中在整个声场的中部，以增加整体效果。目前，更强大的7.1系统已经开始出现了。它在5.1的基础上又增加了中左和中右两个发音点，以求达到更加完美的境界。
3.1.4 音效系统的技术参数 • 声卡的多媒体性能如何，主要取决定电路板上的主控芯片的技术性能。下面我们就了解一下电脑声效系统里的新技术。
3.1.4 音效系统的技术参数 • 1、波表合成Wavetabl Synthesis技术 • 波表合成技术就是将每种乐器的声音事先取样，作为音色库保存起来，当电脑需要播放某种声音时，声卡会从音色库中找到对应的音色并按要求的大小强弱程度播放出来。
3.1.4 音效系统的技术参数 • 2、早期的3D效果定位技术Direct Sound 3D • Direct Sound 3D是微软公司提出的3D效果定位技术。它所产生的效果均由CPU通过即时运算产生，需要占有CPU资源，与声卡本身的硬件性能关系不大。
3.1.4 音效系统的技术参数 • 3、真正的3D音效 • 3D音效包含的内容很广，主要有Aureal公司的A3D和Creative公司的EAX技术。 • A3D是AUREAL公司提出的技术，用两个音箱来模拟出3D定位效果。现在A3D已经发展到2代，放弃了以前的模拟方式，使用真正的四声道来加强3D定位效果，所以在音质和临场感上大大进了一步，再加上特殊的声波追踪功能(Wave Tracing)，可以更加真实的实现3D定位。
3.2 显示卡 • 3.2.1 显示卡的功能 • Video Card，图形加速卡，简称显卡，也就是我们通常所说得显示卡。在Windows里又被称作显示适配卡，是连接计算机主机与显示器的接口卡。
3.2.2 显示卡的发展史和工作原理 • 对于早期的电脑来说，CPU和标准的EGA或VGA显示卡加上用于存储图象的帧缓存，就可以完成基本的显示处理功能，但这样的组合只起一种简单的传递作用，仅仅能够满足老式操作系统DOS或者简单视窗文本文件的显示，对于复杂的图形和高质量的图像处理就显得力不从心了，特别是当用户使用Windows操作系统后，CPU已经无暇对众多复杂的图形函数进行处理了，因此最根本的解决方法就是采用图形加速卡。
3.2.3 显示卡的性能参数 • 1、刷新频率 • 刷新频率是指图像在屏幕上更新的速度，也就是屏幕上的图像每秒钟出现的次数，它的单位是Hz。
3.2.3 显示卡的性能参数 • 2、分辨率 • 分辨率指的是在屏幕上所显现出来的像素数目，它由两部分来计算，分别是水平行的点数和垂直行的点数。如果分辨率为800×600，那么说明图像由800个水平点和600个垂直点组成。通常的分辨率模式分为640×480、800×600、1024×768、1280×1024或更高。
3.2.3 显示卡的性能参数 • 3、色深 • 色深是指在某一分辨率下，每一个像点可以用多少种色彩来描述，它的单位是"bit"(位)。色深可以看作一个调色板，它决定屏幕上每个像素由多少种颜色控制。
3.2.3 显示卡的性能参数 • 每—个像素都由红、绿、蓝三种基本颜色组成，像素的亮度也是由它们控制的。当三种颜色都设定为最大值时，像素就呈现为白色，当它们设定为零时，像素就呈现为黑色。通常色深可以设定为4位、8位、主6位、24位或32位真彩色。8位的色深是将所有的颜色分为256(2)种，每一个像点就可以取这256种颜色中的一种来进行描述。色深的位数越高，得到的颜色越多，相应地，屏幕上的图象质量也就越好。
3.2.4 显示卡的3D技术 • 1、顶点着色引擎VertexShader • 3D场景是由成千上万个三角形来形成的，而每一个三角形的顶点在3D场景中都有对应的X、Y、Z轴参数，以往的3D开发人员要在固定的3D模板下进行设计，缺乏真实感。采用顶点着色引擎可以实现顶点的灵活可编程性，使3D的人物和场景造型具有逼真的光影效果，而且进行这样复杂的运算也不需要CPU帮助，因此，大大提高了速度。
3.2.4 显示卡的3D技术 • 2、可编程像素着色引擎Pixel Shader • 完成3D建模之后要进行渲染、着色等步骤，这些工作会消耗很多的系统资源，使用可编程像素着色引擎可以实现实时渲染，大大降低了系统负担并节省了宝贵的系统资源。可编程像素着色引擎禾口顶点着色引擎相互配合会使3D场景的创建和渲染达到很好的效果。
3.2.4 显示卡的3D技术 • 3、TRUFORM技术 • 对于家用3D卡来说，Truform是ATI公司在新款显示卡中发布的一项新技术， Truform技术让3D设计者为更细腻和更真实的效果添加新的材质或者设计新的模型，它可以运用到目前市场上所以的3D游戏当中，通过内建Truform功能的3D显示卡和添加Truform补丁来实现，这样我们就可以享受到更加真实细腻的3D游戏效果。
3.3 视频采集卡 • 视频采集卡是除多媒体终端中除声卡之外应用最为广泛的多媒体I/O设备，其作用是将输入的各种制式的模拟视频信号数字化，并转换成适合计算机处理、储存、传输、显示播放的格式。视频采集卡不仅可以采集视频信息，还可以用来输出静止图像。
3.3 视频采集卡 • 普通模拟视频采集卡只有模／数和数／模变换以及简单的采集功能，其工作原理概述如下：由摄像机、录像机或激光视盘输入的模拟视频信号首先经过A／D变换，送到多制式数字解码器进行解码得到Y、U、V数据，然后由视频窗口控制器对其进行剪裁，改变比例后存人帧存储器。帧存储器的内容在窗口控制器的控制下，与VGA同步信号或视频编码器的同步信号同步，再送到D／A变换器及模拟彩色空间变换矩阵输出R、G、B模拟信号，同时送到数字式视频编码器进行视频编码，最后输出到VGA监视器及电视机或录像机。
3.3 视频采集卡 • 1．A／D变换和数字解码 • 从彩色摄像机、录像机或其他视频信号源得到的彩色全电视信号，首先送到视频模拟输入端口进行A／D变换。视频采集卡一般有三个视频输入端，通过编程可控制视频选择位0和选择位l，选中三个输入端的任一个作为输入。
3.3 视频采集卡 • 2．窗口控制器 • 窗口控制器内部功能大致可分为PC总线接口、视频输入剪裁、变化比例、输出窗口VGA同步、色键控制以及视频帧存储器VRAM读、写、刷新控制。
3.4 A/D 与D/A转换器 • A／D转换器是模拟信号转换成数字信号的部件。多媒体信息获取一般要经过采样、量化和编码等操作处理过程。其中采样是把连续的模拟信号(例如声波)通过模拟开关形成一连串离散的脉冲信号，称为采样信号。量化是把采样信号经量化成数字信号，A／D转换就是量化过程，它把采样后的模拟信号转变成数字量。随后经过编码压缩后输入到计算机内的存储器。
3.5 调制解调器Modem • 调制解调器是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号，而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。
3.5.1调制解调器的工作原理 • Modem，调制解调器，也就是我们说的“猫”。它用来对通信设备所传输的信号进行调制和解调。Modem的功能是接收计算机需要传送的数据，将其转换成电话线能够理解和接受的格式(即模拟信号)，在接收方再将其转换成计算机能够识别的数字格式以便于对方计算机接收。所以，在模拟信道传输数字信号时，Modem是不可缺少的数据传输设备。
3.5.1调制解调器的工作原理 • 调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备(DTE)以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送人发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送人数字终端设备。
3.5.2 调制解调器分类 • 1.按与计算机连接方式分类 • (1）内置式调制解调器 • (2）外置式调制解调器 • (3）USB接口调制解调器
3.5.3 调制解调器的主要性能参数 • (1）调制解调器的技术标准和通信协议 • 过去，调制解调器技术标准包括以U．S．Robotics为代表的X2技术和以Rockwell为代表的K56 Flex 技术。这两种标准难以统一，所以国际电信联盟(ITU)于1998年2月6日在日内瓦会议上确定了56Kbps的标准草案V．90标准，把X2和K56 Flex两者之间的差别通过软件技术进行了统一。
3.5.3 调制解调器的主要性能参数 • (2) 连接速率 • 连接速率通常是指网上的数据下行速率，即从服务器到计算机Modem方向的数据传输速率。它表示从Internet上获得数据速度的快慢，平时我们所说的33．6kbps或56kbps的Modem速度就是指下行速率，相关的还有上行速度和数据吞吐量的概念，它们分别指Modem到服务器和Modem与用户计算机之间的数据传输速率。
3.5.3 调制解调器的主要性能参数 • (3）其它相关问题 • 除了速度外，我们还应考虑Modem的抗干扰能力和安全性。抗干扰能力主要是由其电子线路的设计决定的，好的设计可以减少干扰，提高工作稳定性；安全性则主要是指Modem的防雷性能，主要和防雷措施的好坏有关。
3.6 本章小结 • 本章主要讲述了多媒体计算机主要接口部件：音频卡、视频卡、视频采集卡、A/D和D/A转换器及调制解调器的工作原理、性能参数和使用注意事项。
3.6 本章小结 • (1) 正确地为每个外设或接口板卡设置中断编号、端口地址和DMA数据通道，是使媒体系统能正常工作的重要保障。 • （2）声音卡是多媒体计算机处理音频媒体的一种接口部件。它的功能是获取、录制和播放各类声音，包括语音、音乐、各种声响等。
3.6 本章小结 • （3）显示卡是多媒体计算机处理视频媒体的一种接口部件。它的功能是获取和播放视频图像，包括静态图像和连续动态图像等。 • （4）视频采集卡是除多媒体终端中除声卡之外应用最为广泛的多媒体I/O设备，其作用是将输入的各种制式的模拟视频信号数字化，并转换成适合计算机处理、储存、传输、显示播放的格式。视频采集卡不仅可以采集视频信息，还可以用来输出静止图像。
3.6 本章小结 • （5）触摸屏是一种随着多媒体技术发展而产生的一种新型信息输入输出设备。它以触摸动作来代替按键盘或按鼠标键来选择计算机的操作指令，从而大大方便了计算机用户使用计算机，具有直观、简单等特点。触摸屏将会发展成为多媒体系统中不可缺少的人机交互设备。 • (6) 扫描仪、摄像机和数码相机是多媒体系统输入图形和图像信号的常用的设备。目前前两种设备是常用的主流设备，但从发展的趋势来看，数码相机有成为取代它们成为主要图像输入设备可能。
3.6 本章小结 • (7) 调制解调器Modem是一种计算机通信接口部件。它使联网的计算机之间或者通过电话线(或通信专用线路)连接的计算机之间可以进行收发传真，建立语音信箱，交换数据和传输软件等操作，也是目前未联网的计算机通过电话线上INTERNET网的一种必不可少的设备。 • (8) 购买或组装多媒体计算机时，首先要对它的用途进行定位，然后根据用途来对计算机的硬件进行配置。由于多媒体计算机的部件的多样化及其运行环境对硬件要求的千差万别，所以应根据各个部件的性能特点和使用要求进行合理的选择，硬部件配置的好坏将直接影响到多媒体计算机的功能和性能。
