Лекция по теме Кодирование звука.

1. Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющей­ся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала. Непрерывный сигнал не несет в себе информации, поэтому он дол­жен быть превращен в последовательность двоичных нулей и единиц — двоичный (цифровой) код.

2. Оцифровку звука выполняет специальное устройство на звуковой плате. Называется оно аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обратный процесс - воспроизведение закодированного звука произ­водится с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Подробнее рассмотрим эти процессы.

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его дискретизация по времени, или, как говорят, «временная дискретиза­ция». Звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные учас­тки и для каждого участка устанавливается определенная величина ампли­туды. Данный метод называется импульсно-амплитудной модуляцией РСМ (Pulse Code Modulation). Таким образом, гладкая кривая заменяется на последовательность «ступе­нек». Каждой «ступеньке» присваивается значение громкости звука (1, 2, 3 и т.д.). Чем больше «ступенек», тем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, и тем большее количество инфор­мации будет нести значение каждого уровня и более качественным будет звучание.

2. Характеристики оцифрованного звука.

Качество звука зависит от двух характеристик — глубины кодирования звука и частоты дискретизации. Рассмотрим эти характеристики.

Глубина кодирования звука (I) - это количество бит, используемое для ко­дирования различных уровней сигнала или состояний. Тогда общее коли­чество таких состояний или уровней (N) можно вычислить по формуле:

N = 2^I.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодиро­вания звука, и тогда общее количество различных уровней будет:

N = 216 = 65536.

Частота дискретизации (М) — это количество измерений уровня звуко­вого сигнала в единицу времени. Эта характеристика показывает качест­во звучания и точность процедуры двоичного кодирования. Измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц, 1000 измерений за одну секунду - 1 килогерц (кГц). Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответс­твует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц - качеству звуча­ния аудио-CD.

Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1 кГц и глубины кодирования звука, равной 16 бит. Для мрачного, приглушен­ного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации - 11 кГц, глубина кодирования - 8 бит.

Параметр Качество звука	Глубина кодирования	Частота дискретизации
Радиотрансляция	8 бит	До 8 кГц
Среднее качество	8 бит или 16 бит	8-48 кГц
Звучание CD-диска	16 бит	До 48 кГц

Для того, чтобы найти объем звуковой информации, необходимо вос­пользоваться следующей формулой: V = M*I*t, где М - частота дискретизации (в Гц), I - глубина кодирования (в битах), t — время звучания (в секундах).

Пример

Звук воспроизводится в течение 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и глубине звука 8 бит. Определить его размер (в байтах). Решение:

М = 22,05*1000 = 220500 Гц; I = 8/8=1 байт;  

Т = 10 секунд; V = 220500*10*1= 220500 байт.

 Ответ: 220500 байт.   

№1

Определить объем памяти для хранения моноаудиофайла, время звуча­ния которого составляет пять минут при частоте дискретизации 44 кГц и .глубине кодирования 16 бит.

Решение:

V = MIt = 44000Гц*16*5 = 3520000 бит = 430 Кбайт.

Ответ: 430 Кбайт.                                                            

№2

Какой должна быть частота дискретизации и глубина кодирования для 'записи звуковой информации длительностью 2 минуты, если в распоряже­нии пользователя имеется память объемом 5,1 Мбайта.

Решение:

M*I=V/t;

M*I = 5,1 *1024*1024*8/2/60 = 356515 (Гц*бит).

Вариант 1

356515 (Гц*бит) = 22,05 кГц*16 бит.

Ответ: 22,05 кГц и 16 бит.

Вариант 2

356515 (Гц*бит) = 44,1 кГц*8 бит.

Ответ: 44,1 кГц и 8 бит.

№3

Объем свободной памяти на диске - 5,25 Мбайта, глубина кодирования - 8. Звуковая информация записана с частотой дискретизации 44,1 кГц. Ка­кова длительность звучания такой информации?

Решение:

t= V/M/I = 5,25* 1024*1024*8/44100/8 = 124,8 сек.

Ответ: 124,8 секунды.

№4

Одна минута записи звуковой информации занимает на диске 1,3 Мбай­та, глубина кодирования равна 16. С какой частотой дискретизации запи­сан звук?

Решение:

М = V/I/t = 1,3*1024*8/16/60 =11359Гц = 11 кГц.

Ответ: 11 кГц.

№5

Какой объем памяти требуется для хранения звуковой информации высо­кого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты.

Решение:

Высокое качество записи звука соответствует частоте дискретизации 44,01 кГц и глубине кодирования 16 бит. Поэтому:

V= MIt = 44,01*1000*16*300 = 211248000 бит=25,1 Мбайт.

Ответ: 25,1 Мбайт.