《多媒体计算机技术：硬件系统篇》

§3.2.1 多媒体系统硬件的基本构成

多媒体系统硬件的基本构成包括主机（个人计算机或工作站），声像输入与输出设备、媒体控制设备和各类功能卡等。如图3-2所示。

图3-2 多媒体系统硬件的基本构成

图中的数字视频、音频输入设备包括：数字录像机、扫描仪、电子照相机、CD-ROM光盘、WORD可重写光盘和磁盘等。

模拟视频输入设备包括：摄像机、录像机、传真机等各种制式（PAL，NTSC，SECAM）的视频信号源等。

模拟音输入设备有：话筒，激光唱盘和MIDI合成器等。

I/O存储系统是指：软磁盘、硬盘、打印机、CD-ROM、WORM、可重写式光盘等。

视频、音频播放设备包括：投影电视、电视机、扬声器、MIDI合成器、立体声耳机等。此外还有交互界面设备，包括：键盘、鼠标、触摸屏等。

上述各类设备均通过相应的接口卡或功能卡与主机相连接。

在多媒体系统硬件设备中，数字录像机可把录制的图像以数字方式保存；扫描仪可把一张静态图像扫描后以数字形式存储，并产生数字化的图像文件；触摸屏是一种定位设备，它通过一定的物理手段，使用户只要用手指直接在屏幕上进行点触，就可以向计算机输入信息，免除了人们对计算机键盘不熟悉的苦恼，有效地提高了人机对话的效率；CD-ROM、WORM和重写光盘是大容量的存储设备，为存储大数据量的图像、声音等多媒体信息提供了方便；MIDI合成器提供了播放电子音乐的能力等，其它设备如显示器、键盘、打印机等大都已为通常的计算机用户所熟悉，在此不赘述。

由此可见，多媒体系统是多种设备、多种媒体的综合。因此要求计算机要具有高速的CPU，大容的内外存储器、高分辨率的显示器、宽带传输总线、视频和音频模拟信号与数字信号相互转换的设备（A/D和D/A转换器）等。

多媒体系统在硬件方面，根据其应用不同，构成的配置可多可少。

§3.2.2 计算机主机

主机是多媒体计算机系统硬件的核心，主机箱内有主板、电源、多功能卡、显示卡、声音卡、视频卡等部件，以及作为I/O存储设备的软盘驱动器、硬盘、光盘驱动器等也在主机箱内。

主机通过机箱背后的插口与一些外部设备相连，如显示器、键盘、鼠标器、打印机、扫描仪、音箱、麦克风等，从而形成一套完整的多媒体计算机硬件系统。

1.主板

主板的元器件集成度很高，多媒体计算机的主要功能都集中于以CPU为代表的一组大规模集成电路芯片上。如国内市场流行的海洋（OCTEK）、大众（LEO）、宏基（ACER）等品牌的主板，以其性能稳定、适应性强、价格合理等诸多优点，成为多媒体兼容机选择的主要品牌。选择主板时主要考虑的技术性能指标如下：

（1）BIOS的兼容性

BIOS（基本输入/输出系统）是固化在主板的EPROM（可擦除可编程只读存储器）芯片上的一段硬件管理程序，它提供了系统中输入/输出设备的低级控制，包括引导测试、系统建立和资源管理等功能。目前486微机上流行的BIOS是Phoehix BIOS、AMIBIOS等，提供了强大的系统配置、芯片设置、能源管理、自动检测IDE硬盘等功能。若BIOS的配置不能与机器配置的设备兼容，那么执行某些程序或增加某些插件卡时会出错。

（2）高速缓冲存储器

高速缓冲存储器（Cache）是用来存储CPU最经常访问的数据和指令。当CPU从存储器中访问数据时，控制器首先检查所需数据是否在高速缓冲存储器中，若在高速缓冲存储器中，则数据会立即传给CPU并得到处理，否则控制器会从主存储器中取数并放在数据总线上，同时传送给高速缓冲存储器，从而使CPU执行速度变慢。CPU内部含有8KB的高速缓冲存储器，为了提高系统的性能，可在主板上增设容量为64KB至256KB的高速缓存器。当主板上增设高速缓冲存储器芯片后，还必须在CMOSSETUP部分，将BIOS特征设置栏的“External Cache”项设定为“Enabled”，才能真正建立起高速缓存区。

（3）内存条插座

许多主板上配有多条30线和72线SIMM标准内存条插座，用于扩充内存容量。多媒体计算机要求内存容量的最低配置为4MB。内存条最好配4M或8M带奇偶校验位的SIMM条，速率可达60ns（纳秒）、70ns或80ns。

（4）CPU升级能力

很多主板可安装同系列的多种CPU，如486DX主板可支持486DX/25、486DX/33、486DX2/50、486DX2/66等，主板能支持的CPU越多，具有的升级能力越好。

（5）总线插槽数量

一般主板应有5至8个扩展插槽，用以安装一些控制卡，如显示卡、多功能卡、声音卡、视频卡、网络卡、防病毒卡等等，从而扩展系统功能，在体积允许的情况下，总线插槽数量越多越好。

（6）总线类型

常见的PC机总线有以下几种：

①ISA（Industry Standard Architecture）总线，又称为工业标准结构总线。其数据传送宽度为16位，频率8MHz，最高数据传输率每秒8MB，是PC机的基本总线。ISA很适合那些不需要很高速度的卡和外部设备，但对于多媒体视频卡等，ISA则显得力不从心。

②EISA（Extended Industry Standard Architecture）总线，又称为扩展工业标准结构总线。是为了适合于32位386CPU，EISA将ISA的数据宽度扩展为32位，频率仍是8MHz，优化了总线时序，最高数据传输率达每秒33MB。

③VL（VESA Local Bus）总线，又称为VESA局部总线标准。当386DX/33出现后，CPU的局部总线速度（33MHz）远远高于ISA或EISA总线速度，CPU访问总线常常处于等待状态。为此，设计人员将CPU局部总线通过一些器件引到外部总线上，从而提高了数据传输率。VL是486微机上最常见的局部总线标准，由视频电子标准协会（VESA）制定，数据宽度为32位，频率为33MHz，最高数据传输率达每秒166MB。目前VL局部总线标准广泛运用于多媒体计算机486DX2/66以下的机器，这样能充分发挥各都件的性能，构成效率最高的微机系统。

④PCI（Peripheral Component Interconnect）总线，又称为外围设备互连总线，是Intel公司推出的局部总线标准。数据宽度为64位，频率66MHz，最高数据传输率每秒528MB。PCI总线具有线性突发传送能力（连续地址读写），存取延迟极小，支持总线主控及同步操作等特点，尤其是其“即插即用（Plug&Play）”功能，只需用户插上PCI卡，系统就自动进行硬件配置，免去了繁琐的跳线和设置，PCI总线主要用于Pentium（奔腾）586微机。

2.显示器及显示卡

在多媒体系统中，显示图形、图像、文本等多媒体信息是由显示卡和显示器来完成的，显示器只是将显示卡输出的信号表现出来，显示内容和显示质量的高低主要由显示卡决定。显示卡标准如表3-1所示。

表3-1 显示卡标准

目前的微机显示系统已很少采用MDA、CGA、EGA标准了，一般均采用VGA和SVGA （扩展的VGA）标准，现行比较流行的TVGA显示卡就是SVGA（Super VGA）显示卡中的一种。SVGA在显示图形时，虽然能够达到比较高的分辨率和比较丰富的色彩，但在显示速度上却非常慢，随着图形的分辨率越高，色彩越丰富，CPU 需要计算和传输的数据量就越大，显示的速度就会越慢。要解决这个问题，就要采用图形用户界面GUI（Graphic User Interface）图形加速技术，即增加显示控制芯片以减少CPU需要计算和传输的数据量，GUI图形加速技术可以将图形显示速度提高3～6倍。

在应用图形加速技术时，除了有带（Ul图形加速功能的显示卡外，还必须加上相应的显示驱动程序，才能发挥出图形显示的高质量和高速度。目前，VL套卡或PCI卡在多媒体计算机上运用很广，它是由显示内存为1MB的真彩卡与多功能卡组成，VL套卡能支持显示器达到其最高分辨率（1024×768）和色彩（16M色）并具有较高的运行速度。此外，它还具有两个IDE硬盘（或一个硬盘一个光驱）接口、三个软驱（含2.88MB）接口、两串一并口、游戏口等。

对显示器则要求外观漂亮、分辨率高、功耗低等。通常微机配置的是14英寸的彩色显示器，也有少量配置了18英寸甚至更大屏幕的。在显示器中，点距、行频、帧频是三个非常重要的参数。

点距通常有0.28mm、0.31mm、0.39mm三种，点距的大小直接影响显示图像的效果，点距越小，说明显像管的聚焦越好，显示的图像就越清晰、漂亮。

行频的同步跟踪范围是显示器适应不同显示模式能力的标志，此范围越大，显示器能适应的显示模式就越多，显示功能就越强。

帧频和场频是指整个画面的刷新频率，一般而言，场频达到70Hz以上，则不会有老式VGA或SVGA在显示图像时容易闪烁的缺点。

3.软盘、硬盘及其控制接口

软盘和硬盘是微机的极其重要的数据输入/输出存储设备，对于多媒体计算机而言，系统软件占据的存储容量越来越大，要运行如Windows 95、AutoCAD、3DS及其它多媒体软件则需要一个容量大且速度快的硬盘，因此选购硬盘要考虑其品牌、容量、速度三个重要指标。对一般用户来说，选择容量在340MB～540MB之间的普通II）E硬盘，性能价格比最高，最为合适，若对硬盘容量、速度有更高要求，可选用EIDE硬盘和SCSI硬盘。目前，硬盘控制接口技术有两种，一种是IDE（Integrated Drive Electronics）集成电子技术驱动，另一种是SCSI（Small Computer Standard Interface）小型计算机标准接口。PC微机常见的接口标准是1DE或增强型的EIDE（Enhanced IDE），而网络服务器里常见的接口标准是SCSI。上述硬盘接口标准的技术指标如表3-2所示。

表3-2 常见的硬盘接口标准

其它的PC机设备如键盘、鼠标、打印机等大都已是通常的计算机用户所熟悉的，在此不赘述。

§3.2.3 视频、音频输入/输出设备

多媒体套件设备种类繁多，有视频、音频输入设备，视频、音频播放设备，大容量的I/O存储系统和交互式界面设备等，它们与计算机主机相连，组成一个完整的多媒体系统。视频、音频输入设备的主要功能是将多媒体信息中的图像、图形、声音等输入计算机主机。其中视频设备r主要包括：录像机、扫描仪、电子照相机、光盘、磁盘、摄像机、传真机等各种制式（PAL， NTSC，SECAM）的视频信号源等，音频输入设备有：话筒，激光唱盘和MIDI合成器等。

视频、音频输出播放设备包括：投影电视、电视机、扬声器、MIDI合成器、立体声耳机等。

以下介绍几种主要的图像输入/输出设备。

1.图像扫描仪

图像扫描仪是目前多媒体系统中最常见的静态图像输入设备。图像扫描仪可分为滚简式、手持式和平板式三种类型。(www.xing528.com)

滚简式扫描仪主要用于大幅面图纸的输入，例如CAD图形、地形图等，扫描头可以架在绘图仪上，扫描的图纸位图数据经计算机矢量化或细化后作为一种图形媒体。

手持式扫描仪主要用于精度要求不高的应用环境，其扫描的宽度较窄，由于是用手移动控制垂直方向的扫描，所以图像容易失真，但价格便宜。

平板式扫描仪对多媒体平台是最合适的，其扫描的图像分辨率高，色彩丰富，颜色数可达16兆，扫描图像大小为A4幅面。

2.摄像机

摄像机用于输入多媒体系统中的活动图像。摄像机由摄像镜头、摄像管、同步信号发生电路、偏转电路、放大电路、电源等部分组成。来自被摄物体的光通过光学系统在摄像管的靶上形成光学图像，这个光学图像经摄像管转换成电信号，以视频信号方式输出被摄图像。

彩色图像的摄取最重要的是分离出RGB三基色信号，利用滤色片、分色镜或棱镜等把光分解成三基色。各基色分别由不同的摄像管转换成电信号的方式称为三管式摄像方式，可以获得高灵敏度、高质量的画面。但这种摄像机体积大，成本高，重量重。一般采用单管式，从一个摄像管取出三基色信号。

采用固态摄像器件CCD（Charge Coupled Devices电荷合器件）的彩色摄像机具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高等优点。这种摄像机分为使用三个摄像器件的三板式，使用两个摄像器件的两板式，以及使用一个摄像器件的单板式。三板式和两板式用于专业摄像机，单板式用于家用摄像机。

从摄像机输出的视频信号具有三种形式，即：RGB信号、S—Vide。信号和复合视频信号。RGB信号最好，复合信号最差。这些信号要进入计算机，还需要用数字化采集与转换卡，这些卡用于提取多媒体领域的数字化图形和活动图像，可称为视频卡（Video Card）。目前有DVI系统的Action Media Ⅱ、CL550系列的JPEG视频卡、Video Blaster卡等。

3.视频卡

视频卡种类繁多，功能也存在较大差异，通常有如下几种：

（1）视频捕获卡

视频捕获卡能在微机屏幕上以30fps（每秒30帧）的速度捕获活动窗口中可达320×240的数字化视频图像，这些视频图像信号可来自于CD-ROM、录像机、摄像机和电视机中，由于视频捕获卡采用Intel公司高性能的i750视频处理器，支持视频实时硬件压缩，因此视频捕获和数据压缩同步完成。

（2）视频捕获叠加卡

视频捕获叠加卡可把不同来源的视频信号，如来自CD-ROM、录像机、摄像机和电视机的视频信号综合到多媒体计算机的应用程序中，可以自编自导出声、图、文并茂，丰富多采的多媒体软件节目。

（3）数字电视卡

数字电视卡能使计算机成为全频道、全制式数字电视。具有两路A/V输入端子，带有数码信号处理器的立体声系统，提高保真音效，使用先进的Double Scan扫描技术，有效地提高了图像质量，并采用方便的中文软件控制，可以预置99个电视频道并可自动搜索台。

（4）视频解压缩卡

视频解压卡是目前应用最广的，用它可以自己建立一套“家庭影院”系统，播放可视光盘VCD（Video CD）中的电影节目。

大多数CD-ROM光驱都能读出VCD里存储的内容，但读出的是压缩信息，必须经过解压缩还原后才能看到图像，这个解压缩还原功能就是由解压缩卡来完成的。

4.声音卡

多媒体计算机中集中处理数字声音信息的部件称为声音卡（Sound Card），通常也称为声霸卡、声效卡。声音卡是安插于计算机主板扩展槽上的硬件板级产品，外形上类似于显示卡和多功能卡等，通过端口连接音箱、麦克风、MIDI乐器（如电子键盘、萨克斯管、单簧管、小号等），其主要功能是实现声波与数字信号的相互转换，播放和录制音响数据。声音卡从话简中获得声音模拟信号，通过模数转换器（A/D）对模拟声音波形以固定的时间进行采样而获得数字声音信息，然后进行抽样采集并存储到计算机中。在重放声音时，把这些数字音频信息送到声音卡的数模转换器（D/A）中，以同样的抽样速率还原模拟信号，放大后作为音频输出。

声音卡以其量化精度分为8位或16位卡，位数越大，音质效果就越好。市场上除了最流行的新加坡声1霸卡SB（Sound Blaster）外，还有许多性能较好的16位立体声卡也比较流行，如ISP16、JAZZ16、Laser Wave Supra16、Audio Plus True16、Sound Wave等。

§3.2.4 多媒体存储设备

多媒体计算机的存储设备除了通常的软磁盘、硬磁盘、磁带而外，最主要的大容量存储设备是光盘。光盘驱动器CD-ROM是提供读取、播放大型多媒体软件的存储设备。CD-ROM使用的是激光存取技术，与普通的激光唱机在光学与机械原理方面很相似，但CD-ROM的性能规格要求更高，且在差错校正和接口方面也不一样。CD-ROM盘片的尺寸和外观与普通的音频光盘（Audio CD）、影视光盘（Video CD）完全相同。CD-ROM盘片中的内容一旦生成则不可改变，即用户只能从中读取信息，而不能往里写入信息。

CD-ROM盘片与软磁盘相比，具有如下的优点：

1.存储信息量大

一张CD-ROM盘片能存储容量多达650MB的文字、声音、视频图像等信息，也就是说，一张CD-ROM盘片相当于450多张3英寸软盘（1.44MB）的存储容量。

2.存取速度快且使用方便

CD-ROM根据其数据传输率的不同分为单速、双倍速、三倍速、四倍速、六倍速和八倍速几种，单倍速CD-ROM数据传输率为150KB/s，双倍速CD-ROM为300KBs，依次类推，四倍速的光驱就已达到普通硬盘的数据传输率。为了便于使用，大多数光盘均带有ML（目录）、README（阅读指导）、TOOLS（工具软件）等文件，提供安装和使用的方法，一些大型的软件光盘，如Microsoft Windows 95、Microsoft Office 4.2等，几乎都带有自行直接安装程序IN-STALL、SETUP、IMG等，避免了使用大型软件要用软盘安装于硬盘所带来的诸多不便，有些程序还能直接在光盘上运行。事实上，当今的一些应用系统软件如Visual FOXPRO 3.0 PRO版，约占60MB的存储容量，要用40多张软盘才能安装到硬盘上，因此，只有直接用光盘安装才方便。

3.可靠性高且使用寿命长

CD-ROM使用光学镜头将半导体激光器上的激光束经分光棱镜反射后准确地会聚在光盘片信息凹坑上，形成强弱不一的反射光束，该反射光束再经分光棱镜转至光电检测器，并转为电信号输出，并经解调和校正，即可从光盘上读取原始数据。由此可见，CD-ROM在操作过程中，与盘片并无接触，不存在类似软盘驱动器磁头读写软盘而造成的磨损现象。因此CD盘上存放的数据可靠性高，使用寿命长。

§3.2.5 交互界面设备

交互式的界面设备主要是触摸屏。

触摸屏是一种新型的、交互式的输入和显示方式，提供了人与计算机最简单、最直观的输入和输出交互手段，广泛应用于信息检索和查询、产品展示和商业导购、自动控制和监测、教育和培训等领域。

触摸屏是一种定位设备，它通过一定的物理手段，使用户可以用手指直接在屏幕上进行指点，触及屏幕上的菜单、光标、图符等光按钮，就可以向计算机输入信息，具有直观、方便的特点，就是从来没有接触过计算机的人也能立即使用，免除了人们对计算机键盘不熟悉的苦恼，有效地提高了人机对话的效率。

触摸屏主要由三个部分组成，即：传感器、控制部件、驱动程序。传感器探测用户的触摸动作，由控制都件把触摸动作转换为数字信号传到计算机，应用程序通过驱动程序与触摸屏打文道。目前广泛使用的触摸屏按其传感触摸动作的方式主要分为五类，即：红外式、电容式、电阻式、声表面波和应力计触摸屏。

1.红外式触摸屏

红外式触摸屏是利用光学技术，通过遮挡红外线的“接触”或不遮挡的“离开”动作而激活触摸屏。其基本原理如图3-3所示。当用户的手指或其它物体隔断了红外交叉光束时，就能检测出触摸位置。在屏的左边和上边各有一排红外线发射管发射红外线，而在屏的下边和右边各有一排红外线接收管检测光线的遮挡情况，这样就构成了水平和垂直两个方向的交叉网络。因此，可以利用屏幕两角发射的扇形光束来测量投射在屏幕其余两边的阴影覆盖范围以确定手指的位置。通常状态下红外线接收管都能接收到相应发射管的红外信号，当手触摸屏幕时，某些红外线被阻断，这样通过横纵向阻断的红外线就能确定手指的位置。这种方式获得的数据多，分辨率较高。

2.电容式触摸屏

电容式触摸屏由一个模拟感应器和一个智能双向控制器组成。感应器是一块透明的玻璃，表面有导电涂层，其上覆盖一层保护性玻璃以形成坚实耐用的外层。触摸屏工作时，在感应器边缘的电极产生分布的电压场，用手指或其它导电体触摸导电涂层时，电容改变，电压场变化，控制器检测这些变化，从而确定触摸位置。控制器把数字化的位置数据传送到主机，以实现人机的交互。

这种触摸屏可以支持很高的分辨率，可达到1024×1024。对触摸屏的涂层均匀性和测量精度要求较高，通常花费较大。但由于它的感应器安装在监视器内部，外观与普通显示器一样，可靠性较高。

图3-3 红外式触摸屏幕原理图

3.电阻式触摸屏

电阻式触摸屏由二层膜组成，膜之间有网格状触点阵列，感应器是一块覆盖电阻性栅格的玻璃，再在上面蒙一层涂有导电涂层并有特殊模压凸缘的聚脂薄膜。凸缘避免其表面的涂层与玻璃的涂层接触。为防止磨损，膜的外面覆盖有保护层。控制器向玻璃的四个角加有稳定的5伏电压，并读取导电层的电压值。当屏幕被触摸时，对膜的压力会造成电阻的变化，从而计算定位触摸压点的位置。

从电阻式触摸屏的原理看，触摸物体可以是手或其它能产生压力的硬物体。而电容式触摸屏只能用手触摸。

电阻式触摸屏分辨率较高，但透光性较差，电容式触摸屏透光性好，但价格高。

4.表面声波（SAW）触摸屏

表面声波SAW（Surface Acoustic Wave）是应变能集中在物体表面传播的弹性波。SAW触摸屏在一片玻璃的每个角上装有两个发射器和两个接受器。一系列的声波反射器被嵌进玻璃中，沿着两面从顶至底穿过玻璃。发射器朝一个方向发射脉冲，并会不断地被每个反射器反射回来一部分声波。当触摸玻璃的某点就阻碍了脉冲能量通过那点反射到达接受器，于是从接受脉冲信号中就见到一段缺口。脉冲起点至下迭点间的时间长度就确定了触摸点的坐标，从而确定了触摸点的位置。

5.应力计触摸屏

应力计触摸屏是一种技术最简单的触摸屏。在屏幕外面盖上一块四角装有应力计的平板玻璃，当玻璃受到压力时，应力计就会出现电压或电阻等电气特性的变化，压力越重，变化值就越大。每个角记录这些变化，控制器读取每个角的记录值，并计算触摸的压点的位置。这种触摸屏的分辨率较低。