Кодирование и обработка звуковой информации

Звук – это волна (колебания воздуха или др. среды) с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой

Звуковая волна Чем больше амплитуда, тем громче звук Чем больше частота, тем больше тон (громкость – амплитуда) (частота – тон)

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до колебаний в секунду (высокий звук).

Для измерения громкости звука применяется специальная единица "децибел" (дБ). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дБ соответствует уменьшению или увеличению амплитуды звука в 10 раз.

Звук Громкость в децибелах Нижний предел чувствительности человеческого уха 0 Шорох листьев 10 Разговор 60 Гудок автомобиля 90 Реактивный двигатель 120 Болевой порог 140

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени А(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.

Для записи аналогового звука и его преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой плате. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

Характеристики цифрового звука: 1. Частота дискретизации 2. Глубина кодирования

Частота дискретизации звука - это количество измерений громкости звука за одну секунду Измеряется в Гц. 1 к Гц=1000Гц Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до измерений громкости звука за одну секунду.

Глубина кодирования звука - это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2 I. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно: N = 2 I = 2 16 = Т.е. в процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16 битовый двоичный код.

Качество оцифрованного звука

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука.

Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно"). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").

Объем звукового файла (бит) = частота (Гц) * глубина (бит) * время (сек) * режим (моно = 1, стерео = 2) Объем звукового файла (бит) = частота (Гц) * глубина (бит) * время (сек) * режим (моно = 1, стерео = 2) Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объём звукового файла.

Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его, позволяя легко осуществлять с помощью мыши операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки. Можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты.

Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3.

Задача 1: Оцените информационный объём цифрового стерео звукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (глубина 16 битов, частота измерений в секунду). 16 битов * * 2 = битов = байтов = 93,75 Кбайт

Задача 2. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из возможных уровней интенсивности сигнала? 1) битов 2) 256 битов 3) 16 битов 4) 8 битов

Задача 3 Оцените информационный объем цифровых звуковых файлов длительностью 10 секунд при глубине кодирования и частоте дискретизации звукового сигнала, обеспечивающих минимальное и максимальное качество звука: А) моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду Б) стерео, 16 битов, измерений в секунду Решение А) 8 битов*8000*10 : 8 : 1024 = 78,125 Кбайт Б) 16 битов*48000*10*2 : 8 : 1024 = 1875 Кбайт

Задача 4 Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5". Учесть, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байтов каждый: а) при низком качестве звука: моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду; б) при высоком качестве звука: стерео, 16 битов, измерений в секунду. Решение. 1)2847*512 байтов – на дискете 2)2847 * 2 9 * 2 3 = 2847 * 2 12 бит – на дискете 3)8 битов * 8000 = 2 3 * 2 3 *1000 = 2 6 *1000 бит – объём первого файла 16 битов * * 2 = 2 4 * 2 4 * 3000 * 2 1 = 2 9 * 3000 бит – объём первого файла 4)2847*2 12 бит : (2 6 *1000 бит) = 2847*64:1000=182,208 сек 2847*2 12 бит : (2 9 * 3000 бит) = 2847*8:3000=7,592 сек

Д/З: