кодирование звуковой информации форматы звуковых файлов ввод и обработка звуковых файлов

Кодирование звуковой информации

Вы будете перенаправлены на Автор24

Непрерывные и дискретные звуковые сигналы

Звук представляет собой непрерывный сигнал, а именно звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой. Чем выше амплитуда сигнала, тем он громче воспринимается человеком. Чем больше частота сигнала, тем выше его тон.

Рисунок 1. Амплитуда колебаний звуковых волн

Частота звуковой волны определяется количеством колебаний в одну секунду. Данная величина измеряется в герцах (Гц, Hz).

Частота дискретизации звука

Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Готовые работы на аналогичную тему

Информационный объем звукового файла

Следует отметить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла.

Оценим информационный объём моноаудиофайла ($V$), это можно сделать, используя формулу:

$V = N \cdot f \cdot k$,

$f$ — частота дискретизации (Гц),

$k$ — глубина кодирования (бит).

$V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \ бит=23040000 \ бит=2880000 \ байт = 2812,5 \ Кбайт=2,75 \ Мбайт.$

При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно, увеличивает объём звукового файла в два раза по сравнению с монозвуком.

$V=16 \ бит \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \ бит = 96000 \ байт = 93,75 \ Кбайт.$

Основные методы кодирования звуковой информации

Существуют различные методы кодирования звуковой информации двоичным кодом, среди которых выделяют два основных направления: метод FM и метод Wave-Table.

Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых будет представлять собой правильную синусоиду, а это значит, что его можно описать кодом. Процесс разложения звуковых сигналов в гармонические ряды и их представление в виде дискретных цифровых сигналов происходит в специальных устройствах, которые называют «аналогово-цифровые преобразователи» (АЦП).

Рисунок 2. Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал

На рисунке 2а изображен звуковой сигнал на входе АЦП, а на рисунке 2б изображен уже преобразованный дискретный сигнал на выходе АЦП.

Для обратного преобразования при воспроизведении звука, который представлен в виде числового кода, используют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Процесс преобразования звука изображен на рис. 3. Данный метод кодирования не даёт хорошего качества звучания, но обеспечивает компактный код.

Рисунок 3. Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал

На рисунке 3а представлен дискретный сигнал, который мы имеем на входе ЦАП, а на рисунке 3б представлен звуковой сигнал на выходе ЦАП.

Таблично-волновой метод (Wave-Table) основан на том, что в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и т. д. Числовые коды выражают высоту тона, продолжительность и интенсивность звука и прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

Примеры форматов звуковых файлов

Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее популярные из них MIDI, WAV, МРЗ.

Формат MIDI (Musical Instrument Digital Interface) изначально был предназначен для управления музыкальными инструментами. В настоящее время используется в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза.

Формат аудиофайла WAV (waveform) представляет произвольный звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Все стандартные звуки Windows имеют расширение WAV.

Формат МРЗ (MPEG-1 Audio Layer 3) — один из цифровых форматов хранения звуковой информации. Он обеспечивает более высокое качество кодирования.

Источник

Кодирование звуковой информации. Форматы файлов

Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

Звукозапись – процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн.

Способы хранения:

Цифровой – Временная дискретизация, Квантование.

Форматы:

ØMIDI – запись музыкальных произведений в виде команд синтезатору, компактны, голос человека не воспроизводят,(соответствуют векторному представлению в графике)

ØWAV-универсальный звуковой формат, в нем хранится полная информация об оцифрованном звуке (соответствует формату bmp в графике). Занимает очень большой объем памяти (15Мбайтна1минутузвучания).

ØMP3 – формат сжатия аудио информации с регулируемой потерей информации, позволяет сжимать файлы в несколько раз в зависимости от заданного битрейта(в среднем в11раз). Даже при самом высоком битрейте–320кбит/сек – обеспечивает 4-кратное сжатие по сравнению с компакт-дисками.

ØAPE – формат сжатия аудио информации без потери информации (а следовательно качества), коэффициент сжатия около 2.

Источник

Кодирование звуковой информации

Звук и его дискретность

Звук являет собой волну, имеющую изменяющуюся со временем частоту и амплитуду колебаний. Иными словами, это непрерывный сигнал. Чем тише звук, который слышит человеческое ухо, тем ниже его амплитуда, а чем ниже его тон, тем меньше частота звукового сигнала.

На сегодняшний день для производства звуковых карт используется глубина кодирования звуковой волны величиной 64, 32 и 16 бит. Для удобства использования непрерывность звукового колебания при кодировании заменяют на последовательные отдельные сигналы, являющие собой последовательный ряд электрических импульсов, записанных с помощью нулей и единиц системы двоичного исчисления.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Частота дискретизации звуковой волны

Объем звуковой информации

Чем больше по объему аудио файл, тем лучше будет качество его воспроизведения. Объем более качественного файла всегда меньше объема файла с низким качеством, при равной их продолжительности.

Для расчета объема информации, занимаемого аудио файлом с одной звуковой дорожкой, используют нижеприведенную формулу:

Рассмотрим пример, когда время звучания аудио файла 5 минут с высоким качеством воспроизведения с частотой дискретизации 48000 Гц и глубиной кодирования 64 бит, то объем такого файла будет составлять:

\(V = 5 * 60 * 48000 * 64 = 921600000 бит,\)

что составляет 115200000 байт, или 115200 Кбайт, или 115,2 Мбайт.

Для стереозвука расчет объема производится по той же формуле, лишь только с той разницей, что нужно еще умножить на два, так как файл со стереозвуком обычно занимает в два раза больше места из-за того, что процесс дискретизации во время кодирования стереозвука проводится для каждой дорожки отдельно.

Самые распространенные методы аудио кодирования

Аудио информация кодируется обычно с применением методов двоичного кода, из них самыми популярными являются таблично-волновой метод (Wave-Table) и метод модуляции частоты (FM).

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Таблично-волновой метод (англ. Wave-Table) базируется на использовании предварительно разработанной таблицы, которая состоит из ячеек, содержащих все возможные звуки окружающей среды (птиц, животных, природы, музыкальных инструментов и так далее). Они представлены в виде цифровых кодов, каждый из них имеет свою определенную частоту, высоту, глубину, длительность и другие звуковые параметры. Благодаря тому, что образцы представляют собой реальные существующие звуки, воспроизводимый звук будет достаточно высококачественным, и сильно напоминать звуки живых инструментов.

Распространенные форматы аудио файлов

Аудио файлы бывают различных форматов. Рассмотрим самые распространенные из них:

Источник

Кодирование и обработка звуковой информации

Звуковая информация. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).

Человек может воспринимать звук в огромном диапазоне интенсивностей, в котором максимальная интенсивность больше минимальной в 10 14 раз (в сто тысяч миллиардов раз). Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дбл) (табл. 5.1). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увеличению интенсивности звука в 10 раз.

Таблица 5.1. Громкость звука

Временная дискретизация звука. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Временная дискретизация звука

Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и г го 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 I секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее «лесенка» цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.

Глубина кодирования звука. Каждой «ступеньке» присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.

N = 2 I = 2 16 = 65 536.

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 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим «стерео»).

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду й умножить на 2 (стереозвук):

16 бит × 24 000 × 2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.

Звуковые редакторы. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых редакторах в наглядной форме, поэтому операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.).

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.

При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются «избыточные» для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде).

Контрольные вопросы

1. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?

Задания для самостоятельного выполнения

1. Задание с выборочным ответом. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней интенсивности сигнала?

1) 16 битов; 2) 256 битов; 3) 1 бит; 4) 8 битов.

2. Задание с развернутым ответом. Оценить 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, 48 000 измерений в секунду.

3. Задание с развернутым ответом. Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5″ (учтите, 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, 48 000 измерений в секунду.

Источник

Кодирование звуковой информации, форматы звуковых файлов. Ввод и обработка звуковых файлов

Кодирование звуковой информации. Форматы звуковых файлов. Ввод и обработка звуковых файлов.

Из курса физики известно, что звук представляет собой колебания воздуха. Амплитуда этих колебаний непрерывно меняется со временем. По своей природе звук является непрерывным сигналом. Для кодирования звука надо этот непрерывный сигнал превратить в последовательность нулей и единиц. Делают это следующим образом.

С помощью микрофона звук можно превратить в колебания электрического тока. Амплитуда колебаний измеряется через равные промежутки времени (на практике — несколько десятков тысяч раз в секунду). Каждое измерение фиксируется с установленной точностью и записывается в двоичном виде. Этот процесс называется дискретизацией.

Устройство для выполнения дискретизации называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). АЦП измеряет электрическое напряжение в каком-то диапазоне и выдает ответ в виде многоразрядных двоичных чисел. Например, типичный 8-битовый АЦП преобразует значения напряжения в диапазоне [-500 мВ, 500 мВ] в 8-разрядные двоичные числа в диапазоне [-127, +127].

Воспроизведение закодированного таким образом звука производится при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Двоичные числа, кодирующие звук, подаются на вход ЦАП с точно такой же частотой, как и при дискретизации, и ЦАП преобразует их в значения электрического напряжения обратно тому, как это делал АЦП. Например, двоичные числа из диапазона [-127, +127] преобразуются в значения напряжения из диапазона [-500 мВ, 500 мВ]. Полученный на выходе ЦАП ступенчатый сигнал сначала сглаживается с помощью аналогового фильтра, а затем преобразуется в звук при помощи усилителя и динамика.

При работе со стереозвуком все это проводится отдельно и независимо для левого и правого каналов.

На качество воспроизведения звука влияют в основном два параметра: частота дискретизации и разрешение — размер ячейки, отводимой под запись значения амплитуды.

Например, при записи на компакт-диски (CD) используются 16-разрядные значения, а частота дискретизации равна 44 032 Гц. Эти параметры обеспечивают прекрасное качество звучания речи и музыки.

Выбор частоты дискретизации определяется максимальной частотой звука, который еще слышит человек, 22 кГц. Чтобы удержать при дискретизации информацию о колебании в 22 кГц, на каждом периоде должно записываться, по крайней мере, два значения. То есть нужна вдвое большая частота дискретизации, а именно 44 кГц. Эта частота обеспечивает запись любых слышимых человеком звуков. В тех случаях, когда столь высокое качество не требуется, можно использовать меньшие частоты дискретизации: 11 кГц, 5,5 кГц и т. д. Чтобы первые частоты, получаемые последовательным делением исходной частоты вдвое, оказались целыми, удобно взять исходную частоту в виде произведения целого числа на степень двойки. Этим и объясняется выбор частоты 172*28 = 44 032 Гц.

Однако, во многих случаях качество CD не требуется. Для записи и передачи речи достаточна частота дискретизации 8 кГц. Несмотря на то, что составляющие человеческого голоса с частотой свыше 4 кГц не могут быть зарегистрированы при такой частоте дискретизации, закодированную речь легко понять.

Программы для обработки звука можно назвать звуковыми редакторами, если не определять их конкретные возможности. Общими операциями для таких редакторов являются возможность записи, воспроизведения и редактирования звуков. Оцифрованный звук представляется в звуковых ре­дакторах в наглядной форме, поэтому операции с файлами проводятся легко с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга и применять различные звуковые эффекты. Как правило, звуковые файлы подвержены сжатию. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в универсальном формате в файле WAV или в формате со сжатием МРЗ.

Источник