Дискретное представление звуковой информации кратко

Обновлено: 02.07.2024

Одной из основных задач информатики является представление данных в виде удобном для хранения и передачи. Эти данные могут быть разного типа – звуковые, текстовые, графические и т.д. В этой статье мы расскажем про кодирование звуковой информации. Из этой статьи Вы узнаете основные принципы и определения. Также после прочтения сможете посчитать объем аудио файла. Читайте!

Основные определения

Для того чтобы разобраться в теме надо знать, что представляет собой звуковая информация (звук).

Звук – это непрерывная аналоговая волна, которая распространяется в окружающей среде. В роли среды может выступать воздух, жидкость, твердое тело, электричество и т.д.

Звук, как непрерывную волну, характеризуют две характеристики – частота и амплитуда.

От амплитуды зависит громкость аудио сигнала . Чем выше амплитуда, тем громкость больше.

Частота же характеризует тональность аудиоинформации . Чем больше частота, тем тональность выше. Человеческий слух улавливает волны от 20 Гц до 20 кГц. 1 Гц равен 1 колебанию аудио сигнала в секунду.

Представление и кодирование звуковой информации в компьютере

Для представления и кодирования звука используются специальное оборудование и программы. Рассмотрим весь процесс более подробно.

Аудиоинформация, поступая из окружающей среды (например, по воздуху), преобразуется в электрический сигнал. Для этого используется такое устройство, как микрофон.
После этого звук поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), где подвергается оцифровке.
На последнем этапе информация (уже в двоичном виде) кодируется при помощи специальной программы – аудиокодека. На выходе получается файл в специальном формате (например, mp3), который можно хранить, воспроизводить и передавать.

Наибольший интерес представляет процесс оцифровки, также называемым аналого-цифровым преобразованием. В результате него аналоговый сигнал заменяется на цифровой.

Основной принцип аналогово-цифрового преобразования заключается в том, что через равные промежутки времени измеряется амплитуда волны. Также этот процесс называется дискретизация.

Дискретизация – это процесс в результате, которого непрерывная функция представляется в виде дискретной последовательности её значений. Схематично дискретизацию можно представить так:

Дискретизация характеризуется двумя такими величинами, как:

Частота шага по времени;
Шаг квантования.

Первая величина отображает, как часто берутся дискреты и измеряется в Герцах (количество измерений за одну секунду). Частота шага по времени находится по теореме Котельникова.

Шаг квантования характеризуется количеством уровней , до которых округляются величины амплитуды волны.

Количество уровней (ступенек) до которых округляются значения сигнала, зависит от аналого-цифрового преобразователя. На данный момент используются 16, 32 и 64 битные устройства.

Количество бит, затрачиваемое для номеров уровней, называется глубиной кодирования звуковой информации.

Глубина кодирования связано с количеством уровней по формуле:

Где i разрядность АЦП в битах.

Чем чаще берутся дискреты за единицу времени и больше глубина кодирования, тем выше качество звуковых данных на выходе и дороже АЦП.

Расчет объема аудио файла

N – длительность звучания в секундах;
K – разрядность АЦП (глубина кодирования) в битах;
F – частота взятия дискрет в герцах;
Z – количество каналов ( 1- моно, 2 — стерео).

Пример: рассчитать объем аудио файла со следующими характеристиками – моно звучание, частота дискретизации 8 кГц, глубина — 8 бит (телефонная связь) и длительностью 60 секунд.

\[V = 60*1*8000*8=3840000 \ бит \]

Форматы аудио

Форматов для хранения аудио много, однако, все они делятся на две большие группы в зависимости от того, какой из методов сжатия используется – LOSELESS или LOSSY.

LOSELESS – метод сжатия без потерь. Качество звуковой информации остается без изменений, однако за него приходится платить большим объемом компьютерной памяти. Используется для хранения музыки и других данных, где важно качество. Форматы, которые основаны на данном методе сжатия: FLAC, APE, TAC, ALAC и другие. На данный момент зарабатывают все большую популярность в связи с увеличением дискового пространства.
LOSSY – сжатие с потерями. При таком методе файл сохраняются с искажениями относительно оригинала. В основном эти искажения не воспринимаются человеческим слухом, а также не замечаются при плохом аудио оборудовании. LOSSY позволяет существенно сэкономить дисковое пространство. На данный момент этот метод сжатия является доминирующим.

Форматы кодирования использующие алгоритмы LOSSY:

MP3 (MPEG-1,2,2.5) – самый популярный аудио формат. Проигрывается на всех аудио и видео системах, по умолчанию поддерживается всеми операционными системами. Искажения заметны на высокоточной дорогостоящей аппаратуре.
AAC – формат, который разрабатывался и позиционировался, как приемник mp3. Не получил широкого распространения. Преимущества перед mp3: большая гибкость кодирования, возможность использовать до 48 звуковых каналов.
HE-AAC (High-Efficiency Advanced Audio Coding) – используется в цифровом радио и телевиденье.

Заключение

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

20 . Представление звуковой информации в компьютере

Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой.

Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека.

Чем больше частота сигнала, тем выше тон.

Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz).

Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, который называют звуковым .

Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, называют глубиной кодирования звука .

Современные звуковые карты обеспечивают 16 -, 32 - или 64 -битную глубину кодирования звука.

При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным , то есть превращается в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Процесс перевода звуковых сигналов от непрерывной формы представления к дискретной, цифровой форме называют оцифровкой .

Важной характеристикой при кодировании звука является частота дискретизации — количество измерений уровней сигнала за 1 секунду:

- 1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц;

- 1000 измерений в секунду соответствует частоте 1 кГц.

Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до 48 кГц (от частоты радиотрансляции до частоты, соответствующей качеству звучания музыкальных носителей).

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла.

Оценить информационный объём моноаудиофайла ( V ) можно следующим образом: V = N ⋅ f ⋅ k , где N — общая длительность звучания (секунд), f — частота дискретизации (Гц), k — глубина кодирования (бит).

Например, при длительности звучания 1 минуту и среднем качестве звука ( 16 бит, 24 кГц):

V = 60 ⋅ 24000 ⋅ 16 бит = 23040000 бит = 2880000 байт = 2812,5 Кбайт = 2,75 Мбайт.

При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно, увеличивает объём звукового файла в два раза по сравнению с монозвуком.

Например, оценим информационный объём цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука ( 16 битов, 24000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и умножить на 2 (стереозвук):

V =16 бит ⋅ 24000 ⋅ 2 = 768000 бит = 96000 байт = 93,75 Кбайт.

Существуют различные методы кодирования звуковой информации двоичным кодом, среди которых можно выделить два основных направления: метод FM и метод Wave-Table .

Метод FM ( Frequency Modulation ) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, и, следовательно, может быть описан кодом. Разложение звуковых сигналов в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи ( АЦП ).

Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал: a — звуковой сигнал на входе АЦП; б — дискретный сигнал на выходе АЦП .

Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи ( ЦАП ). Процесс преобразования звука представлен на рис. ниже. Данный метод кодирования не даёт хорошего качества звучания, но обеспечивает компактный код.

Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал: а — дискретный сигнал на входе ЦАП; б — звуковой сигнал на выходе ЦАП .

Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее популярные из них MIDI , WAV , МРЗ .

Формат MIDI ( Musical Instrument Digital Interface ) изначально был предназначен для управления музыкальными инструментами. В настоящее время используется в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза.

Формат аудиофайла WAV ( waveform ) представляет произвольный звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Все стандартные звуки Windows имеют расширение WAV .

Формат МРЗ ( MPEG-1 Audio Layer 3 ) — один из цифровых форматов хранения звуковой информации. Он обеспечивает более высокое качество кодирования.

Тема: Дискретное (цифровое) представление текстовой, графической,
звуковой информации и видеоинформации.

1. Цель работы: изучить способы представления текстовой, графической, звуковой информации и видеоинформации, научиться записыватьинформацию в различных кодировках.

Краткие теоретические сведения.

Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, то есть двоичный код.

Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку.

С точки зрения технической реализации использование двоичной системы счисления для кодирования информации оказалось намного более простым, чем применение других способов. Действительно, удобно кодировать информацию в виде последовательности нулей и единиц, если представить эти значения как два возможных устойчивых состояния электронного элемента:

o0 – отсутствие электрического сигнала;

o1 – наличие электрического сигнала.

Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных.

Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

Аналоговый и дискретный способ кодирования

Человек способен воспринимать и хранить информацию в форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вкусовых и обонятельных). Зрительные образы могут быть сохранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые — зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее.

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно. При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Примером аналогового представления графической информации может служить, например, живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного – изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета. Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного – аудио компакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода.

Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов.

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Кодирование растровых изображений

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Пиксель – минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.

В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее).

Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0).

Для четырех цветного – 2 бита.

Для 8 цветов необходимо – 3 бита.

Для 16 цветов – 4 бита.

Для 256 цветов – 8 бит (1 байт).

Качество изображения зависит от количества точек (чем меньше размер точки и, соответственно, больше их количество, тем лучше качество) и количества используемых цветов (чем больше цветов, тем качественнее кодируется изображение).

Для представления цвета в виде числового кода используются две обратных друг другу цветовые модели: RGB или CMYK. Модель RGB используется в телевизорах, мониторах, проекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах… Основные цвета в этой модели: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Цветовая модель CMYK используется в полиграфии при формировании изображений, предназначенных для печати на бумаге.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки.

Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами (по одному биту на каждый цвет RGB), то мы получим все восемь различных цветов.

R	G	B	Цвет
Белый
Желтый
Пурпурный
Красный
Голубой
Зеленый
Синий
Черный

На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (то есть 24бита) — по 1 байту (то есть по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей. Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 28=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 16 777 216 цветов. Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов. В современных компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280х1024 точек. Т.е. всего 1280 * 1024 = 1310720 точек. При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем видеопамяти:

32 * 1310720 = 41943040 бит = 5242880 байт = 5120 Кб = 5 Мб.

Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию (увеличению или уменьшению). При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется различимость мелких деталей изображения. При увеличении изображения увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект, который можно увидеть невооруженным глазом.

Кодирование векторных изображений

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависит от прикладной среды.

Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.

Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества.

Графические форматы файлов

Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия). Наиболее популярные растровые форматы:

Bit MaP image (BMP) – универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Этот формат поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями.

Tagged Image File Format (TIFF) – формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами.

Graphics Interchange Format (GIF) – формат растровых графических файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Portable Network Graphic (PNG) – формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Joint Photographic Expert Group (JPEG) – формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Двоичное кодирование звука

Использование компьютера для обработки звука началось позднее, нежели чисел, текстов и графики.

Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон.

Звуковые сигналы в окружающем нас мире необычайно разнообразны. Сложные непрерывные сигналы можно с достаточной точностью представлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний.

Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задана некоторым набором числовых параметров – амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени.

В процессе кодирования звукового сигнала производится его временная дискретизация– непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.

Каждому уровню громкости присваивается его код. Чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала в единицу времени.

Количество уровней громкости определяет глубину кодирования. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. При этом количество уровней громкости равно N = 216 = 65536.

В последнее время компьютер все чаще используется для работы с видеоинформацией. Простейшей такой работой является просмотр кинофильмов и видеоклипов. Следует четко представлять, что обработка видеоинформации требует очень высокого быстродействия компьютерной системы.

Что представляет собой фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических картинок. Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные.

Казалось бы, если проблемы кодирования статической графики и звука решены, то сохранить видеоизображение уже не составит труда. Но это только на первый взгляд, поскольку, как показывает разобранный выше пример, при использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

Существует множество различных форматов представления видеоданных.

В среде Windows, например, уже более 10 лет (начиная с версии 3.1) применяется формат Video for Windows, базирующийся на универсальных файлах с расширением AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео).

Более универсальным является мультимедийный формат Quick Time, первоначально возникший на компьютерах Apple.

1)Используя стандартную программу БЛОКНОТ, определить, какая фраза в кодировке Windows задана последовательностью числовых кодов и продолжить код. Запустить БЛОКНОТ. С помощью дополнительной цифровой клавиатуры при нажатой клавише ALT ввести код, отпустить клавишу ALT. В документе появиться соответствующий символ.

2)В кодировке Unicode запишите название своей специальности.

Отчет должен содержать:

3.Задание и его решение.

4.Вывод по работе.

5. Контрольные вопросы

1.Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного?

2.Что такое частота дискретизации и на что она влияет?

3.В чем суть FM-метода кодирования звука?

4.В чем суть Wave-Table-метода кодирования звука?

5.Какие звуковые форматы вы знаете?

6.Какие этапы кодирования видеоинформации вам известны?

7.Какие форматы видео файлов вы знаете?

Дискретное представление звуковой информации кратко

Основные определения

Представление и кодирование звуковой информации в компьютере

Расчет объема аудио файла

Форматы аудио

Заключение

Статьи к прочтению:

Задания 13. Дискретная форма представления числовой, текстовой, графической и звуковой информации

Похожие статьи: