Кодирование звука

l
λ
Непрерывная звуковая волна
Длина волны.
Величина обратная частоте.
Чем она больше, тем звук ниже
Амплитуда колебаний.
Чем она больше, тем звук громче

Основные характеристики звука
Длина волны и частота:
l = 1/υ
Чем больше длина волны, тем меньше частота.
Измеряется в количестве колебаний в секунду (1/сек)
Амплитуда колебаний.
Соответствует громкости звука.
Громкость измеряется в децибелах (дБ)

Громкость звука

Временная дискретизация звука
Процесс разбиения непрерывной звуковой волны на отдельные (дискретные) временные участки, для которых может быть установлены различные уровни громкости

Частота дискретизации
Для записи аналогового сигнала и его преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой карте
Качество звука зависит от количества измерений уровня звука в секунду
Количество измерений уровня звука в единицу времени называется частотой дискретизации
Частота дискретизации лежит в диапазоне
от 8 000 до 48 000 измерений в секунду

Глубина дискретизации
Каждому дискретному временному отрезку – каждой «ступеньке» – присваивается определенный уровень громкости (N), для кодирования которых требуется определенный объем информации (I)
Глубина кодирования звука – количество информации, необходимое для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука
N = 2I

Пример
Известна глубина кодирования – 16 бит (I). Рассчитать количество возможных уровней громкости внутри одного измерения звука (N)
По формуле N = 2I находим:
N = 216 = 65 536
Каждому уровню громкости присваивается одно из 65 536 значений, которое кодируется двоичными числами от
0000 0000 0000 0000 (минимальный уровень) до
1111 1111 1111 1111 (максимальный уровень)

Вопрос: назовите основные характеристики аналогового звука
Частота
(количество вершин на единицу длины оси абсцисс)
От нее зависит высота тона звука.
Измеряется в 1/сек
Амплитуда
(высота вершин на графике – координаты по оси ординат)
От нее зависит громкость звука
Измеряется в децибелах

Вопрос: назовите основные характеристики цифрового звука
Частота дискретизации
(количество «ступенек» на единицу длины оси абсцисс)
Определяет высоту тона звука
Измеряется в 1/сек
Глубина дискретизации
(на сколько частей может быть разбита одна «ступенька» на графике в высоту)
Определяет громкость звука
Измеряется в битах

Качество оцифрованного звука
Совокупная характеристика качества цифрового звука – профессиональный термин звукорежиссеров и DJ’ев – битрейт, представляет собой произведение количества каналов на частоту и на глубину дискретизации .
Измеряется: бит × 1/сек = бит/сек

Качество оцифрованного звука
Самое низкое качество цифрового звука (качество телефонной связи) соответствует:
8 000 измерений в секунду (1/сек)
8 бит глубины звука
Один канал (моно)
Битрейт:
1 × 8 × 8000 = 64000 = 62,5 кбит/сек

Качество оцифрованного звука
Самое высокое качество цифрового звука (аудио-CD) соответствует:
48 000 измерений в секунду (1/сек)
16 бит глубины звука
Два канала (стерео)
Битрейт:
48 000 × 16 × 2 = 1 536 000 ≈ 1,5 Мбит/сек
Современные аудиосистемы кроме стерео поддерживают т.н. квадрозвук – 4 канала

Информационный объем
звукового файла
Чем выше качество звука, тем больше требуется дискового пространства для его хранения и оперативной памяти для его обработки.
Информационный объем определяется как произведение глубины и частоты дискретизации на длительность воспроизведения и на количество каналов
(или произведение битрейта на длительность)

Пример
Определить информационный объем 5-секундной стереозвуковой дорожки с глубиной кодирования 16 бит и частотой дискретизации 24 000 1/с
Решение:
16 бит × 24 000 1/сек × 5 сек × 2 (канала) =
= 3 840 000 бит = 468,75 кБ

Программное обеспечение для работы со звуком
Различают:
Средства записи звука
Звуковые редакторы
Плееры

Хранение цифрового звука
В виде аудиотреков на аудио-CD
В виде звуковых файлов

Хранение цифрового звука.
Audio Track
Аудиотрек представляет собой формат записи звука в виде непрерывного цифрового потока.
Аналогично звуковым дорожкам на виниловых дисках.
Звук хранится без сжатия.
Аудиодорожка воспринимается компьютером, как файл с расширением *.cda (Compact Disk Audio). Он хорошо воспроизводится плеером, но его нельзя скопировать.

Хранение цифрового звука.
Звуковые файлы
Наиболее распространенные форматы звуковых файлов:
wav (wave)
wma (Windows Media Audio)
mid (midi)
mp3
и др.
Из них только wav хранит несжатый звук, все остальные используют сжатие

Сжатие звуковой информации
При сохранении звука в форматах со сжатием происходит отбрасывание не воспринимаемых человеческим ухом частот с малой амплитудой.
Сжатие до десятков раз
Потеря информации, что может привести к ухудшению качества звука

Работа со сжатым звуком
При работе со сжатым звуком файл сначала распаковывается и только потом поступает на обработку плеером или редактором.
Для распаковки/сжатия аудио применяются специальные программы аудиокодеки (Audio Coder/Decoder)

Задание 1
Звуковая плата производит кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней громкости сигнала?
Решение:
2i = 65 536
216 = 65 536
I = 16

Задание 2
Определить информационный объем
10-секундной звуковой дорожки при:
Моно, 8 бит, 8 000 измерений
Стерео, 16 бит, 48 000 измерений
Решение:
1 × 8 × 8 000 × 10 = 640 000 = 78,1 (кБ)
2 × 16 ×48 000 × 10 = 15 360 000 = 1,83 (МБ)

*Задание 3
Определить длительность звукового файла, который может уместиться на дискете 3,5’’.
Учесть, что для хранения данных на дискете доступно 2 847 секторов, объемом 512 байт каждый.
Моно, 8 бит, 8 000 измерений
Стерео, 16 бит, 48 000 измерений

*Задание 3. Решение

Задание 4
Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового стереозвука с частотой 44.1 кГц и разрядностью 16 бит
Решение.
Число каналов: 2
Длительность звучания: 60 сек
Частота дискретизации:
44,1 * 1 000 = 44 100 Гц (44 100 1/сек)
Разрядность: 16 бит
Информационный объем:
2 * 60 * 44 100 * 16 =
= 84 672 000 бит =
= 10 584байт ≈ 10 Мб

Задание 5
Подсчитать, сколько места будет занимать две минуты цифрового стереозвука с частотой 11 кГц и разрядностью 16 бит
Решение.
Число каналов: 2
Длительность звучания:
2 * 60 = 120 сек
Частота дискретизации:
11 * 1 000 =
= 11 000 Гц (11 000 1/сек)
Разрядность: 16 бит
Информационный объем:
2 * 120 * 11 000 * 16 =
= 42 240 000 бит =
= 5 280 000байт ≈ 5 Мб

Задание 6
Подсчитать, сколько места будет занимать семь минут цифрового монозвука с частотой 22 кГц и разрядностью 8 бит
Решение.
Число каналов: 1
Длительность звучания:
7 * 60 = 420 сек
Частота дискретизации:
22 * 1 000 =
= 22 000 Гц (22 000 1/сек)
Разрядность: 8 бит
Информационный объем:
1 * 420 * 22 000 * 8 =
= 73 920 000 бит =
= 9 240 000 байт ≈ 8,8 Мб

Задание 7
Подсчитать, сколько места будет занимать три минуты цифрового стереозвука с частотой 32 кГц и разрядностью 8 бит
Решение.
Число каналов: 2
Длительность звучания:
3 * 60 = 180 сек
Частота дискретизации:
32 * 1 000 =
= 32 000 Гц (32 000 1/сек)
Разрядность: 8 бит
Информационный объем:
2 * 180 * 32 000 * 8 =
= 92 160 000 бит =
= 11 520 000 байт ≈ 11 Мб

Задание 8
Какой объем данных имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)?
Решение.
Число каналов: 1
Длительность звучания: 1 с
Частота дискретизации:
24 * 1 000 =
= 24 000 Гц (24 000 1/сек)
Разрядность: 16 бит
Информационный объем:
1 * 1 * 24 000 * 16 =
= 384 000 бит =
= 48 000 байт ≈ 47 кб

Задание 9
Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20-битном кодировании и частоте дискредитации 44.1 кГц.
Решение.
Число каналов: 2
Длительность звучания: 20 с
Частота дискретизации:
44,1 * 1 000 =
= 44 100 Гц (44 100 1/сек)
Разрядность: 20 бит
Информационный объем:
2 * 20 * 44 100 * 20 =
= 35 280 000 бит =
= 4 410 000 байт ≈ 4,2 Мб

Задание 10
Определите количество уровней звукового сигнала при использовании
8-битных звуковых карт
Решение.
Количество возможных уровней громкости сигнала
N = 2I
N = 28
N = 256
Ответ: а. 256 уровней

Задание 11
Подсчитать объем файла с 10 минутной речью записанного с частотой дискретизации 11 025 Гц и разрядностью кода 4 бита на 1 измерение.
Решение.
Число каналов:
речь принято записывать в режиме моно (1 канал)
Длительность звучания:
10 * 60 = 600 сек
Частота дискретизации:
11 025 Гц (11 025 1/сек)
Разрядность: 4 бит
Информационный объем:
1 * 600 * 11 025 * 4 =
= 26 460 000 бит =
= 3 307 500 байт ≈ 3,15 Мб

Задание 12
Подсчитать время звучания звукового файла объемом
3,5 Мбайт, содержащего стереозапись с частотой дискретизации 44 100 Гц и разрядностью кода 16 бит на 1 измерение
Решение.
Число каналов: 2
Длительность звучания: Х
Частота дискретизации:
44 100 Гц (44 100 1/сек)
Разрядность: 16 бит
Информационный объем:
2 * Х * 44 100 * 16 = 3,5 (Мб)
1 411 200*Х = 29 360 128
Х = 20,8 (сек)

Задание 13
В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?
Решение.
Число каналов:
X. Пусть Х=1
Длительность звучания:
60 сек
Частота дискретизации: Y
Разрядность: Z (8 или 16)
Информационный объем:
2,6Мб = 21 810 381 бит
1 * 60 * Y * Z = 21 810 381
YZ = 363 506,35
При Y=8 Z=45438 Гц = 45,44 кГц ≈ 44,1 кГц (standard)
При Y=8 Z=22719 Гц = 22,72 кГц ≈ 22,05 кГц (standard)

Задание14
Объем свободной памяти на диске 5,25 Мб, разрядность звуковой платы 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации
22,05 кГц?
Решение.
Число каналов:
неизвестно, принимаем 1
Длительность звучания: Х
Частота дискретизации:
22,05 * 1 000 = 22 500 Гц Разрядность: 16 бит
Информационный объем:
5,25 Мб = 44 040 192 бит
1 * Х * 22500 * 16 = 5,25 (Мб)
360 000*Х = 44 040 192
Х = 122,3 (сек)