Target. Shvatiti proces pretvaranja zvučnih informacija, savladati koncepte potrebne za izračunavanje jačine zvučnih informacija. Naučite rješavati probleme na temu.

Cilj je motivacija. Priprema za ispit.

Plan lekcije

1. Pogledajte prezentaciju na temu sa komentarima nastavnika. Aneks 1

Materijal za prezentaciju: Kodiranje zvučne informacije.

Od početka 90-ih personalni računari dobio priliku da radi sa zvučnim informacijama. Svaki računar koji ima zvučnu karticu, mikrofon i zvučnike može snimati, pohranjivati ​​i reproducirati zvučne informacije.

Proces pretvaranja zvučnih talasa u binarni kod u memoriji računara:

Proces reprodukcije zvučnih informacija pohranjenih u memoriji računara:

Zvuk je zvučni val sa stalno promjenjivom amplitudom i frekvencijom. Što je veća amplituda, to je glasnije za osobu, što je veća frekvencija signala, to je veći ton. Kompjuterski softver trenutno omogućava kontinualni zvučni signal koji se pretvara u niz električnih impulsa koji se može predstaviti u binarnom obliku. U procesu kodiranja kontinuiranog audio signala, to je vremenska diskretizacija . Neprekidni zvučni val je podijeljen u zasebne male vremenske dionice, a za svaki takav dio se postavlja određena vrijednost amplitude.

Dakle, kontinuirana zavisnost amplitude signala o vremenu A(t) je zamijenjen diskretnim nizom nivoa jačine zvuka. Na grafikonu ovo izgleda kao zamjena glatke krivulje s nizom "koraka". Svakom "korak" je dodijeljena vrijednost za nivo jačine zvuka, njegov kod (1, 2, 3, itd.

Dalje). Nivoi jačine zvuka mogu se smatrati skupom mogućih stanja, odnosno, što će više nivoa jačine zvuka biti dodijeljeno u procesu kodiranja, to će više informacija nositi vrijednost svakog nivoa i zvuk će biti bolji.

Audio adapter ( zvučna kartica) - poseban uređaj povezan s računalom, dizajniran za pretvaranje električnih vibracija audio frekvencija u numerički binarni kod kada se unese zvuk i za obrnutu konverziju (iz numeričkog koda u električne vibracije) kada se zvuk reprodukuje.

U procesu snimanja zvuka, audio adapter mjeri amplitudu električne struje sa određenim periodom i unosi binarni kod primljene vrijednosti u registar. Zatim se primljeni kod iz registra ponovo upisuje u RAM računara. Kvaliteta kompjuterskog zvuka određena je karakteristikama audio adaptera:

• Stopa uzorkovanja
• Dubina bita (dubina zvuka).

Stopa uzorkovanja vremena

Ovo je broj dimenzija ulazni signal u 1 sekundi. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz). Jedno mjerenje u sekundi odgovara frekvenciji od 1 Hz. 1000 mjerenja u 1 sekundi - 1 kiloherc (kHz). Tipične stope uzorkovanja audio adaptera:

11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz, itd.

Dubina bita registra (dubina zvuka) je broj bitova u registru audio adaptera, koji postavlja broj mogućih nivoa zvuka.

Dubina bita određuje tačnost mjerenja ulaznog signala. Što je dubina bita veća, to je manja greška svake pojedinačne konverzije veličine električnog signala u broj i obrnuto. Ako je dubina bita 8 (16), tada se prilikom mjerenja ulaznog signala može dobiti 2 8 = 256 (2 16 = 65536) različitih vrijednosti. Očigledno, 16-bitni audio adapter kodira i reprodukuje zvuk preciznije od 8-bitnog. Moderne zvučne kartice pružaju 16-bitnu dubinu audio kodiranja. Broj različitih nivoa signala (stanja za dato kodiranje) može se izračunati pomoću formule:

N = 2 I = 2 16 = 65536, gdje je I dubina zvuka.

Dakle, moderne zvučne kartice mogu kodirati 65536 nivoa signala. Svaka vrijednost amplitude zvučni signal dodeljen 16-bitni kod. Sa binarnim kodiranjem kontinuiranog audio signala, on se zamjenjuje nizom diskretnih nivoa signala. Kvalitet kodiranja zavisi od broja merenja nivoa signala u jedinici vremena, tj. stopa uzorkovanja.Što se više mjerenja izvrši u 1 sekundi (što je veća stopa uzorkovanja, to je tačnija procedura binarnog kodiranja.

Zvučni fajl - datoteka koja pohranjuje zvučne informacije u binarnom numeričkom obliku.

2. Ponavljamo jedinice mjerenja informacija

1 bajt = 8 bitova

1 KB = 2 10 bajtova = 1024 bajtova

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

3. Proučeno gradivo konsolidovati gledanjem prezentacije, udžbenika

4. Rješavanje problema

Tutorijal koji prikazuje rješenje na prezentaciji.

Zadatak 1. Odredite jačinu informacija stereo audio datoteke s trajanjem zvuka od 1 sekunde pri visokom kvalitetu zvuka (16 bita, 48 kHz).

Zadatak (samostalno). Tutorijal koji prikazuje rješenje na prezentaciji.
Odredite količinu informacija digitalne audio datoteke u trajanju od 10 sekundi pri brzini uzorkovanja od 22,05 kHz i rezoluciji od 8 bita.

5. Fiksiranje. Rešavanje problema kod kuće, samostalno na sledećoj lekciji

Odredite količinu memorijskog prostora za digitalnu audio datoteku koja ima dvominutno vrijeme reprodukcije pri brzini uzorkovanja od 44,1 kHz i rezoluciji od 16 bita.

Korisnik ima memoriju od 2,6 MB. Trebate snimiti digitalnu audio datoteku u trajanju od 1 minute. Kolika bi trebala biti brzina uzorkovanja i dubina bita?

Količina slobodne memorije na disku je 5,25 MB, dubina bita zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene frekvencijom uzorkovanja od 22,05 kHz?

Jedan minut snimanja digitalnog audio fajla zauzima 1,3 MB na disku, dubina bita zvučne kartice je 8. Sa kojom brzinom uzorkovanja je zvuk snimljen?

Koliko prostora za pohranu je potrebno za pohranjivanje visokokvalitetnog digitalnog audio fajla s vremenom reprodukcije od 3 minute?

Digitalna audio datoteka sadrži audio snimak niske kvalitete (zvuk je taman i prigušen). Koliko traje zvuk datoteke ako je jačina 650 KB?

Dvije minute digitalnog audio snimanja zauzimaju 5,05 MB prostora na disku. Frekvencija uzorkovanja - 22 050 Hz. Koja je bitnost audio adaptera?

Volume slobodna memorija na disku - 0,1 GB, dubina bita zvučne kartice - 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene brzinom uzorkovanja od 44 100 Hz?

Odgovori

Br. 92. 124,8 sekundi.

br. 93. 22,05 kHz.

№ 94. Visoka kvaliteta zvuk se postiže brzinom uzorkovanja od 44,1 kHz i dubinom bita audio adaptera od 16. Potrebna veličina memorije je 15,1 MB.

br. 95. Za tmuran i prigušen zvuk, sljedeće opcije: brzina uzorkovanja - 11 kHz, dubina bita audio adaptera - 8. Trajanje zvuka je 60,5 s.

br. 96. 16 bita.

br. 97. 20,3 minuta.

Književnost

1. Udžbenik: Informatika, praktična sveska, tom 1, priredili I.G. Semakin, E.K. Henner)

2. Festival pedagoških ideja "Otvoreni čas" Zvuk. Binarno kodiranje zvučnih informacija. Supryagina Elena Aleksandrovna, nastavnica informatike.

3. N. Ugrinovich. Informatika i informacione tehnologije. 10-11 razredi. Moskva. Binom. Laboratorija znanja 2003.

1. Koji kompjuterski uređaj modelira ljudsko razmišljanje?
-CPU

2. Radnje na početne informacije (činjenice) u skladu sa nekim pravilima su
-obrada podataka

3. Izaberite pravilo iz predloženih poruka
- pri množenju prostih razlomaka množe se njihovi brojnici i imenioci

4. Za koga je sljedeća poruka najvjerovatnije informativna: "Program je algoritam napisan u programskom jeziku"?
- programer početnik

5. Gdje je pohranjen izvršni fajl ovog trenutka program i podatke koje obrađuje?
-u RAM-u

6. Koji računarski uređaj vrši proces uzorkovanja zvuka?
-zvučna kartica

7. Određuje se informativnost poruke koju primi osoba
- novo znanje i razumevanje

8.Umjesto elipse ubacite odgovarajuće koncepte: "Direktorijum sadrži informacije o ... pohranjenim u ..."
A) datoteke, eksterna memorija

9. Odredite komandu(e) nakon čijeg izvršenja odabrani fragment dolazi u međuspremnik
B) iseći i kopirati

10. Koje od sljedećih radnji se odnose na oblikovanje teksta?
-podesite način poravnanja

11.Primijenjeno softver uključuje:
B) uređivači teksta

12. Operativni sistem je
- skup programa koji organizuju upravljanje računarom i njegovu interakciju sa korisnikom

13. Predložene komande
5 Uključite pogon A.
2Kreirajte direktorij GRAD
3Kreirajte imenik STREET
1 Kreirajte datoteku Home.txt
4Unesite kreirani direktorij
Rasporedite numerisane komande tako da se dobije algoritam koji kreira fajl sa punim imenom A:\TOWN\STREET\Home.txt na praznoj disketi
B) 5,2,3,1

14. Potrebno je 84000 bita za pohranjivanje teksta. Koliko će stranica zauzeti ovaj tekst ako stranica sadrži 30 redova od 70 znakova po redu? Za kodiranje teksta koristi se tabela kodiranja koja se sastoji od 256 znakova.
84000/(log(256)/log(2))/30/70 = 5

15. Knjiga se sastoji od 64 stranice. Svaka stranica ima 256 karaktera. Koliko informacija sadrži knjiga ako abeceda ima 32 znaka?
A) 81920 bajtova B) 40 KB C) 10 KB D) 16 KB E) 64 KB
64*256*(log(32)/log(2)) /8/1024 = 10

16. Koliko znakova sadrži poruka napisana alfabetom od 16 znakova ako je njena zapremina bila 1/16 megabajta?
(1/16)*1024*1024*8/(log(16)/log(2)) = 131072

17. Koliko memorije je potrebno grafička slika, ako je njegova veličina 40x60 i 32-bitni binarni kod se koristi za kodiranje boje piksela.
A) 2400 bajtova B) 2100 bajtova C) 960 bajtova D) 9600 bajtova E) 12000 bajtova
40*60*32/8 = 9600

18. Tekst zauzima 0,25 KB memorije. Koliko karaktera ovaj tekst sadrži ako se koristi tabela kodiranja od 256 znakova?
0,25*1024*8/(log(256)/log(2)) = 256

19. Koliko bitova informacija sadrži poruka od četvrt kilobajta?
1/4*1024*8 = 2048

Principi digitalizacije zvuka

digitalni audio je analogni audio signal predstavljen diskretnim numeričkim vrijednostima njegove amplitude.

Digitalizacija zvuka- tehnologija podijeljenog vremenskog koraka i naknadnog snimanja dobijenih vrijednosti u numeričkom obliku.
Drugi naziv za digitalizaciju zvuka je analogna u digitalna konverzija zvuk.

Digitalizacija zvuka uključuje dva procesa:

• proces uzorkovanja (uzorkovanja) signala tokom vremena
• proces kvantizacije amplitude.

Diskretizacija vremena

Proces diskretizacije vremena - proces dobijanja vrednosti signala koji se konvertuje, sa određenim vremenskim korakom - korak uzorkovanja. Naziva se broj mjerenja jačine signala u jednoj sekundi brzina uzorkovanja ili brzina uzorkovanja, ili brzina uzorkovanja(od engleskog "sampling" - "uzorak"). Što je manji korak uzorkovanja, to je veća frekvencija uzorkovanja i točniji prikaz signala koji ćemo dobiti.
To potvrđuje Kotelnikova teorema (u stranoj literaturi se nalazi kao Šenonova teorema, Šenonova). Prema njemu, analogni signal ograničenog spektra precizno se opisuje diskretnim nizom vrijednosti njegove amplitude ako se te vrijednosti uzimaju na frekvenciji koja je najmanje dvostruko veća od frekvencije spektra signala. Odnosno analogni signal u kojem najviša frekvencija spektar je jednak F m , može se precizno predstaviti nizom diskretnih vrijednosti amplitude, ako je frekvencija uzorkovanja F d: F d >2F m .
U praksi to znači da je da bi digitalizovani signal sadržao informaciju o čitavom opsegu zvučnih frekvencija originalnog analognog signala (0 - 20 kHz), potrebno je da odabrana brzina uzorkovanja bude najmanje 40 kHz. Broj uzoraka amplitude u sekundi se naziva brzina uzorkovanja(ako je korak uzorkovanja konstantan).
Glavna poteškoća digitalizacije je nemogućnost snimanja izmjerenih vrijednosti signala sa savršenom preciznošću.

Linearna (homogena) amplituda kvantizacije

Dodijelimo N bitova za snimanje jedne vrijednosti amplitude signala u memoriji računara. To znači da se uz pomoć jedne N-bitne riječi može opisati 2 N različitih pozicija. Neka se amplituda digitalizovanog signala kreće od -1 do 1 nekih proizvoljnih jedinica. Hajde da predstavimo ovaj raspon promjene amplitude - dinamički opseg signala - u obliku 2 N -1 jednakih intervala, dijeleći ga na 2 N nivoa - kvanta. Sada, da bi se zabilježila svaka pojedinačna vrijednost amplitude, ona mora biti zaokružena na najbliži nivo kvantizacije. Ovaj proces se naziva kvantizacija amplitude. Amplitudna kvantizacija – proces zamjene stvarnih vrijednosti amplitude signala vrijednostima aproksimiranim s određenom preciznošću. Svaki od 2 N mogućih nivoa naziva se nivo kvantizacije, a rastojanje između dva najbliža nivoa kvantizacije naziva se korak kvantizacije. Ako je skala amplitude linearno podijeljena na nivoe, kvantizacija se naziva linearna (homogena).
Preciznost zaokruživanja zavisi od izabranog broja (2 N) nivoa kvantizacije, koji zauzvrat zavisi od broja bitova (N) dodeljenih za snimanje vrednosti amplitude. Poziva se broj N dubina bita kvantizacije(što podrazumijeva broj znamenki, odnosno bitova, u svakoj riječi), i brojevi dobiveni kao rezultat zaokruživanja vrijednosti amplitude - brojanja ili uzoraka(od engleskog "uzorak" - "mjerenje"). Pretpostavlja se da greške kvantizacije koje su rezultat 16-bitne kvantizacije ostaju gotovo neprimjetne za slušaoca. Ova metoda digitalizacije signala - uzorkovanje signala u vremenu u kombinaciji sa metodom homogene kvantizacije - naziva se pulsno kodna modulacija, PCM(eng. Pulse Code Modulation - PCM).
Digitalizirani signal kao skup uzastopnih vrijednosti amplitude već se može pohraniti u memoriju računala. U slučaju kada se bilježe apsolutne vrijednosti amplitude, npr format snimanja pozvao PCM(Pulsno kodna modulacija). Standardni audio kompakt disk (CD-DA), koji se koristi od ranih 1980-ih, pohranjuje informacije u PCM formatu sa stopom uzorkovanja od 44,1 kHz i dubinom bita kvantizacije od 16 bita.

Drugi načini digitalizacije

Analogno-digitalni pretvarači (ADC)

Gore navedeni proces digitalizacije zvuka obavljaju analogno-digitalni pretvarači (ADC).
Ova transformacija uključuje sljedeće operacije:

1. Ograničavanje opsega se izvodi pomoću niskopropusnog filtera za suzbijanje spektralnih komponenti čija frekvencija prelazi polovinu frekvencije uzorkovanja.
2. Diskretizacija u vremenu, odnosno zamjena kontinuiranog analognog signala nizom njegovih vrijednosti u diskretnim vremenskim točkama - uzorcima. Ovaj problem se rješava korištenjem posebnog kola na ulazu ADC-a - uređaja za uzorkovanje i zadržavanje.
3. Kvantizacija nivoa je zamena vrednosti uzorka signala najbližom vrednošću iz skupa fiksnih vrednosti - nivoa kvantizacije.
4. Kodiranje ili digitalizacija, kao rezultat čega se vrijednost svakog kvantiziranog uzorka predstavlja kao broj koji odgovara rednom broju nivoa kvantizacije.

To se radi na sljedeći način: kontinuirano analogni signal“Isječen” na sekcije, sa frekvencijom uzorkovanja, dobija se digitalni diskretni signal, koji prolazi kroz proces kvantizacije sa određenom dubinom bita, a zatim se kodira, odnosno zamjenjuje nizom kodnih simbola. Za snimanje zvuka u frekvencijskom opsegu od 20-20.000 Hz potrebna je frekvencija uzorkovanja od 44,1 i više (trenutno su se pojavili ADC-ovi i DAC-ovi s frekvencijom uzorkovanja od 192, pa čak i 384 kHz). Za postizanje visokokvalitetnog snimka dovoljna je dubina bita od 16 bita, međutim za proširenje dinamičkog raspona i poboljšanje kvalitete snimanja zvuka koristi se dubina bita od 24 (rijetko 32) bita.

Kodiranje digitaliziranog zvuka prije snimanja na medij

za skladištenje digitalni zvuk Ima ih mnogo razne načine. Digitalizirani zvuk je skup vrijednosti amplitude signala uzetih u određenim vremenskim intervalima.

Terminologija

• enkoder - program (ili uređaj) koji implementira određeni algoritam za kodiranje podataka (na primjer, arhiver ili MP 3 enkoder), koji prihvata izvornu informaciju kao ulaz, i vraća kodirane informacije u određenom formatu kao izlaz.
• dekoder - program (ili uređaj) koji implementira inverzna transformacija kodirani signal za dekodiran.
• kodek (od engleskog "codec" - "koder / dekoder") - softverska ili hardverska jedinica dizajnirana za kodiranje / dekodiranje podataka.

Najčešći kodeci

• MP3 - MPEG-1 sloj 3
• OGG - Ogg Vorbis
• WMA- Windows Media Audio
• MPC-MusePack
• AAC - MPEG-2/4 AAC (Napredno audio kodiranje)
  • MPEG-2 AAC standard
  • MPEG-4 AAC standard

Neki formati za digitalizaciju zvuka u poređenju

Glavni članak: Poređenje zvučnih formata

Potpuni ciklus audio konverzije: od digitalizacije do reprodukcije kod korisnika

Potpuni ciklus audio konverzije: od digitalizacije do reprodukcije

| Planiranje časa i nastavni materijali | 10 časova | Planiranje nastave za školsku godinu | Reprezentacija teksta, slike i zvuka u kompjuteru (§ 6)

Lekcije 10 - 12
Reprezentacija teksta, slike i zvuka u kompjuteru (§ 6)

Zvučne informacije

Zvučne informacije

Principi diskretizacije zvuka („digitalizacija“ zvuka) prikazani su na Sl. 1.11.

Zvuk se ulazi u računar pomoću audio uređaja (mikrofon, radio, itd.), čiji je izlaz povezan na port zvučna kartica . Zadatak zvučne kartice je da izmjeri nivo audio signala (pretvorenog u električne vibracije) sa određenom frekvencijom i zabilježi rezultate mjerenja u memoriju računara. Ovaj proces se naziva digitalizacija zvuka.

Vremenski interval između dva mjerenja naziva se period mjerenja - τ With. Recipročno se zove brzina uzorkovanja - 1/τ (herc). Što je viša frekvencija mjerenja, to je veći kvalitet digitalnog zvuka.

Rezultati takvih mjerenja predstavljeni su pozitivnim cijelim brojevima s konačnim brojem znamenki. Već znate da u ovom slučaju dobijate diskretni konačan skup vrijednosti u ograničenom rasponu. Veličina ovog raspona ovisi o kapacitetu ćelije - memorijskog registra zvučne kartice. Ponovo radi formula 2 i, gdje je i kapacitet registra. Broj i naziva se i dubina uzorkovanja. Snimljeni podaci se pohranjuju u posebne datoteke audio formata.

Postoje programi za obradu zvuka - uređivači zvuka koji vam omogućavaju stvaranje raznih muzičkih efekata, čišćenje zvuka od buke, koordinaciju sa slikama za kreiranje multimedijalnih proizvoda itd. Uz pomoć posebnih uređaja koji generiraju zvuk, zvučne datoteke se mogu pretvoriti u zvuk talasi koji se percipiraju ljudskim sluhom.

Prilikom pohranjivanja digitaliziranog zvuka morate riješiti problem smanjenja jačine zvuka zvučne datoteke. Da bi se to postiglo, pored kodiranja podataka bez gubitaka, koje omogućava stopostotni oporavak podataka iz komprimovanog toka, koristi se kodiranje podataka sa gubitkom. Svrha takvog kodiranja je postići sličnost zvuka restauriranog signala s originalom uz maksimalnu kompresiju podataka. To se postiže korištenjem različitih algoritama koji komprimiraju originalni signal uklanjanjem teško čujnih elemenata iz njega. Postoji mnogo metoda kompresije, kao i programa koji implementiraju ove metode.

Za spremanje zvuka bez gubitaka koristi se univerzalni format audio datoteke WAV. Najpoznatiji kompresovani (sa gubitkom) audio format je MP3. Omogućava kompresiju podataka 10 ili više puta.

Pitanja i zadaci

1. Kada su računari počeli da rade sa tekstom, sa grafikom, sa zvukom?
2. Šta je tabela kodiranja? Šta su tabele kodiranja?
3. Na čemu se zasniva diskretno predstavljanje Slike?
4. Šta je RGB model boja?
5. Napišite 8-cifreni kod za svijetlo plavu, svijetlo žutu (mješavina crvene i zelene), blijedo žutu.
6. Zašto se RGB model ne koristi u štampi?
7. Šta je CMYK?
8. Koji uređaj u računaru digitalizuje ulazni audio signal?
9. Kako (kvalitativno) kvalitet digitalnog zvuka zavisi od brzine uzorkovanja i brzine uzorkovanja?
10. Koja je prednost MP3 formata?

Sledeća stranica