Ţintă. Pentru a înțelege procesul de conversie a informațiilor sonore, pentru a stăpâni conceptele necesare pentru a calcula volumul informațiilor sonore. Învață să rezolvi problemele pe această temă.

Scopul este motivația. Pregătirea pentru examen.

Planul lecției

1. Vizualizați o prezentare pe un subiect cu comentarii ale profesorului. Atasamentul 1

Material de prezentare: Codare informații sonore.

De la începutul anilor 90 calculatoare personale a avut ocazia de a lucra cu informații sunet. Fiecare computer care are o placă de sunet, microfon și difuzoare poate înregistra, stoca și reda informații de sunet.

Procesul de conversie a undelor sonore în cod binar în memoria computerului:

Procesul de reproducere a informațiilor sonore stocate în memoria computerului:

Sunet este o undă sonoră cu o amplitudine și o frecvență în continuă schimbare. Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât este mai tare pentru o persoană, cu atât frecvența semnalului este mai mare, cu atât tonul este mai mare. Software-ul de calculator permite în prezent convertirea unui semnal sonor continuu într-o secvență de impulsuri electrice care pot fi reprezentate în formă binară. În procesul de codificare a unui semnal audio continuu, este discretizarea timpului . O undă sonoră continuă este împărțită în secțiuni de timp mici separate și pentru fiecare astfel de secțiune este setată o anumită valoare a amplitudinii.

Astfel, dependența continuă a amplitudinii semnalului de timp La) este înlocuită cu o secvență discretă de niveluri de volum. Pe grafic, aceasta arată ca înlocuirea unei curbe netede cu o secvență de „pași”. Fiecărui „pas” i se atribuie o valoare pentru nivelul volumului sunetului, codul său (1, 2, 3 etc.

Mai departe). Nivelurile de volum al sunetului pot fi considerate ca un set de stări posibile, respectiv, cu cât vor fi alocate mai multe niveluri de volum în procesul de codificare, cu atât mai multe informații vor fi transportate de valoarea fiecărui nivel și cu atât sunetul va fi mai bun.

Adaptor audio ( placa de sunet) - un dispozitiv special conectat la un computer, conceput pentru a converti vibrațiile electrice frecventa audioîntr-un cod numeric binar atunci când sunetul este introdus și pentru conversia inversă (de la un cod numeric la vibrații electrice) când este redat sunetul.

În procesul de înregistrare a sunetului, adaptorul audio măsoară amplitudinea curentului electric cu o anumită perioadă și introduce codul binar al valorii primite în registru. Apoi, codul primit din registru este rescris în memoria RAM a computerului. Calitatea sunetului computerului este determinată de caracteristicile adaptorului audio:

• Rata de eșantionare
• Adâncimea de biți (adâncimea sunetului).

Rata de eșantionare în timp

Acesta este numărul de dimensiuni semnal de intrareîn 1 secundă. Frecvența este măsurată în herți (Hz). O măsurătoare pe secundă corespunde unei frecvențe de 1 Hz. 1000 de măsurători într-o secundă - 1 kilohertz (kHz). Rate de eșantionare tipice ale adaptoarelor audio:

11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz etc.

Adâncimea de biți a registrului (adâncimea sunetului) este numărul de biți din registrul adaptorului audio, care stabilește numărul de niveluri de sunet posibile.

Adâncimea de biți determină acuratețea măsurării semnalului de intrare. Cu cât adâncimea de biți este mai mare, cu atât eroarea fiecărei conversii individuale a mărimii semnalului electric într-un număr este mai mică și invers. Dacă adâncimea de biți este 8 (16), atunci când se măsoară semnalul de intrare, 2 8 = 256 (2 16 = 65536) pot fi obținute valori diferite. Evident, un adaptor audio pe 16 biți codifică și reproduce sunetul mai precis decât unul pe 8 biți. Plăcile de sunet moderne oferă o adâncime de codificare audio de 16 biți. Numărul de niveluri de semnal diferite (stări pentru o anumită codificare) poate fi calculat folosind formula:

N = 2 I = 2 16 = 65536, unde I este adâncimea sunetului.

Astfel, plăcile de sunet moderne pot codifica 65536 niveluri de semnal. Fiecare valoare a amplitudinii semnal sonor i s-a atribuit un cod de 16 biți. Cu codificarea binară a unui semnal audio continuu, acesta este înlocuit cu o secvență de niveluri de semnal discrete. Calitatea codificării depinde de numărul de măsurători ale nivelului semnalului pe unitatea de timp, adică rata simpla. Cu cât se fac mai multe măsurători în 1 secundă (cu cât este mai mare rata de eșantionare, cu atât este mai precisă procedura de codificare binară.

Fișier de sunet - un fișier care stochează informații de sunet în formă numerică binară.

2. Repetăm ​​unitățile de măsură ale informațiilor

1 octet = 8 biți

1 KB = 2 10 octeți = 1024 octeți

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. Consolidați materialul studiat prin vizualizarea prezentării, manualului

4. Rezolvarea problemelor

Tutorial care arată soluția la prezentare.

Sarcina 1. Determinați volumul de informații al unui fișier audio stereo cu o durată a sunetului de 1 secundă la o calitate ridicată a sunetului (16 biți, 48 kHz).

Sarcină (pe cont propriu). Tutorial care arată soluția la prezentare.
Determinați volumul de informații al unui fișier audio digital cu o durată de 10 secunde la o rată de eșantionare de 22,05 kHz și o rezoluție de 8 biți.

5. Fixare. Rezolvarea problemelor acasă, pe cont propriu în următoarea lecție

Determinați cantitatea de spațiu de stocare pentru un fișier audio digital care are un timp de redare de două minute la o rată de eșantionare de 44,1 kHz și o rezoluție de 16 biți.

Utilizatorul are o memorie de 2,6 MB. Trebuie să înregistrați un fișier audio digital cu o durată de 1 minut. Care ar trebui să fie rata de eșantionare și adâncimea de biți?

Cantitatea de memorie liberă de pe disc este de 5,25 MB, adâncimea de biți a plăcii de sunet este de 16. Care este durata sunetului unui fișier audio digital înregistrat cu o frecvență de eșantionare de 22,05 kHz?

Un minut de înregistrare a unui fișier audio digital ocupă 1,3 MB pe disc, adâncimea de biți a plăcii de sunet este de 8. Cu ce ​​rată de eșantionare a fost înregistrat sunetul?

Cât spațiu de stocare este necesar pentru a stoca un fișier audio digital de înaltă calitate cu o durată de redare de 3 minute?

Fișierul audio digital conține o înregistrare audio de calitate scăzută (sunetul este întunecat și înfundat). Care este durata sunetului unui fișier dacă volumul acestuia este de 650 KB?

Două minute de înregistrare audio digitală ocupă 5,05 MB de spațiu pe disc. Frecvența de eșantionare - 22 050 Hz. Care este bitness-ul adaptorului audio?

Volum memorie libera pe disc - 0,1 GB, adâncimea de biți a plăcii de sunet - 16. Care este durata sunetului unui fișier audio digital înregistrat cu o rată de eșantionare de 44 100 Hz?

Răspunsuri

Nr. 92. 124,8 secunde.

Nr. 93. 22,05 kHz.

№ 94. Calitate superioară sunetul este realizat la o rată de eșantionare de 44,1 kHz și o adâncime de biți a adaptorului audio de 16. Dimensiunea necesară a memoriei este de 15,1 MB.

Nr. 95. Pentru un sunet sumbru și înăbușit, următoarele opțiuni: rata de eșantionare - 11 kHz, adâncimea de biți a adaptorului audio - 8. Durata sunetului este de 60,5 s.

Nr. 96. 16 biți.

Nr. 97. 20,3 minute.

Literatură

1. Manual: Informatica, caiet practic, volumul 1, editat de I.G.Semakin, E.K. Henner)

2. Festivalul ideilor pedagogice „Lecția deschisă” Sound. Codarea binară a informațiilor sonore. Supryagina Elena Aleksandrovna, profesor de informatică.

3. N. Ugrinovich. Informatica si tehnologiile informatice. 10-11 clase. Moscova. Binom. Laboratorul de cunoștințe 2003.

1. Ce dispozitiv de calculator modelează gândirea umană?
-CPU

2. Acțiunile asupra informațiilor inițiale (fapte) în conformitate cu unele reguli sunt
-procesarea datelor

3. Selectați o regulă din mesajele sugerate
- la înmulțirea fracțiilor simple se înmulțesc numărătorii și numitorii acestora

4. Pentru cine este cel mai probabil următorul mesaj să fie informativ: „Un program este un algoritm scris într-un limbaj de programare”?
- programator incepator

5.Unde este stocat executabilul acest moment programul și datele pe care le prelucrează?
-in RAM

6. Ce dispozitiv de computer efectuează procesul de eșantionare audio?
-placa de sunet

7. Se determină caracterul informativ al unui mesaj primit de o persoană
- noi cunoștințe și înțelegeri

8. În loc de elipse, introduceți conceptele corespunzătoare: „Directorul conține informații despre... stocate în...”
A) fișiere, memorie externă

9. Specificați comenzile, după executarea cărora fragmentul selectat ajunge în clipboard
B) tăiați și copiați

10.Care dintre următoarele acțiuni se referă la formatarea textului?
-setează modul de aliniere

11.Aplicat software include:
B) editori de text

12. Sistemul de operare este
- un set de programe care organizează managementul computerului și interacțiunea acestuia cu utilizatorul

13. Comenzi sugerate
5 Faceți curent unitatea A.
2Creează directorul TOWN
3Creați directorul STREET
1Creați fișierul Home.txt
4Introduceți directorul creat
Aranjați comenzile numerotate astfel încât să se obțină un algoritm care creează un fișier cu numele complet A:\TOWN\STREET\Home.txt pe o dischetă goală
B) 5,2,3,1

14. Este nevoie de 84000 de biți pentru a stoca text. Câte pagini va avea acest text dacă pagina conține 30 de rânduri a câte 70 de caractere pe rând? Pentru a codifica textul, se folosește un tabel de codare format din 256 de caractere.
84000/(log(256)/log(2))/30/70 = 5

15. Cartea este formată din 64 de pagini. Fiecare pagină are 256 de caractere. Câte informații sunt conținute în carte dacă alfabetul are 32 de caractere?
A) 81920 octeți B) 40 KB C) 10 KB D) 16 KB E) 64 KB
64*256*(log(32)/log(2)) /8/1024 = 10

16. Câte caractere conține un mesaj scris folosind alfabetul de 16 caractere dacă volumul său era de 1/16 de megaoctet?
(1/16)*1024*1024*8/(log(16)/log(2)) = 131072

17. Câtă memorie este nevoie imagine grafică, dacă dimensiunea sa este de 40x60 și se folosește un cod binar de 32 de biți pentru a codifica culoarea unui pixel.
A) 2400 bytes B) 2100 bytes C) 960 bytes D) 9600 bytes E) 12000 bytes
40*60*32/8 = 9600

18. Textul ocupă 0,25 KB de memorie. Câte caractere conține acest text dacă se folosește un tabel de codificare de 256 de caractere?
0,25*1024*8/(log(256)/log(2)) = 256

19. Câți biți de informații sunt conținute într-un mesaj de un sfert de kilobyte?
1/4*1024*8 = 2048

Principiile digitizării audio

audio digital este un semnal audio analogic reprezentat de valori numerice discrete ale amplitudinii sale.

Digitalizare audio- tehnologia pasului de timp divizat și înregistrarea ulterioară a valorilor obținute în formă numerică.
Un alt nume pentru digitizarea audio este conversie analog în digital sunet.

Digitalizarea audio implică două procese:

• procesul de eșantionare (eșantionare) a unui semnal în timp
• proces de cuantificare a amplitudinii.

Discretizarea timpului

Proces de discretizare a timpului - procesul de obținere a valorilor semnalului care este convertit, cu un anumit pas de timp - etapa de eșantionare. Se numește numărul de măsurători ale intensității semnalului efectuate într-o secundă rata simpla sau rata de eșantionare, sau rata simpla(din engleză „sampling” - „sample”). Cu cât pasul de eșantionare este mai mic, cu atât frecvența de eșantionare este mai mare și cu atât vom obține o reprezentare mai precisă a semnalului.
Acest lucru este confirmat de teorema lui Kotelnikov (în literatura străină se găsește ca teorema lui Shannon, Shannon). Potrivit acestuia, un semnal analogic cu un spectru limitat este descris cu acuratețe printr-o secvență discretă de valori ale amplitudinii sale, dacă aceste valori sunt luate la o frecvență care este de cel puțin două ori cea mai mare frecvență a spectrului de semnal. Adică un semnal analogic în care cea mai mare frecvență spectrul este egal cu F m , poate fi reprezentat cu acuratețe printr-o succesiune de valori discrete ale amplitudinii, dacă frecvența de eșantionare F d este: F d >2F m .
În practică, aceasta înseamnă că, pentru ca semnalul digitizat să conțină informații despre întreaga gamă de frecvențe audibile ale semnalului analogic original (0 - 20 kHz), este necesar ca rata de eșantionare selectată să fie de cel puțin 40 kHz. Se numește numărul de mostre de amplitudine pe secundă rata simpla(dacă pasul de eșantionare este constant).
Principala dificultate a digitizării este imposibilitatea înregistrării cu acuratețe perfectă a valorilor semnalului măsurat.

Cuantificare liniară (omogenă) a amplitudinii

Să alocăm N biți pentru înregistrarea unei valori a amplitudinii semnalului în memoria computerului. Aceasta înseamnă că cu ajutorul unui cuvânt de N biți pot fi descrise 2 N poziții diferite. Fie ca amplitudinea semnalului digitizat variază de la -1 la 1 a unor unități convenționale. Să reprezentăm acest interval de modificare a amplitudinii - intervalul dinamic al semnalului - sub forma a 2 N -1 intervale egale, împărțindu-l în 2 N niveluri - cuante. Acum, pentru a înregistra fiecare valoare individuală a amplitudinii, aceasta trebuie rotunjită la cel mai apropiat nivel de cuantizare. Acest proces se numește cuantizare de amplitudine. Cuantificarea amplitudinii – procesul de înlocuire a valorilor reale ale amplitudinii semnalului cu valori aproximate cu o oarecare precizie. Fiecare dintre cele 2 N niveluri posibile se numește nivel de cuantizare, iar distanța dintre cele mai apropiate două niveluri de cuantizare se numește pas de cuantizare. Dacă scara de amplitudine este împărțită în niveluri liniar, cuantizarea se numește liniară (omogenă).
Precizia rotunjirii depinde de numărul selectat (2 N) de niveluri de cuantizare, care, la rândul său, depinde de numărul de biți (N) alocați pentru a înregistra valoarea amplitudinii. Se numește numărul N adâncimea de biți de cuantizare(implicând numărul de cifre, adică biți, în fiecare cuvânt) și numerele obținute ca urmare a rotunjirii valorilor amplitudinii - numărări sau mostre(din engleză „eșantion” - „măsurare”). Se presupune că erorile de cuantizare rezultate din cuantizarea pe 16 biți rămân aproape imperceptibile pentru ascultător. Această metodă de digitizare a semnalului - eșantionarea semnalului în timp în combinație cu metoda de cuantizare omogenă - se numește modularea codului de impuls, PCM(ing. Pulse Code Modulation - PCM).
Semnalul digitizat ca un set de valori succesive de amplitudine poate fi deja stocat în memoria computerului. În cazul în care se înregistrează valorile absolute ale amplitudinii, de exemplu format de înregistrare numit PCM(Modularea codului pulsului). Discul compact audio standard (CD-DA), utilizat de la începutul anilor 1980, stochează informații în format PCM cu o rată de eșantionare de 44,1 kHz și o adâncime de cuantizare de 16 biți.

Alte moduri de digitizare

Convertoare analog-digitale (ADC)

Procesul de digitizare audio de mai sus este realizat de convertoare analog-digitale (ADC).
Această transformare include următoarele operații:

1. Limitarea benzii se realizează folosind un filtru trece-jos pentru a suprima componentele spectrale a căror frecvență depășește jumătate din frecvența de eșantionare.
2. Discretizarea în timp, adică înlocuirea unui semnal analogic continuu cu o secvență a valorilor sale în momente discrete de timp - mostre. Această problemă este rezolvată prin utilizarea unui circuit special la intrarea ADC - un dispozitiv de eșantionare și menținere.
3. Cuantificarea nivelului este înlocuirea valorii eșantionului de semnal cu cea mai apropiată valoare dintr-un set de valori fixe - niveluri de cuantizare.
4. Codificare sau digitizare, în urma căreia valoarea fiecărei probe cuantificate este reprezentată ca un număr corespunzător numărului ordinal al nivelului de cuantizare.

Acest lucru se face astfel: un semnal analogic continuu este „taiat” în secțiuni, cu o frecvență de eșantionare, se obține un semnal digital. semnal discret, care trece prin procesul de cuantizare cu o anumită adâncime de biți, apoi este codificat, adică înlocuit de o secvență de simboluri de cod. Pentru a înregistra sunetul în banda de frecvență de 20-20.000 Hz, este necesară o frecvență de eșantionare de 44,1 și mai mare (în prezent au apărut ADC-uri și DAC-uri cu o frecvență de eșantionare de 192 și chiar 384 kHz). Pentru a obține o înregistrare de înaltă calitate, o adâncime de biți de 16 biți este suficientă, totuși, pentru a extinde intervalul dinamic și a îmbunătăți calitatea înregistrării sunetului, se folosește o adâncime de biți de 24 (rar 32) de biți.

Codificarea sunetului digitizat înainte de a-l înregistra pe un suport media

pentru depozitare sunet digital Există multe diferite căi. Sunetul digitizat este un set de valori ale amplitudinii semnalului luate la anumite intervale de timp.

Terminologie

• codificator - un program (sau dispozitiv) care implementează un anumit algoritm de codificare a datelor (de exemplu, un arhivator sau un codificator MP 3), care acceptă informațiile sursă ca intrare și returnează informații codificate într-un anumit format ca ieșire.
• decodor - un program (sau dispozitiv) care implementează transformare inversă semnal codificat la decodat.
• codec (din limba engleză „codec” – „Coder/Decoder”) – o unitate software sau hardware concepută pentru a codifica/decodifica datele.

Cele mai comune codecuri

• MP3 - MPEG-1 Layer 3
• OGG - Ogg Vorbis
• WMA- Windows Media Audio
• MPC-MusePack
• AAC - MPEG-2/4 AAC (codare audio avansată)
  • Standard MPEG-2 AAC
  • Standard MPEG-4 AAC

Unele formate de digitizare audio în comparație

Articolul principal: Comparația formatelor de sunet

Ciclu complet de conversie audio: de la digitizare la redare la consumator

Ciclu complet de conversie audio: de la digitizare la redare

| Planificarea lecției și materialele pentru lecție | 10 clase | Planificarea lecțiilor pentru anul școlar | Reprezentarea textului, imaginii și sunetului într-un computer (§ 6)

Lecțiile 10 - 12
Reprezentarea textului, imaginii și sunetului într-un computer (§ 6)

Informații sonore

Informații sonore

Principiile discretizării sunetului („digitizarea” sunetului) sunt prezentate în Fig. 1.11.

Audio este introdus în computer folosind un dispozitiv audio (microfon, radio etc.), a cărui ieșire este conectată la portul placa de sunet . Sarcina unei plăci de sunet este să măsoare nivelul unui semnal audio (convertit în vibrații electrice) cu o anumită frecvență și să înregistreze rezultatele măsurătorii în memoria computerului. Acest proces se numește digitizare audio.

Intervalul de timp dintre două măsurători se numește perioadă de măsurare - τ Cu. Se numeste reciproca rata simpla - 1/τ (hertz). Cu cât frecvența de măsurare este mai mare, cu atât calitatea audio digitală este mai mare.

Rezultatele unor astfel de măsurători sunt reprezentate de numere întregi pozitive cu un număr finit de cifre. Știți deja că în acest caz obțineți un set finit discret de valori într-un interval limitat. Mărimea acestui interval depinde de capacitatea celulei - registrul de memorie al plăcii de sunet. Formula 2 i funcționează din nou, unde i este capacitatea registrului. Numărul i se mai numește și adâncimea de eșantionare. Datele înregistrate sunt salvate în fișiere cu format audio special.

Există programe de procesare a sunetului - editori de sunet care vă permit să creați diverse efecte muzicale, să curățați sunetul de zgomot, să vă coordonați cu imaginile pentru a crea produse multimedia etc. Cu ajutorul unor dispozitive speciale care generează sunet, fișierele de sunet pot fi convertite în sunet undele care sunt percepute de auzul uman .

Când stocați sunetul digitizat, trebuie să rezolvați problema reducerii volumului fișiere de sunet. Pentru a face acest lucru, pe lângă codificarea datelor fără pierderi, care permite recuperarea sută la sută a datelor dintr-un flux comprimat, este utilizată codarea datelor cu pierderi. Scopul unei astfel de codări este de a obține similitudinea sunetului semnalului restaurat cu originalul cu compresie maximă a datelor. Acest lucru se realizează prin utilizarea diverșilor algoritmi care comprimă semnalul original prin eliminarea elementelor greu de audibil din acesta. Există multe metode de compresie, precum și programe care implementează aceste metode.

Pentru a salva sunetul fără pierderi, este utilizat formatul universal de fișier audio WAV. Cel mai cunoscut format audio comprimat (cu pierderi) este MP3. Oferă compresia datelor de 10 ori sau mai mult.

Întrebări și sarcini

1. Când au început computerele să lucreze cu text, cu grafică, cu sunet?
2. Ce este un tabel de codificare? Care sunt tabelele de codificare?
3. Pe ce este bazat reprezentare discretă Imagini?
4. Care este modelul de culoare RGB?
5. Scrieți un cod din 8 cifre pentru albastru strălucitor, galben strălucitor (un amestec de roșu și verde), galben pal.
6. De ce nu este folosit modelul RGB la imprimare?
7. Ce este CMYK?
8. Ce dispozitiv din computer digitizează semnalul audio de intrare?
9. Cum (calitativ) depinde calitatea sunetului digital de rata de eșantionare și rata de eșantionare?
10. Care este avantajul formatului MP3?

Pagina următoare