Ціль.Осмислити процес перетворення звукової інформації, засвоїти поняття необхідні підрахунку обсягу звукової інформації. Навчитися вирішувати завдання на тему.

Ціль-мотивація.Підготовка до ЄДІ.

План уроку

1. Перегляд презентації на тему з коментарями вчителя.Додаток 1

Матеріал презентації: Кодування звукової інформації.

З початку 90-х років персональні комп'ютериотримали можливість працювати зі звуковою інформацією. Кожен комп'ютер, що має звукову плату, мікрофон та колонки, може записувати, зберігати та відтворювати звукову інформацію.

Процес перетворення звукових хвиль на двійковий код у пам'яті комп'ютера:

Процес відтворення звукової інформації, збереженої у пам'яті ЕОМ:

Звукявляє собою звукову хвилю з амплітудою і частотою, що безперервно змінюється. Чим більше амплітуда, тим голосніше для людини, що більше частота сигналу, то вище тон. Програмне забезпечення комп'ютера в даний час дозволяє безперервний звуковий сигнал перетворювати на послідовність електричних імпульсів, які можна представити в двійковій формі. У процесі кодування безперервного звукового сигналу здійснюється його тимчасова дискретизація . Безперервна звукова хвиля розбивається на окремі маленькі часові ділянки, причому для кожної такої ділянки встановлюється певна величина амплітуди.

Таким чином, безперервна залежність амплітуди сигналу від часу A(t)замінюється на дискретну послідовність рівнів гучності. На графіку це виглядає як заміна гладкої кривої на послідовність «сходинок». Кожній «сходинці» надається значення рівня гучності звуку, його код (1, 2, 3 і так

далі). Рівні гучності звуку можна розглядати як набір можливих станів, відповідно, чим більше рівнів гучності буде виділено в процесі кодування, тим більша кількість інформації буде нести значення кожного рівня і тим якіснішим буде звучання.

Аудіоадаптер (звукова плата) - спеціальний пристрій, що підключається до комп'ютера, призначений для перетворення електричних коливань звуковий частотив числовий двійковий код при введенні звуку і зворотного перетворення (з числового коду в електричні коливання) при відтворенні звуку.

У процесі запису звуку аудіоадаптер з певним періодом вимірює амплітуду електричного струму і заносить до регістра двійковий код отриманої величини. Потім отриманий код з регістру переписується на оперативну пам'ять комп'ютера. Якість комп'ютерного звуку визначається характеристиками аудіоадаптера:

• Частотою дискретизації
• Розрядністю (глибина звуку).

Частота тимчасової дискретизації

Ця кількість вимірів вхідного сигналуза секунду. Частота вимірюється у герцах (Гц). Один вимір за секунду відповідає частоті 1 Гц. 1000 вимірів за 1 секунду – 1 кілогерц (кГц). Характерні частоти дискретизації аудіоадаптерів:

11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц та ін.

Розрядність регістру (глибина звуку) – число біт у регістрі аудіоадаптера, задає кількість можливих рівнів звуку.

Розрядність визначає точність виміру вхідного сигналу. Чим більша розрядність, тим менша похибка кожного окремого перетворення величини електричного сигналу в число і назад. Якщо розрядність дорівнює 8 (16) то при вимірюванні вхідного сигналу може бути отримано 2 8 = 256 (2 16 = 65536) різних значень. Очевидно, 16-розрядний аудіоадаптер точніше кодує і відтворює звук, ніж 8-розрядний. Сучасні звукові карти забезпечують 16-розрядну глибину кодування звуку. Кількість різних рівнів сигналу (станів при даному кодуванні) можна розрахувати за такою формулою:

N = 2 I = 2 16 = 65 536, де I - глибина звуку.

Таким чином, сучасні звукові карти можуть забезпечити кодування рівнів 65536 сигналу. Кожному значенню амплітуди звукового сигналунадається 16-бітовий код. При двійковому кодуванні безперервного звукового сигналу він замінюється послідовністю дискретних рівнів сигналу. Якість кодування залежить від кількості вимірювань рівня сигналу за одиницю часу, тобто частоти дискретизаціїЧим більше вимірювань проводиться за 1 секунду (що більше частота дискретизації тим точніше процедура двійкового кодування).

Звуковий файл -файл, що зберігає звукову інформацію у числовій двійковій формі.

2. Повторюємо одиниці виміру інформації

1 байт = 8 біт

1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт

1 Мбайт = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайт

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайт

1 Тбайт = 2 10 Гбайт = 1024 Гбайт

1 Пбайт = 2 10 Тбайт = 1024 Тбайт

3. Закріпити вивчений матеріал, переглянувши презентацію, підручник

4. Розв'язання задач

Підручник , показ рішення на презентації.

Завдання 1.Визначити інформаційний обсяг стерео аудіо файлу тривалістю звучання 1 секунда за високої якості звуку (16 бітів, 48 кГц).

Завдання (самостійно).Підручник , показ рішення на презентації.
Визначити інформаційний обсяг цифрового аудіо файлу тривалістю звучання якого становить 10 секунд при частоті дискретизації 22,05 кГц і роздільній здатності 8 бітів.

5. Закріплення. Вирішення завдань вдома, самостійно на наступному уроці

Визначити обсяг пам'яті для зберігання цифрового аудіофайлу, час звучання якого становить дві хвилини при частоті дискретизації 44,1 кГц та роздільній здатності 16 біт.

У розпорядженні користувача є пам'ять об'ємом 2,6 Мб. Необхідно записати цифровий аудіофайл із тривалістю звучання 1 хвилина. Якою має бути частота дискретизації та розрядність?

Об'єм вільної пам'яті на диску – 5,25 Мб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 22,05 кГц?

Одна хвилина запису цифрового аудіофайлу займає на диску 1,3 Мб, розрядність звукової плати – 8. З якою частотою дискретизації записано звук?

Який обсяг пам'яті потрібен для зберігання цифрового аудіофайлу із записом високої якості за умови, що час звучання становить 3 хвилини?

Цифровий аудіофайл містить запис звуку низької якості (звук похмурий та приглушений). Якою є тривалість звучання файлу, якщо його обсяг становить 650 Кб?

Дві хвилини записування цифрового аудіофайлу займають на диску 5,05 Мб. Частота дискретизації – 22 050 Гц. Яка розрядність аудіоадаптера?

Об `єм вільної пам'ятіна диску – 0,1 Гб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 44 100 Гц?

Відповіді

№ 92. 124,8 секунд.

№ 93. 22,05 кГц.

№ 94. Висока якістьзвучання досягається при частоті дискретизації 44,1 кГц та розрядності аудіоадаптера, що дорівнює 16. Необхідний об'єм пам'яті - 15,1 Мб.

№ 95. Для похмурого та приглушеного звуку характерні наступні параметри: частота дискретизації - 11 кГц, розрядність аудіоадаптера - 8. Тривалість звучання дорівнює 60,5 с.

№ 96. 16 бітів.

№ 97. 20,3 хвилини.

Література

1. Підручник: Інформатика, задачник-практикум 1 том, за редакцією І.Г.Семакіна, Є.К. Хеннера)

2. Фестиваль педагогічних ідей «Відкритий урок» Звук. Двійкове кодування звукової інформації. Супрягіна Олена Олександрівна, учитель інформатики.

3. Н. Угрінович. Інформатика та інформаційні технології. 10-11 класи. Москва. Біном. Лабораторія знань 2003 року.

1.Який пристрій комп'ютера моделює мислення людини?
-Процесор

2.Дії над вихідною інформацією (фактами) відповідно до деяких правил - це
-обробка інформації

3.Із запропонованих повідомлень вибрати правило
-при множенні простих дробів їх чисельники та знаменники перемножуються

4.Для кого, найімовірніше, буде інформативним таке повідомлення: «Програма - це алгоритм, записаний мовою програмування»?
-початківець програміст

5.Де зберігається виконувана в Наразіпрограма та оброблювані нею дані?
-в оперативній пам'яті

6.Який пристрій комп'ютера здійснює процес дискретизації звуку?
-звукова карта

7.Інформативність повідомлення, яке приймає людина, визначається
-наявністю нових знань та зрозумілістю

8. Замість крапок вставте відповідні поняття: «Каталог містить інформацію про..., що зберігаються в...»
A) файли, зовнішні пам'яті

9.Вказати команду(и), при виконанні якої виділений фрагмент потрапляє в буфер обміну
В) вирізати та копіювати

10. Які з наведених дій ставляться до форматування тексту?
-Встановлення режиму вирівнювання

11.В прикладне програмне забезпеченнявходять:
В) текстові редактори

12. Операційна система - це
-комплекс програм, що організують управління роботою комп'ютера та його взаємодію з користувачем

13. Запропоновано команди
5Зробити диск А поточним.
2Створити каталог TOWN
3Створити каталог STREET
1Створити файл Home.txt
4Увійти до створеного каталогу
Розташувати пронумеровані команди так, щоб був отриманий алгоритм, за допомогою якого на порожній дискеті створюється файл з повним ім'ям A: TOWN STREET Home.txt
Б) 5,2,3,1

14.Для зберігання тексту потрібно 84000 біта. Скільки сторінок займе цей текст, якщо на сторінці розміщується 30 рядків по 70 символів у рядку? Для кодування тексту використовується таблиця кодування, що складається із 256 символів.
84000/(log(256)/log(2))/30/70 = 5

15.Книга складається з 64 сторінок. На кожній сторінці 256 символів. Який обсяг інформації міститься у книзі, якщо використовується алфавіт із 32 символів?
А) 81 920 байтів Б) 40 Кбайт В) 10 Кбайт Г) 16 Кбайт Д) 64 Кбайт
64 * 256 * (log (32) / log (2)) / 8 / 1024 = 10

16. Скільки символів містить повідомлення, записане за допомогою 16-символьного алфавіту, якщо його обсяг становив 1/16 частину Мегабайта?
(1/16)*1024*1024*8/(log(16)/log(2)) = 131072

17. Скільки пам'яті займає графічне зображенняякщо його розмір 40x60 і для кодування кольору пікселя використовується двійковий код з 32-х бітів.
А) 2400 байтів Б) 2100 байтів В) 960 байтів Г) 9600 байтів Д) 12000 байтів
40*60*32/8 = 9600

18. Текст займає 0,25 Кбайт пам'яті. Скільки символів містить цей текст, якщо використовується таблиця кодування з 256 символів?
0.25*1024*8/(log(256)/log(2)) = 256

19. Скільки бітів інформації міститься у повідомленні обсягом чверть Кілобайта?
1/4*1024*8 = 2048

Принципи оцифрування звуку

Цифровий звук- Це аналоговий звуковий сигнал, представлений за допомогою дискретних чисельних значень його амплітуди.

Оцифрування звуку- технологія поділеним тимчасовим кроком та наступного запису отриманих значень у чисельному вигляді.
Інша назва оцифрування звуку - аналогово-цифрове перетвореннязвуку.

Оцифрування звуку включає два процеси:

• процес дискретизації (здійснення вибірки) сигналу за часом
• процес квантування з амплітуди.

Дискретизація за часом

Процес дискретизації за часом - процес отримання значень сигналу, що перетворюється, з певним тимчасовим кроком; кроком дискретизації. Кількість вимірів величини сигналу, що здійснюються в одну секунду, називають частотою дискретизаціїабо частотою вибірки, або частотою семплювання(Від англ. "Sampling" - "вибірка"). Чим менший крок дискретизації, тим вище частота дискретизації і тим більш точне уявлення про сигнал буде отримано.
Це підтверджується теоремою Котельникова (у зарубіжній літературі трапляється як теорема Шеннона, Shannon). Відповідно до неї, аналоговий сигнал з обмеженим спектром точно описуємо дискретною послідовністю значень його амплітуди, якщо ці значення беруться з частотою, щонайменше вдвічі перевищує найвищу частоту спектра сигналу. Тобто аналоговий сигнал , в якому найвища частотаспектра дорівнює F m може бути точно представлений послідовністю дискретних значень амплітуди, якщо для частоти дискретизації F d виконується: F d >2F m .
Насправді це означає, що з того, щоб оцифрований сигнал містив інформацію про всьому діапазоні чутних частот вихідного аналогового сигналу (0 – 20 кГц) необхідно, щоб обране значення частоти дискретизації становило щонайменше 40 кГц. Кількість вимірів амплітуди за секунду називають частотою дискретизації(якщо крок дискретизації постійний).
Основна складність оцифрування полягає у неможливості записати виміряні значення сигналу з ідеальною точністю.

Лінійне (однорідне) квантування амплітуди

Відведемо для запису одного значення амплітуди сигналу пам'яті комп'ютера N біт. Отже, з допомогою одного N -бітного слова можна описати 2 N різних положень. Нехай амплітуда сигналу, що оцифровується, коливається в межах від -1 до 1 деяких умовних одиниць. Уявімо цей діапазон зміни амплітуди - динамічний діапазон сигналу - у вигляді 2 N -1 рівних проміжків, розділивши його на 2 N рівнів - квантів. Тепер для запису кожного окремого значення амплітуди його необхідно округлити до найближчого рівня квантування. Цей процес називається квантування по амплітуді. Квантування з амплітуди – процес заміни реальних значень амплітуди сигналу значеннями, наближеними до певної точності. Кожен із 2 N можливих рівнів називається рівнем квантування, а відстань між двома найближчими рівнями квантування називається кроком квантування. Якщо амплітудна шкала розбита на рівні лінійно, квантування називають лінійним (однорідним).
Точність округлення залежить від обраної кількості (2 N) рівнів квантування, яке, своєю чергою, залежить від кількості біт (N), відведених для запису значення амплітуди. Число N називають розрядністю квантування(маючи на увазі кількість розрядів, тобто біт, у кожному слові), а отримані в результаті округлення значень амплітуди числа – відліками чи семплами(Від англ. "sample" - "замір"). Приймається, що похибки квантування, результат квантування з розрядністю 16 біт, залишаються для слухача майже непомітними. Цей спосіб оцифрування сигналу - дискретизація сигналу в часі разом із методом однорідного квантування - називається імпульсно-кодовою модуляцією, ІКМ(англ. Pulse Code Modulation - PCM).
Оцифрований сигнал у вигляді набору послідовних значень амплітуди можна зберегти в пам'яті комп'ютера. У разі коли записуються абсолютні значення амплітуди, такий формат записуназивається PCM(Pulse Code Modulation). Стандартний аудіо компакт-диск (CD-DA), що застосовується з початку 80-х років 20-го століття, зберігає інформацію у форматі PCM із частотою дискретизації 44.1 кГц та розрядністю квантування 16 біт.

Інші способи оцифрування

Аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП)

Вищеописаний процес оцифрування звуку виконується аналогово-цифровими перетворювачами (АЦП).
Це перетворення включає наступні операції:

1. Обмеження смуги частот здійснюється за допомогою фільтра нижніх частот для придушення спектральних компонентів, частота яких перевищує половину частоти дискретизації.
2. Дискретизацію в часі, тобто заміну безперервного аналогового сигналу послідовністю його значень дискретні моменти часу - відліків. Це завдання вирішується шляхом використання спеціальної схеми на вході АЦП - устрою вибірки-зберігання.
3. Квантування за рівнем є заміною величини відліку сигналу найближчим значенням з набору фіксованих величин - рівнів квантування.
4. Кодування або оцифрування, в результаті якого значення кожного квантованого відліку подається у вигляді числа, що відповідає порядковому номеру рівня квантування.

Робиться це так: безперервний аналоговий сигнал «ріжеться» на ділянки, з частотою дискретизації, виходить цифровий дискретний сигнал, Що проходить процес квантування з певною розрядністю, а потім кодується, тобто замінюється послідовністю кодових символів. Для запису звуку у смузі частот 20-20 000 Гц, потрібна частота дискретизації від 44,1 і від (нині з'явилися АЦП і ЦАП з частотою дискретизації 192 і навіть 384 кГц). Для отримання якісного запису достатньо розрядності 16 біт, проте для розширення динамічного діапазону та підвищення якості звукозапису використовується розрядність 24 (рідше 32) біта.

Кодування оцифрованого звуку перед записом на носій

Для зберігання цифрового звукуіснує багато різних способів. Оцифрований звук є набір значень амплітуди сигналу, взятих через певні проміжки часу.

Термінологія

• кодер – програма (або пристрій), що реалізує певний алгоритм кодування даних (наприклад, архіватор, або кодер MP 3), яка як введення приймає вихідну інформацію, а як виведення повертає закодовану інформацію у певному форматі.
• декодер - програма (або пристрій), що реалізує зворотне перетвореннязакодованого сигналу декодований.
• кодек (від англ. codec - Coder / Decoder) - програмний або апаратний блок, призначений для кодування/декодування даних.

Найбільш поширені кодеки

• MP3 – MPEG-1 Layer 3
• ОGG – Ogg Vorbis
• WMA – Windows Media Audio
• MPC - MusePack
• AAC – MPEG-2/4 AAC (Advanced Audio Coding)
  • Стандарт MPEG-2 AAC
  • Стандарт MPEG-4 AAC

Деякі формати оцифрування звуку порівняно

Основна стаття: Порівняння звукових форматів

Повний цикл перетворення звуку: від оцифрування до відтворення у споживача

Повний цикл перетворення звуку: від оцифрування до відтворення

| Планування уроків та матеріали до уроків | 10 класи | Планування уроків на навчальний рік | Подання тексту, зображення та звуку на комп'ютері (§ 6)

Уроки 10 – 12
Подання тексту, зображення та звуку на комп'ютері (§ 6)

Звукова інформація

Звукова інформація

Принципи дискретизації звуку («оцифрування» звуку) відбито на рис. 1.11.

Введення звуку в комп'ютер здійснюється за допомогою звукового пристрою (мікрофона, радіо та ін.), вихід якого підключається до порту звукової карти . Завдання звукової карти - з певною частотою проводити вимірювання рівня звукового сигналу (перетвореного на електричні коливання) та результати вимірювання записувати в пам'ять комп'ютера. Цей процес називають оцифруванням звуку.

Проміжок часу між двома вимірами називається періодом вимірів - τ с. Зворотна величина називається частотою дискретизації - 1/τ (Герц). Чим вища частота вимірювань, тим вища якість цифрового звуку.

Результати таких вимірів видаються цілими додатними числами з кінцевою кількістю розрядів. Ви вже знаєте, що в такому випадку виходить дискретна кінцева множина значень в обмеженому діапазоні. Розмір цього діапазону залежить від розрядності комірки – регістру пам'яті звукової карти. Знову працює формула 2 i де i - розрядність регістру. Число i називають також розрядністю дискретизації. Записані дані зберігаються у файлах спеціальних звукових форматів.

Існують програми обробки звуку - редактори звуку, що дозволяють створювати різні музичні ефекти, очищати звук від шумів, узгоджувати із зображеннями для створення мультимедійних продуктів і т.д. .

При зберіганні оцифрованого звуку доводиться вирішувати проблему зменшення обсягу звукових файлів. Для цього крім кодування даних без втрат, що дозволяє здійснювати стовідсоткове відновлення даних зі стисненого потоку, використовується кодування даних із втратами. Мета такого кодування - добитися схожості звучання відновленого сигналу з оригіналом за максимального стиснення даних. Це досягається шляхом використання різних алгоритмів, що стискають оригінальний сигнал шляхом викидання з нього слабочутних елементів. p align="justify"> Методів стиснення, а також програм, що реалізують ці методи, існує багато.

Для збереження звуку без втрат використовується універсальний звуковий формат WAV. Найбільш відомий формат «стисненого» звуку (із втратами) – MP3. Він забезпечує стиснення даних у 10 разів і більше.

Запитання та завдання

1. Коли комп'ютери почали працювати з текстом, графікою, звуком?
2. Що таке таблиця кодування? Які таблиці кодування існують?
3. На чому ґрунтується дискретна виставазображення?
4. Що таке модель RGB кольору?
5. Напишіть 8-розрядний код яскраво-синього кольору, яскраво-жовтого (суміш червоного із зеленим), блідо-жовтого.
6. Чому в поліграфії модель RGB не використовується?
7. Що таке CMYK?
8. Який пристрій в комп'ютері здійснює оцифрування звукового сигналу?
9. Як (якісно) якість цифрового звуку залежить від частоти дискретизації та розрядності дискретизації?
10. Чим зручний формат MP3?

Наступна сторінка