Предыдущая урок: Как работает компьютер? Часть 48. Мышь: движение превращается в координаты.
Микрофон
Мы уже узнали, как клавиатура и мышь позволяют человеку «договориться» с компьютером. Но у компьютера есть ещё один способ слушать нас — это микрофон. Его задача простая: взять наш голос и превратить его в понятный компьютеру сигнал.
Прежде чем говорить о микрофоне, нужно понять, с чем он работает. Звук — это колебания воздуха. Когда вы говорите, ваши голосовые связки вибрируют и создают звуковые волны — области сжатого и разреженного воздуха. Эти волны, как волны на воде, распространяются по воздуху.
Превращение звука в электричество происходит внутри микрофона. Мы рассмотрим самый распространенный тип для компьютеров — электретный конденсаторный микрофон. Звуковые волны от вашего голоса доходят до микрофона и ударяются о его гибкую диафрагму (мембрану). Представьте, что вы дуете на перышко. Чем сильнее дуновение, тем сильнее оно отклоняется. Диафрагма — это очень чувствительное "перышко". Диафрагма начинает повторять форму звуковой волны: двигаться вперед-назад. Громкий звук заставляет ее двигаться сильно, высокий звук (сопрано) — быстро, тихий и низкий (бас) — слабо и медленно.
Диафрагма является частью крошечного конденсатора (это электронный компонент, который временно накапливает и хранит электрический заряд и энергию). Прямо позади нее находится неподвижная металлическая пластина. Диафрагма заряжена статическим электриством (благодаря особому материалу — электрету). Когда диафрагма движется, расстояние между ней и пластиной меняется. По законам физики, это изменение расстояния приводит к изменению электрической емкостии, как следствие, к изменению напряжения между пластинами. На выходе из микрофона появляется очень слабый аналоговый электрический сигнал. Его форма в точности повторяет колебания диафрагмы. Это "электрический портрет" вашего голоса.
Слабый аналоговый сигнал из микрофона нельзя просто так отправить по проводу. Его нужно подготовить. Если микрофон USB, то вся магия (усиление и оцифровка) происходит в маленькой микросхеме-контроллере внутри самого микрофона. USB-микрофон по сути является и микрофоном, и внешней звуковой картой в одном устройстве. На выходе он дает уже готовый цифровой сигнал. На самом деле цифровой сигнал мы получаем из АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), который находится в микроконтроллере микрофона.
Цифровые данные (пакеты с нулями и единицами, описывающие форму звуковой волны) по проводу (USB или через внутренние каналы материнской платы) поступают на чипсет материнской платы. Чипсет действует как диспетчер, который решает, куда направить данные дальше.
Цифровые аудиоданные временно помещаются в оперативную память. Процессор получает эти данные из ОЗУ. Он не "слышит" звук. Он видит лишь числа. Специальная программа (драйвер аудио, аудиоредактор) говорит процессору, что нужно делать с этими числами: просто записать их в файл, отправить через интернет, применить к ним фильтр (шумоподавление, эхо) или вывести сразу на колонки.
Камера
Мы уже знаем, что микрофон превращает звук в электрический сигнал с помощью движение мембраны и преобразования сигнала. Камера делает похожую вещь, только вместо звуковых волн она работает со светом. Её задача — взять изображение перед собой и превратить его в поток нулей и единиц, чтобы компьютер смог его обработать.
Когда мы смотрим на предметы глазами, свет отражается от них и попадает на нашу сетчатку. Камера устроена почти так же: свет через линзу попадает внутрь и достигает маленькой чувствительной поверхности, которую называют матрицей.
Матрица — это крошечная «решётка», которая состоит из миллионов ячеек, называемых пикселями. Каждый пиксель — это очень маленький элемент, который реагирует на количество света. Представьте каждый пиксель на сенсоре камеры как: Маленькое ведерко, которое наполняется электрическими зарядами (электронами) или как крошечную солнечную панель, которая тем больше вырабатывает тока, чем больше на нее светит солнце. В основе лежит фотодиод — полупроводниковый прибор. Когда на него падает свет, он начинает генерировать электрические заряды (электроны). Чем света больше — тем больше зарядов он создает. Это явление называется фотоэлектрический эффект.
То есть каждый пиксель работает как мини-выключатель, который «чувствует» свет. Именно это и есть главное чудо камеры: свет превращается в изменения электричества.
Дальше сигнал от всех пикселей собирается вместе и превращается в электрическую картину — набор значений, где каждому пикселю соответствует уровень яркости. Но компьютер не умеет работать с «плавным» током, ему нужны нули и единицы. Поэтому в дело снова вступает преобразователь — АЦП. Он берёт сигнал с матрицы и превращает его в цифровые данные: последовательность нулей и единиц, где закодированы яркость и цвет каждого пикселя.
Теперь компьютер получает изображение в виде цифровой информации. Эти данные проходят через материнскую плату, попадают в процессор, и дальше уже решает программа: показать картинку на экране, сохранить её в файл, передать в интернет или обработать.
Если разобрать всё пошагово, получится так:
- Свет отражается от объекта.
- Через линзу он попадает на матрицу камеры.
- Каждый пиксель матрицы реагирует на свет и накапливает электрический заряд.
- Сигналы усиливаются и преобразуются АЦП в нули и единицы.
- Данные отправляются на материнскую плату.
- Оттуда они попадают в процессор и программы, которые уже решают, что делать с изображением.
Таким образом, камера — это «глаз» компьютера. Она видит мир так же, как микрофон слышит его. И там, и там основа одна: внешний сигнал (звук или свет) приводит к замыканию электрической цепи, из этого получается сигнал, который преобразуется в поток нулей и единиц.
Спасибо за внимание!
Следующий урок: Как работает компьютер? Часть 50. Графические процессоры (GPU) — отдельный мозг для картинок.
👍 Ставьте лайки если хотите разбор других интересных тем.
👉 Подписывайся на IT Extra на Дзен чтобы не пропустить следующие статьи
________________________________________________________________________👇
Понравилась статья? В нашем Telegram-канале ITextra мы каждый день делимся такими же понятными объяснениями, а также свежими новостями и полезными инструментами. Подписывайтесь, чтобы прокачивать свои IT-знания всего за 2 минуты в день!