Кодирование звуковой информации. Представление информации в компьютере

Ключевые слова
звук
звукозапись
частота дискретизация
глубина кодирования звука (разрешение)
звуковая информация
кодирование

Звук и его характеристики
Звук – это распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде волны с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
!
A(t)
Низкий звук
Высокий звук
АМПЛИТУДА
ПЕРИОД
t

Громкость звука

АНАЛОГОВАЯ
ЦИФРОВАЯ
Понятие звукозаписи
Звукозапись – это процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн.
!
На носителе размещается непрерывный
«слепок»
звуковой волны
На грампластинке пропечатывается непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука
Непрерывный звуковой сигнал преобразовывается в цифровую дискретную форму
(в последовательность электрических импульсов – двоичных нулей и единиц)
Звуковая дорожка аудио компакт-диска содержит
участки с различной отражающей способностью

Оцифровка звука
Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму.
Временна́я дискретизация
аналоговый звуковой сигнал разби-вается на отдельные маленькие временны́е участки и для каждого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука
Квантование
результаты измерений записываются в циф-ровом виде с ограниченной точностью

Оцифровка звука

Параметры оцифровки звука
Частота дискретизации – количество измерений громкости за одну секунду.
!
Глубина кодирования звука или разрешение – это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифро-вого звука.
!
Качество звукозаписи зависит от частоты дискретизации и от глубины кодирования звука.
Частота дискретизации измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц).
1 кГц = 1000 Гц. Частота дискретизации, равная 100 Гц означает, что за одну секунду проводилось 100 измерений громкости звука.
Будем обозначать частоту греческой буквой ν (ню).
Если под запись одного результата измерения громкости в памяти компьютера отведено i бит, то можно закодировать ровно 2i разных результатов измерений

Примеры параметров оцифровки звука
НИЗКОЕ КАЧЕСТВО
ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО

Вопросы и задания
Задание 1. В Новый год Петя Иванов записал бой курантов. Перезвон длился 20 секунд, а бой курантов – еще 40 секунд.
Определите объём полученного моноаудио-файла (в килобайтах), записанного с глубиной кодирования 8 бит и частотой дискретизации 8 кГц.
Дано:
t = 20 с + 40 с = 60 c
i = 8 бит = 1 байт
ν = 8 кГц = 8000 Гц
I - ?
I =
Ответ: 468,75 Кбайта
60·1·8000
Кб = 468,75 Кб

Самое главное
Звук – это распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде волны с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму. Для этого его подвергают временной дискретизации и квантованию: параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определенные промежутки времени (временная дискретизация); результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (квантование).

Самое главное
Таким образом, при оцифровке звука искажение сохраняемого сигнала происходит дважды: во-первых, при дискретизации теряется информация об истинном изменении звука между измерениями, а во-вторых, при квантовании сохраняются не точные, а близкие к ним дискретные значения.
Объём оцифрованного звукового фрагмента в битах находится как произведение частоты дискретизации в Гц, глубины кодирования звука в битах, длительности звучания записи в секундах и количества каналов.

Вопросы и задания
Задание 2. Производится четырёхканальная (квадро) звуко-запись с частотой дискретизации 32 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 2 минуты 8 секунд, её резуль-таты заносятся в файл, сжатие данных не производится. Определите приблизительно размер полученного файла (в мегабайтах). В качестве ответа укажите ближайшее к размеру файла целое число, кратное 10.
Дано:
ν = 32 кГц = 32000 Гц
i = 32 бит
t = 2 мин 8 с = 128 c
k = 4 (квадро)
I - ?
I =
Ответ: 60 Мбайт
4·32000·32·128
Мб =
=
22·25·23·125·25·27
62,5 Мб
Мб =
≈ 60 Мб

Вопросы и задания
Задание 3. Музыкальный фрагмент был записан в формате моно, оцифрован и сохранён в виде файла без сжатия данных. Размер полученного файла – 24 Мбайта. Затем тот же музыкальный фрагмент был записан повторно в формате стерео (двухканальная запись) и оцифрован с разрешением в 4 раза выше и частотой дискретизации в 1,5 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Укажите в мегабайтах размер файла, полученного при повторной записи.
Дано:
I1 = 24 Mб
k1 = 1 (моно)
k2 = 2 (стерео)
i2 = 4· i1
ν2 = ν1 / 1,5
I2 - ?
I1 = tзв. · k1· i1 · ν1 = tзв. · i1 · ν1
I2 = tзв.· k2 · i2 · ν2 = tзв.· 2 · 4· i1 · ν1 /1,5
I2 = 8 · 24 / 1,5 = 128 (Мбайт)
Ответ: 128 Мбайт
= 8· I1 /1,5

Вопросы и задания
Задание 4. Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без сжатия данных. Полученный файл был передан в город А по каналу связи за 64 секунды. Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с разрешением в 2 раза выше и частотой дискретизации в 3 раза выше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б. Пропускная способность канала связи с городом Б в 4 раза выше, чем канала связи с городом А. Сколько секунд длилась передача файла в город Б?
Дано:
t1 = 64 с
i2 = 2· i1
ν2 = 3· ν1
V2 = 4· V1
t2 - ?
I1 = tзв. · i1 · ν1
I2 = tзв. · i2 · ν2 = tзв. · 2 · i1 · 3 · ν1= 6· I1
t2 = I2 / V2 = 6 · I1 / (4 · V1) = 6/4 · t1
t2 = 6 / 4 · 64 = 96 (с)
Ответ: 96 секунд