Cél. A hanginformáció konvertálásának folyamatának megértése, a hanginformáció mennyiségének kiszámításához szükséges fogalmak elsajátítása. Tanulj meg problémákat megoldani a témában.

A cél a motiváció. Felkészülés a vizsgára.

Tanterv

1. Nézzen meg egy prezentációt egy témában tanári megjegyzésekkel. 1. számú melléklet

Prezentációs anyag: Kódolás hangos információk.

A 90-es évek eleje óta személyi számítógépek lehetőséget kapott a megbízható információkkal való munkavégzésre. Minden számítógép, amely rendelkezik hangkártyával, mikrofonnal és hangszórókkal, képes hanginformációkat rögzíteni, tárolni és lejátszani.

A hanghullámok bináris kóddá alakításának folyamata a számítógép memóriájában:

A számítógép memóriájában tárolt hanginformációk reprodukálásának folyamata:

Hang egy folyamatosan változó amplitúdójú és frekvenciájú hanghullám. Minél nagyobb az amplitúdó, annál hangosabb egy személy számára, minél nagyobb a jel frekvenciája, annál magasabb a hang. A számítógépes szoftverek jelenleg lehetővé teszik a folyamatos hangjel elektromos impulzusok sorozatává alakítását, amely bináris formában ábrázolható. A folyamatos hangjel kódolásának folyamatában az idődiszkretizálás . A folyamatos hanghullám külön kis időszakaszokra van felosztva, és minden ilyen szakaszhoz be van állítva egy bizonyos amplitúdóérték.

Így a jel amplitúdójának folyamatos időfüggősége Nál nél) helyébe a hangerőszintek diszkrét sorozata lép. A grafikonon ez úgy néz ki, mintha egy sima görbét „lépések” sorozatára cserélnénk. Minden „lépéshez” hozzá van rendelve egy érték a hangerő szintjéhez, kódjához (1, 2, 3 stb.

További). A hangerőszintek a lehetséges állapotok halmazának tekinthetők, illetve minél több hangerőszint kerül kiosztásra a kódolási folyamat során, annál több információt hordoz az egyes szintek értéke, és annál jobb lesz a hang.

Audio adapter ( hangkártya) - egy számítógéphez csatlakoztatott speciális eszköz, amelyet az elektromos rezgések átalakítására terveztek hangfrekvencia numerikus bináris kódba, amikor hang kerül bemenetre, és fordított átalakításra (numerikus kódból elektromos rezgéssé), amikor hang szól.

A hangrögzítés során az audioadapter egy bizonyos periódussal méri az elektromos áram amplitúdóját, és beírja a kapott érték bináris kódját a regiszterbe. Ezután a regiszterből kapott kód átíródik a számítógép RAM-jába. A számítógépes hang minőségét az audioadapter jellemzői határozzák meg:

• Mintavételi gyakoriság
• Bitmélység (a hang mélysége).

Időbeli mintavételi sebesség

Ez a dimenziók száma bemeneti jel 1 másodperc alatt. A frekvenciát hertzben (Hz) mérik. Egy másodpercenkénti mérés 1 Hz-es frekvenciának felel meg. 1000 mérés 1 másodperc alatt - 1 kilohertz (kHz). Az audioadapterek tipikus mintavételezési gyakorisága:

11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz stb.

A regiszter bitmélysége (hangmélység) az audioadapter regiszterében lévő bitek száma, amely beállítja a lehetséges hangszintek számát.

A bitmélység határozza meg a bemeneti jel mérésének pontosságát. Minél nagyobb a bitmélység, annál kisebb a hiba az elektromos jel magnitúdójának minden egyes számmá történő átalakításakor, és fordítva. Ha a bitmélység 8 (16), akkor a bemeneti jel mérésekor 2 8 = 256 (2 16 = 65536) különböző értékeket kaphatunk. Nyilvánvaló, hogy egy 16 bites audioadapter pontosabban kódolja és reprodukálja a hangot, mint egy 8 bites. A modern hangkártyák 16 bites hangkódolási mélységet biztosítanak. A különböző jelszintek (egy adott kódolás állapota) száma a következő képlettel számítható ki:

N = 2 I = 2 16 = 65536, ahol I a hang mélysége.

Így a modern hangkártyák 65536 jelszintet képesek kódolni. Az amplitúdó minden értéke hangjelzés hozzárendelt egy 16 bites kódot. A folyamatos audiojel bináris kódolásával azt diszkrét jelszintek sorozata váltja fel. A kódolás minősége az időegységenkénti jelszint mérések számától függ, pl. mintavételi ráta. Minél több mérést végeznek 1 másodperc alatt (minél nagyobb a mintavételi sebesség, annál pontosabb a bináris kódolási eljárás.

Hangfájl - egy fájl, amely a hanginformációkat bináris numerikus formában tárolja.

2. Ismételjük az információ mértékegységeit

1 bájt = 8 bit

1 KB = 2 10 bájt = 1024 bájt

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. Rögzítse a tanult anyagot az előadás, a tankönyv megtekintésével

4. Problémamegoldás

A megoldást bemutató bemutató az előadáson.

1. feladat. Határozza meg az 1 másodperces hangtartamú sztereó audiofájl információs hangerejét, kiváló hangminőség mellett (16 bit, 48 kHz).

Feladat (önálló). A megoldást bemutató bemutató az előadáson.
Határozza meg egy 10 másodperces, 22,05 kHz-es mintavételi frekvenciával és 8 bites felbontású digitális audiofájl információmennyiségét.

5. Rögzítés. Problémák megoldása otthon, önállóan a következő leckében

Határozza meg a tárhely méretét egy olyan digitális audiofájl számára, amelynek lejátszási ideje 2 perc 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bites felbontással.

A felhasználó memóriája 2,6 MB. 1 perces időtartamú digitális hangfájlt kell rögzítenie. Mekkora legyen a mintavételezési sebesség és a bitmélység?

A lemezen a szabad memória mennyisége 5,25 MB, a hangkártya bitmélysége 16. Mennyi ideig szól a 22,05 kHz-es mintavételezési frekvenciával rögzített digitális hangfájl?

Egy digitális hangfájl rögzítésének egy perce 1,3 MB-ot foglal el a lemezen, a hangkártya bitmélysége 8. Milyen mintavételezési frekvenciával rögzítették a hangot?

Mennyi tárhelyre van szükség egy kiváló minőségű, 3 perces lejátszási idővel rendelkező digitális audiofájl tárolásához?

A digitális hangfájl gyenge minőségű hangfelvételt tartalmaz (a hang sötét és tompa). Mennyi ideig szól egy fájl, ha a hangereje 650 KB?

Két percnyi digitális hangfelvétel 5,05 MB lemezterületet foglal el. Mintavételi frekvencia - 22 050 Hz. Mekkora az audioadapter bitessége?

Hangerő szabad memória lemezen - 0,1 GB, hangkártya bitmélysége - 16. Mennyi ideig szól egy 44 100 Hz-es mintavételezési frekvenciával rögzített digitális hangfájl?

Válaszok

No. 92. 124,8 másodperc.

No. 93. 22,05 kHz.

№ 94. Jó minőség A hang 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 audioadapter bitmélységgel érhető el. A szükséges memóriaméret 15,1 MB.

95. sz. Komor és tompa hangért, következő lehetőségeket: mintavételezési frekvencia - 11 kHz, audio adapter bitmélysége - 8. A hang időtartama 60,5 s.

No. 96. 16 bit.

No. 97. 20,3 perc.

Irodalom

1. Tankönyv: Informatika, gyakorlati munkafüzet, 1. kötet, szerkesztette I.G. Semakin, E.K. Henner)

2. Pedagógiai ötletek fesztiválja "Nyílt lecke" Hang. Hanginformáció bináris kódolása. Supryagina Elena Aleksandrovna, számítástechnikai tanár.

3. N. Ugrinovich. Informatika és információs technológiák. 10-11 évfolyam. Moszkva. Binomiális. Tudáslabor 2003.

1. Milyen számítógépes eszköz modellezi az emberi gondolkodást?
-CPU

2. Intézkedések a kezdeti információk (tények) összhangban bizonyos szabályokat
-adatfeldolgozás

3. Válasszon ki egy szabályt a javasolt üzenetek közül
- egyszerű törtek szorzásakor azok számlálóit és nevezőit szorozzuk

4. Kinek számít leginkább tájékoztató jellegű a következő üzenet: "A program egy programozási nyelven írt algoritmus"?
- kezdő programozó

5. Hol van a végrehajtható fájl tárolva? Ebben a pillanatban a program és az általa feldolgozott adatok?
- RAM-ban

6. Milyen számítógépes eszköz végzi a hangmintavételezési folyamatot?
-hangkártya

7. Meghatározzák egy személy által kapott üzenet informatív jellegét
- új ismeretek és megértés

8. Ellipszisek helyett illessze be a megfelelő fogalmakat: "A könyvtár információkat tartalmaz a ...-ról, a ...-ben tárolva."
A) fájlok, külső memória

9. Adja meg a parancs(oka)t, amelyek végrehajtása után a kiválasztott töredék a vágólapra kerül
B) kivágás és másolás

10. Az alábbi műveletek közül melyik vonatkozik a szöveg formázására?
- állítsa be az igazítási módot

11.Alkalmazva szoftver magába foglalja:
B) szövegszerkesztők

12. Az operációs rendszer az
- a számítógép kezelését és a felhasználóval való interakcióját szervező programcsomag

13. Javasolt parancsok
5 Tegye áramra az A meghajtót.
2Hozza létre a TOWN könyvtárat
3 Hozzon létre STREET könyvtárat
1 Hozzon létre Home.txt fájlt
4 Írja be a létrehozott könyvtárat
Rendezd el a számozott parancsokat úgy, hogy egy olyan algoritmust kapj, amely létrehoz egy A:\TOWN\STREET\Home.txt teljes nevű fájlt egy üres hajlékonylemezen.
B) 5,2,3,1

14. A szöveg tárolása 84000 bitet vesz igénybe. Hány oldal lesz ez a szöveg, ha az oldal soronként 30 sort tartalmaz 70 karakterből? A szöveg kódolásához egy 256 karakterből álló kódolási táblázatot használnak.
84000/(log(256)/log(2))/30/70 = 5

15. A könyv 64 oldalból áll. Minden oldal 256 karakterből áll. Mennyi információt tartalmaz a könyv, ha az ábécé 32 karakter hosszú?
A) 81920 bájt B) 40 KB C) 10 KB D) 16 KB E) 64 KB
64*256*(log(32)/log(2)) /8/1024 = 10

16. Hány karaktert tartalmaz egy 16 karakterből álló ábécével írt üzenet, ha a térfogata a megabájt 1/16-a?
(1/16)*1024*1024*8/(log(16)/log(2)) = 131072

17. Mennyi memóriát foglal el grafikus kép, ha a mérete 40x60 és egy 32 bites bináris kódot használnak a képpont színének kódolására.
A) 2400 bájt B) 2100 bájt C) 960 bájt D) 9600 bájt E) 12 000 bájt
40*60*32/8 = 9600

18. A szöveg 0,25 KB memóriát foglal el. Hány karaktert tartalmaz ez a szöveg, ha egy 256 karakteres kódolási táblázatot használunk?
0,25*1024*8/(log(256)/log(2)) = 256

19. Hány bit információt tartalmaz egy negyed kilobájtos üzenet?
1/4*1024*8 = 2048

A hang digitalizálásának elvei

digitális hang egy analóg audiojel, amelyet amplitúdójának diszkrét számértékei képviselnek.

Audio digitalizálás- az osztott időlépés technológiája és a kapott értékek számszerű rögzítése.
A hangdigitalizálás másik neve analóg-digitális átalakítás hang.

A hang digitalizálása két folyamatból áll:

• a jel időbeli mintavételezésének (mintavételezésének) folyamata
• amplitúdó kvantálási folyamat.

Idő diszkretizálása

Idő diszkretizálási folyamat - a konvertálandó jel értékeinek megszerzésének folyamata, egy bizonyos időlépéssel - mintavételi lépés. Az egy másodperc alatt elvégzett jelerősség mérések számát nevezzük mintavételi ráta vagy mintavételi sebesség, vagy mintavételi ráta(az angol "sampling" - "sample" szóból). Minél kisebb a mintavételezési lépés, annál nagyobb a mintavételi frekvencia, és annál pontosabb jelábrázolást kapunk.
Ezt erősíti meg Kotelnyikov tétele (a külföldi szakirodalomban Shannon tételeként, Shannonként található meg). Eszerint a korlátozott spektrumú analóg jelet pontosan leírják amplitúdójának diszkrét értéksorával, ha ezeket az értékeket olyan frekvencián veszik, amely legalább kétszerese a jelspektrum legmagasabb frekvenciájának. Vagyis egy analóg jel, amelyben legmagasabb frekvenciája spektrum egyenlő F m -vel, pontosan ábrázolható az amplitúdó diszkrét értékeinek sorozatával, ha az F d mintavételi frekvencia: F d >2F m .
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy ahhoz, hogy a digitalizált jel az eredeti analóg jel teljes hallható frekvenciájáról (0 - 20 kHz) információt tartalmazzon, szükséges, hogy a kiválasztott mintavételezési frekvencia legalább 40 kHz legyen. A másodpercenkénti amplitúdóminták számát nevezzük mintavételi ráta(ha a mintavételi lépés állandó).
A digitalizálás fő nehézsége a mért jelértékek tökéletes pontosságú rögzítésének lehetetlensége.

Lineáris (homogén) amplitúdó kvantálás

Rendeljünk N bitet a jelamplitúdó egy értékének a számítógép memóriájába való rögzítésére. Ez azt jelenti, hogy egy N bites szó segítségével 2 N különböző pozíció írható le. Legyen a digitalizált jel amplitúdója néhány tetszőleges mértékegység -1 és 1 között. Ezt az amplitúdóváltozási tartományt - a jel dinamikus tartományát - ábrázoljuk 2 N -1 egyenlő intervallum formájában, 2 N szintre - kvantumokra osztva. Most az egyes amplitúdóértékek rögzítéséhez a legközelebbi kvantálási szintre kell kerekíteni. Ezt a folyamatot amplitúdó kvantálásnak nevezik. Amplitúdó kvantálás - a jel amplitúdójának valós értékeinek bizonyos pontossággal közelített értékekkel való helyettesítésének folyamata. A 2 N lehetséges szint mindegyikét kvantálási szintnek, a két legközelebbi kvantálási szint közötti távolságot pedig kvantálási lépésnek nevezzük. Ha az amplitúdóskálát lineárisan szintekre osztjuk, akkor a kvantálást lineárisnak (homogénnek) nevezzük.
A kerekítési pontosság a kvantálási szintek kiválasztott számától (2 N), ami viszont az amplitúdóérték rögzítéséhez hozzárendelt bitek számától (N) függ. Az N számot hívják kvantálási bitmélység(ami minden szóban a számjegyek, azaz a bitek számát jelenti), és az amplitúdóértékek kerekítésének eredményeként kapott számokat - számok vagy minták(az angol „sample” - „measurement” szóból). Feltételezzük, hogy a 16 bites kvantálásból származó kvantálási hibák szinte észrevehetetlenek maradnak a hallgató számára. Ezt a jeldigitalizálási módszert – a jelek időben történő mintavételezését a homogén kvantálási módszerrel kombinálva – az ún. impulzuskód moduláció, PCM(eng. Impulzuskód moduláció - PCM).
A digitalizált jel, mint egymást követő amplitúdóértékek halmaza, már eltárolható a számítógép memóriájában. Abban az esetben, ha az amplitúdó abszolút értékeit rögzítik, pl felvételi formátum hívott PCM(Impulzus kódmoduláció). Az 1980-as évek eleje óta használt szabványos audio kompakt lemez (CD-DA) PCM formátumban tárolja az információkat 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bites kvantálási bitmélységgel.

A digitalizálás egyéb módjai

Analóg-digitális átalakítók (ADC)

A fenti hangdigitalizálási folyamatot analóg-digitális konverterek (ADC-k) hajtják végre.
Ez az átalakítás a következő műveleteket tartalmazza:

1. A sávkorlátozást aluláteresztő szűrővel hajtják végre, hogy elnyomják azokat a spektrális összetevőket, amelyek frekvenciája meghaladja a mintavételi frekvencia felét.
2. Időbeli diszkretizálás, vagyis egy folyamatos analóg jel helyettesítése értékeinek sorozatával diszkrét időpontokban - minták. Ezt a problémát az ADC bemenetén lévő speciális áramkör – mintavételi és tartási eszköz – segítségével oldják meg.
3. A szintkvantálás a jelminta értékének a fix értékek - kvantálási szintek - halmazából a legközelebbi értékkel való helyettesítése.
4. Kódolás vagy digitalizálás, melynek eredményeként minden kvantált minta értéke a kvantálási szint sorszámának megfelelő számként jelenik meg.

Ez a következőképpen történik: folyamatos analóg jel Szakaszokra „vágva”, mintavételezési frekvenciával egy digitális diszkrét jelet kapunk, amely bizonyos bitmélységgel megy át a kvantálási folyamaton, majd kódolódik, azaz kódszimbólum sorozattal helyettesítjük. A 20-20 000 Hz-es frekvenciasávban történő hang rögzítéséhez 44,1-es és magasabb mintavételezési frekvencia szükséges (jelenleg 192, sőt 384 kHz-es mintavételezési frekvenciájú ADC-k és DAC-k jelentek meg). A jó minőségű felvétel elkészítéséhez 16 bites bitmélység is elegendő, azonban a dinamikatartomány bővítéséhez és a hangrögzítés minőségének javításához 24 (ritkán 32) bites bitmélységet használnak.

A digitalizált hang kódolása, mielőtt adathordozóra rögzítené

tárolásra digitális hang Sokan vannak különböző módokon. A digitalizált hang bizonyos időközönként felvett jelamplitúdó-értékek halmaza.

Terminológia

• kódoló - olyan program (vagy eszköz), amely egy bizonyos adatkódolási algoritmust valósít meg (például egy archiválót vagy egy MP 3 kódolót), amely bemenetként fogadja a forrásinformációkat, és kimenetként egy bizonyos formátumban kódolt információt ad vissza.
• dekóder - olyan program (vagy eszköz), amely megvalósítja inverz transzformáció kódolt jelből dekódolni.
• kodek (az angol "codec" - "Coder / Decoder") - szoftver vagy hardver egység, amelyet az adatok kódolására / dekódolására terveztek.

A leggyakoribb kodekek

• MP3 – MPEG-1 Layer 3
• OGG – Ogg Vorbis
• WMA- Windows Media Hang
• MPC-MusePack
• AAC – MPEG-2/4 AAC (fejlett hangkódolás)
  • MPEG-2 AAC szabvány
  • MPEG-4 AAC szabvány

Néhány audio digitalizálási formátum ehhez képest

Fő cikk: Hangformátumok összehasonlítása

Teljes hangátalakítási ciklus: a digitalizálástól a fogyasztói lejátszásig

Teljes hangátalakítási ciklus: a digitalizálástól a lejátszásig

| Óratervezés és tananyagok | 10 osztály | Óratervezés a tanévre | Szöveg, kép és hang megjelenítése számítógépen (6. §)

10-12. lecke
Szöveg, kép és hang megjelenítése számítógépen (6. §)

Hangos információ

Hangos információ

A hangdiszkretizálás (a hang „digitalizálása”) alapelveit az ábra mutatja. 1.11.

A hangot egy audioeszköz (mikrofon, rádió stb.) segítségével viszi be a számítógépbe, amelynek kimenete a porthoz csatlakozik hangkártya . A hangkártya feladata egy (elektromos rezgéssé átalakított) hangjel szintjének mérése meghatározott frekvenciával és a mérés eredményének rögzítése a számítógép memóriájában. Ezt a folyamatot hangdigitalizálásnak nevezik.

A két mérés közötti időtartamot mérési periódusnak nevezzük. τ Val vel. A reciprok ún mintavételi ráta - 1/τ (hertz). Minél magasabb a mérési frekvencia, annál jobb a digitális hangminőség.

Az ilyen mérések eredményeit véges számjegyű pozitív egész számok ábrázolják. Már tudja, hogy ebben az esetben egy diszkrét véges értékkészletet kap egy korlátozott tartományban. Ennek a tartománynak a mérete a cella kapacitásától függ - a hangkártya memóriaregiszterétől. Ismét működik a 2 i képlet, ahol i a regiszter kapacitása. Az i számot mintavételi mélységnek is nevezik. A rögzített adatok speciális audio formátumú fájlokba kerülnek.

Vannak hangfeldolgozó programok - hangszerkesztők, amelyek lehetővé teszik különféle zenei effektusok létrehozását, a hangok megtisztítását a zajtól, a képekkel való koordinációt multimédiás termékek létrehozásához stb. A hangot generáló speciális eszközök segítségével a hangfájlok hanggá alakíthatók az emberi hallás által érzékelt hullámok .

A digitalizált hang tárolásakor meg kell oldani a hangerő csökkentésének problémáját hangfájlokat. Ehhez a veszteségmentes adatkódolás mellett, amely lehetővé teszi a tömörített adatfolyamból száz százalékos adatvisszaállítást, veszteséges adatkódolást alkalmaznak. Az ilyen kódolás célja, hogy maximális adattömörítés mellett elérje a visszaállított jel hangjának az eredetihez való hasonlóságát. Ezt különféle algoritmusok alkalmazásával érik el, amelyek az eredeti jelet tömörítik úgy, hogy eltávolítják belőle a nehezen hallható elemeket. Számos tömörítési módszer létezik, valamint az ezeket a módszereket megvalósító programok.

A veszteségmentes hang mentéséhez az univerzális WAV hangfájlformátumot használják. A legismertebb tömörített (veszteséges) hangformátum az MP3. 10-szeres vagy több adattömörítést biztosít.

Kérdések és feladatok

1. Mikor kezdtek a számítógépek szöveggel, grafikával, hanggal dolgozni?
2. Mi az a kódolótábla? Mik azok a kódoló táblák?
3. Mire épül diszkrét ábrázolás Képek?
4. Mi az RGB színmodell?
5. Írjon egy 8 számjegyű kódot a világoskékhez, az élénksárgához (piros és zöld keveréke), a halványsárgához.
6. Miért nem használják az RGB modellt a nyomtatásban?
7. Mi az a CMYK?
8. A számítógép melyik eszköze digitalizálja a bemeneti hangjelet?
9. Hogyan (minőségileg) függ a digitális hang minősége a mintavételezési frekvenciától és mintavételi frekvenciától?
10. Mi az előnye az MP3 formátumnak?

Következő oldal