История звукозаписи

Попытки создания аппаратов, воспроизводящих звуки, предпринимались еще в Древней Греции. В IV-II веках до н. э. там существовали театры самодвижущихся фигурок - андроидов. Движения некоторых из них сопровождались механически извлекаемыми звуками, складывающимися в мелодии.

В эпоху возрождения был создан целый ряд разнообразных механических музыкальных инструментов, воспроизводящих в нужный момент ту или иную мелодию: шарманок, музыкальных шкатулок, ящиков, табакерок.

Музыкальная шарманка работает следующим образом. Звуки создаются при помощи стальных тонких пластинок различной длины и толщины, размещенных в акустическом ящике. Для извлечения звука служит специальный барабан с выступающими штифтами, расположение которых по поверхности барабана соответствует задуманной мелодии. При равномерном вращении барабана штифты задевают пластинки в заданной последовательности. Заранее переставляя штифты на другие места, можно менять мелодии. Приводит в действие шарманку сам шарманщик, вращая ручку.

В музыкальных шкатулках для предварительной записи мелодии используется металлический диск, на который нанесена глубокая спиральная канавка. В определенных местах канавки делаются точечные углубления - ямки, расположение которых соответствует мелодии. При вращении диска, приводимого в движение часовым пружинным механизмом, специальная металлическая игла скользит по канавке и "считывает" последовательность нанесенных точек. Игла скреплена с мембраной, которая при каждом попадании иглы в канавку издает звук.

В средние века были созданы куранты - башенные или большие комнатные часы с музыкальным механизмом, издающие бой в определенной мелодической последовательности тонов или исполняющие небольшие музыкальные пьесы. Таковы Кремлевские куранты и Биг Бен в Лондоне.

Музыкальные механические инструменты - это всего лишь автоматы, воспроизводящие искусственно созданные звуки. Задача же сохранения на длительное время звуков живой жизни была решена значительно позже.

За много веков до изобретения механической звукозаписи появилось нотное письмо - графический способ изображения на бумаге музыкальных произведений (рис. 5.1). В древности мелодии записывались буквами, а современное нотное письмо (с обозначением высоты звуков, длительности тонов, тональности и нотными линейками) начало развиваться с ХII века. В конце XV века было изобретено нотопечатание, когда ноты начали печатать с набора, подобно книгам.

Рис. 5.1.  Нотное письмо

Записывать и потом воспроизводить записанные звуки удалось во второй половине XIX века после изобретения звукозаписи.

Магнитная звукозапись

В 1898 году датский инженер Вольдемар Паульсен (1869-1942) изобрел аппарат для магнитной записи звука на стальной проволоке. Назвал он его "телеграфоном". Однако недостатком использования проволоки в качестве носителя была проблема соединения отдельных ее кусков. Связывать их узелком было невозможно, так как он не проходил через магнитную головку. К тому же стальная проволока легко путается, а тонкая стальная лента режет руки. В общем, для эксплуатации она не годилась.

В дальнейшем Паульсен изобрел способ магнитной записи на вращающийся стальной диск, где информация записывалась по спирали перемещающейся магнитной головкой. Вот он, прообраз дискеты и жесткого диска (винчестера), которые так широко используются в современных компьютерах! Кроме того, Паульсен предложил и даже реализовал с помощью своего телеграфона первый автоответчик.

Рис. 5.8.  Вольдемар Паульсен

В 1927 году Ф. Пфлеймер разработал технологию изготовления магнитной ленты на немагнитной основе. На базе этой разработки в 1935 году немецкие электротехническая фирма "AEG" и химическая фирма "IG Farbenindustri" продемонстрировали на Германской радиовыставке магнитную ленту на пластмассовой основе, покрытой железным порошком. Освоенная в промышленном производстве, она стоила в 5 раз дешевле стальной, была гораздо легче, а главное, позволяла соединять куски простым склеиванием. Для использования новой магнитной ленты был разработан новый звукозаписывающий прибор, получивший фирменное название "Magnetofon". Оно и стало общим наименованием подобных приборов.

В 1941 году немецкие инженеры Браунмюлль и Вебер создали кольцевую магнитную головку в сочетании с ультразвуковым подмагничиванием при записи звука. Это позволило значительно уменьшить шумы и получать запись значительно более высокого качества, чем механическая и оптическая (разработанная к тому времени для звукового кино).

Магнитная лента пригодна для многократной записи звука. Число таких записей практически не ограничено.
Оно определяется только механической прочностью нового носителя информации - магнитной ленты.

Таким образом, владелец магнитофона, по сравнению с патефоном, не только получил возможность воспроизводить звук, записанный раз и навсегда на грампластинке, но мог теперь и сам производить запись звука на магнитной ленте, причем не в студии звукозаписи, а в домашних условиях или в концертном зале. Именно это замечательное свойство магнитной записи звука обеспечило широкое распространение в годы коммунистической диктатуры песен Булата Окуджавы, Владимира Высоцкого и Александра Галича. Достаточно было одному любителю записать эти песни на их концертах в каком-нибудь клубе, как эта запись с быстротой молнии распространялась среди многих тысяч любителей. Ведь с помощью двух магнитофонов можно переписать запись с одной магнитной пленки на другую.

Владимир Высоцкий вспоминал, что когда он впервые приехал в Тольятти и ходил по его улицам, то из окон многих домов слышал свой хриплый голос.

Первые магнитофоны были катушечными - в них магнитная пленка была намотана на катушки (рис. 5.9). При записи и воспроизведении пленка перематывалась с заполненной катушки на пустую. Прежде чем начать запись или воспроизведение, нужно было "заправить" пленку, т.е. свободный конец пленки протянуть мимо магнитных головок и закрепить его на пустой катушке.

Рис. 5.9.  Катушечный магнитафон с магнитной лентой на катушках

После окончания Второй мировой войны, начиная с 1945 года, магнитная запись получила самое широкое распространение во всем мире. На американском радио магнитная запись была впервые использована в 1947 году для трансляции концерта популярного певца Бинга Кросби. При этом были использованы детали трофейного немецкого аппарата, который был привезен в США предприимчивым американским солдатом, демобилизованным из оккупированной Германии. Бинг Кросби затем вложил свои средства в производство магнитофонов. В 1950 году в США уже продавалось 25 моделей магнитофонов.



Первый двухдорожечный магнитофон выпустила немецкая фирма AEG в 1957 году, а в 1959 году эта фирма выпустила первый четырехдорожечный магнитофон.

Сначала магнитофоны были ламповыми, и только в 1956 году японская фирма Sony создала первый полностью транзисторный магнитофон.

Позднее на смену катушечным магнитофонам пришли кассетные. Первый такой аппарат разработала фирма Philips в 1961-1963 годах. В нем обе миниатюрные катушки - с магнитной пленкой и пустая - помещены в специальную компакт-кассету и конец пленки заранее закреплен на пустой катушке (рис. 5.10). Таким образом, существенно упрощен процесс зарядки магнитофона пленкой. Первые компакт-кассеты были выпущены фирмой Philips в 1963 году. А еще позднее появились двухкассетные магнитофоны, в которых процесс перезаписи с одной кассеты на другую максимально упрощен. Запись на компакт-кассетах - двухсторонняя. Выпускаются они на время записи 60, 90 и 120 минут (на двух сторонах).


Рис. 5.10.  Кассетный магнитафон и компакт-кассета

На основе стандартной компакт-кассеты фирмой Sony был разработан портативный проигрыватель "плеер" размером с почтовую открытку (рис. 5.11 ). Его можно положить в карман или прикрепить к поясу, слушать на прогулке или в метро. Он получил название Walkman, т.е. "человек гуляющий", относительно дешев, пользовался огромным спросом на рынке и некоторое время являлся любимой "игрушкой" молодежи.


Рис. 5.11.  Кассетный плеер

Компакт-кассета "прижилась" не только на улице, но и в автомобилях, для которых была выпущена автомагнитола. Она представляет собой комбинацию радиоприемника и кассетного магнитофона.

Кроме компакт-кассеты, была создана микрокассета (рис. 5.12) размером в спичечную коробку для портативных диктофонов и телефонов с автоответчиком.

Диктофон (от лат. dicto - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи с целью, например, последующего печатания ее текста.


Рис. 5.12.  Микрокассета

Во всех механических кассетных диктофонах содержится более 100 деталей, часть из которых - подвижные.


Записывающая головка и электрические контакты изнашиваются за несколько лет. Откидная крышка также легко ломается. В кассетных диктофонах используется электрический двигатель, который протягивает магнитную пленку мимо головок записи.

Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве носителя вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.

Цифровые диктофоны преобразовывают звуковой сигнал (например голос) в цифровой код и записывают его в микросхему памяти. Работой такого диктофона управляет микропроцессор. Отсутствие лентопротяжного механизма, записывающих и стирающих головок значительно упрощает конструкцию цифровых диктофонов и делает ее более надежной. Для удобства пользования они снабжаются жидкокристаллическим дисплеем. Основными преимуществами цифровых диктофонов является практически мгновенный поиск нужной записи и возможность передачи записи на персональный компьютер, в котором можно не только хранить эти записи, но и монтировать их, перезаписывать без помощи второго диктофона и т.д.

Механическая звукозапись

В 1877 году американец Томас Альва Эдисон изобрел звукозаписывающий аппарат - фонограф, впервые позволивший записать звук человеческого голоса. Для механической записи и воспроизведения звука Эдисон применил валики, покрытые оловянной фольгой (рис. 5.2). Такие фоновалики представляли собой полые цилиндры диаметром около 5 см и длиной 12 см.

В первом фонографе металлический валик вращался с помощью рукоятки, с каждым оборотом перемещаясь в осевом направлении за счет винтовой резьбы на ведущем вале. На валик накладывалась оловянная фольга (станиоль). К ней прикасалась стальная игла, связанная с мембраной из пергамента. К мембране был прикреплен металлический конусный рупор. При записи и воспроизведении звука валик приходилось вращать вручную со скоростью 1 оборот в минуту. При вращении валика в отсутствие звука игла выдавливала на фольге спиральную канавку (или бороздку) постоянной глубины. Когда же мембрана колебалась, игла вдавливалась в олово в соответствии с воспринимаемым звуком, создавая канавку переменной глубины. Так был изобретен способ "глубинной записи".

При первом испытании своего аппарата Эдисон плотно натянул фольгу на цилиндр, подвел иглу к поверхности цилиндра, осторожно начал вращать ручку и пропел в рупор первую строфу детской песенки "У Мери была овечка". Затем отвел иглу, рукояткой вернул цилиндр в исходное положение, вложил иглу в прочерченную канавку и вновь стал вращать цилиндр. И из рупора тихо, но разборчиво прозвучала детская песенка.

В 1885 году американский изобретатель Чарльз Тейнтер (1854-1940) разработал графофон - фонограф с ножным приводом (как у ножной швейной машинки) - и заменил оловянные листы валиков восковой массой. Эдисон купил патент Тейнтера, и для записи вместо валиков с фольгой стали применять съемные восковые валики. Шаг звуковой бороздки был около 3 мм, поэтому время записи на один валик было очень мало.

Для записи и воспроизведения звука Эдисон использовал один и тот же аппарат - фонограф.

Эдисон Томас Альва (1847-1931), американский изобретатель и предприниматель.

Автор более 1000 изобретений в области электротехники и средств связи. Изобрел первый в мире аппарат звукозаписи - фонограф, усовершенствовал лампу накаливания, телеграф и телефон, построил в 1882 году первую в мире электростанцию общественного пользования, в 1883 году открыл явление термоэлектронной эмиссии, что впоследствии привело к созданию электронных или радиоламп.


Рис. 5.2.  Фонограф Эдисона


Рис. 5.3.  Т.А. Эдисон со своим фонографом

Основные недостатки восковых валиков - недолговечность и невозможность тиражирования. Каждая запись существовала только в одном экземпляре.

В практически неизменном виде фонограф просуществовал несколько десятков лет. Как аппарат для записи музыкальных произведений он перестал выпускаться в конце первого десятилетия XX века, но еще практически 15 лет использовался в качестве диктофона. Валики к нему выпускались вплоть до 1929 г.

Через 10 лет, в 1887 году изобретатель граммофона Э. Берлинер заменил валики дисками, с которых можно изготовить копии - металлические матрицы. С их помощью прессовались хорошо знакомые нам граммофонные пластинки (рис. 5.4). Одна матрица давала возможность напечатать целый тираж - не менее 500 пластинок. В этом состояло главное преимущество грампластинок Берлинера по сравнению с восковыми валиками Эдисона, которые нельзя было тиражировать. В отличие от фонографа Эдисона, Берлинер для записи звука разработал один аппарат - рекордер, а для воспроизведения звука другой - граммофон.

Вместо глубинной записи была применена поперечная, т.е. игла оставляла извилистый след постоянной глубины. Впоследствии мембрана была заменена высокочувствительными микрофонами, преобразующими звуковые колебания в электрические, и электронными усилителями.


Рис. 5.4.  Граммофон и грампластинка



Берлинер Эмиль (1851-1929) - американский изобретатель немецкого происхождения. Иммигрировал в США в 1870 году. В 1877 году, после изобретения Александром Беллом телефона, сделал несколько изобретений в области телефонии, а затем обратил свое внимание на проблемы звукозаписи.




Он заменил восковой валик Эдисона плоским диском - граммофонной пластинкой - и разработал технологию ее массового производства. Эдисон отозвался об изобретении Берлинера так: "У этой машины нет будущего" и до конца жизни остался непримиримым противником дискового звуконосителя.

Берлинер впервые продемонстрировал прообраз матрицы грампластинки во Франклиновском институте. Это был цинковый кружок с выгравированной фонограммой. Изобретатель покрывал цинковый диск восковой пастой, производил на него запись звука в виде звуковых канавок, а затем протравливал его кислотой. В результате получалась металлическая копия записи. Позднее на покрытом воском диске стали наращивать слой меди методом гальванопластики. Такой медный "слепок" сохраняет звуковые канавки выпуклыми. С этого гальванодиска делают копии - позитивные и негативные. Негативные копии представляют собой матрицы, с которых можно отпечатать до 600 грампластинок. Полученная таким способом пластинка обладала большей громкостью и лучшим качеством. Такие пластинки Берлинер продемонстрировал в 1888 г., и этот год можно считать началом эры грамзаписей.

Через пять лет был разработан способ гальванического тиражирования с позитива цинкового диска, а также технология прессования грампластинок при помощи стальной печатной матрицы. Первоначально Берлинер изготавливал грампластинки из целлулоида, каучука, эбонита. В скором времени эбонит был заменен композиционной массой на основе шеллака - воскоподобного вещества, вырабатываемого тропическими насекомыми. Пластинки стали качественней и дешевле, однако главным их недостатком была малая механическая прочность. Шеллачные пластинки выпускались до середины XX века, в последние годы - параллельно с долгоиграющими.

До 1896 г. диск приходилось вращать вручную, и это было главным препятствием широкому распространению граммофонов. Эмиль Берлинер объявил конкурс на пружинный двигатель - недорогой, технологичный, надежный и мощный. И такой двигатель сконструировал механик Элдридж Джонсон, пришедший в компанию Берлинера.


С 1896 по 1900 гг. было произведено около 25000 таких двигателей. Только тогда граммофон Берлинера получил широкое распространение.

Первые пластинки были односторонними. В 1903 году впервые был выпущен 12-дюймовый диск с записью на двух сторонах. Его можно было "проиграть" в граммофоне с помощью механического звукоснимателя - иглы и мембраны. Усиление звука достигалось с помощью громоздкого раструба. Позднее был разработан портативный граммофон: патефон со скрытым в корпусе раструбом (рис. 5.5).


Рис. 5.5.  Патефон

Патефон (от названия французской фирмы "Pathe") имел форму портативного чемоданчика. Основными недостатками грампластинок были их хрупкость, плохое качество звука и маленькое время проигрывания - всего 3-5 минут (при скорости 78 оборотов в минуту). В довоенные годы в магазинах даже принимали "бой" пластинок для переработки. Патефонные иглы нужно было часто менять. Вращалась пластинка с помощью пружинного двигателя, который приходилось "заводить" специальной ручкой. Однако, благодаря своим скромным размерам и весу, простоте конструкции и независимости от электрической сети, патефон получил очень широкое распространение среди любителей классической, эстрадной и танцевальной музыки. До середины нашего века он был непременной принадлежностью домашних вечеринок и загородных поездок. Пластинки выпускались трех стандартных размеров: миньон, гранд и гигант.

На смену патефону пришел электрофон, более известный как проигрыватель (рис. 5.7). Вместо пружинного двигателя для вращения пластинки в нем используется электрический двигатель, а вместо механического звукоснимателя был применен сначала пьезоэлектрический, а позднее более качественный - магнитный.


Рис. 5.6.  Патефон с электромагнитным адаптером


Рис. 5.7.  Проигрыватель

Эти звукосниматели преобразуют колебания иглы, бегущей по звуковой дорожке грампластинки, в электрический сигнал, который после усиления в электронном усилителе поступает в громкоговоритель.


А на смену хрупким грампластинкам в 1948-1952 годах пришли так называемые "долгоиграющие" ("long play") - более прочные, практически небьющиеся, а главное, обеспечивающие гораздо большее время проигрывания. Это было достигнуто за счет сужения и сближения между собой звуковых дорожек, а также за счет снижения числа оборотов с 78 до 45, а чаще до 33 1/3 оборотов в минуту. Качество воспроизведения звука при проигрывании у таких пластинок значительно повысилось. К тому же с 1958 года стали выпускать стереофонические грампластинки, создающие эффект объемного звучания. Иглы проигрывателя также стали значительно более долговечными. Их начали изготовлять из твердых материалов, и они полностью вытеснили недолговечные патефонные иглы. Запись грампластинок осуществлялась только в специальных студиях звукозаписи. В 1940-1950 годы в Москве на улице Горького существовала такая студия, где за небольшую плату можно было записать маленькую пластинку диаметром сантиметров 15 - звуковой "привет" своим родным или знакомым. В те же годы на кустарных звукозаписывающих аппаратах осуществляли подпольную запись пластинок джазовой музыки и блатных песенок, подвергавшихся в те годы гонению. Материалом для них служила отработанная рентгеновская пленка. Эти пластинки так и назывались "на ребрах", так как на просвет на них были видны кости. Качество звука на них было кошмарным, но за неимением других источников они пользовались огромной популярностью, особенно у молодежи.

Оптические диски

В 1979 году компании Philips и Sony создали совершенно новый носитель информации, заменивший грампластинку, - оптический диск (компакт-диск - Compact Disk - СD) для записи и воспроизведения звука. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков на заводе в Германии. Значительный вклад в популяризацию компакт-диска внесли Microsoft и Apple Computer.

По сравнению с механической звукозаписью он имеет целый ряд преимуществ - очень высокую плотность записи и полное отсутствие механического контакта между носителем и считывающим устройством в процессе записи и воспроизведения. С помощью лазерного луча сигналы записываются на вращающийся оптический диск цифровым методом.

В результате записи на диске образуется спиральная дорожка, состоящая из впадин и гладких участков. В режиме воспроизведения лазерный луч, сфокусированный на дорожку, перемещается по поверхности вращающегося оптического диска и считывает записанную информацию. При этом впадины считываются как нули, а ровно отражающие свет участки - как единицы. Цифровой метод записи обеспечивает практически полное отсутствие помех и высокое качество звучания. Высокая плотность записи достигнута благодаря возможности сфокусировать лазерный луч в пятно размером менее 1 мкм. Это обеспечивает большое время записи и воспроизведения.

Рис. 5.13.  Оптический диск CD

В конце 1999 года компания Sony объявила о создании нового носителя Super Audio CD (SACD). При этом применена технология так называемого "прямого цифрового потока" DSD (Direct Stream Digital). Частотная характеристика от 0 до 100 кГц и частота дискретизации 2,8224 Мгц обеспечивают значительное повышение качества звучания по сравнению с обычными CD-дисками. Благодаря гораздо более высокой частоте дискретизации становятся ненужными фильтры при записи и воспроизведении, так как ухо человека воспринимает этот ступенчатый сигнал как "гладкий" аналоговый. При этом обеспечена совместимость с существующим форматом СD. Выпускаются новые однослойные диски HD, двухслойные диски HD, а также гибридные двухслойные диски HD и CD.

Хранить звуковые записи в цифровой форме на оптических дисках гораздо лучше, чем в аналоговой форме на грампластинках или магнитофонных кассетах. Прежде всего, несоизмеримо повышается долговечность записей. Ведь оптические диски практически вечны - они не боятся мелких царапин, лазерный луч не повреждает их при воспроизведении записей. Так, фирма Sony дает 50-летнюю гарантию хранения данных на дисках. Кроме того, на CD не действуют помехи, характерные для механической и магнитной записи, поэтому качество звучания цифровых оптических дисков несоизмеримо лучше. К тому же при цифровой записи появляется возможность компьютерной обработки звука, позволяющей, например, восстановить первоначальное звучание старых монофонических записей, убрать с них шумы и искажения и даже превратить их в стереофонические.

Для проигрывания CD-дисков можно использовать проигрыватели (так называемые CD-плееры), музыкальные центры и даже портативные компьютеры, оснащенные специальным приводом (так называемым дисководом CD-ROM) и звуковыми колонками. К настоящему времени в мире на руках у пользователей находится более 600 миллионов CD-плееров и более 10 миллиардов компакт-дисков! Портативные переносные CD-плееры, подобно плеерам для магнитных компакт-кассет, оснащаются наушниками (рис. 5.14).

Рис. 5.14.  CD-плеер

Рис. 5.15.  Магнитола с CD-плеером и цифровым тюнером

Рис. 5.16.  Музыкальный центр

Музыкальные CD-диски записываются в заводских условиях. Подобно грампластинкам, их можно только прослушивать. Однако за последние годы разработаны оптические CD-диски для однократной (так называемые CD-R) и многократной (так называемые CD-RW) записи на персональном компьютере, оснащенном специальным дисководом. Это дает возможность делать на них записи в любительских условиях. На диски CD-R можно сделать запись только один раз, а на CD-RW - многократно: как на магнитофоне, можно стирать предыдущую запись и на ее месте делать новую.

Цифровой метод записи сделал возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название "мультимедиа".

В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - т.е. память на компакт-диске "только для чтения"). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах. Информация в них записывается также в цифровой форме.

На смену существующим компакт-дискам приходит новый стандарт носителей информации - DVD (Digital Versatil Disc или цифровой диск общего назначения). На вид они ничем не отличаются от компакт-дисков. Их геометрические размеры одинаковы. Основное отличие DVD-диска - гораздо более высокая плотность записи информации. Он вмещает в 7-26 раз больше информации. Это достигнуто благодаря более короткой длине волны лазера и меньшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность уменьшить вдвое расстояние между дорожками. Кроме того, DVD-диски могут иметь один или два слоя информации. К ним можно обращаться, регулируя положение лазерной головки. У DVD-диска каждый слой информации вдвое тоньше, чем у CD-диска. Поэтому можно соединять два диска толщиной 0,6 мм в один со стандартной толщиной 1,2 мм. При этом емкость удваивается. Всего DVD-стандарт предусматривает 4 модификации: односторонний, однослойный на 4,7 Гбайт (133 минуты), односторонний, двухслойный на 8,8 Гбайт (241 минута), двухсторонний, односл ойный на 9,4 Гбайт (266 минут) и двухсторонний, двухслойный на 17 Гбайт (482 минуты). Указанные в скобках минуты - это время проигрывания видеопрограмм высокого цифрового качества с цифровым многоязычным объемным звуком. Новый стандарт DVD определен таким образом, что будущие модели устройств считывания будут разрабатываться с учетом возможности воспроизведения всех предыдущих поколений компакт-дисков, т.е. с соблюдением принципа "обратной совместимости". Стандарт DVD позволяет значительно увеличить время и улучшить качество воспроизведения видеофильмов по сравнению с существующими CD-ROM и видео-компакт-дисками LD.

Форматы DVD-ROM и DVD-Video появились в 1996 году, а позднее был разработан формат DVD-audio для записи высококачественного звука.

Дисководы DVD представляют собой несколько усовершенствованные дисководы CD-ROM.

CD- и DVD-оптические диски стали первыми цифровыми носителями и накопителями информации для записи и воспроизведения звука и изображения.

<

Цифровое кино

За последние годы бурно развивается цифровое кино. Цифровой кинематограф - это процесс производства, распространения и демонстрации кинофильма в кинотеатре на основе цифровых технологий без применения традиционной кинопленки. Съемка цифровых кинофильмов ведется с помощью высококачественных цифровых видеокамер, а демонстрация - с помощью цифровых видеопроекторов, полностью заменяющих съемочные кинокамеры и кинопроекторы. Цифровые жидкокристаллические видеопроекторы применяются и в домашних кинотеатрах.

С момента появления около 30 лет назад первого видеомагнитофона замена традиционной 35-мм кинопленки на систему электронной цифровой проекции стала лишь вопросом времени. Системы цифровой проекции кинофильмов уже появились в кинотеатрах, качество цифровой проекции сравнялось с качеством традиционного пленочного, а во многих случаях даже превзошло качество обыкновенной тиражной копии кинофильма. Для киностудий - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество изображения и звука кинофильма как в студии, так и в кинотеатре. Зрители видят фильм именно так, как это задумал режиссер. Именно благодаря этим возможностям цифрового кино многие ведущие кинорежиссеры, такие как Джордж Лукас, активно пропагандируют цифровые технологии. Есть у цифрового кино и противники среди кинорежиссеров, которые заявляют, что никогда не откажутся от использования кинопленки. Это напоминает время перехода от немого кино к звуковому, когда даже Чарли Чаплин не хотел переходить к использованию звука, но затем все-таки начал снимать звуковые фильмы.

Внедрение цифрового кинематографа позволяет только за счет тиражирования фильмов сэкономить более 1 млрд долларов для мировой киноиндустрии. Технология цифрового кино значительно увеличивает защиту кинофильма от пиратства - можно применять для защиты методы шифрования, используемые в банковской сфере и системах национальной безопасности. Цифровой кинематограф позволяет организовывать доставку фильма в любой уголок планеты с помощью спутниковых систем, тем самым обеспечивая одновременно сотни и тысячи кинотеатров мира премьерными кинофильмами.

Для владельцев кинотеатров цифровые системы позволяют наряду с традиционными фильмами демонстрировать на большом киноэкране:

спортивные программы (футбол, хоккей, "Формула-1", бокс и др.);концерты (грандиозные шоу, рок-фестивали, мюзиклы, оперы и т.д.);прямые трансляции важных событий (чемпионаты мира, извержения вулканов, партийные съезды и т.д.).

В нашей стране благодаря системам цифрового кинематографа становится возможно "доставить" любой фильм, любую программу в самый отдаленный кинотеатр, будь он на Дальнем Востоке или на Крайнем Севере.

Для кинозрителей - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество демонстрации фильмов как в день премьеры, так и после сотен просмотров. Ведь у цифрового изображения не бывает царапин и грязи, потери кадров при обрыве пленки, дрожания картинки и выцветания цветов.

Фотография и кино

Предшественником фотографии была камера-обскура (рис. 6.1) - прибор, дающий возможность воспроизводить в уменьшенном виде находящиеся перед ним предметы и виды природы. Он представляет собой светонепроницаемый ящик с маленьким отверстием в центре одной из стенок. На его противоположной стенке получается обратное ("вверх ногами") изображение предметов, находящихся перед отверстием.

Словосочетание "camera obscura" в переводе с латыни означает "темная комната". Упоминания о камере-обскуре встречаются еще в V веке до н. э. - китайский философ Ми Ти описал возникновение изображения на стене затемненной комнаты. Упоминания о камере-обскуре были и у Аристотеля.

Рис. 6.1.  Камера-обскура

Вероятно, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи. Он подробно описал ее в своем "Трактате о живописи". В 1686 году Йоганнес Цан спроектировал портативную камеру-обскуру. Она была оснащена зеркалом, расположенным под углом 45° и проецирующим изображение на матовую, горизонтальную пластину. В отверстие камеры-обскуры помещали линзу, что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. Многие художники (например, Ян Вермеер Дельфтский) использовали камеру-обскуру для зарисовки изображений - пейзажей, портретов, бытовых зарисовок. Если к матовому стеклу приложить полупрозрачную бумагу, то на ней можно с помощью карандаша довольно точно зафиксировать на просвет изображение на стенке. Для этого нужно аккуратно обвести контуры изображения на бумаге. Так поступал художник Каналетто, что позволило ему запечатлеть пейзажи Венеции с документальной точностью. Камера-обскура в дальнейшем послужила основой для получения фотографических снимков. Нужно было найти способ закрепить изображение на каком-нибудь материале, например на камне или бумаге, не используя карандаш, резец или кисть.

Первым, кому удалось это сделать, был француз Жозеф Ньепс (1765-1833). Рисовать он не умел и стремился заставить "рисовать" свет.
Для этого он покрывал поверхность пластины из стекла, меди или сплава олова со свинцом тонким слоем асфальтового лака (битума), растворенного в животном масле. Это и был первый светочувствительный материал. Ньепс засвечивал его в камере-обскуре в течение нескольких часов. Когда полученное на покрытии изображение затвердевало и становилось видимым невооруженным глазом, Ньепс в темной комнате обрабатывал пластину кислотой. Она растворяла покрытие линий изображения, защищенное от воздействия света во время экспозиции (то есть времени выдержки при засветке). Затем гравер четко гравировал линии, покрывал пластину чернилами и отпечатывал необходимое количество экземпляров рисунка. В результате получалась гравюра, созданная не художником, а светом, - гелиография (в переводе с греческого - "нарисованная светом"). Первое стойкое изображение в камере-обскуре Ньепс получил в 1822 году. Экспозиция при этом была равна 8 часам.

Рис. 6.2.  Ж. Ньепс

Так Ньепс впервые в истории сумел избавиться от услуг художника и зафиксировать точное изображение объекта, "нарисованное" светом. Но при этом использовался ручной труд гравера. Такая гелиогравюра представляла собой лишь начальный этап в изобретении фотографии. Четкость изображения на гелиогравюрах была невелика.

Французский художник и изобретатель Луи Дагер (1787-1851) на основе опытов Ж. Ньепса разработал первый практически пригодный способ фотографии - дагерротипию (1839 г.).


Рис. 6.3.  Л. Дагер

Л. Дагер не изобрел фотографию - право первенства принадлежит Ж. Ньепсу, - но сделал ее действующей и популярной.

Его идея заключалась в том, чтобы получать изображение на полированной поверхности серебряной пластины, пропитанной парами йода: они делали ее чувствительной к свету. Эту пластину он помещал в камеру-обскуру и подвергал экспозиции, а проявлял парами ртути.

Он достиг результата в 1837 году после 11 лет опытов. Полученное и проявленное в парах ртути изображение он фиксировал, промывая экспонированную пластину раствором соли и горячей водой.


Позднее соль была заменена другим фиксирующим веществом - гипосульфитом натрия. В результате смывались частицы йодистого серебра, не подвергшиеся воздействию света. Время экспозиции пластины в камере-обскуре составляло от 15 до 30 мин. (в то время как при гелиографии Ньепса требовалась экспозиция до 8 ч).

В результате получалась единственная фотография-позитив, названная автором дагерротипом. Несколько таких пластинок сделать было невозможно. Изображение на пластине получалось зеркальным. Рассматривать его можно было только при определенном освещении. Но Дагер сумел при получении изображений на дагерротипе, "нарисованных" светом, избавиться от услуг не только художника, но и гравера. Это и сделало его процесс доступным и практичным.

Дагер вызывал в Париже значительный интерес публики. С тяжелой фотографической камерой и громоздким оборудованием он делал свои дагерротипы на бульварах.

7 января 1839 года известный астроном и физик Араго доложил французской Академии наук о работах Дагера.

Вскоре ученые, художники и любители улучшили процесс Дагера. Они сократили время экспозиции до нескольких минут. Применение призмы дало возможность перевернуть изображение на дагерротипе из зеркального в нормальное. Дагерротипы передавали мельчайшие детали снимаемых объектов. К 1841 году была создана камера меньшего размера, а ее вес уменьшился в 10 раз.

Английский физик, химик Уильям Толбот (1800-1877) изобрел негативно-позитивный процесс в фотографии (калотипию).


Рис. 6.4.  У. Толбот

Он пытался копировать виды природы с помощью камеры-обскуры. Но он тоже не обладал навыками рисования. Поэтому ему захотелось зафиксировать изображение, которое он видел в камере-обскуре. Толбот знал о том, что свет может воздействовать на свойства различных материалов, и он изобрел такой светочувствительный материал. Для этого он погружал лист бумаги в слабый раствор соли, а затем в раствор нитрата серебра. При этом в бумаге образовывался хлорид серебра и она становилась светочувствительной.



В 1835 году Толбот с помощью камеры делал снимки на своей светочувствительной бумаге, пропитанной хлористым серебром. Так он получил первый в мире негатив. К нему он прикладывал другой такой же лист бумаги и засвечивал их. Так Толбот сделал позитивный отпечаток. Первые снимки были темными, нечеткими и "пятнистыми", а чувствительность бумаги была очень низкой.

В январе 1839 года Толбот узнал о том, что в Академии наук в Париже Араго сделал сообщение об изобретении Л. Дагера - дагерротипе. Это побудило Толбота опубликовать сообщение о своем процессе. 31 января 1839 года он сделал в Лондонском королевском обществе доклад "Некоторые выводы об искусстве фотогеничного рисунка, или о процессе, с помощью которого предметы природы могут нарисовать сами себя без помощи карандаша художника".

Известный ученый Джон Гершель назвал изобретение Толбота фотографией и пустил в обращение слова "негатив" и "позитив".

В 1840 году У. Толбот изменил и улучшил свой процесс. Это позволило ему делать фотографии за несколько минут. Он назвал свой процесс калотипией (от греч.слов kalos - красивый и typos - отпечаток), впоследствии получившей название толботипия.

Проявлял он бумагу в кислоте, затем фиксировал изображение в растворе гипосульфита, промывал негатив в чистой воде, высушивал и натирал воском, делая его прозрачным. С помощью солнечного света он делал с негатива контактные отпечатки на хлоросеребряной бумаге.

Калотипия Толбота и дагерротипия Дагера имели принципиальные различия. В дагерротипе сразу получалось позитивное, зеркально отраженное изображение на серебряной пластине. Это упрощало процесс, но делало невозможным получение копий. В калотипии сначала изготовлялся негатив, с которого можно было сделать любое количество позитивных отпечатков. Поэтому калотипия намного ближе к современной фотографии, несмотря на то, что качество дагерротипии было намного выше, чем калотипии.

В 1844-1846 годах Толбот издал первый альбом "Карандаш природы" с фотографическими художественными иллюстрациями - видами природы и архитектуры, а в 1851 году разработал метод мгновенной фотографии.



В том же 1851 году английский изобретатель Ф. Скотт Арчер стал применять "мокрый" фотографический процесс. Листы стекла поливали смесью солей серебра с раствором нитроцеллюлозы в спирте (коллодием). Эти мокрые пластины экспонировали и проявляли без высушивания. Поэтому на съемку фотограф нес с собой целую походную фотолабораторию: громоздкий фотоаппарат, запас пластинок, химикалии, посуду и палатку для работы с ними в темноте. Это было крайне сложно и неудобно.

В 1871 году английский изобретатель Р.Л. Меддокс создал пластинку с сухим бромосеребряным желатиновым слоем, а в 1873 году немецкий ученый Г. Фогель сделал открытие, позволившее увеличить чувствительность фотоматериалов и значительно уменьшить время экспозиции. В 1887 году американец Г. Гудвин изобрел фотопленку на гибкой нитроцеллюлозной подложке.

В 1880 году американский изобретатель Джордж Истмен (1854-1932) разработал процесс изготовления сухих фотографических пластин, использование которых существенно упростило работу фотографа, и в том же 1880 г. основал фирму Eastman Dry Plate and Film Company для их производства, преобразованную в 1892 в Eastman Kodak Company.


Рис. 6.5.  Д. Истмен

В самом конце ХIХ - начале ХХ века Д. Истмен создал модель портативного фотоаппарата и открыл пункты по обработке фотопленки и печати фотографий по всему миру. Девизом его фирмы Коdак стало изречение: "Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!"

Первый фотоаппарат "Кодак", появившийся в 1888 году, был простой портативной камерой, вмещавшей ролик бумаги на 100 снимков (рис. 6.6). Камера с отснятыми снимками возвращалась производителю для проявления, печати и перезарядки. В 1889 году Истмен разработал прозрачную пленку. В 1900 году он создал более простую фотокамеру, которой могли пользоваться даже дети. Стоила она всего 1 доллар и продавалась вместе с роликом пленки в кассете, которую после фотографирования можно было отправить на завод-изготовитель для проявки и печати. Такими камерами пользовались миллионы любителей фотографии.




Рис. 6.6.  Фотоаппарат "Кодак" для ролевой пленки (1888 г.)

В последующие годы фирма Eastman Kodak внедрила еще целый ряд новшеств. Она была первой компанией, создавшей оборудование для домашней киносъемки и цветную пленку для слайдов (диапозитивов). В 1960 году фирма разработала кинопленку в кассетах, а в 1982 году - фотокамеры с автоматическим использованием фотовспышки в случае необходимости, с автоматической наводкой на резкость и автоматической перемоткой пленки после съемки каждого кадра. С их появлением девиз Д. Истмена "Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!" приобрел буквальный смысл для миллионов даже самых неопытных фотолюбителей. Пункты фирмы Kodak по проявке фотопленок и печати фотографий с них существуют во многих странах мира, в том числе и в России.

Немецкий механик и изобретатель Оскар Барнак (1879-1936) создал в 1911-13 годах первую миниатюрную фотокамеру "Лейка" (Leica 1A), которая появилась в продаже в 1924 году.


Рис. 6.7.  Фотокамера


Рис. 6.8.  Оскар Барнак Leica 1A

Успех этой камеры привел к широкому распространению 35-мм камер во всем мире. О. Барнак установил стандарт кадра 24х36 мм для всех миниатюрных фотокамер, существующий и в наши дни.

Современные фотоаппараты полностью автоматизированы, снабжены встроенной фотовспышкой, сами производят наводку на резкость снимаемого объекта, определяют выдержку в зависимости от условий освещения, при необходимости включают фотовспышку, автоматически перематывают пленку на следующий кадр. Цветная фотопленка имеет очень высокую чувствительность, позволяющую снимать практически при любых условиях. Она теперь выпускается всего четырех градаций чувствительности 100, 200, 400 и 800 единиц, в кассетах на 12,24 и 36 кадров (рис. 6.9). Фотолюбителю нужно только выбрать объект съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Особенной популярностью пользуются у фотолюбителей миниатюрные фотоаппараты, шутливо называемые "мыльницами". Процессы проявления фотопленки и фотопечати на высококачественной цветной фотобумаге давно автоматизированы в многочисленных фотолабораториях всемирно известных фирм "Кодак" и "Фуджи".


Поэтому домашние фотолаборатории почти исчезли в наши дни. Пластмассовые светонепроницаемые кассеты с фотопленкой вставляются в фотоаппараты и вынимаются из них с уже отснятой фотопленкой на свету (разумеется, после обратной перемотки в закрытом фотоаппарате). Поэтому фотолюбитель уже не нуждается в затемненном помещении для зарядки пленки в кассету.


Рис. 6.9.  Фотопленка в стандартной кассете

еперь у фотолюбителя только одна забота - правильно выбрать кадр для съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Все остальное сделает за него современный фотоаппарат (рис. 6.10) - автоматически наведет на резкость, в зависимости от условий освещения выберет диафрагму и выдержку, применит, если нужно, фотовспышку, произведет экспозицию и даже перемотает пленку на следующий кадр после окончания съемки предыдущего. Когда же вся пленка кончится, аппарат автоматически перемотает всю экспонированную пленку обратно в кассету. Фотолюбителю остается только достать отснятую кассету и отнести ее в фотолабораторию для проявки и печати на автоматическом оборудовании. Поэтому качество любительской фотосъемки резко возросло. Когда в такой автоматизированный фотоаппарат вставляют новую кассету с неэкспонированной пленкой, то он автоматически перематывает ее на первый кадр и сам определяет чувствительность этой пленки. После этого аппарат снова готов к работе. Наиболее соверш енные модели снабжены календарем и автоматически экспонируют на каждый кадр дату съемки.


Рис. 6.10.  Современный фотоаппарат-"мыльница"

В 1960-1980-е годы широкое распространение получила фотосъемка на диапозитивную цветную пленку (так называемые слайды). Их нужно рассматривать на просвет с помощью диапроектора. Слайды дают высокое качество изображения, но после появления за последние десятилетия высококачественной позитивной фотографии их популярность значительно снизилась.

Изобретатель и предприниматель Э. Лэнд разработал в 1947 году диффузионный фотографический процесс, при котором химико-фотографическая обработка негативного фотоматериала и получение позитива происходят одновременно.


Другими словами, он изобрел одноступенчатый процесс проявления и печати в фотографии. На его основе он создал фотоаппарат моментальной фотографии, названный им Polaroid. Такое же название он дал и своей фирме. Проявление и фиксирование изображения происходит внутри разработанного им фотоаппарата. Для этого в аппарат Polaroid вставляется специальный картридж - фильмпакет, рассчитанный на получение 10 фотоснимков размером 8,8х10,7 см, с сухими химикалиями. Главное достоинство этого аппарата - оперативность съемки. Сразу же после нажатия на спусковую кнопку из аппарата появляется белый картонный квадрат, на котором в течение одной минуты проявляется готовое позитивное цветное фотоизображение. Но на этом достоинства кончаются: качество снимка значительно хуже, чем у современного обычного фотоаппарата, снимок - всего в одном экземпляре, размножить или увеличить его нельзя.



Лэнд Эдвин (1909-1991) - американский ученый и изобретатель, автор более 500 патентов. В 1932 году разработал поляризационный фильтр, названный им Polaroid, на основе субмикроскопических кристаллов, внедренных в пластик.

В 1937 году основал корпорацию Polaroid Corp. в Кэмбридже (штат Массачусетс). В 1941 году разработал объемный кинопроцесс на основе поляризации света.

В 1947 году он продемонстрировал фотоаппарат, названный им Polaroid Land Camera, который печатал готовую фотографию через 60 секунд после съемки. Сначала был применен процесс, основанный на жидких химических реактивах ("мокрый" процесс), а позднее были использованы сухие реактивы - процесс стал "сухим". Первые фотографии Поляроида были черно-белыми, затем были получены цветные фотографии. Камера "Поляроид" благодаря простоте и быстроте получения готовых цветных фотографий стала одной из самых популярных в мире.

Итак, фотографический процесс получения изображений на поверхности стеклянной пластинки, пленки или бумаги, покрытой светочувствительным слоем солей серебра, основан на химическом действии света, вызывающем разложение этих солей.


Изображение фотографируемого объекта в фотоаппарате с помощью объектива проецируется на светочувствительную поверхность пластинки или пленки, которая затем проявляется и фиксируется. На ней получается негативное изображение объекта. С этого негатива на светочувствительной фотобумаге печатаются фотографии.

После изобретения фотографии стало возможным получить движущиеся изображения. Для этого сначала фотографируют на кинопленку последовательные положения движущегося предмета, а затем также последовательно показывают эти кадры с помощью проектора. При перемещении пленки от одного кадра к следующему световой поток перекрывается скачковым механизмом (или обтюратором). Благодаря этому зритель видит только последовательный ряд размещенных на пленке неподвижных кадров. Если снимать, а потом показывать пленку со скоростью 16, а лучше 24 кадра в секунду, то зрители за счет инерционности зрения не замечают смену кадров и движение на экране кажется непрерывным.

Первым, кто создал оптический прибор для демонстрации движущихся картинок, был Томас А. Эдисон. Патент на свой прибор - кинетоскоп - он получил в 1891 году.

Кинетоскоп (от греческого кинетос - движущийся и скопио - смотреть) Эдисона представлял собой ящик с глазком-окуляром, с помощью которого смотреть фильм мог только один человек. Внутри ящика через систему роликов протягивалась пленка с фильмом длительностью около полминуты. Таким образом, кинетоскоп был прибором индивидуального пользования. В 1894 году Эдисон открыл зал "Кинетоскоп Парлор". В нем он установил 10 ящиков-кинетоскопов для демонстрации фильмов. Один сеанс стоил 25 центов. Однако смотреть фильм через глазок-окуляр было неудобно.

В 1895 году свой первый кинофильм в парижском кафе показали братья Люмьер. Демонстрировали они его с помощью кинопроектора, проецировавшего изображение на большом экране. Это дало возможность показывать фильм сразу многим зрителям. В результате кинетоскопы Эдисона для индивидуального просмотра фильмов не выдержали конкуренции и уступили место кинопроекторам.





Братья Огюст (1862-1954) и Луи (1864-1948) Люмьер - изобретатели кинематографа и постановщики первых в мире кинофильмов.

Отец их был художником, увлекавшимся фотографией. Собственно изобретателем кинематографа был Луи, но Огюст помогал брату и принимал активное участие в киносъемках.

Первый киносеанс братья Люмьер провели в парижском Гран-кафе на бульваре Капуцинов в 1895 году. За 1895-1896 годы они сняли около 50 короткометражных фильмов. Им принадлежит и само название "кинематограф". Снимали они документальные картины (например, знаменитое "Прибытие поезда на вокзал"), комедии ("Политый поливальщик"), и игровые картины. Киносеансы шли под аккомпанемент пианино или саксофона. Последний свой фильм братья Люмьер сняли в 1898 году, а всего ими было снято около 1800 кинолент.

Их изобретение быстро распространилось сначала в Европе, а затем и в Америке.

Братья Люмьер подарили миру не только кинематограф. Другой важной областью их исследовательской работы была фотография: сначала черно-белая, а затем и цветная. Работая многие годы, они разработали рецепт автохрома - пластинок для цветной фотографии. На стеклянную пластинку они наносили мелко размельченный крахмал, синий, красный и зеленый краситель, сажу, клей, фотоэмульсию, смешивали и высушивали их. Братья Люмьер разработали технологию и организовали промышленное производство пластинок автохрома. Фотолюбители получили стеклянные пластинки с позитивным изображением и яркими цветами. С них можно было напечатать фотографию или рассматривать снимки под лупой, их можно было вставить в диапроектор или сохранить в фотоальбоме.

Доступная цена, высокая по меркам начала века скорость съемки и натуральность получаемых снимков обеспечили коммерческий успех изобретению Люмьеров. Пластинки автохрома производили с 1907 до 1932 года.

До нашего времени сохранилось несколько десятков тысяч цветных фотографий, сделанных на пластинках автохрома в 50 странах мира.

В течение почти 30 лет кино оставалось немым, а затем стало звуковым.


Для этого на кинопленке стали оптическим способом записывать звуковую дорожку, а при показе кинофильма считывать с нее звук с помощью фотоэлемента.

Первую оптическую систему записи звука в кино создал американский изобретатель Ли де Форест (1873-1961).


Рис. 6.11.  Ли де Форест

Непрозрачная область кинопленки, смежная с изображением, содержит фотографическую фонограмму в виде звуковой дорожки, ширина которой изменяется в соответствии с изменениями звука. По мере воспроизведения копии через кинопроекционную установку, световой луч лампы кинопроектора, проходя через фонограмму, передает изменения на фотоэлемент, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот сигнал усиливается, обрабатывается с помощью фильтров и преобразовывается как звуковой. Оптический звук имеет ряд преимуществ, которые определили его универсальность. Прежде всего - экономичность при производстве, так как оптическая фонограмма печатается на пленке вместе с изображением. Срок жизни звуковой дорожки такой же, как и изображения, и может быть достаточно долгим. Оптическая считывающая головка, установленная в проекторе, - наиболее эффективная и простая в обслуживании технология из ныне существующих.

Впервые звук и изображение стали записывать на кинопленке, созданной Д. Истменом в конце XIX - начале XX века. Первый звуковой кинофильм "Звуки джаза" были выпущен в США в 1927 году. В нашей стране первый художественный звуковой фильм "Путевка в жизнь" был выпущен в 1931 году.

Фотографии и кинопленка многие годы были черно-белыми, а затем стали цветными, хотя первое цветное изображение француз Л. Дюко дю Орон получил еще в 1868-1869 годах.

Стандартный размер кадра 36-миллиметровой фото- и кинопленки составляет 24х36 миллиметров. По обеим сторонам кадра в ней имеются отверстия для ее протяжки при съемке и проекции на экран. Такая кинопленка используется в профессиональном кино. Для кинопередвижек применялась 16-миллиметровая кинопленка, а для любительского кино в 1960-1990-е годы широко использовалась 8-миллиметровая черно-белая и цветная кинопленка, в которой отверстия располагались с одной стороны.


В последние годы с появлением любительских видеокамер любительская киносъемка после 30-40-летнего существования полностью "вымерла": наступил век магнитной видеосъемки.

Однако профессиональное кино продолжает жить и сегодня. Большой прогресс достигнут за последние десятилетия в звуковом сопровождении кинофильмов. Сегодня каждый зритель, в каком бы месте зала он не находился, смотрит кинофильм с пространственным звуком и специальными эффектами, например, раскатами грома.

Долби (Dolby) - это технология записи и воспроизведения многоканального звука, создающего "эффект присутствия". Основа этой технологии - принцип размещения звука на двух дорожках в пространстве, выделенном для записи стандартной оптической звуковой дорожки. Дорожки несут информацию не только для левого и правого каналов (внутренний стереозвук), но также и информацию для третьего (центрального) канала и, что наиболее важно, - для четвертого канала (surround) объемного звучания окружающего звука и специальных эффектов в зале (рис. 6.12).


Рис. 6.12.  Акустическая система

Dolby Digital - это новейшая разработка в технологии кинозвука - шестиканальная цифровая оптическая запись дополнительно к четырехканальной аналоговой SR (surround) записи, размещенная на одной копии 35 mm. Цифровая дорожка расположена при этом справа на копии. Формат Dolby Digital доказал свои высокие качества, надежность и практичность в кинотеатрах всего мира.

Голография

Стереоскопическая съемка за счет получения одновременно двух изображений на фото- или кинопленке (отдельно для правого и левого глаза) позволила создать у зрителя ощущение объемности изображения. Однако стереоскопическое изображение не дает возможности рассмотреть предмет с разных сторон.

Такая возможность появилась после изобретения голографического метода получения изображений Д. Габором в 1948 году. Он основан на волновой природе света, явлениях дифракции и интерференции.

Фотография дает только плоское изображение предметов, то есть неполную информацию о нем. Дело в том, что свет - это волна, характеризующаяся двумя основными величинами - амплитудой и фазой. Фотография дает информацию только об амплитуде излученной фотографируемым предметом световой волны, а о ее фазе ничего не сообщает. Значит, для получения полной информации о предмете нужно еще уловить фазу этой волны. Ведь именно фаза дает информацию об объемности предмета. Вот эту задачу и удалось решить Деннису Габору.

Габор Деннис (1900-1979), физик. Родился в Венгрии. С 1927 живет в Германии, с 1934 - в Великобритании, с 1967 - в США. Построил общую теорию голографии и получил первые голограммы. Нобелевская премия (1971).

Он осветил предмет (это был полупрозрачный кубик) светом ртутной лампы. В то время это был самый лучший источник световых волн с постоянной длиной волны, так называемый когерентный источник. На пути световых волн от ртутной лампы, которые отразил предмет (кубик), Габор поставил фотопластинку. Волна от лампы сложилась с волной от предмета. В результате их интерференции появилась суммарная волна, которая и была зафиксирована на фотопластинке в виде чередующихся черных и светлых полос. Ее Габор назвал голограммой. Для того чтобы вместо интерференционной картины увидеть изображение предмета, Габор поставил справа от голограммы ту же самую ртутную лампу, только теперь свет от нее шел в обратном направлении. В результате дифракции слева от голограммы возникли те же волны, которые ее создали, а в результате интерференции произошло вычитание волн, направленных навстречу друг другу, и осталась только волна от предмета. Заглянув в голограмму, Габор увидел за ней парящий в воздухе кубик - первое голографическое изображение.

Слово голография - греческое. Оно состоит из двух частей: голо - по-гречески "полный, целый, весь" и графо - "пишу". То есть слово "голография" означает "полное описание", что полностью соответствует физическому смыслу этого термина.

Однако развиваться голография стала только в 1960-х годах с появлением лазера, дающего идеальное когерентное излучение. В 1962-1963 гг. американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые применили лазер в качестве источника света для получения голограммы. При голографической съемке фотопластинка освещается опорным лазерным лучом и одновременно отраженным от снимаемого предмета светом. В результате сложения световых волн в плоскости пластинки возникает картина, содержащая всю информацию об отраженной световой волне. Если после проявления фотопластинки осветить ее лазерным лучом, возникает голографическая картина - голограмма. Объект съемки не только кажется объемным, но при повороте головы его действительно можно рассмотреть с разных сторон - справа, слева, сверху и снизу!

Наиболее необычное свойство голограммы состоит в том, что любой ее участок содержит информацию обо всем запечатленном на ней предмете. Причина в том, что практически на каждую точку поверхности фотопластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Если разорвать фотографию на несколько кусков, то каждый кусок будет содержать информацию только о части предмета. В то же время, если голограмму разделить на несколько фрагментов, то каждый из них будет содержать информацию обо всем предмете. В этом смысле голограмма больше похожа на зеркало, чем на фотографию. Ведь каждый кусочек разбитого зеркала отражает весь предмет. Этот факт натолкнул ученых на некоторое сходство голограммы с памятью человека. Такая аналогия ни в коей мере не является прямой, однако голографические принципы хранения информации могут быть полезными для раскрытия механизмов человеческой памяти.

Способ получения голограммы на фотопластинке с толстым слоем эмульсии, разработанный в 1962-1963 гг. Ю.Н. Денисюком, позволяет рассматривать голограмму при освещении ее обычным осветителем или солнечным светом. Толщина слоя эмульсии намного больше длины световой волны, поэтому интерференционная картина встречных предметного и опорного пучков света возникает в толще эмульсии и образует объемную голограмму. При проявлении изображение формируется в ней в виде микроскопических зеркал. Такую голограмму можно рассматривать только в отраженном белом свете. Голографическое изображение "по Денисюку", подобно фотографическому, занимает всю поверхность голограммы. Этим оно отличается от голографического изображения "по Габору". Объемную голограмму записывают в слое светочувствительного пластика - фоторезиста. С помощью химической обработки на пластмассовой пластинке формируют рельеф. Затем ее покрывают никелем и превращают в матрицу, с помощью которой на тонкой ленте штампуют копии голограмм. Такие радужные наклейки можно помещать на товарные упаковки и документы для защиты от подделки.

Денисюк Юрий Николаевич (1927 г.р.) - советский физик, член-корр. АН СССР с 1970 года. Разработал метод объемной голографии. Лауреат Ленинской (1970) и Государственной (1982) премий.

В наше время голографические методы играют значительную роль в самых различных областях науки, техники и искусства.

Так, методы голографии позволяют получать объемные цветные изображения предметов искусства, голографические портреты. Голографические изображения могут вызвать в недалеком будущем целый переворот в музейном деле: представьте себе, что в любом провинциальном музее будет находиться объемная голографическая копия Венеры Милосской. Методы голографии успешно используются в физике для визуализации акустических и электромагнитных полей, для исследования движущихся частиц. Голография в оптическом диапазоне позволяет получить изображения только внешнего вида предметов. Ультразвуковая голография дает возможность увидеть и внутренние органы.

<

Магнитная видеозапись

Изобретение съемочной видеокамеры и видеомагнитофона позволило записывать на магнитную пленку не только звук, но и движущееся изображение.

Однако при записи вдоль магнитной ленты потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10000 раз большая, чем при записи звука). Дело в том, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.

В 1951 г. В. Сэлстед, А. Понятов и М. Столяров (США) разработали конструкцию видеомагнитофона с вращающимися магнитными головками (рис. 6.13).

Рис. 6.13.  А. Понятов

Идею применить вращающиеся головки подал Чарльз П. Гинзбург (1920-1992), который приступил к работе в компании А. Понятова Ampex в 1952-м. Приборы видеозаписи того времени работали на излишне высокой скорости - 6 м/с, поэтому расход видеопленки был очень большой.

В своем устройстве Ampex VRX-1000 Гинзбург применил записывающие головки, которые вращались на высокой скорости, что позволило значительно снизить скорость лентопротяжного механизма. Изобретение Гинзбурга предопределило будущее аналоговых аудио- и видеомагнитофонов.

Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с.

До изобретения магнитной видеозаписи все телевизионные передачи велись только в "прямом эфире". Это создавало целый ряд неудобств - ведь все ошибки сразу были видны зрителям. Видеозапись сразу дала возможность осуществлять видеомонтаж телевизионных программ, хранить их и передавать в любое удобное время.
В наши дни съемочная видеокамера и видеомагнитофон стали не только непременным атрибутом телевизионных студий, но широко вошли в быт.

Любительские кинокамеры были практически вытеснены любительскими съемочными видеокинокамерами. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) уже не требуется.

В современных видеокамерах оптическое изображение преобразуется в электрическое с помощью полупроводниковой матрицы из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). В них не используется кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку.

Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. Так, наиболее современные цифровые камеры фирмы Sony формата DV (рис. 6.14) оснащены объективами фирмы Carl Zeiss. В дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием (так называемые трансфокаторы или ZOOM-объективы), обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно не сходя с места приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 и более раз, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.

Рис. 6.14.  Современная цифровая видеокамера MiniDV фирмы Sony

Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры - с большой точностью и в широких пределах.

Первоначально в студийных передающих видеокамерах использовали в качестве преобразователя света в электрический сигнал (датчика изображения) видикон. Это вакуумный электронно-лучевой прибор, в котором фоточувствительная мишень служит для построчного считывания изображения.

Видеокамеры при этом имели большие габариты и высокую инерционность, плохую чувствительность, большую потребляемую мощность и короткий срок службы.


Поэтому в современных ручных видеокамерах вместо видикона, так же как и в цифровых фотоаппаратах, применяют ПЗС-матрицы. Именно применение ПЗС-матриц обеспечивает им высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте - при свете костра или свечи.

В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку (рис. 6.15). Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - VHS (Video Home System - домашнее видео). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact. Для воспроизведения в видеомагнитофоне ее помещают в специальный адаптер, имеющий внешние размеры стандартной видеокассеты VHS. Выпускаются видеокассеты VHS с временем записи 120, 180, 195 и 240 минут. Запись на эти кассеты (в отличие от звуковых или аудиокассет) - односторонняя.

Бытовая видеоаппаратура VHS была разработана в 1976 году японской фирмой JVC (Japan Victor Company). Руководил разработкой Сидзуо Такано. Еще в 1974 году японская компания Sony создала бытовую видеоаппаратуру, однако ее система Betamax обеспечивала время записи всего 60 мин., этого было недостаточно для продолжительной записи кинофильмов и спортивных соревнований. Группе С. Такано удалось достичь времени записи сначала 120 мин., а затем 180 и 240 мин. Благодаря этому фирме JVC удалось победить компанию Sony в жесткой конкурентной борьбе. Ее поддержали крупнейшие японские компании Matsushita, Hitachi и Sharp. В результате VHS стала мировым стандартом в бытовой видеоаппаратуре. Все современные видеомагнитофоны рассчитаны на использование видеокассет VHS. Таких видеомагнитофонов в мире выпущено более 750 миллионов.


Рис. 6.15.  Современная цифровая видеокамера MiniDV фирмы Sony

Современные видеомагнитофоны кроме основной скорости записи (SP) и воспроизведения имеют уменьшенную вдвое скорость - Long Play (LP). Это позволяет удвоить время записи и воспроизведения стандартной кассеты (правда, с небольшой потерей качества записи).


Так, например, время записи наиболее распространенной кассеты на 180 минут при этом увеличивается до 360.

Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-8 (Hi8). Ширина пленки в них - 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них, для контроля изображения во время видеосъемки, кроме видоискателя снабжены миниатюрным цветным дисплеем на жидких кристаллах. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют с входом телевизора. Однако вставить миниатюрную видеокассету стандарта Video-8 в видеомагнитофон нельзя. Предварительно ее нужно переписать на обычную видеокассету стандарта VHS. При перезаписи видеокассет происходит потеря качества - значительно большая, чем у аудиокассет. Ведь на кассеты VHS и Hi8 видеозапись осуществляется по аналоговому методу.


Рис. 6.16.  Современный видеомагнитафон

Переход на цифровой метод записи, осуществленный в наиболее современных видеокамерах, позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи.

В 1995 году консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (Digital Video Cassette) ил DV (Digital Video). Уже в конце 1995 года Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.

DV представляет собой формат записи на магнитную ленту шириной 6,35 мм со скоростью передвижения 18,831 мм/с. Ширина ленты и скорость значительно меньше, чем в аналоговом стандарте VHS, поэтому кассета mini-DV имеет размеры всего 66х48х12,2 мм и рассчитана на время записи 60 мин, а время записи стандартной кассеты DV с габаритами 125х78х14,6 мм может составлять 120, 180 и даже 240 мин. Была предложена еще и DV-кассета с микросхемой памяти для хранения списка записанных видеосюжетов (в том числе временные коды начала и конца каждого видеофрагмента, монтажные метки и номера сцен и дублей).



Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм (рис. 6.17). На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. При этом они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и DV-видеомагнитофон Sony DHR-1000.


Рис. 6.17.  Схема видеозаписи на цифровую видеокассету DV (Digital Video) и на аналоговую видеокассету Hi8 по цифровой технологии Digital 8

Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Hi8, применявшейся для аналоговой записи. Кассета Hi8 значительно дешевле цифровой кассеты DV, однако несколько больше ее по габаритам.

Цифровая запись на кассеты Hi8 осуществлена с помощью новых видеокамер Digital 8. Эти камеры можно подсоединять к компьютеру или другому DV-устройству, что дает возможность перезаписывать без потери качества и обеспечивает удобство монтажа записей. Кроме того, с помощью видеокамер Digital 8 можно перевести ранее сделанные аналоговые записи в цифровую форму и даже воспроизводить смешанную запись - и аналоговую, и цифровую. Более широкая лента Hi8 дает возможность записывать ту же информацию, что и в формате DV, но при этом информация о каждом кадре записывается на вдвое меньшем числе дорожек (6 вместо 12). Однако скорость движения ленты при этом увеличена в полтора раза, поэтому на 2-часовую кассету Hi8 помещается только 1 ч 40 мин цифровой записи.

Фирма Hitachi выпустила первую любительскую цифровую видеокамеру без видеокассеты. Изображение в ней записывалось на жесткий съемный диск (так называемый "винчестер") емкостью 260 Мбайт.


Его хватало на 20 минут видеозаписи. Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональном компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Но эту же камеру можно использовать и в качестве цифрового фотоаппарата. Тогда этого объема памяти хватает на 3000 цветных фотоснимков или на 1000 цветных снимков с закадровым звуковым комментарием. Запись ведется со сжатием информации в формате MPEG/JPEG, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера. Главная особенность этой камеры - возможность комбинировать видеофрагменты и фотографии.

В любой современной видеокамере есть фоторежим, дающий возможность записывать стоп-кадры на видеоленту, а в самых новых - на флэш-карту. В новейших цифровых фотоаппаратах появился режим видеосъемки коротких видеофрагментов. Но обычно качество фотографий в видеокамерах и сделанного фотоаппаратом видео - невысокое.

Фирма Panasonic выпустила камеру-"трансформер", способную превращаться в фотоаппарат или видеокамеру. Она состоит из общего оптического модуля, включающего в себя объектив с преобразователем, жидкокристаллический дисплей и видоискатель, и два отдельных функциональных блока: фотоблок со встроенной вспышкой и видеоблок с лентопротяжным механизмом и батареей питания. В оптическом модуле применяется ПЗС-матрица на 1,08 млн пикселей, обеспечивающая высокое качество как фотографий, так и видеосъемки.

До недавнего времени самой компактной кассетой была miniDV. Но ей на смену приходит новый формат MICRO MV Sony. Эта фирма впервые использовала в бытовых видеокамерах более эффективный метод сжатия информации. Благодаря этому размер новой видеокассеты втрое меньше, чем у miniDV (рис. 6.18).


Рис. 6.18.  Видеокарта формата Micro MV фирмы Sony

Особенностью этих миникамер является возможность записи изображения на карты флэш-памяти Memory Stick.

При этом на карту Memory Stick емкостью 8 Мбайт входит 5 минут видеозаписи, а на 128-мегабайтную - 82 минуты видеозаписи.



В наиболее совершенных видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические DVD-RW диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в DVD-плейер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных, с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на DVD-диске составляет 30 мин., а в режиме "экономии" - 60 мин, с некоторым понижением качества видеоизображения. На таком диске объемом 4,7 Гбайта помещается до 2000 фотографий высокого качества. DVD-технология обеспечивает мгновенный доступ к любому кадру, в отличие от "пленочных" камер, в которых для просмотра нужного кадра магнитную пленку нужно предварительно перемотать. С помощью специальных программ DVD-видеокамеры обеспечивают удобный компьютерный монтаж видеофильмов. Снимать рекомендуется на перезаписываемый диск DVD-RW, несмотря на его более высокую цену, а хранить записи - на обычных записываемых дисках DVD-R.

Все перечисленные модели видеокамер содержат сложные механизмы лентопротяжки или привода DVD-дисков.

Наиболее революционной моделью в настоящее время является сверхминиатюрная видеокамера Panasonic SV-AV100E, вообще не содержащая механических подвижных узлов. Запись видео и фотоснимков в ней осуществляется на карту флэш-памяти SD. Форматы записи - MPEG-2 или MPEG-4. В режиме максимального разрешения MPEG-2 (705х576 точек) картинка сопоставима по качеству с записью на DVD-диск. Камера оснащена ЖК-дисплеем с диагональю 2,5 дюйма. Карта флэш-памяти SD объемом 512 Мбайт обеспечивает время видеосъемки 10 мин с максимальным разрешением. При съемке в формате MPEG-4 с заметно пониженным разрешением этой карты хватает на 10 ч записи. Габариты видеокамеры - всего 33х90х65 мм, а вес - 156 г.


Рис. 6.19.  Видеокамера фирмы Sony с записью на DVD


Рис. 6.20.  Цифровая видеокамера Panasonic SV-AV100E с записью на карту флэш-памяти

Именно таким цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее.


Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.

Для того чтобы сделать снимок, нужно получить оптическое изображение и уметь его закрепить. За первый процесс "отвечает" физика, а за второй - химия. Но это касается традиционного фотографического процесса.

В новейшей так называемой цифровой фотографии закрепить оптическое изображение также позволяет физика, а не химия. Для этого оно превращается в электрический сигнал. Вместо традиционной фотопленки в ней используются современные носители информации - матрицы, которые состоят из множества микроскопических элементов - пикселей. Это так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС).

В 1975 году инженер Стив Сассон, работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1981 году Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica имела разрешение 570x490 пикселей (0,28 Мп). Устройством цифровой памяти в нем служила широко распространенная дискета. Но объем ее памяти составлял всего 1,44 Мб. Поэтому все дальнейшие цифровые фотокамеры используют в качестве устройства цифровой памяти карточки флэш-памяти. Это позволило не только значительно увеличить память, но и значительно уменьшить габариты цифровых фотокамер.


Рис. 6.21.  ПЗС-матрица

Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера.


Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.

А дальше эти запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей доходит до 3-4 и даже 7 миллионов (мегапикселей).

Цифровой фотоаппарат снабжен дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки (рис. 6.22). Никакого проявления и закрепления изображения при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно "стереть" и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив и камера-обскура, в которой помещается светочувствительная ПЗС-матрица.


Рис. 6.22.  Цифровой фотоаппарат

В цифровой фотографии полностью исключается использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра, существующих уже более 100 лет!

Еще одно преимущество цифровых фотокамер - это возможность делать не только фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью несколько минут, причем со звуком. Для этого большая часть цифровых фотокамер снабжается встроенным микрофоном.

Качество "цифровых" снимков быстро догоняет качество обычных. Можно смело предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.

Такие носители информации, как бумага, перфолента и перфокарта, грампластинка, магнитная пленка, фотографическая бумага и кинопленка, были самыми распространенными в середине XX века.

История компьютера

Во все времена, начиная с древности, людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы собственных рук или камешки. Однако даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже в древности был придуман простейший инструмент для счета - абак, изобретенный более 15 веков назад в странах Средиземноморья. Этот прообраз современных счетов представлял собой набор костяшек, нанизанных на стержни, и использовался купцами.

Стержни абака в арифметическом смысле представляют собой десятичные разряды. Каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне - 10, на третьем стержне - 100 и т.д. До XVII века счеты оставались практически единственным счетным инструментом.

В России так называемые русские счеты появились в XVI веке. Они основаны на десятичной системе счисления и позволяют быстро выполнять арифметические действия (рис. 7.1)

Рис. 7.1.  Счеты

В 1614 году математик Джон Непер изобрел логарифмы.

Логарифм - это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Для того чтобы перемножить два числа, нужно посмотреть в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице - антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 году Р. Биссакар и в 1657 году независимо от него С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку: основной счетный прибор инженера до середины XX века (рис. 7.2).

Рис. 7.2.  Логарифмическая линейка

В 1642 году Блэз Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было 8, то есть машина Паскаля была 8-разрядной.

Однако победила в цифровой вычислительной технике не десятичная, а двоичная система счисления. Главная причина этого в том, что в природе встречается множество явлений с двумя устойчивыми состояниями, например, "включено/выключено", "есть напряжение / нет напряжения", "ложное высказывание / истинное высказывание", а явления с десятью устойчивыми состояниями - отсутствуют. Почему же десятичная система так широко распространена? Да просто потому, что у человека на двух руках - десять пальцев, и их удобно использовать для простого устного счета. Но в электронной вычислительной технике гораздо проще применять двоичную систему счисления всего с двумя устойчивыми состояниями элементов и простейшими таблицами сложения и умножения. В современных цифровых вычислительных машинах - компьютерах - двоичная система используется не только для записи чисел, над которыми нужно производить вычислительные операции, но и для записи самих команд этих вычислений и даже целых программ операций. При этом все вычисления и операции сводятся в компьютере к простейшим арифметическим действиям над двоичными числами.

Одним из первых проявил интерес к двоичной системе великий немецкий математик Готфрид Лейбниц. В 1666 году в двадцатилетнем возрасте, в работе "Об искусстве комбинаторики" он разработал общий метод, позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Это открыло возможность перевести логику (Лейбниц называл ее законами мышления) из царства слов в царство математики, где отношения между объектами и высказываниями определяются точно и определенно. Таким образом, Лейбниц явился основателем формальной логики. Он занимался исследованием двоичной системы счисления. При этом Лейбниц наделял ее неким мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 - с пустотой. От этих двух цифр, по его мнению, произошло все. И с помощью этих двух цифр можно выразить любое математическое понятие. Лейбниц первым высказал мысль, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.

Лейбниц мечтал о построении "универсальной науки". Он хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых по определенным правилам можно сформулировать понятия любой сложности. Мечтал о создании универсального языка, на котором можно было бы записывать любые мысли в виде математических формул. Думал о машине, которая могла бы выводить теоремы из аксиом, о превращении логических утверждений в арифметические. В 1673 году создал новый тип арифмометра - механический калькулятор, который не только складывает и вычитает числа, но и умножает, делит, возводит в степень, извлекает квадратные и кубические корни. В нем использовалась двоичная система счисления.

Универсальный логический язык создал в 1847 году английский математик Джордж Буль. Он разработал исчисление высказываний, впоследствии названное в его честь булевой алгеброй. Она представляет собой формальную логику, переведенную на строгий язык математики. Формулы булевой алгебры внешне похожи на формулы той алгебры, что знакома нам со школьной скамьи. Однако это сходство не только внешнее, но и внутреннее. Булева алгебра - это вполне равноправная алгебра, подчиняющаяся своду принятых при ее создании законов и правил. Она является системой обозначений, применимой к любым объектам - числам, буквам и предложениям. Пользуясь этой системой, можно закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.

Буль Джордж (1815-1864) - английский математик и логик, один из основоположников математической логики. Разработал алгебру логики (в трудах "Математический анализ логики" (1847) и "Исследование законов мышления" (1854)).

Огромную роль в распространении булевой алгебры и ее развитии сыграл американский математик Чарльз Пирс.

Пирс Чарльз (1839-1914) - американский философ, логик, математик и естествоиспытатель, известен своими работами по математической логике.

Предмет рассмотрения в алгебре логики - так называемые высказывания, т.е. любые утверждения, о которых можно сказать, что они либо истинны, либо ложны: "Омск - город в России", "15 - четное число". Первое высказывание истинно, второе - ложно.

Сложные высказывания, получаемые из простых с помощью союзов И, ИЛИ, ЕСЛИ...ТО, отрицания НЕ, также могут быть истинными или ложными. Их истинность зависит только от истинности или ложности образующих их простых высказываний, например: "Если на улице нет дождя, то можно пойти гулять". Основная задача булевой алгебры состоит в изучении этой зависимости. Рассматриваются логические операции, позволяющие строить сложные высказывания из простых: отрицание (НЕ), конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и другие.

В 1804 году Ж. Жаккар изобрел ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт - прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты ощупывались с помощью специальных штырей. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в ХХ веке.

В 1820 году Тома де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Начиная с XIX века, арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

В 1830 году Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, которые были заранее записаны на перфокартах из плотной бумаги с помощью отверстий, сделанных на них в определенном порядке (слово "перфорация" означает "пробивка отверстий в бумаге или картоне"). Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 году Ада Лавлейс - дочь поэта Байрона.

Рис. 7.3.  Чарльз Бэббидж

Рис. 7.4.  Ада Лавлейс

Аналитическая машина должна уметь запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, то есть иметь память. Эта машина должна была содержать три основных части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные в ней идеи помогли построить в XX веке первые компьютеры (в переводе с английского это слово означает "вычислитель").

В 1880 году В.Т. Однер в России создал механический арифмометр с зубчатыми колесами, и в 1890 году наладил его массовый выпуск. В дальнейшем под названием "Феликс" он выпускался до 50-х годов XX века (рис. 7.6).

Рис. 7.5.  В.Т. Однер

Рис. 7.6.  Механический арифмометр "Феликс"

В 1888 году Герман Холлерит (рис. 7.7) создал первую электромеханическую счетную машину - табулятор, в котором нанесенная на перфокарты (рис. 7.8) информация расшифровывалась электрическим током. Эта машина позволила в несколько раз сократить время подсчетов при переписи населения в США. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых 7 лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах закончили за один месяц.

В 1896 году Холлерит основал фирму под названием Tabulating Machine Co. В 1911 году эта компания была объединена с двумя другими фирмами, специализировавшимися на автоматизации обработки статистических данных, а свое современное название IBM (International Business Machines) получила в 1924 г. Она стала электронной корпорацией, одним из крупнейших мировых производителей всех видов компьютеров и программного обеспечения, провайдером глобальных информационных сетей. С середины 1950-х годов Ай-Би-Эм заняла ведущее положение на мировом компьютерном рынке. В 1981 году компания создала свой первый персональный компьютер, который стал стандартом в своей отрасли. К середине 1980-х годов IBM контролировала около 60% мирового производства электронно-вычислительных машин.

Рис. 7.7.  Герман Холлерит

В конце XIX века была изобретена перфолента - бумажная или целлулоидная пленка, на которую информация наносилась перфоратором в виде совокупности отверстий.

Широкая бумажная перфолента была применена в монотипе - наборной машине, изобретенной Т. Ланстоном в 1892 году. Монотип состоял из двух самостоятельных аппаратов: клавиатуры и отливного аппарата. Клавиатура служила для составления программы набора на перфоленте, а отливной аппарат изготавливал набор в соответствии с ранее составленной на клавиатуре программой из специального типографского сплава - гарта.

Рис. 7.8.  Перфокарта

Рис. 7.9.  Перфоленты

Наборщик садился за клавиатурный аппарат, смотрел в стоящий перед ним на пюпитре текст и нажимал на соответствующие клавиши. При ударе по одной из буквенных клавиш иглы перфорирующего механизма с помощью сжатого воздуха пробивали в бумажной ленте кодовую комбинацию из отверстий. Эта комбинация соответствовала данной букве, знаку или пробелу между ними. После каждого удара по клавише бумажная лента передвигалась на один шаг - 3 мм. Каждый горизонтальный ряд отверстий на перфоленте соответствует одной букве, знаку или пробелу между ними. Готовую (пробитую) катушку перфоленты переносили в отливной аппарат, в котором также с помощью сжатого воздуха с перфоленты считывалась закодированная на ней информация и автоматически изготавливался набор из литер. Таким образом, монотип является одной из первых в истории техники машин с программным управлением. Он относился к машинам горячего набора и со временем уступил свое место сначала фотонабору, а затем электронному набору.

Несколько ранее монотипа, в 1881 году, была изобретена пианола (или фонола) - инструмент для автоматической игры на фортепиано. Действовала она также с помощью сжатого воздуха. В пианоле каждой клавише обыкновенного пианино или рояля соответствует молоточек, ударяющий но ней. Все молоточки вместе составляют контрклавиатуру, приставляемую к клавиатуре пианино. В пианолу вставляется широкая бумажная перфолента, намотанная на валик. Отверстия на перфоленте проделаны заранее во время игры пианиста - это своеобразные "ноты". При работе пианолы перфолента перематывается с одного валика на другой. Считывание записанной на ней информации производится с помощью пневматического механизма. Он приводит в действие молоточки, соответствующие отверстиям на перфоленте, заставляет их ударять по клавишам и воспроизводить игру пианиста. Таким образом, пианола также являлась машиной с программным управлением. Благодаря сохранившимся перфолентам пианол удалось восстановить и заново записать современными методами игру таких замечательных пианистов прошлого, как композитор А.Н. Скрябин. Пианолой пользовались известные композиторы и пианисты Рубинштейн, Падеревский, Бузони.

Позднее было применено считывание информации с перфоленты и перфокарт с помощью электрических контактов - металлических щеточек, которые при попадании на отверстие замыкали электрическую цепь. Затем щеточки заменили на фотоэлементы, и считывание информации стало оптическим, бесконтактным. Так записывалась и считывалась информация в первых цифровых вычислительных машинах.

Логические операции тесно связаны с повседневной жизнью.

С помощью одного элемента ИЛИ на два входа, двух элементов И на два входа и одного элемента НЕ можно построить логическую схему двоичного полусумматора, способного осуществлять операцию двоичного сложения двух одноразрядных двоичных чисел (т.е. выполнять правила двоичной арифметики):

0 +0 =0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0. При этом он выделяет бит переноса.

Однако такая схема не содержит третьего входа, на который можно подавать сигнал переноса от предыдущего разряда суммы двоичных чисел. Поэтому полусумматор используется только в младшем разряде логической схемы суммирования многоразрядных двоичных чисел, где не может быть сигнала переноса от предыдущего двоичного разряда. Полный двоичный сумматор складывает два многоразрядных двоичных числа с учетом сигналов переноса от сложения в предыдущих двоичных разрядах.

Соединяя двоичные сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматора для двоичных чисел с любым числом разрядов.

С некоторыми изменениями эти логические схемы применяются и для вычитания, умножения и деления двоичных чисел. С их помощью построены арифметические устройства современных компьютеров.

В 1937 году Джордж Стибиц (рис. 7.10) создал из обыкновенных электромеханических реле двоичный сумматор - устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор по-прежнему является одним из основных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

Рис. 7.10.  Джордж Стибиц

В 1937-1942 гг. Джон Атанасофф (рис. 7.11) создал модель первой вычислительной машины, работавшей на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений использовались перфокарты. Работа над этой машиной в 1942 году была практически завершена, но из-за войны дальнейшее финансирование было прекращено.

Рис. 7.11.  Джон Атанасофф

В 1937 году Конрад Цузе (рис. 7.12) создал свою первую вычислительную машину Z1 на основе электромеханических реле. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 году К. Цузе создал усовершенствованную модель Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Ее изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 году К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее и Z4, основанные на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 году Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в 1000 раз быстрее, но создать ее не удалось - помешала война.

Рис. 7.12.  Конрад Цузе

В 1943-1944 годах на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина "Марк-1". Весила она около 35 тонн. "Марк-1" был основан на применении электромеханических реле и оперировал числами, закодированными на перфоленте.

При ее создании использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 секунды. В 1947 году была создана машина "Марк-2", в которой уже использовалась двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0,125 секунды, а умножение - 0,25 секунды.

Абстрактная наука алгебра логики близка к практической жизни. Она позволяет решать самые разные задачи управления.

Входные и выходные сигналы электромагнитных реле, подобно высказываниям в булевой алгебре, также принимают только два значения. Когда обмотка обесточена, входной сигнал равен 0, а если по обмотке протекает ток, входной сигнал равен 1. Когда контакт реле разомкнут, выходной сигнал равен 0, а если контакт замкнут - равен 1.

Именно это сходство между высказываниями в булевой алгебре и поведением электромагнитных реле заметил известный физик Пауль Эренфест. Еще в 1910 году он предложил использовать булеву алгебру для описания работы релейных схем в телефонных системах. По другой версии, идея использования булевой алгебры для описания электрических переключательных схем принадлежит Пирсу. В 1936 году основатель современной теории информации Клод Шеннон в своей докторской диссертации объединил двоичную систему счисления, математическую логику и электрические цепи.

Связи между электромагнитными реле в схемах удобно обозначать с помощью логических операций НЕ, И, ИЛИ, ПОВТОРЕНИЕ (ДА) и т.д. Например, последовательное соединение контактов реле реализует операцию И, а параллельное соединение этих контактов - логическую операцию ИЛИ. Аналогично выполняются операции И, ИЛИ, НЕ в электронных схемах, где роль реле, замыкающих и размыкающих электрические цепи, выполняют бесконтактные полупроводниковые элементы - транзисторы, созданные в 1947-1948 годах американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 году американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 году Преспер Эккерт и Джон Мочли (рис. 7.13) построили первую электронную цифровую вычислительную машину ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она занимала 170 кв. м площади. Вместо тысяч электромеханических реле ENIAC содержал 18000 электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах в этой машине было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Ввод числовых данных осуществлялся с помощью перфокарт, программы же вводились в эту машину с помощью штекеров и наборных полей, то есть приходилось соединять для каждой новой программы тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось до нескольких дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это было одним из основных недостатков такой машины.

Рис. 7.13.  Преспер Эккерт и Джон Мочли

Работы трех выдающихся ученых - Клода Шеннона, Алана Тьюринга и Джона фон Неймана - стали основой для создания структуры современных компьютеров.

Шеннон Клод (1916 г.р.) - американский инженер и математик, основоположник математической теории информации.

В 1948 году опубликовал работу "Математическая теория связи", со свой теорией передачи и обработки информации, которая включала все виды сообщений, в том числе передаваемых по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон ввел понятие количества информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации. Он назвал эту меру неопределенности энтропией по аналогии с подобным понятием в статистической механике. При получении наблюдателем информации энтропия, то есть степень его неосведомленности о состоянии системы, уменьшается.

Тьюринг Алан (1912-1954) - английский математик. Основные труды - по математической логике и вычислительной математике. В 1936-1937 гг. написал основополагающую работу "О вычислимых числах", в которой ввел понятие абстрактного устройства, названного впоследствии "машиной Тьюринга". В этом устройстве он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Тьюринг назвал свое устройство "универсальной машиной", так как она должна была решать любую допустимую (теоретически разрешимую) математическую или логическую задачу. Данные в нее нужно вводить с бумажной ленты, поделенной на ячейки - клетки. В каждой такой клетке должен был либо содержаться символ, либо нет. Машина Тьюринга могла обрабатывать вводимые с ленты символы и изменять их, то есть стирать их и записывать новые по инструкциям, хранимым в ее внутренней памяти.

Нейман Джон фон (1903-1957) - американский математик и физик, участник работ по созданию атомного и водородного оружия. Родился в Будапеште, с 1930 года проживал в США. В своем докладе, опубликованном в 1945 году и ставшем первой работой по цифровым электронным компьютерам, выделил и описал "архитектуру" современного компьютера.

В следующей машине - EDVAC - ее более вместительная внутренняя память способна была хранить не только исходные данные, но и программу вычислений. Эту идею - хранить в памяти машины программы - наряду с Мочли и Эккертом выдвинул математик Джон фон Нейман. Он впервые описал структуру универсального компьютера (так называемую "архитектуру фон Неймана" современного компьютера). Для универсальности и эффективной работы, по мнению фон Неймана, компьютер должен содержать центральное арифметико-логическое устройство, центральное устройство управления всеми операциями, запоминающее устройство (память) и устройство ввода/вывода информации.

Фон Нейман считал, что компьютер должен работать на основе двоичной системы счисления, быть электронным и выполнять все операции последовательно, одну за другой. Эти принципы заложены в основу всех современных компьютеров.

Машина на электронных лампах работала значительно быстрее, чем на электромеханических реле, но сами электронные лампы были ненадежны. Они часто выходили из строя. Для их замены в 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли предложили использовать изобретенные ими переключающие полупроводниковые элементы - транзисторы.

Бардин Джон (1908-1991) - американский физик. Один из создателей первого транзистора (Нобелевская премия 1956 г. по физике совместно с У. Браттейном и У. Шокли за открытие транзисторного эффекта). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости (вторая Нобелевская премия 1957 г. совместно с Л. Купером и Д. Шриффеном).

Браттейн Уолтер (1902-1987) - американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

Шокли Уильям (1910-1989) - американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

В современных компьютерах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы "вентилей", выполняющих логические операции над двоичными числами. Так, например, с их помощью построены описанные выше двоичные сумматоры, позволяющие складывать многоразрядные двоичные числа, производить вычитание, умножение, деление и сравнение чисел между собой. Логические "вентили", действуя по определенным правилам, управляют движением данных и выполнением инструкций в компьютере.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 году к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. Он стал первым серийно выпускаемым компьютером.

Лебедев Сергей Алексеевич

Первая в СССР Малая Электронная Счетная машина (МЭСМ) на электронных лампах была построена в 1949-1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева. А в 1952-1954 гг. под его руководством была разработана Быстродействующая Электронная Счетная машина (БЭСМ), выполнявшая 8000 операций в секунду.

Созданием электронных вычислительных машин руководили крупнейшие советские ученые и инженеры И.С. Брук, В.М. Глушков, Ю.А. Базилевский, Б.И. Рамеев, Л.И. Гутенмахер, Н.П. Брусенцов.

К первому поколению советских компьютеров относятся ламповые ЭВМ - "БЭСМ-2", "Стрела", "М-2", "М-3", "Минск", "Урал-1", "Урал-2", "М-20".

Ко второму поколению советских компьютеров относятся полупроводниковые малые ЭВМ "Наири" и "Мир", средние ЭВМ для научных расчетов и обработки информации со скоростью 5-30 тысяч операций в секунду "Минск-2", "Минск-22", "Минск-32", "Урал-14", "Раздан-2", "Раздан-3", "БЭСМ-4", "М-220" и управляющие ЭВМ "Днепр", "ВНИИЭМ-3", а также сверхбыстродействующая БЭСМ-6 с производительностью 1 млн операций в секунду.

Родоначальниками советской микроэлектроники были ученые, эмигрировавшие из США в СССР: Ф.Г. Старос (Альфред Сарант) и И.В. Берг. Они стали инициаторами, организаторами и руководителями центра микроэлектроники в Зеленограде под Москвой.

ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах появились в СССР во второй половине 1960-х годов. Были разработаны Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) и организовано их серийное производство.

Четвертое поколение советских компьютеров реализовано на основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем.

Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения стал многопроцессорный комплекс "Эльбрус-2" с быстродействием до 100 млн операций в секунду.

В 1950-х годах было создано второе поколение компьютеров, выполненных на транзисторах. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз, а размеры и вес значительно уменьшились. Стали применять запоминающие устройства на магнитных ферритовых сердечниках, способные хранить информацию неограниченное время даже при отключении компьютеров. Их разработал Джой Форрестер в 1951-1953 годах. Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте или на магнитном барабане.

Рейнольд Б. Джонсон, сотрудник IBM, разработал устройство IBM 305 RAMAC (контрольно-считывающее устройство по методу случайного доступа). Устройство состояло из 50 вращающихся магнитных дисков диаметром 60 см, которые были расположены один над другим. Механизм считывания и записи перемещался между дисками, обеспечивая более быстрый доступ к данным, чем магнитная лента. После того как возможности устройства были продемонстрированы на Всемирной ярмарке в Брюсселе в 1958-м, от носителей на магнитных лентах отказались.

В 1959 году Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс (рис. 7.14) изобрели интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при переключениях. Скорость вычислений при этом увеличилась в десятки раз. Существенно уменьшились и габариты машин. Появление чипа позволило создать третье поколение компьютеров. И в 1964 году фирма IBM начинает выпуск компьютеров IBM-360 на интегральных микросхемах.

Рис. 7.14.  Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс

В 1965 году Дуглас Энгелбарт (рис. 7.15) создал первую "мышь" - компьютерный ручной манипулятор. Впервые она была применена в персональном компьютере Apple фирмы Macintosh, выпущенном позднее, в 1976 году.

Рис. 7.15.  Дуглас Энгелбарт

В 1967 году компания IBM начала производить дискету для компьютера, изобретенную Йосиро Накамацу - съемный гибкий магнитный диск ("флоппи-диск") для постоянного хранения информации. Первоначально дискета была гибкой, имела диаметр 8 дюймов и емкость 80 Кбайт, затем - 5 дюймов. Современная дискета емкостью 1,44 Мбайта, впервые выпущенная фирмой Sony в 1982 году, заключена в жесткий пластмассовый корпус и имеет диаметр 3,5 дюйма.

В 1969 году в США началось создание оборонной компьютерной сети - прародителя современной всемирной сети Internet.

В 1970-е годы были разработаны матричные принтеры, предназначенные для распечатки информации на выходе из компьютеров.

В 1971 году сотрудник компании Intel Эдвард Хофф (рис. 7.16) создал первый микропроцессор 4004, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Хотя первоначально он предназначался для использования в калькуляторах, по существу он представлял собой законченный микрокомпьютер. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. Микропроцессор дал возможность создать компьютеры четвертого поколения, которые помещались на письменном столе пользователя.

Рис. 7.16.  Эдвард Хофф

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера (ПК) - вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя.

В 1974 году Эдвард Робертс (рис. 7.17) создал первый персональный компьютер "Altair" на основе микропроцессора 8080 фирмы "Intel" (рис. 7.18). Но без программного обеспечения он был неработоспособен: ведь дома у частного пользователя нет "под рукой" своего программиста.

Рис. 7.17.  Эдвард Робертс

Рис. 7.18.  Первый персональный компьютер Altair

В 1975 году о создании ПК Altair узнали два студента Гарвардского университета Билл Гейтс и Пол Аллен (рис. 7.19). Они первыми поняли насущную необходимость написания программного обеспечения для персональных компьютеров и в течение месяца создали его для ПК "Altair" на основе языка Бейсик. В том же году они основали компанию Microsoft, быстро завоевавшую лидерство в создании программного обеспечения для персональных компьютеров и ставшую богатейшей компанией во всем мире.

Рис. 7.19.  Билл Гейтс и Пол Аллен

Рис. 7.20.  Билл Гейтс

В 1973 году фирмой IBM был разработан жесткий магнитный диск (винчестер) для компьютера. Это изобретение дало возможность создать долговременную память большого объема, которая сохраняется при выключении компьютера.

Первые микрокомпьютеры Altair-8800 представляли собой только набор деталей, которые нужно было еще собирать. Кроме того, пользоваться ими было крайне неудобно: они не имели ни монитора, ни клавиатуры, ни мыши. Ввод информации в них осуществлялся с помощью переключателей на передней панели, а результаты отображались с помощью светодиодных индикаторов. Позднее стали выводить результаты с помощью телетайпа - телеграфного аппарата с клавиатурой.

В 1976 году 26-летний инженер Стив Возняк из компании Hewlett-Packard создал принципиально новый микрокомпьютер. Он впервые применил для ввода данных клавиатуру, подобную клавиатуре пишущей машинки, а для отображения информации - обыкновенный телевизор. Символы выводились на его экран в 24 строки по 40 символов в каждой. Компьютер имел 8 Кбайт памяти, половину из которых занимал встроенный язык Бейсик, а половину пользователь мог использовать для введения своих программ. Этот компьютер значительно превосходил Altair-8800, имевший всего 256 байтов памяти. С. Возняк предусмотрел для своего нового компьютера разъем (так называемый "слот") для подсоединения дополнительных устройств. Первым понял и оценил перспективы этого компьютера приятель Стива Возняка - Стив Джобс (рис. 7.21). Он предложил организовать фирму для его серийного изготовления. 1 апреля 1976 года они основали компанию Apple, и в январе 1977 года официально зарегистрировали ее. Новый компьютер они назвали Apple-I (рис. 7.22). В течение 10 месяцев им удалось собрать и продать около 200 экземпляров Apple-I.

Рис. 7.21.  Стив Возняк и Стив Джобс

Рис. 7.22.  Персональный компьютер Apple-I

cВ это время Возняк уже работал над его усовершенствованием. Новая версия получила название Apple-II (рис. 7.23). Компьютер был выполнен в пластмассовом корпусе, получил графический режим, звук, цвет, расширенную память, 8 разъемов расширения (слотов) вместо одного. Для сохранения программ в нем использовался кассетный магнитофон. Основу первой модели Apple II составлял, как и в Apple I, микропроцессор 6502 фирмы MOS Technology с тактовой частотой 1 мегагерц. В постоянной памяти был записан Бейсик. Объем оперативной памяти в 4 Кбайта был расширен до 48 Кбайт. Информация выводилась на цветной или черно-белый телевизор, работающий в стандартной для США системе NTSC. В текстовом режиме отображались 24 строки, по 40 символов в каждой, а в графическом разрешение составляло 280 на 192 точки (шесть цветов). Основное достоинство Apple II заключалось в возможности расширения его оперативной памяти до 48 Кбайт и использования 8 разъемов для подключения дополнительных устройств. Благодаря использованию цветной графики его можно было использовать для самых различных игр (рис. 7.23).

Рис. 7.23.  Персональный компьютер Apple II

Благодаря своим возможностям Apple II завоевал популярность среди людей самых различных профессий. От его пользователей не требовалось знания электроники и языков программирования.

Apple II стал первым по-настоящиму персональным компьютером для ученых, инженеров, юристов, бизнесменов, домохозяек и школьников.

В июле 1978 года Apple II был дополнен дисководом Disk II, значительно расширившим его возможности. Для него была создана дисковая операционная система Apple-DOS. А в конце 1978 года компьютер снова усовершенствовали и выпустили под именем Apple II Plus. Теперь его можно было использовать в деловой сфере для хранения информации, ведения дел, помощи в принятии решений. Началось создание таких прикладных программ, как текстовые редакторы, органайзеры, электронные таблицы.

В 1979 году Дэн Бриклин и Боб Фрэнкстон создали программу VisiCalc - первую в мире электронную таблицу. Этот инструмент лучше всего подходил для бухгалтерских расчетов. Первая его версия была написана для Apple II, который зачастую покупали только для того, чтобы работать с VisiCalc.

Таким образом, за несколько лет микрокомпьютер, во многом благодаря фирме Apple и ее основателям Стивену Джобсу и Стиву Возняку, превратился в персональный компьютер для людей самых различных профессий.

В 1981 году появился персональный компьютер IBM PC, который вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh - первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования и издательского дела, где выдающиеся графические возможности "Макинтошей" используются для верстки и обработки изображений.

Сегодня фирма Apple контролирует 8-10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% - IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей в США.

В 1979 году появился оптический компакт-диск (CD), разработанный фирмы Philips и предназначенный только для прослушивания музыкальных записей.

В 1979 году фирма Intel разработала микропроцессор 8088 для персональных компьютеров.

Широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в 1981 году фирмой IBM модели IBM PC на базе этого микропроцессора 8088 (рис. 7.24).

Рис. 7.24.  Персональный компьютер модели IBM PC

В IBM PC был применен принцип открытой архитектуры, позволивший вносить усовершенствования и дополнения в существующие конструкции ПК. Этот принцип означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой из готовых блоков и устройств занялось большое число фирм во всем мире. Пользователи, в свою очередь, получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен производителей.

В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые компьютеры составили 90% рынка персональных компьютеров.

За последние десятилетия XX века компьютеры многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой и запоминаемой информации.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, лидирующей в области компьютерных интегральных схем - "чипов", высказал предположение, что число транзисторов в них будет ежегодно удваиваться. В течение последующих 10 лет это предсказание сбылось, и тогда он предположил, что теперь это число будет удваиваться каждые 2 года. И, действительно, число транзисторов в микропроцессорах удваивается за каждые 18 месяцев. Теперь специалисты по компьютерной технике называют эту тенденцию законом Мура.

Рис. 7.25.  Гордон Мур

Похожая закономерность наблюдается и в области разработки и производства устройств оперативной памяти и накопителей информации. Кстати, я не сомневаюсь, что к тому моменту, когда эта книга увидит свет, многие цифровые данные по их емкости и быстродействию успеют устареть.

Не отставало и развитие программного обеспечения, без которого вообще невозможно пользование персональным компьютером, и прежде всего операционных систем, обеспечивающих взаимодействие между пользователем и ПК.

В 1981 году фирма Microsoft разработала операционную cистему MS-DOS для своих персональных компьютеров.

В 1983 году был создан усовершенствованный персональный компьютер IBM PC/XT фирмы IBM.

В 1980-х годах были созданы черно-белые и цветные струйные и лазерные принтеры для распечатки информации на выходе из компьютеров. Они значительно превосходят матричные принтеры по качеству и скорости печати.

В 1983-1993 годах происходило создание глобальной компьютерной сети Internet и электронной почты E-mail, которыми смогли воспользоваться миллионы пользователей во всем мире.

В 1992 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-3.1 для IBM PC-совместимых компьютеров. Слово "Windows" в переводе с английского означает "окна". "Оконная" операционная система позволяет работать сразу с несколькими документами. Она представляет собой так называемый "графический интерфейс". Это - система взаимодействия с ПК, при которой пользователь имеет дело с так называемыми "иконками": картинками, которыми он может управлять с помощью компьютерной мыши. Такой графический интерфейс и система окон был впервые создан в исследовательском центре фирмы Xerox в 1975 году и применен для ПК Apple.

В 1995 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-95 для IBM PC-совместимых компьютеров, более совершенную по сравнению с Windows-3.1, в 1998 году - ее модификацию Windows-98, а в 2000 году - Windows-2000. Для них разработан целый ряд прикладных программ: текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, программа для пользования системой Internet и электронной почтой E-mail - Internet Explorer, графический редактор Paint, стандартные прикладные программы (калькулятор, часы, номеронабиратель), дневник Microsoft Schedule, универсальный проигрыватель, фонограф и лазерный проигрыватель.

За последние годы стало возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название "мультимедиа". В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - т.е. память на компакт-диске "только для чтения"). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.

Емкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по емкости он занимает промежуточное положение между дискетами и винчестером. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на ПК ее можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объема памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объему Большую Советскую энциклопедию.

В конце 1990-х годов были созданы однократно записываемые CD-R и многократно перезаписываемые CD-RW оптические компакт-диски и дисководы для них, позволяющие пользователю делать любые записи звука и изображения по своему вкусу.

В 1990-2000 годах, в дополнение к настольным персональным компьютерам, были выпущены ПК "ноутбук" в виде портативного чемоданчика и еще более миниатюрные карманные "палмтоп" (наладонники) - как следует из их названия, помещающиеся в кармане и на ладони. Ноутбуки снабжены жидкокристаллическим экраном-дисплеем, размещенным в откидной крышке, а у палмтопов - на передней панели корпуса.

В 1998-2000 годах была создана миниатюрная твердотельная "флэш-память" (без подвижных деталей). Так, память Memory Stick имеет размеры и вес пластинки "жвачки", а память SD фирмы Panasonic - почтовой марки. Между тем объем их памяти, которая может храниться сколь угодно долго, составляет 64-128 Мбайт и даже 2-4 Гбайт!

Кроме портативных персональных компьютеров, создаются суперкомпьютеры для решения сложных задач в науке и технике - прогнозов погоды и землетрясений, расчетов ракет и самолетов, ядерных реакций, расшифровки генетического кода человека. В них используются от нескольких до нескольких десятков микропроцессоров, осуществляющих параллельные вычисления. Первый суперкомпьютер разработал Сеймур Крей в 1976 году.

В 2002 году в Японии был построен суперкомпьютер NEC Earth Simulator, выполняющий 35,6 триллионов операций в секунду. На сегодня это самый быстродействующий в мире суперкомпьютер.

Рис. 7.26.  Сеймур Крей

Рис. 7.27.  Суперкомпьютер Cray-1

Рис. 7.28.  Суперкомпьютер Cray-2

В 2005 году компания IBM разработала суперкомпьютер Blue Gene производительностью свыше 30 триллионов операций в секунду. Он содержит 12000 процессоров и обладает в тысячу раз большей мощностью, чем знаменитый Deep Blue, с которым в 1997 году играл в шахматы чемпион мира Гарри Каспаров. Компания IBM и исследователи из Швейцарского политехнического института в Лозанне впервые предприняли попытку моделирования человеческого мозга.

В 2001 году персональным компьютерам исполнилось 20 лет. Посмотрим, как они изменились за эти годы. Первые из них, оборудованные микропроцессором Intel, работали с тактовой частотой всего 4,77 МГц и имели оперативную память 16 Кбайт. Современные ПК, оборудованные микропроцессором Pentium 4, созданном в 2001 году, имеют тактовую частоту 2 ГГц, оперативную память 128-256 Мбайт и долговременную память (винчестер) объемом десятки и сотни Гбайт! Такого гигантского прогресса не наблюдается ни в одной отрасли техники, кроме цифровой вычислительной. Если бы такой же прогресс был в увеличении скорости самолетов, то они давно бы уже летали со скоростью света.

Миллионы компьютеров используются практически во всех отраслях экономики, промышленности, науки, техники, педагогики, медицины.

Основные причины такого прогресса - в необычайно высоких темпах микроминиатюризации устройств цифровой электроники и успехах программирования, сделавших "общение" рядовых пользователей с персональными компьютерами простым и удобным.

<

История сети Интернет и электронной почты

Термин "Интернет" (Internet) - это сокращение от английского выражения "interconnected network", в непрямом переводе - глобальная компьютерная сеть. Создание информационной сети Интернет и электронной почты (E-mail) дало возможность любому владельцу персонального компьютера приобщиться к информационным ресурсам всего человечества и даже внести в них свою лепту. Ведь при объединении множества компьютеров с помощью средств связи в сеть происходит объединение носителей информации каждого из них в один общий банк информации для всех пользователей этой сети. А это открывает поистине неограниченные возможности для получения любой информации.

Британская энциклопедия дает такое определение: "Интернет - это сеть, которая объединяет множество других компьютерных сетей и базируется на общей системе адресов и единой системе так называемых протоколов, делающей возможной обмен информацией".

Крестным отцом Интернета можно считать американского ученого и администратора Ванневара Буша (1890-1974). В своей статье 1945 года "Как мы можем думать" (As We May Think) Буш описал теоретическую машину, названную им Memex, которая увеличивала человеческую память путем предоставления пользователю возможности хранить и находить документы посредством ассоциативных связей - сегодня это называется гипертекстом.

Рис. 8.1.  Ванневар Буш

Именно В. Бушу принадлежат основные идеи управления разработками двойного назначения, которые впоследствии позволили найти организационные формы и источники финансирования глобальных сетевых проектов. В 1940 году произошла историческая встреча Буша с президентом США Рузвельтом, продолжавшаяся всего 10 минут. Результатом ее стало создание Национального комитета оборонных исследований (National Defense Research Committee, NDRC). В. Буш был назначен председателем этого комитета. NDRC стал предшественником агентства перспективных исследований министерства обороны США ARPA (Advanced Research Projects Agency). Через десяток лет ARPA начало финансировать исследования систем коммуникаций, способных функционировать в условиях опасности возникновения глобальной ядерной войны.

Сетевой протокол - это набор определенных технических процедур и методов, с помощью которых разные компьютерные сети могут контактировать друг с другом, то есть обмениваться информацией. До этого такие контакты в основном осуществлялись внутри однотипных сетей: например, компьютеры IBM могли, так сказать, общаться только с компьютерами IBM.


Рис. 8.2.  Тэд Нельсон (справа) и Дуглас Энгелбарт (слева)

Создателям сети ARPANET впервые удалось осуществить крупноблочную пересылку информации новым способом в октябре 1969 года. Тогда первый такой блок был отправлен из университета в Лос-Анджелесе в один из расположенных в том же штате исследовательских центров. Расстояние было не очень большим. Но главное - не расстояние, а то, что впервые был продемонстрирован новый способ обмена информацией.

Уже в 1969 году большинство учреждений, связанных с Министерством обороны, объединили свои сети в одну общую. К ней проявили большой интерес и многие университеты страны. Эту сеть можно считать прародительницей сети Интернет. После присоединения к ней коммерческих организаций и частных лиц возникла современная сеть Интернет. Важнейшую роль в биографии Интернета сыграли швейцарские ученые из Европейской Лаборатории ядерной физики CERN во главе с Тимом Бернерсом-Ли. В январе 1991 года они создали протокол передачи, то есть язык описания документов HTML (Hypertext Markup Language), в результате чего родилась служба World Wide Web (WWW) или, сокращенно, Web. Для обмена HTML-документами между клиентами и серверами используется интернет-протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol).


Рис. 8.3.  Тим Бернерс-Ли

World Wide Web, или WWW, или просто Web, является системой представления и обмена информацией. Она стала главным "проявлением" Интернета, потому что именно WWW дает нам возможность визуального восприятия информации в Сети.

Тим Бернерс-Ли предоставил свои изобретения бесплатно в дар всему человечеству. Это сделало Интернет общественным достоянием. Январь 1991 года может считаться месяцем рождения Интернета.



Число пользователей сети Интернет стремительно возрастает с каждым годом. В 1999 году их во всем мире насчитывалось 201 млн человек, в том числе в США и Канаде - 112,4 млн (43%), в Европе - 47,15 млн, в Азии - 33,61 млн, в Латинской Америке - 29 млн, в России - 5,4 млн.

К концу 2000 года в России уже было 7,8 млн пользователей, в 2001 году - 11 млн, в 2002 году - около 12 млн (из них в Москве - 19%). В 2005 году - уже от 17 до 21 млн. Число пользователей Интернета во всем мире в 2006 году превысило 1 миллиард человек (15% населения Земли).

В 2006 году электронной почте (E-mail) исполнилось 35 лет. Разумеется, история ее создания и развития тесно связана с ее основой - сетью Интернет и ее прародителя - сетью ARPANET. Сначала были созданы локальные сети, а в 1965 году - первая нелокальная сеть: Лоуренс Робертс совместно с Томасом Меррилом связал по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии компьютер, расположенный в Массачусетсе, с компьютером, находившимся в Калифорнии. В результате было показано, что компьютеры могут успешно взаимодействовать, выполняя программы на удаленном компьютере. Затем в 1967 году был разработан проект сети ARPANET, а в 1968 году был создан прообраз модема, необходимого для осуществления связи компьютеров между собой по телефонной линии. В этой работе принимал участие Л. Робертс. В 1969 году Дуглас Энгелбарт - создатель компьютерной мыши - разрабатывал в Стенфордском университете для сети ARPANET программу общения между компьютерами.

29 октября 1969 года с компьютера в Калифорнийском университете было послано первое межкомпьютерное сообщение на компьютер в Стенфордском университете. Первую систему обмена текстовыми сообщениями между компьютерами создал Д. Энгелбарт.

А в 1971 году программист Рой Томлинсон усовершенствовал систему обмена письмами между компьютерами. Для этого он разработал систему организации почтовых адресов на удаленных компьютерах. При работе с программой каждому пользователю компьютера присваивался адрес, который состоял из его имени и сетевого имени его компьютера, разделенных знаком "@".


Этот знак использовался Томлинсоном вместо предлога "at" (на), то есть выражение user@machine означает: пользователь такой-то на таком-то компьютере. Местонахождение "почтового ящика" каждого пользователя сети ARPANET становилось однозначно определенным, что дало возможность легко осуществлять обмен сообщениями между ними. В начале создания электронной почты по ней можно было передавать только тексты, а затем к электронным письмам добавились "вложения" - рисунки, видеоролики, музыкальные произведения. Электронная почта в наши дни стала одной из самых востребованных функций сети Интернет.


Рис. 8.4.  Рой Томлинсон

В 1990 году по каналам Deutsche Telekom было отправлено более полутора миллионов международных телеграмм, а в 2000-м - только 70 тысяч. Телеграф - отец телефона и дедушка Интернета - стал нерентабельным. Сначала его потеснил телефакс, а электронная почта и вовсе сделала его достоянием истории. В России телеграф также потерял свое былое значение благодаря быстрому развитию электронной почты.

Поисковые системы Интернета

Как найти нужную Вам информацию в Internet? Если Вы не знаете ее адрес, то без средств поиска это не проще, чем найти квартиру человека в большом городе, не зная его фамилии и адреса.

Для того чтобы не "заблудиться" в сети Internet, были созданы специальные средства поиска. Их можно разделить на две основные группы: каталоги и полнотекстовые системы. Каталоги устроены по принципу библиографических справочных систем. В них каждая книга или статья находится на определенном месте в предметном или авторском указателе. В сетевом каталоге ссылки рассортированы по тематическим рубрикам и сопровождаются аннотациями. Сетевой каталог, в отличие от библиотечного, позволяет значительно ускорить работу: на его главной странице есть окошко для поиска. После введения ключевого слова Вы сразу получаете список рубрик и ссылок, в которых они встретились.

Самый популярный и старейший из каталогов Internet, содержащий ссылки более чем на полмиллиона web-страниц, - Yahoo!. Наиболее полные и популярные российские каталоги - www.list.ru, www.au.ru, www.ru, www.stars.ru. Они содержат ссылки на 20-30 тысяч сайтов и ежедневно пополняются на несколько десятков-сотен ссылок. На сервере поисковой системы Rambler размещен каталог (или рейтинг-классификатор) Rambler's "Тор 100" (http://counter.rambler.ru/top100). Участвующие в неfм сайты разбиты на 56 рубрик" от "Авто и мото" до раздела "Юмор". В число этих рубрик входят такие популярные, как Банки, Искусство, История, Кино, Компьютеры, Медицина, Музыка, Образование, Отдых, Политика, Природа, Путешествия, Работа, Радио, Развлечения, Реклама, Спорт, Театр, Телевидение, Техника, Транспорт, Электроника.

В отличие от каталогов, хранящих только аннотации, поисковые системы Интернета хранят весь текст web-страниц. Такой гигантский объем информации обрабатывается автоматически. Для этого поисковые машины каждый день "ползают" по Сети: они посещают web-страницы и заносят их в свои базы. Человек может только инициировать процесс: как и в случае с каталогами, автор страницы должен послать поисковой системе заявку на свой новый материал. Если заявку не подать, поисковая система сама доберется до новой страницы, используя ведущую к ней ссылку, но это произойдет нескоро. Поэтому после создания в Сети своей страницы рекомендуется "прописаться" в основных поисковых системах.

Старейшая из российских полнотекстовых поисковых систем - это Rambler (http://www.rambler.ru). Она начала работу в 1996 г. и располагает наиболее полным индексом. В первую тройку российских поисковых систем входят также Яndex (ref src="http://yandex.ru" type="url" />) и Апорт (ref src="http://www.aport.ru" type="url" />).

В 2004 году наиболее совершенной системой стала Google.ru, в которой собрано более 7 миллиардов документов с высокой степенью релевантности.

Рис. 8.5.  Создатели системы Google Ларри Пейдж (слева) и Сергей Брин (справа)

Рис. 8.6.  Создатели Google в гостях у создателей системы Яндекс

В 1996 году на сайте Стэнфордского университета (штат Калифорния, США) появилась новая поисковая система. За названием "BackRub" стояла научная работа аспирантов Сергея Брина и Ларри Пейджа. Необходимый для работы поисковой системы сервер с винчестерами общим объемом 1 терабайт располагался в комнате Брина в университетском общежитии. В основе BackRub лежала принципиально новая система интернет-поиска, когда все многочисленные найденные по запросу страницы ранжировались по числу ссылающихся на них других страниц. Таким образом, в верхних строках оказывались самые востребованные документы.

Рис. 8.7.  Сергей Брин

Поиск оказался настолько удобным, что скоро к нему стали обращаться люди далеко за пределами университетского городка. К лету 1998 года к BackRub ежедневно обращалось около 10 тыс. посетителей. В Стэнфорде забеспокоились - сервис начал заполнять почти половину всего университетского интернет-трафика. А тут еще прибавились обвинения в компьютерном хулиганстве. Дело в том, что поисковая система не обращала внимания на ограничения доступа к университетским документам "для служебного пользования", открывая их для всех. И BackRub, переставший быть чисто научным проектом, пригрозили закрыть. "В какой-то момент мне пришлось сделать выбор: начинать свое дело или продолжать учебу", - говорил потом об этом Сергей Брин. Сделать выбор ему неожиданно помог один из основателей Sun Microsystems Энди Бехтольшайм. "Это очень интересно, - прервал его Энди, когда Сергей начал демонстрировать ему возможности своей поисковой системы, - но я очень спешу. Как, вы говорите, называется ваша компани я?" И достал чековую книжку. Через несколько минут удивленный Брин остался один на один с чеком в $100 000 на имя несуществующей еще компании Google Incorporated. Брин создал Google в 1998 году вместе с университетским другом Ларри Пейджем.

Сергей родился в Москве в 1974 году и попал в Америку пятилетним ребенком: его родители эмигрировали из СССР в США.

Его отец, Михаил Брин, был в Москве преподавателем математики. В Америке он стал преподавателем Университета штата Мэриленд, а мать Сергея, Евгения - специалистом Национального агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA).

Дед Сергея Брина - Израиль Абрамович - проработал доцентом кафедры математики Московского Энергетического института с 1944 по 1998 год.

Уже в раннем детстве Сережа проявлял выдающиеся математические способности и живой интерес к электронной технике.

После школы Сергей поступил на факультет математики Университета Мэриленда, досрочно получил диплом бакалавра и специальную стипендию, которая позволила ему продолжить учебу в дорогом и престижном Стэнфордском университете. В Стэнфорде Брин был принят в докторантуру.

В университете Сергей подружился с Ларри Пейджем, уроженцем штата Мичиган, и у них появились совместные проекты.

Свою знаменитую ныне поисковую систему Брин и Пейдж впервые опробовали на товарищах по учебе.

Сан-Франциско - главное место обитания так называемого венчурного капитала: компаний, вкладывающих деньги в перспективные проекты. Две из них согласились инвестировать в Google 25 млн. долларов. Google быстро набирал силу, его популярность росла день ото дня, и очень скоро компания перешла из разряда начинающих в категорию быстро растущих фирм. Летом 2000 года Google подписал контракт на обслуживание поисковых запросов Yahoo! - интернет-компании, которой принадлежит самый популярный сайт планеты. Сотрудничество с Yahoo! дало мощный толчок популярности Google, однако главным фактором роста компании стало передаваемое из уст в уста одобрение пользователей, которые рекомендовали Google друзьям и знакомым.

Хотя ни Брин, ни Пейдж так и не получили докторских степеней, покинув стены Стэнфордского университета в период создания собственной компании, в своей кадровой политике они отдают предпочтение докторам наук - их в Google насчитывается более ста. А всего в компании работают около двух тысяч человек. Поисковый механизм Google сегодня - это 10000 замкнутых в единую цепь мощных компьютеров, ведущих поиск по 3 млрд страниц Интернета. Пользователи Google могут получить ряд других информационных услуг. Тысячи рекламодателей размещают свои баннеры в Интернете через Google. Но основной упор руководство Google делает по-прежнему на поиск - беспрецедентно эффективный.

К началу 2001 года Google стал приносить прибыль, оставаясь частной компанией, акции которой были распределены внутри узкого круга основателей и инвесторов. Логика развития подсказывала необходимость выхода на биржу в качестве компании открытого типа. В августе 2004 года долгожданное первичное размещение акций состоялось. Но не обычным путем: вместо распространения через брокерские конторы руководители Google организовали открытый аукцион. Сергей Брин говорит, что это более честный путь. Акции компании были выпущены двух типов: А и Б. Большая часть акций первого типа осталась в руках Брина и Пейджа.

Отцы-основатели Google действуют в соответствии с законами бизнеса. Председателем совета директоров и главным исполнительным директором компании Google являются не Брин и не Пейдж, а гораздо более опытный профессионал отрасли Эрик Шмидт, ранее работавший в Novell. В основанной ими корпорации Брин служит президентом по технологии, а Пейдж - президентом по продукции.

Компания известна хорошими условиями работы. В корпоративной столовой еду готовит один из лучших поваров Калифорнии. К услугам сотрудников Google - бесплатные горячий кофе и чай, прохладительные напитки. В офис можно приводить детей и домашних животных, а по всем этажам штаб-квартиры фирмы разбросаны мячи красного, желтого, синего и зеленого цветов, которые присутствуют в логотипе компании. Работа в Google означает принадлежность к классу избранных и в более серьезном материальном плане. Сотрудники, помимо зарплаты, получают акции компании, и кое-кто из них в момент выхода компании на биржу стал миллионером.

Двадцатью процентами рабочего времени работники Google могут распоряжаться по своему усмотрению - это призвано стимулировать творческое мышление. У Сергея Брина почти все время уходит на организационную работу. Некоторые вопросы он контролирует до мельчайших деталей: так, он лично следил за интеграцией русского языка в поисковую базу и интерфейс Google.

В 2006 году личные состояния Сергея Брина и Ларри Пейджа составили по 11 млрд долларов. В жизни новоявленный миллиардер Сергей Брин ведет себя очень скромно. В недавнем интервью его отец рассказал, что Сергей все еще живет в трехкомнатной квартире и ездит не на "Мерседесе", что больше бы подобало статусу, а на Toyota Prius с экологически чистым гибридным двигателем.

<

История копирования и размножения документов

Наш век породил необходимость многократного копирования всевозможных бумаг - президентских указов, правительственных и парламентских постановлений, учрежденческих приказов, научно-технических отчетов и статей, рисунков, рукописей новых статей и книг.

Электрография и ксерокопирование

Революцию в копировально-множительных процессах произвела электрография - электрические и электромагнитные способы печати. Более распространен термин электрофотография - способы воспроизведения изображений на поверхности, электрические свойства которой изменяются в соответствии с количеством лучистой энергии, которое она воспринимает. Обычная фотография основана на фотохимических процессах, а электрофотография - на фотоэлектрических.

Методами электрофотографии можно получать любое число копий как черно-белых, так и цветных текстов и рисунков. В основе электрофотографии - преобразование видимого изображения в слое светочувствительного электрофотографического материала в скрытое изображение с последующим проявлением. Сначала на электросветочувствительном материале получают порошковое изображение, а затем уже переносят его на обыкновенную бумагу, картон, ткань, керамику или металлическую пластину.

Наиболее распространенным методом электрофотографии является ксерокопирование, в котором применяется сухое проявление с помощью окрашенных частиц порошка.

Этот процесс называют ксерографией: от греческого xeros - сухой и graphein - писать (по сравнению с обычным "мокрым" фотографическим процессом).

В традиционной фотографии изображения предметов запечатлеваются на светочувствительных слоях, в которых под действием света происходят необратимые химические изменения. В ксерографии свет воздействует не на химические, а на электрические свойства светочувствительного слоя. В качестве такого слоя американский изобретатель Ч. Карлсон в 1935-1938 годах предложил использовать электрические свойства фотополупроводников, зависящие от освещения. На свету они являются проводниками, а в темноте - диэлектриками. Фотополупроводниками являются сера, селен, окись цинка. Карлсон покрывал металлическую пластину слоем селена. Затем он в темноте электризовал его и проецировал на него изображение какого-либо предмета. При этом засвеченные участки слоя становились проводниками и электрические заряды с них уходили в металлическую подложку, а незасвеченные участки становились диэлектриками и заряды на них сохранялись. Так образовывалось скрытое электростатическое изображение. Чтобы проявить его, пластину посыпали мелкораздробл енным порошком красителя. При этом частицы этого порошка прилипали только к участкам полупроводникового слоя, на котором сохранились электрические заряды. Первый ксерографический отпечаток Ч. Карлсон и его помощник О. Корней получили в 1938 году.

Ксерокс позволяет быстро получить любое количество копий с листа текста, рисунка, страницы газеты, журнала или книги. В наши дни фирма Xerox Corp. производит самые разнообразные ксероксы, в том числе высокопроизводительные, не только для черно-белой, но и для цифровой многокрасочной печати. Выпускаются также портативные настольные ксероксы, позволяющие получать копии на обыкновенной писчей бумаге (рис. 9.3).

Рис. 9.3.  Настольный ксерокс

Существуют и другие современные копировально-множительные процессы, но ксерография и сегодня лидирует в этой области техники. Более того, само слово "ксерокс" превратилось в понятие, обозначающее копировально-множительный процесс или аппарат, основанный на любом принципе действия. В русском языке даже возник глагол "отксерить". Фирма Xerox Corp. превратилась в наши дни в одну из ведущих во всем мире в области информационных технологий. На ее предприятиях в США и зарубежных филиалах, в том числе в России, занято более 90000 сотрудников.

Карлсон Честер (1906-1968) - американский физик, изобретатель ксерографии. В 1938 году получил первую ксерографическую копию, в 1939 году подал заявку, и в 1942 году получил патент на ксерографический способ копирования, названный им "электрофотографией". В течение нескольких лет безуспешно предлагал его более 20 компаниям. Наконец, в 1944 году он сумел заинтересовать проблемами электрофотографии Бэтеллевский мемориальный институт, в лаборатории которого были проведены эксперименты, позволившие практически внедрить изобретение. С 1947 года работы в области ксерографии начала финансировать маленькая фирма Haloid Corporation, преобразованная позднее в Xerox Corp.

<

Машинопись, гектограф, мимеограф

Еще в начале XVIII века для замены рукописного письма была изобретена пишущая машина. В 1873 году американцы Шоулс и Глидден сконструировали первую пишущую машинку (рис. 9.1), которую начала выпускать фабрика "Ремингтон".

С 1908 года фабрики перешли на выпуск машинок с видимым письмом. Все эти машинки были механическими - оттиск на бумаге в них получался за счет силы удара пальцем по клавише. В 30-х годах 20-го века появились пишущие машинки с электрическим приводом. Вместо удара они требуют лишь легкого надавливания на клавиши. Долгие годы пишущие машинки были единственным средством изготовления оригинальных печатных текстов и их копирования.

Долгие годы для получения копий текста, написанного на бумаги от руки или отпечатанного на пишущей машинке, применялась копировальная бумага. На нее наносился красящий слой, который при письме ручкой или карандашом на бумаге или при печати на пишущей машинке продавливался и переносился на бумагу-копию. Таким механическим способом можно получить не более 5-6 читаемых копий.

Рис. 9.1.  Пишущая машинка Шоулса и Глиддена

Рис. 9.2.  Пишущая машинка мерседес

Для получения большего числа копий в конце прошлого и в начале нашего века был изобретен целый ряд копировально-множительных процессов: гектограф, мимеограф, стеклограф и многие другие.

Самым распространенным был гектограф, изобретенный М.И. Алисовым (1832-1898 г.г.). Его действие было основано на свойстве эластичной коллоидной массы (например, желатина) впитывать анилиновые красители. Оригинал, написанный от руки или отпечатанный на специальной пишущей машинке с лентой, пропитанной специальными гектографическими чернилами, плотно прижимали к массе желатина. При этом часть красителя проникает в желатин. Он и использовался в качестве клише. К нему прикатывали валиком один за другим чистые листы бумаги, на которые переходила некоторая часть красителя - получались копии оригинала. При этом печатная форма одновременно играла роль красочного резервуара: в ней содержалось краска, необходимая для печати всего тиража. Таким способом можно было отпечатать не более 100 оттисков. Отсюда и его название - "гектограф": от греческого hekaton (сто) и grapho (пишу). В связи с простотой этого способа им широко пользовались для изготовления нелегальной литературы - листовок и воззваний.

Другой копировальный процесс - мимеограф - изобрел Т.А. Эдисон (1847-1931 г.г.). Форма для него изготавливалась на пишущей машинке со снятой лентой. Оттиск выбивался литерами на плоской шелковистой основе с нанесенным на нее слоем воска - "восковке". Изготовленную трафаретную форму помещали на подушку или вал, пропитанные краской. Поверх трафарета клали листы бумаги и получали оттиски. Такой способ позволял изготавливать до 1000 оттисков.

---

---