Кодирование звука Временная дискретизация

l λ Непрерывная звуковая волна Длина волны. Величина обратная частоте. Чем она больше, тем звук ниже Амплитуда колебаний. Чем она больше, тем звук громче

Основные характеристики звука Длина волны и частота: l = 1/υ Чем больше длина волны, тем меньше частота. Измеряется в количестве колебаний в секунду (1/сек) Амплитуда колебаний. Соответствует громкости звука. Громкость измеряется в децибелах (дБ)

Громкость звука ЗвукГромкость Нижний предел чувствительности человеческого уха 0 дБ Шорох листьев10 дБ Разговор60 дБ Гудок автомобиля90 дБ Реактивный двигатель120 дБ Болевой порог140 дБ

Временная дискретизация звука Процесс разбиения непрерывной звуковой волны на отдельные (дискретные) временные участки, для которых может быть установлены различные уровни громкости

Частота дискретизации Для записи аналогового сигнала и его преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой карте Качество звука зависит от количества измерений уровня звука в секунду частотой дискретизации Количество измерений уровня звука в единицу времени называется частотой дискретизации Частота дискретизации лежит в диапазоне от до измерений в секунду

Глубина дискретизации Каждому дискретному временному отрезку – каждой «ступеньке» – присваивается определенный уровень громкости (N), для кодирования которых требуется определенный объем информации (I) Глубина кодирования звука – количество информации, необходимое для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука N = 2 I

Пример Известна глубина кодирования – 16 бит (I). Рассчитать количество возможных уровней громкости внутри одного измерения звука (N) По формуле N = 2 I находим: N = 2 16 = Каждому уровню громкости присваивается одно из значений, которое кодируется двоичными числами от (минимальный уровень) до (максимальный уровень)

Вопрос: назовите основные характеристики аналогового звука Частота (количество вершин на единицу длины оси абсцисс) От нее зависит высота тона звука. Измеряется в 1/сек Амплитуда (высота вершин на графике – координаты по оси ординат) От нее зависит громкость звука Измеряется в децибелах

Вопрос: назовите основные характеристики цифрового звука Частота дискретизации (количество «ступенек» на единицу длины оси абсцисс) Определяет высоту тона звука Измеряется в 1/сек Глубина дискретизации (на сколько частей может быть разбита одна «ступенька» на графике в высоту) Определяет громкость звука Измеряется в битах

Качество оцифрованного звука Совокупная характеристика качества цифрового звука – профессиональный термин звукорежиссеров и DJев – битрейт, представляет собой произведение количества каналов на частоту и на глубину дискретизации. Измеряется: бит 1/сек = бит/сек

Качество оцифрованного звука Самое низкое качество цифрового звука (качество телефонной связи) соответствует: измерений в секунду (1/сек) 8 бит глубины звука Один канал (моно) Битрейт: = = 62,5 кбит/сек

Качество оцифрованного звука Самое высокое качество цифрового звука (аудио-CD) соответствует: измерений в секунду (1/сек) 16 бит глубины звука Два канала (стерео) Битрейт: = ,5 Мбит/сек Современные аудиосистемы кроме стерео поддерживают т.н. квадрозвук – 4 канала

Информационный объем звукового файла Чем выше качество звука, тем больше требуется дискового пространства для его хранения и оперативной памяти для его обработки. Информационный объем определяется как произведение глубины и частоты дискретизации на длительность воспроизведения и на количество каналов (или произведение битрейта на длительность)

Пример Определить информационный объем 5- секундной стереозвуковой дорожки с глубиной кодирования 16 бит и частотой дискретизации /с Решение: 16 бит /сек 5 сек 2 (канала) = = бит = 468,75 кБ

Программное обеспечение для работы со звуком Различают: Средства записи звука Звуковые редакторы Плееры

Хранение цифрового звука В виде аудиотреков на аудио-CD В виде звуковых файлов

Хранение цифрового звука. Audio Track Аудиотрек представляет собой формат записи звука в виде непрерывного цифрового потока. Аналогично звуковым дорожкам на виниловых дисках. Звук хранится без сжатия. Аудиодорожка воспринимается компьютером, как файл с расширением *.cda (Compact Disk Audio). Он хорошо воспроизводится плеером, но его нельзя скопировать.

Хранение цифрового звука. Звуковые файлы Наиболее распространенные форматы звуковых файлов: wav (wave) wma (Windows Media Audio) mid (midi) mp3 и др. Из них только wav хранит несжатый звук, все остальные используют сжатие

Сжатие звуковой информации При сохранении звука в форматах со сжатием происходит отбрасывание не воспринимаемых человеческим ухом частот с малой амплитудой. Сжатие до десятков раз Потеря информации, что может привести к ухудшению качества звука

Работа со сжатым звуком При работе со сжатым звуком файл сначала распаковывается и только потом поступает на обработку плеером или редактором. Для распаковки/сжатия аудио применяются специальные программы аудиокодеки (Audio Coder/Decoder)

Задание 1 Звуковая плата производит кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из возможных уровней громкости сигнала? Решение: 2 i = = I = 16

Задание 2 Определить информационный объем 10-секундной звуковой дорожки при: a. Моно, 8 бит, измерений b. Стерео, 16 бит, измерений Решение: a = = 78,1 (кБ) b = = 1,83 (МБ)

*Задание 3 Определить длительность звукового файла, который может уместиться на дискете 3,5. Учесть, что для хранения данных на дискете доступно секторов, объемом 512 байт каждый. a. Моно, 8 бит, измерений b. Стерео, 16 бит, измерений

*Задание 3. Решение СекторовОбъем сектора Вместимость дискеты, бит = КаналовГлубинаЧастотаБитрейтДлит-ть, сек a) ,2 b) ,6

Задание 4 Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового стереозвука с частотой 44.1 кГц и разрядностью 16 бит Решение. Число каналов: 2 Длительность звучания: 60 сек Частота дискретизации: 44,1 * = Гц ( /сек) Разрядность: 16 бит Информационный объем: 2 * 60 * * 16 = = бит = = байт 10 Мб

Задание 5 Подсчитать, сколько места будет занимать две минуты цифрового стереозвука с частотой 11 кГц и разрядностью 16 бит Решение. Число каналов: 2 Длительность звучания: 2 * 60 = 120 сек Частота дискретизации: 11 * = = Гц ( /сек) Разрядность: 16 бит Информационный объем: 2 * 120 * * 16 = = бит = = байт 5 Мб

Задание 6 Подсчитать, сколько места будет занимать семь минут цифрового монозвука с частотой 22 кГц и разрядностью 8 бит Решение. Число каналов: 1 Длительность звучания: 7 * 60 = 420 сек Частота дискретизации: 22 * = = Гц ( /сек) Разрядность: 8 бит Информационный объем: 1 * 420 * * 8 = = бит = = байт 8,8 Мб

Задание 7 Подсчитать, сколько места будет занимать три минуты цифрового стереозвука с частотой 32 кГц и разрядностью 8 бит Решение. Число каналов: 2 Длительность звучания: 3 * 60 = 180 сек Частота дискретизации: 32 * = = Гц ( /сек) Разрядность: 8 бит Информационный объем: 2 * 180 * * 8 = = бит = = байт 11 Мб

Задание 8 Какой объем данных имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)? Решение. Число каналов: 1 Длительность звучания: 1 с Частота дискретизации: 24 * = = Гц ( /сек) Разрядность: 16 бит Информационный объем: 1 * 1 * * 16 = = бит = = байт 47 кб

Задание 9 Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20- битном кодировании и частоте дискредитации 44.1 кГц. Решение. Число каналов: 2 Длительность звучания: 20 с Частота дискретизации: 44,1 * = = Гц ( /сек) Разрядность: 20 бит Информационный объем: 2 * 20 * * 20 = = бит = = байт 4,2 Мб

Задание 10 Определите количество уровней звукового сигнала при использовании 8-битных звуковых карт Решение. Количество возможных уровней громкости сигнала N = 2 I N = 2 8 N = 256 Ответ: а. 256 уровней

Задание 11 Подсчитать объем файла с 10 минутной речью записанного с частотой дискретизации Гц и разрядностью кода 4 бита на 1 измерение. Решение. Число каналов: речь принято записывать в режиме моно (1 канал) Длительность звучания: 10 * 60 = 600 сек Частота дискретизации: Гц ( /сек) Разрядность: 4 бит Информационный объем: 1 * 600 * * 4 = = бит = = байт 3,15 Мб

Задание 12 Подсчитать время звучания звукового файла объемом 3,5 Мбайт, содержащего стереозапись с частотой дискретизации Гц и разрядностью кода 16 бит на 1 измерение Решение. Число каналов: 2 Длительность звучания: Х Частота дискретизации: Гц ( /сек) Разрядность: 16 бит Информационный объем: 2 * Х * * 16 = 3,5 (Мб) *Х = Х = 20,8 (сек)

Задание 13 В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность? Решение. Число каналов: X. Пусть Х=1 Длительность звучания: 60 сек Частота дискретизации: Y Разрядность: Z (8 или 16) Информационный объем: 2,6Мб = бит 1 * 60 * Y * Z = YZ = ,35 При Y=8 Z=45438 Гц = 45,44 кГц 44,1 кГц (standard) При Y=8 Z=22719 Гц = 22,72 кГц 22,05 кГц (standard)

Задание14 Объем свободной памяти на диске 5,25 Мб, разрядность звуковой платы 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц? Решение. Число каналов: неизвестно, принимаем 1 Длительность звучания: Х Частота дискретизации: 22,05 * = Гц Разрядность: 16 бит Информационный объем: 5,25 Мб = бит 1 * Х * * 16 = 5,25 (Мб) *Х = Х = 122,3 (сек)

Задание 15 Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы 8. С какой частотой дискретизации записан звук? Решение. Число каналов: X. Пусть Х=1 Длительность звучания: 60 сек Частота дискретизации: Y Разрядность: 8 бит Информационный объем: 1 * 60 * Y * 8 = 1,3 (Мб) 480Y = (бит) Х (бит/сек) Х 22,05 кБит/сек (st.)