Кодирование звука Изучаемая тема : Кодирование информации

Кодирование звука
Изучаемая тема : Кодирование информации
Подготовила: учитель информатики и ИКТ МОУ «Лицей №4» Вилкова Ольга Юрьевна
Звук. Что это такое?
Из курса физики известно, что звук есть колебания среды.
В повседневной жизни средой чаще всего является воздух, но это
совсем не обязательно. Например, звук прекрасно распространяется по
поверхности земли: именно поэтому в приключенческих фильмах
герои, стараясь услышать шум погони, прикладывают ухо к земле.
Напротив, существует весьма эффектный школьный физический опыт,
который показывает, что при откачивании воздуха мы перестаем
слышать звук находящегося под герметичным колпаком звонка. “Не
может быть никакого звука в вакууме и на поверхности Луны — в
космосе царит тишина, вопреки попыткам группы специальных
эффектов Голливуда убедить нас в обратном путем имитирования
грохота космических кораблей и взрывов, от которых вы подпрыгиваете
на стуле”
Аналоговое представление звука.
Звуковая дорожка грампластинки – пример непрерывной формы записи
звука. Такую форму называют аналоговой. В патефоне колебания
движущейся по звуковой дорожке иглы превращаются в
непрерывный электрический сигнал, показанный на рисунке. Такой
график называется осциллограммой. Электрический сигнал
передается на динамик. Динамик преобразует электрический сигнал в
звуковой и воспроизводит звук.
В XX веке был изобретён магнитофон – устройство для записи звука на
магнитную ленту. Здесь также используется аналоговая форма
хранения звука. Только теперь звуковая дорожка –это не
механическая бороздка с ямками, а линия с непрерывно
изменяющейся намагниченностью. С помощью считывающей
магнитной головки создаётся переменный электрический сигнал,
который озвучивается акустической системой.
До недавнего времени вся техника для передачи звука была аналоговой,
в том числе и радиосвязь и телефонная связь.
Дискретное представление звука ифров
представление звука.
В компьютере используется дискретное представление звука :
любые данные представлены в виде электрических сигналов
2-х уровней (высокое напряжение и низкое), которые
кодируются двоичными сигналами -0 и 1 (битами). Итак, в ходе
оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, причем
"величина числа соответствует силе звука в данный момент"
[1]. На рис. 3 приведенное выше описание процесса
дискретизации проиллюстрировано графически:
На рисунке представлен процесс оцифровки зависимости
интенсивности звукового сигнала I от времени t.
Оцифровка звука.
Ввод звука в компьютер производится с помощью
звукового устройства (микрофон, радио, CD-диск), выход
с которого подключается к порту звуковой карты. Задача
звуковой карты – с определённой частотой производить
измерения уровня звукового сигнала, преобразованного
в электрические колебания и результаты записывать в
память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой
звука.
Промежуток времени между двумя измерениями
называется ПЕРИОДОМ измерений – t секунд.
Частота дискретизации F- это количество измерений звука
за 1 секунду.
ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ F измеряется в герцах (Гц).
Кодирование звукового сигнала
Глубина кодирования звука I – это количество информации, которое
необходимо для кодирования уровней громкости цифрового звука.
Для кодирования одного звукового сигнала используют i ячеек памяти
(регистров). Число I называют РАЗРЯДНОСТЬЮ ДИСКРЕТИЗАЦИИ или
РАЗРЕШЕНИЕМ.
Звуковая плата с разрядностью I может воспроизводить N=2i
различных звуковых сигналов.
Число возможных уровней громкости N связано с глубиной
кодирования i по формуле
N =2i
Качество оцифрованного звука
Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем выше качество.
Самое низкое качество цифрового звука = качеству звука телефонной связи:
F=800 измерений в сек, i =8 бит, монорежим.
Самое высокое качество – качество аудио-CD :
F=48000 измерений в сек, i=16 бит, режим стерео.
Формула расчёта размера в байтах цифрового аудиофайла:
Q =k  F  t  i/8,
где
k- режим записи
F - частота дискретизации, Гц
t - Время звучания в секундах
i - Глубина дискретизации.
Редакторы звуков.
С помощью редакторов обрабатываются звуковые сигналы.
Они позволяют:
 писать новые мелодии
 Редактировать музыкальные произведения
 создавать различные музыкальные эффекты
 Очищают звуки от шумов
 Монтировать звуковые файлы.
Проблемы звукозаписи
Основными проблемами при работе со звуковыми файлами являются:
 Уменьшение объёма звукового файла
 Кодирование данных без потерь качества.
 Для сжатия файлов используется специальный алгоритм, сжимающий
файл путем выбрасывания из него слабослышимых сигналов.
Методов сжатия, а также соответствующих программ существует
много.
Форматы аудиофайлов
Формат AU - распространенный формат на системах Sun и NeXT (в
последнем случае, правда, файл будет иметь расширение SND). Файл
состоит из короткого служебного заголовка (минимум 28 байт), за
которым непосредственно следуют звуковые данные. Широко
используется в Unix-подобных системах и служит базовым для Javaмашины.
Формат WAVE (WAV). Стандартный формат файлов для хранения звука в
системе Windows. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и
имеют только один блок формата и один блок данных. В первом
содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов,
частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во
втором — сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое
количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие
разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами
для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара
образует законченный блок.
Форматы аудиофайлов
Формат MP3 . Это один из форматов сжатого хранения аудиосигнала. Сжатие более
чем в 10 раз.
Поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются
недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными
словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая
информация “подправляется” так, чтобы возникшие искажения на слух были
незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами.
Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее
значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания. Технологии MP3
применяют в бытовых звуковых устройствах, например, плеерах и сотовых
телефонах.
Формат MIDI. Старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное
оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах
данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности,
нажатию клавиши или установке режима звучания. Формат файла стал стандартным
для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью
звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным
преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер. Но это же
свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован,
то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе
может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.
Форматы аудиофайлов
Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие
идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули программ
воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные
ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые
используются как шаблоны индивидуальных нот. Таким
способом достигается однозначность воспроизведения звука. К
недостаткам формата следует отнести большие затраты
времени при наложении друг на друга шаблонов
одновременно звучащих нот.
aif, *.aifc, *.aiff - всё это файлы аудио-данных
*.au - один из форматов звуковых файлов.
•
Задачи файлов.
• 1. Определить объём памяти для хранения цифрового аудиофайла,
время звучания которого составляет две минуты при частоте
дискретизации 44,1 КГц и глубине дискретизации 16 бит.
• 2.В распоряжении пользователя имеется память объёмом 2,6 Мб.
Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания
1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?
• 3.Объём внутренней памяти на диске – 5,25 Мб, разрядность –
звуковой платы – 16. Какова длительность звучания цифрового
аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?