В завершение отметим, что самый коммерчески удачный, самый рыночный космический проект SpaceShipOne - тоже родом из ИТ-отрасли. Во всяком случае, по происхождению денег главного спонсора, сооснователя Microsoft Пола Гарднера Аллена.
Автор статьи и редактор благодарны генеральному директору АЦЭУ «Аэро-Космос» Дмитрию Пайсону, за консультации.
ТЕХНОЛОГИИ:World: вид сверху
Сервисы Google Maps и Google Moon, а также программа Google Earthстали в последнее время самыми популярными источниками изображений земной и лунной поверхностей, снятых со спутника. Благодаря тому, что компания Google открыла API Google Maps, ее сервис стал стандартом де-факто и постепенно даже превратился в источник развлечений. (Любителям играть «в карты» рекомендую созданный для этой цели блог googlemapsmania.blogspot.com, в котором такие «фишки» и обсуждаются.)
Однако, посмотрев по сторонам, можно обнаружить несколько достойных конкурентов продукции Google. Программа World Wind (worldwind.arc.nasa.gov), родившаяся в стенах NASA, - из их числа. Надо сказать, что Агентство весьма преуспело в создании обучающих программ, которые оно не только дает скачать из Сети, но и рассылает на компактах (у самого где-то парочка таких завалялась). Кстати говоря, и дистрибутив World Wind тоже было бы неплохо распространять именно таким образом.
О программе и данных
Трепещите, дайлапщики: основной установочный файл последней версии программы (за номером 1.3.3.1) занимает 54 мегабайта. Сайт рекомендует скачать и данные из центра NaSa по изучению Земли, подборка которых называется Blue Marbleи представляет собой изображение земной поверхности. Только учтите: файл этот весит около 120 мегабайт, а снимки имеют разрешение всего в полкилометра, так что от необходимости скачивать большие объемы информации из Интернета они вас не избавят. Поскольку World Wind делалась на пожертвования (призывы к филантропам до сих пор висят на каждой странице сайта с документацией на программу), разрешение у большинства изображений, увы, меньше, чем у той же Google Earth.
Вдобавок и документацию пишут сами пользователи, с помощью wiki-"движка", запущенного на сайте программы. Документацию даже не включили в дистрибутив: при выборе соответствующих пунктов меню браузер просыпается и лезет в Сеть. Впрочем, если учесть, что wiki-писательство предполагает постоянные изменения в тексте, это вполне логично и объяснимо. Да и программа рассчитана на людей, имеющих нормальное подключение к Интернету (читай - широкополосное; а я, сидя на дайлапе, чувствовал себя бедным родственником).
«Движок» World Wind позволяет просматривать красоты Земли не только сверху, но и, так сказать, в свободном полете. Разумеется, одних лишь картинок из комплекта Blue Marble для этого недостаточно, посему программа обучена качать данные из множества источников.
Один из них - подборка снимков со спутника Landsat 7 (onearth.jpl.nasa.gov), запущенного в рамках проекта LandSat Геологической службы США (landsat.usgs.gov). Они имеют разрешение до 15 метров и сделаны не только в видимом спектре, но и в других диапазонах. World Wind подгружает данные с серверов проекта и хранит их в кэше (территорию США можно изучать в разрешении до одного метра, а большинство густонаселенных районов страны - в разрешении 0,33 или 0,25 метра). Еще программа умеет работать с данными радара, установленного на спутнике «Эндевор» (проект Shuttle Radar Topography Mission), благодаря чему пользователи впервые получили возможность просматривать трехмерные изображения земной поверхности. Увы, иногда рельеф не соответствует действительности, поскольку погрешность измерений радара достигает аж 90 метров.
С сайта Scientific Visualization Studioможно скачивать ежедневно обновляемые анимированные данные о различных природных процессах и стихийных бедствиях и накладывать их на изображение земной поверхности. Наконец, с сервера www.globe.govпрограмма подгружает информацию о температуре, осадках, давлении и прочих «ингредиентах» атмосферной кухни. Это далеко не полный список: World Wind умеет показывать административные границы, названия населенных пунктов, планы городов, флаги стран и многое, многое другое. Кстати говоря, картинки, полученные из Landsat и Blue Marble, распространяются как «общественное достояние» («public domain»), так что с ними можно делать все, что угодно.
Вдобавок с помощью World Wind можно обозревать не только земную, но и лунную поверхность (для просмотра используется тот же программный модуль, только с другим меню). Снимки Луны были получены в 1994 году со спутника «Клементина».
Как видим, NASA и на медные деньги способно сделать конфетку, которой ближайшим конкурентам противопоставить, по большому счету, нечего (ну, не считая того самого большего разрешения снимков). Кроме того, для World Wind, как и для Google Maps, можно писать модули, добавляющие в нее отображение новых типов данных или новые возможности. Уже сейчас с сервера программы можно скачать довольно большой их набор: например, адд-оны, показывающие на карте маршрут плавания Чарльза Дарвина на «Бигле» или траектории наиболее известных ураганов. Еще можно писать скрипты на языке, являющемся подмножеством XML.
Аппаратные требования World Wind таковы: процессор с частотой 700 МГц (рекомендуется 1,4 ГГц), 128 Мбайт (лучше 256) памяти и 1 Гбайт дискового пространства (лучше три). Кроме того, нужен графический ускоритель и, разумеется, соединение с Интернетом. Программа функционирует под Windows XP, 2000 или 2003, совместимость с предыдущими версиями ОС «не гарантируется», но пока, судя по всему, поддерживается. Также для работы требуется Microsoft .Net и DirectX не ниже 9.0c.
Радость полета
В ходе установки World Wind предложит задать начальную конфигурацию с помощью «Мастера», который, впрочем, можно вызвать из меню и в дальнейшем. Для более тонкой настройки есть специальное окно (рис. 1). В нем настраиваются цвета разметки и надписей, их показ и отключение, характер вращения обозреваемой планеты и другие полезные вещи. После установки также появляется возможность, набрав в адресной строке браузера URL вида: www.worldwindgoto/world=Earth amp;-lat=64.21778 amp;lon=24.72139 amp;view=0.18390, запускать программу и переходить к точке с указанной широтой и долготой (хотя и непонятно, зачем это сделано: для этих целей, наверное, лучше ссылаться на сервер Google Maps). Чтобы там, где возможно, показывалось трехмерное изображение, используется пункт меню «View › Vertical Exaggeration», который в документации рекомендуется выставить в значение "2".
При запуске в окне программы появляется картинка, которую можно поворачивать, приближать и удалять с помощью мыши или клавиатуры (рис. 2). Создатели World Wind явно вдохновлялись внешним видом Mac OS: при наведении курсора на иконки в верху окна каждая из них подсвечивается, увеличивается и выводит надпись о своем предназначении. Правда, надписи не совсем понятны. В меню иконок вынесены наиболее употребительные функции и показ часто используемых данных, все остальное управляется через меню обычное.
Попытка увеличить картинку вызывает обращение к соответствующим интернет-серверам, откуда она и загружается. Скачанные данные хранятся в кэше, с которым, кстати, работать могут несколько копий программы, например, по локальной сети. Кое-что из данных можно загрузить в составе так называемых
кэш-пакови работать, не обращаясь в Интернет.
World Wind явно рассчитана на постоянное подключение к Сети, поскольку при отсутствии соединения она его не инициализирует, а просто жалуется на «бессвязность». Проблемы для дайлапщиков возможны и во время работы: например, если при поиске населенного пункта по его названию в передаче данных случится долгий перерыв, то программа вполне может признаться, что ничего не нашла, а при повторном поиске, помигав лампочками модема, - найдет кучу вхождений.
Разумеется, первым делом я пошел смотреть себе в темечко: это святое. Пока крутил мать сыру-землю мышкой, с сервера потихоньку подгрузились населенные пункты, и я увидел названия своего и окрестных районов (даже не по-английски написанные, а латиницей, в транскрипции). Отметив сей достойный похвалы факт, я продолжал увеличивать изображение, крутя колесико мышки… О чудо!..
Как оказалось, программа, написанная в далекой Буржуиндии, за горами-лесами-морями, знает названия всех окрестных деревень. Даже те, про которые я сам забыл (проверил одну по карте - есть такая). Ошибок в родном районе нашел всего две: во-первых, одна из деревень на самом деле среднего рода, а не женского, как в World Wind; а во-вторых, никакой Верхней Ржаницы здесь нет, а возле поселка Ржаница на этом месте расположена воинская часть. Однако вторая ошибка вполне простительна: если верить отечественным гражданским картам, там вообще пионерлагерь… Google Earth, напомню, знает только о Москве и Санкт-Петербурге, так что тут первенство однозначно за World Wind.
С помощью функции Place Finder (рис. 3) можно производить поиск по названиям населенных пунктов и «перелетать» к ним кнопкой Go, выбрав даже высоту просмотра. Самая первая кнопка верхнего меню выводит Layer Manager, диалог в левой части окна программы, с помощью которого можно выбрать, какие данные отображать: каждый вид данных находится в своем «слое». Наибольшая их часть касается, естественно, Соединенных Штатов. В правом верхнем углу окна может выводиться информация о местоположении наблюдателя (широта, долгота, высота над поверхностью). Разумеется, показываются тропики и координатная сетка.
Отдельными кнопками включаются и выключаются разные виды данных из состава Landsat 7, а также административные границы, показ флагов стран, названий населенных пунктов и тому подобная информация. Еще хорошая штука - кнопка Landmark Catalog, включающая показ достопримечательностей и исторических памятников (из нашинских, правда, только Кремль). При клике на соответствующую иконку происходит переход к соответствующей словарной статье на сайте Wikipedia (а если нажать на флаг страны - вас переадресуют за ее описанием на сайт ЦРУ).
Для загрузки данных о стихийных бедствиях служит окошко Rapid Fire Modis (рис. 4), в котором выбираются эти самые бедствия и временной период, за которые их нужно показывать. Для просмотра анимированных картинок из проекта Scientific Visualization Studio есть специальный диалог (рис. 5), в котором можно выбрать сервер, тематику и конкретный «мультик» (например, «Пересыхание Аральского моря» - хорош мультик…) И, наконец, утилита Web Mapping Servers Browser (рис. 6) загружает изображения со специальных WMS-серверов. Хранятся на них фотографии Земли, сделанные из космоса, а также их последовательности, которые можно просматривать как анимацию, в динамике, накладывая на изображение земного шара.
Подводя итоги, хочу отметить вот что. В отличие от Google Earth или Maps, в случае с World Wind мы имеем дело не просто с фотографией Земли из космоса. Карту делает картой привязка к местности, нанесение населенных пунктов и прочих условных обозначений. И хотя данные о США в ней, по традиции, представлены гораздо более полно, тем не менее World Wind - все-таки в большей степени глобус, а не его фотография. Впрочем, если надо, то можно использовать параллельно с ним и Google Earth, но - исключительно из-за лучшего разрешения. По всем остальным параметрам продукт от Google уступает программе от NASA.
Широкополосный доступ в отечественных школах уже не редкость, так что, вспоминая свои уроки географии, с рулонами карт и глобусом, стоявшим на шкафу на вечном приколе, понимаю, как повезло нынешним школьникам. Впрочем, с такими наглядными пособиями географию на «пять» выучить можно в любом возрасте.
Чего и вам желаю.
Гипотезы:Все круги «цифры»
Сегодня, заходя в любой приличный музыкальный магазин, можно легко потеряться в стойках с компакт-дисками - яркие обложки так и манят покупателя. Кажется, что за совершенной полиграфией скрывается и совершенный звук. Однако, по мнению автора статьи, меломана и аудиофила, художественная ценность содержимого дисков не слишком велика: - К.К.
В самом распространенном цифровом формате записи без сжатия - формате компакт диска CD-DA - используется квантование по частоте (частота следования отсчетов 44,1 кГц) и по амплитуде (разрядность каждого отсчета 16 двоичных разрядов - 65536 возможных уровней). На мой взгляд, применять формулу теоремы Котельникова для расчета полосы воспроизводимых частот формата ИКМ (PCM) в данном случае некорректно: ведь дискретна не только шкала времени, но и амплитуда. В результате возникает так называемый шум квантования, когда результирующая огибающая дискретных точек не совпадает с исходным сигналом. В этом нетрудно убедиться, прослушав один и тот же отрывок записи с одинаковой частотой дискретизации, но с разной разрядностью.
С другой стороны, давно известна инвариантность частота/разрядность дискретизации. Однако расплывчатость критериев и разные подходы к этой теме в профессиональной литературе свидетельствуют о том, что еще не выработаны не только практические рекомендации, но и теория этого вопроса недостаточно изучена: «Существует два подхода в оценке взаимосвязи разрядности и частоты дискретизации. Они напоминают известный физический принцип рычага - во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Различие в этих подходах состоит лишь в разных оценках соотношения длины цифрового слова с частотой дискретизации»[Рекомендую прочитать эту статью полностью].
Смысл теоремы Котельникова, говоря упрощенно, в том, сколько необходимо отсчетов (точек на временной оси) для восстановления параметров любого сигнала с оговоркой по поводу ограниченности его спектра и длины, то есть значения амплитуды непосредственно в формуле не участвуют. Когда же мы оцифровываем любой звук, то у нас дискретна не только ось времени, но и амплитуда сигнала. Больше того, она еще и ограничена разрядностью оцифровки не только сверху, но и снизу. При записи это необходимо учитывать, нормируя амплитуду для получения сопоставимых с оригиналом записи результатов. Один из способов нормирования амплитуды - использование отношения динамического диапазона возможного цифрового сигнала (выраженного в разрядности) к разрядности квантования (дискретизации).
А что, если учесть и потери из-за квантования по амплитуде и компенсировать их ростом частоты?
Я предлагаю в качестве критерия оценки качества PCM[PCM (ИКМ, импульсно-кодовая модуляция)]-формата некую «граничную» частоту, которая вычисляется по формуле:
Fгр - максимально возможная частота, которую возможно восстановить без
потерь, Гц;
Fs - частота дискретизации, Гц (у CD, соответственно 44100 Гц);
m - максимальная разрядность динамического диапазона возможного сигнала (т.е. такая разрядность, которая бы на слух обеспечила «оригинальное» качество, обычно от 8 до 20 бит);
n - разрядность дискретизации (фактическая частота дискретизации, у CD - 16 бит).
В предлагаемой формуле учтен и рост шумов квантования, о которых я говорил выше, в соответствии с аналитическими материалами компании AnalogDevice для PCM-формата[К сожалению, только на английском, но статья интересна не только для специалистов] для случая, если динамический диапазон (разрядность) возможного сигнала превышает разрядность дискретизации (иначе этот коэффициент равен 1).
Анализ показывает, что если разрядность дискретизации по амплитуде меньше разрядности динамического диапазона оцифровываемого сигнала (n‹m), то по формуле можно вычислить необходимую частоту дискретизации для восстановления «оригинального» качества. Например, для получения 20-битного (это соответствует 120 дБ) динамического диапазона в тракте разрядностью 16 бит частоту надо «разогнать» в 420-16=256 раз).
Для целей анализа уже записанных «в цифре» сигналов практически применим только вариант m‹=n (в этом случае значение 4(m-n) мы принимаем равным единице), тогда формула примет вид:
С другой стороны, если разрядность дискретизации по амплитуде много больше разрядности динамического диапазона (n››m), формула сводится к формуле теоремы Котельникова: Fгр=Fs/2, что свидетельствует о ее корректности в области соответствия граничным условиям.
Применяя предлагаемую формулу для оценки PCM форматов, как используемых в настоящее время, так и перспективных, можно свести результаты в таблицу, где рассчитана граничная частота (в килогерцах) для трех разных уровней динамического диапазона возможного сигнала:
1. 120 дБ - максимальный диапазон человеческого слуха[Здесь надо различать динамический диапазон и максимальный уровень звукового давления (140 дБ). Взят фоновый шум -20 дБ, получилсяДД=140-20=120 дБ].
2. 108 дБ - максимальный диапазон возможного музыкального сигнала. В качестве примера можно привести Торжественную увертюру «1812 год» П. И. Чайковского с колоколами и стрельбой из пушек.
3. 96 дБ - максимальный диапазон возможного музыкального сигнала, за исключением единичных случаев из многих тысяч.
Анализ на основании этой формулы показывает, что самый распространенный на земном шаре цифровой формат CD-DA (16 бит/44,1 кГц) при заявленном (в стандарте формата Red Book) динамическом диапазоне в 96 дБ имеет «граничную» частоту всего 5,51 кГц! Естественно, процесс «гладкий» и надо отчетливо понимать, что это некая теоретическая граничная частота, поскольку в конкретной записи с индивидуальным сочетанием динамического диапазона со спектральной насыщенностью по частотам результат будет различен и зачастую вполне приемлем. Эта частота Fгр. скорее обозначает контуры максимально жестких требований к параметрам цифрового формата.
Звукорежиссеры, по разным причинам, при создании CD дисков ограничивают динамический диапазон уровнем примерно в 60 дБ, но даже при этом граничная частота, посчитанная по формуле, составляет всего примерно 10 кГц, что для современной популярной музыки может и не критично, но классика в оркестровом исполнении звучит уже неестественно.
Формат DVD-A выглядит намного более предпочтительнее, особенно на частоте дискретизации 192 кГц. Тем не менее надо помнить о том, что реально применяемые дельта-сигма АЦП в современных DVD-A-проигрывателях не обеспечивают истинной 24-битной разрядности ни по монотонности аналогово-цифрового преобразования, ни по уровню шумов. Достаточно посмотреть THD+N: для истинно 24-битного должно быть ‹-144 дБ [24*6].
Рассчитанная в соответствии с предлагаемой формулой граничная частота показывает, как должен быть ограничен спектр сигнала при записи/воспроизведении. Это аналогично имеющимся ограничениям теоремы Котельникова. Может, пренебрежение этим обстоятельством и является одной из причин, гм, «цифрового» звука?
Хочется отметить, что в подобных исследованиях в первую очередь должны быть заинтересованы и звукозаписывающие компании. Особенно для создания качественных цифровых архивов, поскольку до сих пор самым лучшим архивным носителем (по качеству) остается студийная аналоговая многодорожечная магнитная лента. Записи же 80-х и 90-х годов прошлого века и начала нынешнего, представленные непосредственно в цифре с частотой дискретизации 44,1 кГц даже с разрядностью 18 или 20 бит, на мой взгляд, не представляют особого художественного интереса, и архив целого поколения исполнителей фактически уже безвозвратно утерян.
Статью комментирует Александр Дмитриев из Института радиотехники и электроники РАН.
C практической точки зрения 16 бит действительно дают некоторую неточность. Ведь сигналов с идеальным ограниченным спектром не бывает (а это важное требование - ограниченность частоты 'цифруемого' сигнала некоей 'верхней частотой', относительно которой все и дискретизируется в теореме Котельникова), отрезая по определенной 'верхней' частоте (например, 22 кГц), вы, не теряя слышимые частоты, все же теряете часть энергии сигнала. Ее компенсируют, для чего и необходимо увеличивать разрядность по амплитуде относительно нормы.
Существует и обратная возможность - компенсировать недостаток разрядности частотой. Для этого применяется так называемая сигма-дельта модуляция (СДМ), когда вы всего одним битом указываете - растет у вас сигнал или падает. Если частота достаточно высокая, то такой способ вполне точно описывает исходный сигнал. Этим можно пользоваться, и такие устройства предлагает, в частности, компания SONY и Analog Devices. На полуторамегагерцовых ЦАП/АЦП музыка звучит достаточно качественно. Когда мы говорим 'достаточно качественно', то имеется в виду, что в отрасли уже давно приняты некие калиброванные сигналы, о которых договорились, что они и есть эталон качества звука. По ним, в частности, сравнивают работу АЦП, построенных на разных алгоритмах (ИКМ и СДМ).
Но что хотелось бы отметить по поводу сигма-дельта модуляции, - здесь есть некоторые сложности. Конечно, по статистике основная масса сигналов укладывается в некоторые требования по точности оцифровки. Однако результирующая статистика остаточных шумов, то есть разность между исходной кривой и аппроксимирующей после оцифровки таким АЦП, может быть не совсем обычна. Сигнал после обработки таким устройством действительно может восприниматься ухом слушателя как звук со странными 'цифровыми' искажениями. То есть мозг слушателя этот шум будет выделять как некий чуждый элемент.
В аналоговой записи у вас тоже есть какие-то щелчки и помехи, но которые воспринимаются ухом как достаточно естественные. Это и отличает их от шумов квантования цифровой записи, которые наш мозг каким-то образом явно выделяет, хотя по уровню эти помехи могут быть много меньше 'аналоговых' искажений.
Касательно пластинок или магнитной пленки, то есть аналогового звука, я бы сказал так: их динамический диапазон не хуже 16-битного звука, во многих случаях - лучше. Но у нас столько утеряно записей, сделанных до 60-70-х годов (а это были и пластинки, и ленты), хотя их пытаются как-то восстанавливать, в принципе можно сказать, что в полной мере восстановлению они уже не подлежат. Поэтому, хотя цифровые архивы тоже имеют свои недостатки, сравнивать их с аналоговыми магнитными лентами трудно, чей срок хранения мал, а подверженность различным повреждениям очень высока. Так что здесь трудно сказать, что на самом деле важнее для музыкального наследия.
ОПЫТЫ:Сожми меня нежно
Компьютерщики со стажем любят иногда вспомнить о временах доисторических модемов со скоростью 1200 бод, к которым надо было привязывать телефонную трубку, а номер провайдера набирать вручную на обычном аппарате. Не менее удивительны сегодня рассказы о первых временах «общедоступного» дайлапа в России, когда час пребывания в Сети на скорости 19200 кбит/с (а то и 9600) стоил три доллара, а провайдеры в качестве изюминки предлагали доступ к gopher [Сетевая служба удаленного доступа к ресурсам Интернета в режиме меню (файлы и папки)] за полцены.
Небогатые студенты, стремящиеся задешево прокатиться на волне прогресса, изобретали множество способов сэкономить на использовании дорогого ресурса под названием Интернет. Например, подписывались только на оплату электронной почты, а при помощи специальных сервисов получали хоть и ограниченный, но очень дешевый доступ к интернет-страничкам через e-mail. Кто-то закачивал необходимые сайты целиком, по ночам, когда доступ стоил поменьше: большинство offline-браузеров родилось и было популярно именно в те времена, а сегодня они превратились в занятный анахронизм из разряда шестигранных ключей с секреткой, от которого проку мало, да выбросить жалко, ибо редкость.
Цены на дайлап сегодня таковы, что речь идет не о снятии сливок, а скорее о подъедании остатков пищи, пригоревших к дну кастрюльки, которую раньше называли рогом изобилия. По крайней мере в провайдерском кругу организация модемного пула для доступа в Интернет теперь числится в аутсайдерах прибыльности. Замечу, что широкополосный доступ, хоть и распространяется все шире, но не везде в наших краях существует в виде безлимитных тарифов с приемлемой пропускной способностью, так что экономить на трафике приходится многим.
Не следует забывать и о другой группе «экономов" - пользователях мобильного Интернета, ведь цена за мегабайт трафика в сотовых сетях сегодня в 10-15 раз выше, чем в кабельных. Вот и приходится искать забытую при хорошей жизни кнопку отключения показа картинок, разбираться в способах вырезания рекламы на сайтах и приходить к пониманию, что вложения к письмам, скачанным по протоколу IMAP, раздуваются в объеме из-за MIME-кодирования…
Свято место пусто не бывает: так называемые сжимающие proxy-серверы, появившиеся в эпоху расцвета дайлап-доступа, с началом популяризации GPRS/EDGE/3G обрели второе дыхание не столько из-за скоростных ограничений последних, сколько «благодаря" относительно высокой цене беспроводного трафика. Предлагаю вашему вниманию несколько бесплатных решений, которые позволят заметно сэкономить, не требуя взамен никаких затрат, кроме времени на настройку устройства доступа.
Автор статьи и редактор благодарны генеральному директору АЦЭУ «Аэро-Космос» Дмитрию Пайсону, за консультации.
ТЕХНОЛОГИИ:World: вид сверху
Сервисы Google Maps и Google Moon, а также программа Google Earthстали в последнее время самыми популярными источниками изображений земной и лунной поверхностей, снятых со спутника. Благодаря тому, что компания Google открыла API Google Maps, ее сервис стал стандартом де-факто и постепенно даже превратился в источник развлечений. (Любителям играть «в карты» рекомендую созданный для этой цели блог googlemapsmania.blogspot.com, в котором такие «фишки» и обсуждаются.)
Однако, посмотрев по сторонам, можно обнаружить несколько достойных конкурентов продукции Google. Программа World Wind (worldwind.arc.nasa.gov), родившаяся в стенах NASA, - из их числа. Надо сказать, что Агентство весьма преуспело в создании обучающих программ, которые оно не только дает скачать из Сети, но и рассылает на компактах (у самого где-то парочка таких завалялась). Кстати говоря, и дистрибутив World Wind тоже было бы неплохо распространять именно таким образом.
О программе и данных
Трепещите, дайлапщики: основной установочный файл последней версии программы (за номером 1.3.3.1) занимает 54 мегабайта. Сайт рекомендует скачать и данные из центра NaSa по изучению Земли, подборка которых называется Blue Marbleи представляет собой изображение земной поверхности. Только учтите: файл этот весит около 120 мегабайт, а снимки имеют разрешение всего в полкилометра, так что от необходимости скачивать большие объемы информации из Интернета они вас не избавят. Поскольку World Wind делалась на пожертвования (призывы к филантропам до сих пор висят на каждой странице сайта с документацией на программу), разрешение у большинства изображений, увы, меньше, чем у той же Google Earth.
Вдобавок и документацию пишут сами пользователи, с помощью wiki-"движка", запущенного на сайте программы. Документацию даже не включили в дистрибутив: при выборе соответствующих пунктов меню браузер просыпается и лезет в Сеть. Впрочем, если учесть, что wiki-писательство предполагает постоянные изменения в тексте, это вполне логично и объяснимо. Да и программа рассчитана на людей, имеющих нормальное подключение к Интернету (читай - широкополосное; а я, сидя на дайлапе, чувствовал себя бедным родственником).
«Движок» World Wind позволяет просматривать красоты Земли не только сверху, но и, так сказать, в свободном полете. Разумеется, одних лишь картинок из комплекта Blue Marble для этого недостаточно, посему программа обучена качать данные из множества источников.
Один из них - подборка снимков со спутника Landsat 7 (onearth.jpl.nasa.gov), запущенного в рамках проекта LandSat Геологической службы США (landsat.usgs.gov). Они имеют разрешение до 15 метров и сделаны не только в видимом спектре, но и в других диапазонах. World Wind подгружает данные с серверов проекта и хранит их в кэше (территорию США можно изучать в разрешении до одного метра, а большинство густонаселенных районов страны - в разрешении 0,33 или 0,25 метра). Еще программа умеет работать с данными радара, установленного на спутнике «Эндевор» (проект Shuttle Radar Topography Mission), благодаря чему пользователи впервые получили возможность просматривать трехмерные изображения земной поверхности. Увы, иногда рельеф не соответствует действительности, поскольку погрешность измерений радара достигает аж 90 метров.
С сайта Scientific Visualization Studioможно скачивать ежедневно обновляемые анимированные данные о различных природных процессах и стихийных бедствиях и накладывать их на изображение земной поверхности. Наконец, с сервера www.globe.govпрограмма подгружает информацию о температуре, осадках, давлении и прочих «ингредиентах» атмосферной кухни. Это далеко не полный список: World Wind умеет показывать административные границы, названия населенных пунктов, планы городов, флаги стран и многое, многое другое. Кстати говоря, картинки, полученные из Landsat и Blue Marble, распространяются как «общественное достояние» («public domain»), так что с ними можно делать все, что угодно.
Вдобавок с помощью World Wind можно обозревать не только земную, но и лунную поверхность (для просмотра используется тот же программный модуль, только с другим меню). Снимки Луны были получены в 1994 году со спутника «Клементина».
Как видим, NASA и на медные деньги способно сделать конфетку, которой ближайшим конкурентам противопоставить, по большому счету, нечего (ну, не считая того самого большего разрешения снимков). Кроме того, для World Wind, как и для Google Maps, можно писать модули, добавляющие в нее отображение новых типов данных или новые возможности. Уже сейчас с сервера программы можно скачать довольно большой их набор: например, адд-оны, показывающие на карте маршрут плавания Чарльза Дарвина на «Бигле» или траектории наиболее известных ураганов. Еще можно писать скрипты на языке, являющемся подмножеством XML.
Аппаратные требования World Wind таковы: процессор с частотой 700 МГц (рекомендуется 1,4 ГГц), 128 Мбайт (лучше 256) памяти и 1 Гбайт дискового пространства (лучше три). Кроме того, нужен графический ускоритель и, разумеется, соединение с Интернетом. Программа функционирует под Windows XP, 2000 или 2003, совместимость с предыдущими версиями ОС «не гарантируется», но пока, судя по всему, поддерживается. Также для работы требуется Microsoft .Net и DirectX не ниже 9.0c.
Радость полета
В ходе установки World Wind предложит задать начальную конфигурацию с помощью «Мастера», который, впрочем, можно вызвать из меню и в дальнейшем. Для более тонкой настройки есть специальное окно (рис. 1). В нем настраиваются цвета разметки и надписей, их показ и отключение, характер вращения обозреваемой планеты и другие полезные вещи. После установки также появляется возможность, набрав в адресной строке браузера URL вида: www.worldwindgoto/world=Earth amp;-lat=64.21778 amp;lon=24.72139 amp;view=0.18390, запускать программу и переходить к точке с указанной широтой и долготой (хотя и непонятно, зачем это сделано: для этих целей, наверное, лучше ссылаться на сервер Google Maps). Чтобы там, где возможно, показывалось трехмерное изображение, используется пункт меню «View › Vertical Exaggeration», который в документации рекомендуется выставить в значение "2".
World Wind явно рассчитана на постоянное подключение к Сети, поскольку при отсутствии соединения она его не инициализирует, а просто жалуется на «бессвязность». Проблемы для дайлапщиков возможны и во время работы: например, если при поиске населенного пункта по его названию в передаче данных случится долгий перерыв, то программа вполне может признаться, что ничего не нашла, а при повторном поиске, помигав лампочками модема, - найдет кучу вхождений.
Разумеется, первым делом я пошел смотреть себе в темечко: это святое. Пока крутил мать сыру-землю мышкой, с сервера потихоньку подгрузились населенные пункты, и я увидел названия своего и окрестных районов (даже не по-английски написанные, а латиницей, в транскрипции). Отметив сей достойный похвалы факт, я продолжал увеличивать изображение, крутя колесико мышки… О чудо!..
Как оказалось, программа, написанная в далекой Буржуиндии, за горами-лесами-морями, знает названия всех окрестных деревень. Даже те, про которые я сам забыл (проверил одну по карте - есть такая). Ошибок в родном районе нашел всего две: во-первых, одна из деревень на самом деле среднего рода, а не женского, как в World Wind; а во-вторых, никакой Верхней Ржаницы здесь нет, а возле поселка Ржаница на этом месте расположена воинская часть. Однако вторая ошибка вполне простительна: если верить отечественным гражданским картам, там вообще пионерлагерь… Google Earth, напомню, знает только о Москве и Санкт-Петербурге, так что тут первенство однозначно за World Wind.
Отдельными кнопками включаются и выключаются разные виды данных из состава Landsat 7, а также административные границы, показ флагов стран, названий населенных пунктов и тому подобная информация. Еще хорошая штука - кнопка Landmark Catalog, включающая показ достопримечательностей и исторических памятников (из нашинских, правда, только Кремль). При клике на соответствующую иконку происходит переход к соответствующей словарной статье на сайте Wikipedia (а если нажать на флаг страны - вас переадресуют за ее описанием на сайт ЦРУ).
Чего и вам желаю.
Гипотезы:Все круги «цифры»
Сегодня, заходя в любой приличный музыкальный магазин, можно легко потеряться в стойках с компакт-дисками - яркие обложки так и манят покупателя. Кажется, что за совершенной полиграфией скрывается и совершенный звук. Однако, по мнению автора статьи, меломана и аудиофила, художественная ценность содержимого дисков не слишком велика: - К.К.
В самом распространенном цифровом формате записи без сжатия - формате компакт диска CD-DA - используется квантование по частоте (частота следования отсчетов 44,1 кГц) и по амплитуде (разрядность каждого отсчета 16 двоичных разрядов - 65536 возможных уровней). На мой взгляд, применять формулу теоремы Котельникова для расчета полосы воспроизводимых частот формата ИКМ (PCM) в данном случае некорректно: ведь дискретна не только шкала времени, но и амплитуда. В результате возникает так называемый шум квантования, когда результирующая огибающая дискретных точек не совпадает с исходным сигналом. В этом нетрудно убедиться, прослушав один и тот же отрывок записи с одинаковой частотой дискретизации, но с разной разрядностью.
С другой стороны, давно известна инвариантность частота/разрядность дискретизации. Однако расплывчатость критериев и разные подходы к этой теме в профессиональной литературе свидетельствуют о том, что еще не выработаны не только практические рекомендации, но и теория этого вопроса недостаточно изучена: «Существует два подхода в оценке взаимосвязи разрядности и частоты дискретизации. Они напоминают известный физический принцип рычага - во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Различие в этих подходах состоит лишь в разных оценках соотношения длины цифрового слова с частотой дискретизации»[Рекомендую прочитать эту статью полностью].
Смысл теоремы Котельникова, говоря упрощенно, в том, сколько необходимо отсчетов (точек на временной оси) для восстановления параметров любого сигнала с оговоркой по поводу ограниченности его спектра и длины, то есть значения амплитуды непосредственно в формуле не участвуют. Когда же мы оцифровываем любой звук, то у нас дискретна не только ось времени, но и амплитуда сигнала. Больше того, она еще и ограничена разрядностью оцифровки не только сверху, но и снизу. При записи это необходимо учитывать, нормируя амплитуду для получения сопоставимых с оригиналом записи результатов. Один из способов нормирования амплитуды - использование отношения динамического диапазона возможного цифрового сигнала (выраженного в разрядности) к разрядности квантования (дискретизации).
А что, если учесть и потери из-за квантования по амплитуде и компенсировать их ростом частоты?
Я предлагаю в качестве критерия оценки качества PCM[PCM (ИКМ, импульсно-кодовая модуляция)]-формата некую «граничную» частоту, которая вычисляется по формуле:
потерь, Гц;
Fs - частота дискретизации, Гц (у CD, соответственно 44100 Гц);
m - максимальная разрядность динамического диапазона возможного сигнала (т.е. такая разрядность, которая бы на слух обеспечила «оригинальное» качество, обычно от 8 до 20 бит);
n - разрядность дискретизации (фактическая частота дискретизации, у CD - 16 бит).
В предлагаемой формуле учтен и рост шумов квантования, о которых я говорил выше, в соответствии с аналитическими материалами компании AnalogDevice для PCM-формата[К сожалению, только на английском, но статья интересна не только для специалистов] для случая, если динамический диапазон (разрядность) возможного сигнала превышает разрядность дискретизации (иначе этот коэффициент равен 1).
Анализ показывает, что если разрядность дискретизации по амплитуде меньше разрядности динамического диапазона оцифровываемого сигнала (n‹m), то по формуле можно вычислить необходимую частоту дискретизации для восстановления «оригинального» качества. Например, для получения 20-битного (это соответствует 120 дБ) динамического диапазона в тракте разрядностью 16 бит частоту надо «разогнать» в 420-16=256 раз).
Для целей анализа уже записанных «в цифре» сигналов практически применим только вариант m‹=n (в этом случае значение 4(m-n) мы принимаем равным единице), тогда формула примет вид:
Применяя предлагаемую формулу для оценки PCM форматов, как используемых в настоящее время, так и перспективных, можно свести результаты в таблицу, где рассчитана граничная частота (в килогерцах) для трех разных уровней динамического диапазона возможного сигнала:
1. 120 дБ - максимальный диапазон человеческого слуха[Здесь надо различать динамический диапазон и максимальный уровень звукового давления (140 дБ). Взят фоновый шум -20 дБ, получилсяДД=140-20=120 дБ].
2. 108 дБ - максимальный диапазон возможного музыкального сигнала. В качестве примера можно привести Торжественную увертюру «1812 год» П. И. Чайковского с колоколами и стрельбой из пушек.
3. 96 дБ - максимальный диапазон возможного музыкального сигнала, за исключением единичных случаев из многих тысяч.
Анализ на основании этой формулы показывает, что самый распространенный на земном шаре цифровой формат CD-DA (16 бит/44,1 кГц) при заявленном (в стандарте формата Red Book) динамическом диапазоне в 96 дБ имеет «граничную» частоту всего 5,51 кГц! Естественно, процесс «гладкий» и надо отчетливо понимать, что это некая теоретическая граничная частота, поскольку в конкретной записи с индивидуальным сочетанием динамического диапазона со спектральной насыщенностью по частотам результат будет различен и зачастую вполне приемлем. Эта частота Fгр. скорее обозначает контуры максимально жестких требований к параметрам цифрового формата.
Звукорежиссеры, по разным причинам, при создании CD дисков ограничивают динамический диапазон уровнем примерно в 60 дБ, но даже при этом граничная частота, посчитанная по формуле, составляет всего примерно 10 кГц, что для современной популярной музыки может и не критично, но классика в оркестровом исполнении звучит уже неестественно.
Формат DVD-A выглядит намного более предпочтительнее, особенно на частоте дискретизации 192 кГц. Тем не менее надо помнить о том, что реально применяемые дельта-сигма АЦП в современных DVD-A-проигрывателях не обеспечивают истинной 24-битной разрядности ни по монотонности аналогово-цифрового преобразования, ни по уровню шумов. Достаточно посмотреть THD+N: для истинно 24-битного должно быть ‹-144 дБ [24*6].
Рассчитанная в соответствии с предлагаемой формулой граничная частота показывает, как должен быть ограничен спектр сигнала при записи/воспроизведении. Это аналогично имеющимся ограничениям теоремы Котельникова. Может, пренебрежение этим обстоятельством и является одной из причин, гм, «цифрового» звука?
Хочется отметить, что в подобных исследованиях в первую очередь должны быть заинтересованы и звукозаписывающие компании. Особенно для создания качественных цифровых архивов, поскольку до сих пор самым лучшим архивным носителем (по качеству) остается студийная аналоговая многодорожечная магнитная лента. Записи же 80-х и 90-х годов прошлого века и начала нынешнего, представленные непосредственно в цифре с частотой дискретизации 44,1 кГц даже с разрядностью 18 или 20 бит, на мой взгляд, не представляют особого художественного интереса, и архив целого поколения исполнителей фактически уже безвозвратно утерян.
Где твои 16 бит…
Статью комментирует Александр Дмитриев из Института радиотехники и электроники РАН.
C практической точки зрения 16 бит действительно дают некоторую неточность. Ведь сигналов с идеальным ограниченным спектром не бывает (а это важное требование - ограниченность частоты 'цифруемого' сигнала некоей 'верхней частотой', относительно которой все и дискретизируется в теореме Котельникова), отрезая по определенной 'верхней' частоте (например, 22 кГц), вы, не теряя слышимые частоты, все же теряете часть энергии сигнала. Ее компенсируют, для чего и необходимо увеличивать разрядность по амплитуде относительно нормы.
Существует и обратная возможность - компенсировать недостаток разрядности частотой. Для этого применяется так называемая сигма-дельта модуляция (СДМ), когда вы всего одним битом указываете - растет у вас сигнал или падает. Если частота достаточно высокая, то такой способ вполне точно описывает исходный сигнал. Этим можно пользоваться, и такие устройства предлагает, в частности, компания SONY и Analog Devices. На полуторамегагерцовых ЦАП/АЦП музыка звучит достаточно качественно. Когда мы говорим 'достаточно качественно', то имеется в виду, что в отрасли уже давно приняты некие калиброванные сигналы, о которых договорились, что они и есть эталон качества звука. По ним, в частности, сравнивают работу АЦП, построенных на разных алгоритмах (ИКМ и СДМ).
Но что хотелось бы отметить по поводу сигма-дельта модуляции, - здесь есть некоторые сложности. Конечно, по статистике основная масса сигналов укладывается в некоторые требования по точности оцифровки. Однако результирующая статистика остаточных шумов, то есть разность между исходной кривой и аппроксимирующей после оцифровки таким АЦП, может быть не совсем обычна. Сигнал после обработки таким устройством действительно может восприниматься ухом слушателя как звук со странными 'цифровыми' искажениями. То есть мозг слушателя этот шум будет выделять как некий чуждый элемент.
В аналоговой записи у вас тоже есть какие-то щелчки и помехи, но которые воспринимаются ухом как достаточно естественные. Это и отличает их от шумов квантования цифровой записи, которые наш мозг каким-то образом явно выделяет, хотя по уровню эти помехи могут быть много меньше 'аналоговых' искажений.
Касательно пластинок или магнитной пленки, то есть аналогового звука, я бы сказал так: их динамический диапазон не хуже 16-битного звука, во многих случаях - лучше. Но у нас столько утеряно записей, сделанных до 60-70-х годов (а это были и пластинки, и ленты), хотя их пытаются как-то восстанавливать, в принципе можно сказать, что в полной мере восстановлению они уже не подлежат. Поэтому, хотя цифровые архивы тоже имеют свои недостатки, сравнивать их с аналоговыми магнитными лентами трудно, чей срок хранения мал, а подверженность различным повреждениям очень высока. Так что здесь трудно сказать, что на самом деле важнее для музыкального наследия.
ОПЫТЫ:Сожми меня нежно
Компьютерщики со стажем любят иногда вспомнить о временах доисторических модемов со скоростью 1200 бод, к которым надо было привязывать телефонную трубку, а номер провайдера набирать вручную на обычном аппарате. Не менее удивительны сегодня рассказы о первых временах «общедоступного» дайлапа в России, когда час пребывания в Сети на скорости 19200 кбит/с (а то и 9600) стоил три доллара, а провайдеры в качестве изюминки предлагали доступ к gopher [Сетевая служба удаленного доступа к ресурсам Интернета в режиме меню (файлы и папки)] за полцены.
Небогатые студенты, стремящиеся задешево прокатиться на волне прогресса, изобретали множество способов сэкономить на использовании дорогого ресурса под названием Интернет. Например, подписывались только на оплату электронной почты, а при помощи специальных сервисов получали хоть и ограниченный, но очень дешевый доступ к интернет-страничкам через e-mail. Кто-то закачивал необходимые сайты целиком, по ночам, когда доступ стоил поменьше: большинство offline-браузеров родилось и было популярно именно в те времена, а сегодня они превратились в занятный анахронизм из разряда шестигранных ключей с секреткой, от которого проку мало, да выбросить жалко, ибо редкость.
Цены на дайлап сегодня таковы, что речь идет не о снятии сливок, а скорее о подъедании остатков пищи, пригоревших к дну кастрюльки, которую раньше называли рогом изобилия. По крайней мере в провайдерском кругу организация модемного пула для доступа в Интернет теперь числится в аутсайдерах прибыльности. Замечу, что широкополосный доступ, хоть и распространяется все шире, но не везде в наших краях существует в виде безлимитных тарифов с приемлемой пропускной способностью, так что экономить на трафике приходится многим.
Не следует забывать и о другой группе «экономов" - пользователях мобильного Интернета, ведь цена за мегабайт трафика в сотовых сетях сегодня в 10-15 раз выше, чем в кабельных. Вот и приходится искать забытую при хорошей жизни кнопку отключения показа картинок, разбираться в способах вырезания рекламы на сайтах и приходить к пониманию, что вложения к письмам, скачанным по протоколу IMAP, раздуваются в объеме из-за MIME-кодирования…
Свято место пусто не бывает: так называемые сжимающие proxy-серверы, появившиеся в эпоху расцвета дайлап-доступа, с началом популяризации GPRS/EDGE/3G обрели второе дыхание не столько из-за скоростных ограничений последних, сколько «благодаря" относительно высокой цене беспроводного трафика. Предлагаю вашему вниманию несколько бесплатных решений, которые позволят заметно сэкономить, не требуя взамен никаких затрат, кроме времени на настройку устройства доступа.