Аудио кодиране
Цел.Да се разбере процеса на преобразуване на звукова информация, да се научат понятията, необходими за изчисляване на обема на звуковата информация. Научете се да решавате задачи по темата.
Цел-мотивация.Подготовка за изпит.
Презентационен материал: Аудио кодиране.
От началото на 90-те години персоналните компютри могат да работят със звукова информация. Всеки компютър, който има звукова карта, микрофон и високоговорители, може да записва, съхранява и възпроизвежда звукова информация.
Процесът на преобразуване на звукови вълни в двоичен код в паметта на компютъра:
Процесът на възпроизвеждане на звукова информация, съхранена в паметта на компютъра:
Звукъте звукова вълна с непрекъснато променящи се амплитуда и честота. Колкото по-голяма е амплитудата, толкова по-силен е за човек, колкото по-голяма е честотата на сигнала, толкова по-висок е тонът. Понастоящем компютърният софтуер позволява непрекъснат звуков сигнал да бъде преобразуван в поредица от електрически импулси, които могат да бъдат представени в двоична форма. В процеса на кодиране на непрекъснат звуков сигнал се извършва неговатавремева дискретизация.Непрекъсната звукова вълна се разделя на отделни малки времеви участъци и за всеки такъв участък се задава определена стойност на амплитудата.
По този начин непрекъснатата зависимост на амплитудата на сигнала от времетоA(t)се заменя с дискретна последователност от нива на гръмкост. На графиката това изглежда като заместване на гладка крива с поредица от „стъпки". На всяка „стъпка" се присвоява стойност за нивото на звука, нейния код (1, 2, 3 и т.н.
По-нататък). Могат да се вземат предвид нивата на силата на звукакато набор от възможни състояния, съответно колкото повече нива на звука ще бъдат избрани в процеса на кодиране, толкова повече информация ще носи стойността на всяко ниво и толкова по-добър ще бъде звукът.
Аудио адаптер(звукова карта) е специално устройство, свързано към компютър, предназначено да преобразува електрически звукови честотни вибрации в цифров двоичен код, когато се въвежда звук, и за обратно преобразуване (от цифров код в електрически вибрации) при възпроизвеждане на звук.
В процеса на звукозапис аудио адаптерът измерва амплитудата на електрическия ток с определен период и въвежда двоичния код на получената стойност в регистъра. След това полученият код от регистъра се пренаписва в RAM паметта на компютъра. Качеството на компютърния звук се определя от характеристиките на аудио адаптера:
- Честота на вземане на проби
- Битова дълбочина (дълбочина на звука).
Честота на дискретизация на времето
е броят на измерванията на входния сигнал за 1 секунда. Честотата се измерва в херци (Hz). Едно измерване в секунда съответства на честота от 1 Hz. 1000 измервания за 1 секунда - 1 килохерц (kHz). Типични честоти на дискретизация на аудио адаптери:
11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz и др.
Дълбочината на битовете в регистъра (дълбочина на звука) е броят битове в регистъра на аудио адаптера, който задава броя на възможните нива на звука.
Дълбочината на битовете определя точността на измерването на входния сигнал. Колкото по-голяма е битовата дълбочина, толкова по-малка е грешката при всяко отделно преобразуване на големината на електрическия сигнал в число и обратно. Ако битовата дълбочина е 8 (16), тогава при измерване на входния сигнал могат да се получат 2 8 = 256 (2 16 = 65536) различни стойности. Очевидно 168-битов аудио адаптер кодира и възпроизвежда звука по-точно от 8-битов аудио адаптер. Съвременните звукови карти осигуряват 16-битова дълбочина на аудио кодиране. Броят на различните нива на сигнала (състояния за дадено кодиране) може да се изчисли по формулата:
N = 2 I = 2 16 = 65536, където I е дълбочината на звука.
Така съвременните звукови карти могат да кодират 65536 нива на сигнала. На всяка стойност на амплитудата на аудио сигнала се задава 16-битов код. При двоично кодиране на непрекъснат аудио сигнал той се заменя с последователност от дискретни нива на сигнала. Качеството на кодиране зависи от броя на измерванията на нивото на сигнала за единица време, т.е.честотата на дискретизация.Колкото повече измервания се правят за 1 секунда (колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-точна е процедурата за двоично кодиране.
Аудио файл -файл, който съхранява звукова информация в двоична числова форма.
2. Повтарящи се информационни единици
1 KB = 2 10 байта = 1024 байта
1 MB = 2 10 KB = 1024 KB
1 GB = 2 10 MB = 1024 MB
1 TB = 2 10 GB = 1024 GB
1 PB = 2 10 TB = 1024 TB
4. Разрешаване на проблеми
Урок [1], показващ решението на презентацията.
Задача 1.Определете обема на информацията на стерео аудио файл с продължителност на звука 1 секунда при високо качество на звука (16 бита, 48 kHz).
V=1×16×48000×2=
1536000 бита / 8 = 192000 байта / 1024 = 187,5 KB
Задача (самостоятелно).Урок [1], показващ решението на презентацията. Определяне на информационния обем на цифров аудио файл с продължителност 10 секунди при честота на семплиране 22,05 kHz и разделителна способност 8 бита.
10× 8 × 22050 бита / 8 = 220500 байта / 1024 = 215,332 / 1024 KB = 0,21 MB
5. Консолидация. Решаване на проблеми у дома, самостоятелно в следващия урок
Определете количеството място за съхранение на цифров аудио файл, който има две минути време за възпроизвеждане при честота на дискретизация 44,1 kHz и разделителна способност 16 бита.
V=2×60×16×44,1×1=
(120 × 16 × 44 010) бита = 84672000 бита / 8 = 10584000 байта / 1024 = 10335,9375 KB / 1024 = 10,09 MB
Потребителят разполага с памет от 2,6 MB. Трябва да запишете цифров аудио файл с продължителност 1 минута. Каква трябва да бъде честотата на дискретизация и битовата дълбочина?
V=T×I×H×1; I×H=V/T
I × H= 2,6 Mb/1 мин. = 2,6×1024×1024×8 бита/ 60 сек=21810380,8/60=
Ако I=8 бита, тогава H=44,1 kHz.
Ако I=16 бита, тогава H=22,05 kHz.
Обемът на свободната памет на диска е 5,25 MB, битовата дълбочина на звуковата карта е 16. Каква е продължителността на звука на цифров аудио файл, записан при честота на дискретизация 22,05 kHz?
Една минута запис на цифров аудио файл заема 1,3 MB на диска, битовата дълбочина на звуковата карта е 8. С каква честота на дискретизация е записан звукът?
Колко място за съхранение е необходимо за съхраняване на висококачествен цифров аудио файл с 3 минути време за възпроизвеждане?
Цифровият аудио файл съдържа аудиозапис с ниско качество (звукът е тъмен и приглушен). Каква е продължителността на звука на файл, ако обемът му е 650 KB?
Две минути цифров аудио запис заемат 5,05 MB дисково пространство. Честотата на дискретизация е 22 050 Hz. Какъв е битът на аудио адаптера?
Размерът на свободната памет на диска е 0,1 GB, битовата дълбочина на звуковата карта е 16. Каква е продължителността на звука на цифров аудио файл,записан при честота на семплиране от 44 100 Hz?
№ 92. 124,8 секунди.
№ 94. Високото качество на звука се постига с честота на дискретизация от 44,1 kHz и битова дълбочина на аудио адаптера от 16. Необходимият размер на паметта е 15,1 MB.
№ 95. Следните параметри са типични за мрачен и приглушен звук: честота на дискретизация - 11 kHz, битова дълбочина на аудио адаптера - 8. Продължителността на звука е 60,5 s.
1. Учебник: Информатика, практическа тетрадка, том 1, под редакцията на И.Г. Семакин, Е.К. Хенър)
2. Фестивал на педагогическите идеи „Открит урок” Звук. Двоично кодиране на звукова информация. Супрягина Елена Александровна, учител по информатика.
3. Н. Угринович. Информатика и информационни технологии. 10-11 клас. Москва. Бином. Лаборатория на знанието 2003.