Кодирование звуковой информации

Оценить информационный объем моноаудиофайла (V) можно следующим образом:

V = N * f * k (6)

где N – общая длительность звучания (секунд),

f – частота дискретизации (Гц),

k – глубина кодирования (бит).

При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно, увеличивает объем звукового файла в два раза.

Форматы звуковых файлов

Наиболее распространенным форматом закодированных описанным способом звуковых файлов является Wave-формат (расширение файлов – .wav). Такой способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но существуют и другие способы кодирования звука. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов для кодирования инструментальной музыки разработали стандарт (систему кодов), получивший название MIDI (Musical Instrument Digital Interface – цифровой интерфейс для музыкальных инструментов). В основе этой системы кодирования лежит принцип нотной записи музыкальных произведений.

Нотная запись, прежде всего, описывает следующие свойства музыкальных звуков:

- высоту звучания (в физическом смысле – частоту колебаний звука), которая кодируется положением нотного значка на нотных линейках;

- длительность звучания, которая кодируется видом ноты (пустая/закрашенная, без штиля/со штилем, без флажка/с флажками и т.п.).

Нотную запись, фактически, можно считать алгоритмом для исполнителя (музыканта), записанным на особом формальном языке. Это позволяет представить ее в виде последовательности соответствующих команд (нажать такую-то клавишу с определенной силой и держать ее столько-то времени, нажать одновременно несколько клавиш, отпустить удерживаемую клавишу, и т.д.). Система кодирования MIDI представляет собой набор всевозможных команд для различных музыкальных инструментов. Таким образом, запись музыкального произведения в формате MIDI – это программа игры на воображаемом музыкальном инструменте-синтезаторе, состоящая из последовательности закодированных сообщений, разделенных закодированными паузами. Примеры типов таких сообщений:

- команды синтезатору (нажать или отпустить клавишу, изменить тембр звучания);

- описание параметров воспроизведения (значение силы давления на клавишу и др.);

- управляющее сообщение (например, включение полифонического режима).

Музыкальные файлы, записанные в формате MIDI, имеют расширение .mid.

При таком кодировании нельзя записать вокальное произведение, так как звуки, издаваемые певцом или хором, не входят в систему команд исполнителя-синтезатора. Но имеются и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

В исходном звуковом файле (например, в .wav-файле) хранится полная информация об оцифрованном звуке. При высоком качестве звука объем таких файлов чрезвычайно велик (около 15Мб на 1 минуту звучания). Поэтому разработаны различные способы сжатия звуковых файлов. Наиболее популярным форматом, обеспечивающим высокую степень сжатия звуковых файлов при сохранении высокого качества звучания, является формат MP3 (MPEG Layer-3) (расширение файлов – .mp3), разработанный учеными из немецкого университета им. Фраугофера. Принципы сжатия основаны на удалении невоспринимаемых или плохо воспринимаемых человеком звуков. При использовании этого формата одна песня занимает в среднем 3,5 Мб и, например, на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200 музыкальных композиций.

Вычислительные операции, связанные с обработкой звука, выполняет звуковая карта, подключаемая к материнской плате. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Входами звуковой карты являются разъемы для подключения микрофона и MIDI-устройств (синтезаторов).

Основной характеристикой звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму, и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, и выше качество звучания. Минимальным требованием в настоящее время являются 16 разрядов, а наиболее распространены 32-разрядные и 64-разрядные звуковые карты.

Примеры решения задач

Задача №1

Какой будет объем звукового файла при длительности звучания в 1 минуту и среднем качестве звука («глубина» дискредитации 16 бит, а частота 24 кГц)

Решение:

V = 60 сек * 24000 Гц * 16 бит = 23 040 000 бит = 2 880 000 байт =

= 2 812,5 Кбайт = 2,75 Мбайт.

Задача №2

Определите какому качеству принадлежит звук (качество радиотрансляции, качество аудио-CD), если известно, что объем моноаудиофайла длительностью звучания 10 секунд равен 157 Кбайт.

Решение:

Для определения качества звука необходимо определить частоту. Разделим объем моноаудиофайла в битах (157*1024*8=1 286 144 бит) на продолжительность звучания 10 сек и на разрядность 16.

1 286 144/(10*16)=8038»8кГц. что соответствует качеству звучания радиотрансляции.

Вопросы для обсуждения.

1. Что в теории информации понимается под мерой информации?

2. На какие виды можно разделить все подходы к определению количества информации?

3. Какая система счисления в качестве основной используется в вычислительной технике?

4. Сколько различных состояний можно запомнить с помощью одного байта?

5. Какое количество информации требует двоичное кодирование одного из 256 символов?

6. Одна страница текста содержит 50 строк по 60 символов в каждой.

Чему равен объем информации, содержащийся в пяти таких страницах текста?

7. Какая единица измерения информации является наибольшей?

8. Что такое пиксел?

9. Какое количество цветов можно закодировать с помощью последовательности из четырех 0 и 1?

10. Какова минимальная длина кода для кодирования 500 различных символов в двоичной системе счисления?

11. Дайте определение метода RGB.

12. Какая самая распространенная система кодировки символов?

Математические основы информатики. Формы представления данных в компьютере

Системы счисления.

Системой счисления называется совокупность приемов наименования и записи чисел.

В любой системе счисления для представления чисел выбираются некоторые базовые символы (цифры), и все числа получаются в результате строго определенных операций над ними.

Существует два известных типа систем счисления: непозиционные и позиционные.

В непозиционных (иероглифических) системах счисления каждая цифра имеет одно и тоже значение независимо от положения в записи числа. Примером такой системы является римская система счисления. Базовыми символами (цифрами) римской системы являются: I, V, X, L, C, D, M. Например, в записи XIX цифра X повторена дважды и ее значение в обоих случаях равно десяти.

В настоящее время наиболее распространены позиционные системы счисления. Конкретное значение числа в такой системе определяется не только самими его цифрами, но и местоположением каждой из цифр, т.е. цифры имеют разный вес в записи числа. Примером такой системы счисления является привычная нам десятичная система счисления. Эта система использует десять базовых символов (цифр): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Количество различных цифр, используемых для записи чисел в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Например, в записи 1909 цифра 9 повторена два раза, при этом первая слева цифра означает число сотен, а вторая – число единиц в числе в указанном числе. Само же число 1909 можно представить в виде многочлена по степеням основания:

1*10³ + 9*10² + 010¹ + 9*10⁰

Соответственно любое другое десятичное число X можно также представить в виде многочлена по степеням основания системы счисления:

X = a_n*10ⁿ + a_n-1 *10^n-1 + ... + a₁ *10¹ + a₀ *10⁰, а цифры a_i – 0, ... , 9

Основание системы счисления может быть отличным от 10. Запись произвольного числа X в системе счисления по основанию R имеет вид:

X = a_n*Rⁿ + a_n-1 *R^n-1 + ... + a₁ *R¹ + a₀ *R⁰, а цифры a_i – 0, ... , R-1

Говорят, что десяток системы счисления с основанием R равен R.

Арифметические действия над числами в любой позиционной системе счисления производятся по тем же правилам, что и в десятичной системе. При этом только нужно пользоваться соответствующими таблицами сложения и умножения.

В компьютерных науках используется несколько позиционных систем счисления: двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная системы счисления.

Двоичная система счисления

Для выполнения программ компьютер временно записывает программу и данные в основную память. Память образована интегральными микросхемами (или "чипами"), которые содержат тысячи электронных компонент. Подобно обычным лампочкам компоненты имеют только два возможных состояния: "включен" (равным 1) и "выключен" (равным 0), с помощью которых комбинации компонентов могут представлять программу и данные. Компоненты основной памяти компьютера называются битами. Фактически бит унаследовал свое название от английского "BInary digiT" (двоичная цифра).

Группа из восьми бит называется байт. Каждый байт в памяти компьютера имеет уникальный адрес, начиная с нуля. Поскольку байт является основной единицей обработки, то и емкость памяти измеряется в бодах, байтах, килобайтах (Кб), мегабайтах (Мб), гигабайтах (Гб). 1 бод = 4 бита, 1 байт = 8 бит, 1 Кб = 1024 байт, 1 Мб = 1024 Кб = 1 048 576 байт, 1 Гб = 1024 Мб = 1 048 576 Кб = 1 073 741 824 байт.

Восемь бит обеспечивают основу для двоичной арифметики и для представления символов в памяти компьютера. Восемь бит дают 256 различных комбинаций включенных и выключенных состояний: от "все выключены" (00000000) до "все включены" (11111111). По соглашению биты в байте пронумерованы от 0 до 7 справа налево. Для представления и интерпретации данных в компьютере используется система счисления с основанием два (двоичная система). Для записи двоичных чисел используется только две цифры: 0 и 1. Сочетанием двоичных цифр (битов) можно представить любое число. Двоичная система счисления является позиционной, а соответственно значение двоичного числа определяется позицией каждого бита. В общем виде число в двоичной системе счисления представляется в форме:

X = a_n*2ⁿ + a_n-1 *2^n-1 + ... + a₁ *2¹ + a₀ *2⁰, а цифры a_i – 0,1

В литературе двоичные числа обозначается с помощью буквы B (Binary) или нижнего индекса 2, например, 01000001B или 01000001₂.

Двоичное число не ограничивается только восьмью битами. В зависимости от архитектуры компьютера, он оперируют 16-битными, 32-битными, 64-битными представлениями чисел.

Двоичная арифметика

При выполнении арифметических действий в двоичной системе счисления следует помнить, что единица является старшей значащей цифрой двоичного разряда. Выполняя в заданном разряде вычитание из нуля единицы, следует занять единицу из старшего значащего разряда. В результате в младшем разряде образуются две единицы. Операция умножения сводится к многократному сложению и сдвигу. При выполнении деления используются правила умножения и вычитания. Сложение двоичных чисел осуществляется тем же способом, что и в обычной десятичной арифметике. При сложении осуществляется перенос избытка из одного столбца в другой: при сложении двоичных значений 1+1 необходимо перенести 1 в предыдущий разряд, что обеспечит результат равный 10.