программы кодирования в системе мультимедиа получают на вход несжатую wav

Программы кодирования в системе мультимедиа получают на вход несжатую wav

Понятие о мультимедийных данных и их обработке

Занятие 1
Раздел 1

Мультимедиа, мультимедийные данные

Мультимедийными данными называют данные, для представления которых используют разные способы и которые человек воспринимает одновременно несколькими органами чувств.

Когда говорят о программах обработки мультимедийных данных, то чаще всего под ними понимают программы, которые обрабатывают звуковые и видеоданные.

Мультимедийные данные объединяют текст, изображения, звук, видео, анимацию, интерактивные возможности (использование гиперссылок). Во время обработки таких данных с помощью компьютера используются различные форматы.

I. Форматы файлов звукозаписи и видеофайлов

Тип (формат) файла определяет структуру данных в файле и способы кодирования.

Аудио-формат
Существуют такие наиболее распространенные форматы звукозаписи:

Аудиоформат

Полное название формата

Особенности формата

Musical
Instrument Digital
Interface

В отличие от других аудиоформатов, представляет собой не оцифрованный звук, а наборы указаний (инструмент, ноты, проигрываемых значения параметров звука и т.п.), могут воспроизводиться по-разному в зависимости от устройства воспроизведения. Позволяет обмениваться данными между музыкальными инструментами, синтезаторами и компьютерами

WAV

Waveform audio format (от англ.wave-волна)

Используется в операционной системе Windows. Аудио-формат без использования сжатия. Точно передает звук, но занимает значительный объем на диске

MP3

MPEG Layer 3

WMA

Windows Media Audio

Разработанный компанией Microsoft как альтернатива MP3. Степень сжатия данных и качество звука почти аналогичная формату MP3, но имеет некоторые преимущества и недостатки. Новые версии формата предусматривают кодирования без потери качества, многоканальное кодирование объемного звука и кодирования голоса

AAC

Advanced Audio Coding

Во время кодирования значительно уменьшается объем данных, необходимых для передачи высококачественного цифрового аудио. В этом формате происходит меньше потеря качества, чем в MP3, при одинаковых объемов данных

Видео-формат

Форматы видео является медиа-контейнерами, то есть:

Медиа-контейнер не только дает возможность хранить аудио- и видеозаписи, но и обеспечивает синхронизацию аудио- и видео- потоков при воспроизведении.

Сжатия, как правило, происходит с потерями качества.

Различные медиа-контейнеры могут поддерживать различные кодеки: DivX, XviD, MJPEG, VC-1 и др.
Видео может быть сохранено на различных носителях. Как правило, видео высокого качества имеет значительный объем.

Полное название формата

AVI

Audio-Video Interleaved

MPEG

Motion Picture Experts Group

Разработан в начале 1990-х экспертной группой по вопросам движущегося изображения (MPEG) и постоянно развивается. Были созданы такие алгоритмы сжатия данных: MPEG1, MPEG2 и MPEG4

MOV

QuickTime Movie

WMV

Windows Media Video

это формат от Microsoft, именно в нем вы получите видеоролик, сделанный с помощью простого видеоредактора Movie Maker, который входит в систему Windows.

3GP

3rd Generation (mobile) Phone

видео для мобильных телефонов третьего поколения, имеют малый размер и низкое качество.

FLV

Flash Video

формат видео для размещения и передачи в Интернете. Используется такими площадками для размещения видеоклипов, как YouTube, RuTube, Tube.BY, Google Video, Movie Maker и многие другие.VOB
MPEG2это расширение контейнера, который может содержать несколько потоков видео (формата MPEG-2) и аудио, а также меню и субтитры фильма. Это основные файлы на DVD-диске с фильмом.RM

Real Media

Форматы записи видео на носители.

1. Форматы дисков

Современные диски чаще всего попадают в одну из двух категорий – CD или DVD. Обе категории основаны на одном принципе записи и в то же время отличаются друг от друга объемом записанной на них информации и другими техническими характеристиками.

Аббревиатура CD расшифровывается как Compact Disk – компактный диск (компакт-диск).

Аббревиатура DVD сначала означала Digital Video Disk – цифровой видеодиск, но впоследствии стала расшифровываться как Digital Versatile Disk – цифровой универсальный диск.

Основное сходство заключается в том, что они лазерные. Информация на них записывается на спиралевидную дорожку

При этом каждый бит информации на дорожке хранится в виде питов – небольших пятен, или углублений на рабочем слое, и лэндов – равных, нетронутых участков слоя. При считывании луч лазера попадает на питы и лэнды, после чего отражается в приемное устройство, фиксирующее результат чтения. Физический размер самих дисков один и тот же – диаметр CD и DVD составляет 12 см.

В последнее время на рынке появилось новое поколение оптических дисков – Blu-ray и HD DVD (High-Definition DVD – DVD высокого разрешения)

Обычные технологии DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно. В технологии Blu-ray для чтения и записи используется синефиолетовий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку почти вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи даннях

Форматы данных на диске

Диски содержат информацию в виде записей, имеющих определенную структуру, или, как иногда говорят, формат. В зоны данных дисков может записываться самая разнообразная информация. Для большинства пользователей компьютеров наибольший интерес представляют аудиодиски с музыкой, диски с какими-то данными и видеодиски с фильмами. Вся полезная информация, хранимая на дисках, записывается на них в определенном формате, чтобы устройства воспроизведения (проигрыватели дисков) могли правильно прочитать и воспроизвести информацию, например, показать вам фильм на DVD.

В связи с тем что большинство аудио- и видеоданных сжимаются с использованием разнообразных алгоритмов, для их воспроизведения нужно применять специальные программы — кодировщики/декодировщики, или кодеки. Кодеки входят в состав программ-проигрывателей аудио- или видеофайлов, а также могут выпускаться как дополнительный набор программ, например K-Lite Codec.

II. Программное обеспечение для обработки мультимедийных данных

Когда говорят о программах обработки мультимедийных данных, то чаще всего под ними понимают программы, которые обрабатывают звуковые и видеоданные.

Классификация программ для обработки звуковых и видеоданных по назначению представлена на рисунке.

Большинство мультимедийных проигрывателей может воспроизводить и видео, и звуковые данные;

Как правило, эти устройства обеспечивают ввод звука и видео, но не имеют функций для их сохранения в виде звуковых и видеофайлов определенных форматов.

2. Программы записи (захвата). Специальные программы, предназначенные для сохранения звуковых и видеоданных, которые вводятся с указанных устройств записи (захвата) звука и видео. Их еще называют грабберами (англ. grabber — тот, кто захватывает, хапуга). Эти программы во время воспроизведения, например, видеофильма с DVD-проигрывателя одновременно осуществляют перекодирование данных и их запись в видеофайл выбранного пользователем формата.

Примерами программ для захвата звука являются:

AML Easy Audio Recorder и др.

Звукозапись→ стандартная программа ОС Windows.

Пуск/Все программы/Стандартные/Развлечение/Звукозапись

Программа «Звукозапись» предназначена для записи, смешивания, воспроизведения и редактирования звукозаписей. Кроме этого, программа звукозаписи позволяет связывать звуки с другим документом или вставлять их в него. Изменение несжатой звукозаписи может выполняться следующими способами:

добавление звуков в файл;	удаление части звукозаписи;
изменение скорости воспроизведения;	изменение громкости воспроизведения;
изменение направления воспроизведения;	изменение или преобразование типов звукозаписей;
изменение направления воспроизведения;

Примечания
Для записи звуков к компьютеру следует подключить микрофон.
Записанные звуки сохраняются в формате звукозаписи (WAV).

Программы для захвата видео:

3. Программы конвертации файлов. В связи с большим количеством разнообразных форматов аудио- и видеофайлов пользователям часто приходится выполнять перекодирование этих файлов в форматы, которые могут быть воспроизведены на тех или иных технических устройствах или теми или иными программами.

Для перекодирования файлов из одного формата в другой предназначены программы конвертации файлов, такие как:

• вставка, удаление, копирование, изменение длительности аудио- или видеофрагментов, объединение нескольких фрагментов, вставка текстовых и графических объектов, синхронизация звука и видео и т. п.

Музыкальными редакторами являются такие программы:

•Anvil Studio,
•ALO Audio Editor,
•AKRAM Audio Editor и др.

• стандартная программа Windows Movie Maker,
•Xilisoft Video Editor,
•VideoMach и др.

5. Музыкальные и видео- студии имеют приблизительно такое же назначение,что и редакторы, однако имеют расширенный набор функций и используются в профессиональной деятельности на студиях звукозаписи, кино- и анимационных студиях для создания звукозаписей, аудио- и видеокомпозиций, анимации, кино- и видеофильмов, рекламных роликов, видеоклипов и т. п (например: Steinberg Cubase, Adobe Premiere Pro).

Источник

Обработка звука

Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:

1. Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала.

2. Частотные преобразования. Выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну.

3. Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука.

4. Временные преобразования. Реализуются путем наложения, растягивания/сжатия сигналов; позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

Аналоговый и дискретный способы представления звука

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.

При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.

При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластин­ка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).

Восприятие звука человеком

Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука.

Колебания барабанной перепонки в свою очередь передаются во внутреннее ухо и раздражают слуховой нерв. Так образом человек воспринимает звук.

В аналоговой форме звук представляет собой волну, которая характеризуется:

Герц (Гц или Hz) — единица измерения частоты колебаний. 1 Гц= 1/с

Человеческое ухо может воспринимать звук с частотой от 20 колебаний в секунду (20 Герц, низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (20 КГц, высокий звук).

Кодирование звуковой информации

Для того чтобы комп ьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Качество кодирования звуковой информации зависит от :

1)частотой дискретизации, т.е. количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования.

2)глубиной кодирования, т.е. количества уровней сигнала.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле: N = 2 i = 2 16 = 65536, где i — глубина звука.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

Форматы звуковых файлов

РСМ. РСМ расшифровывается как pulse code modulation, что и является в переводе как импульсно-кодовая. Файлы именно с таким расширением встречаются довольно редко. Но РСМ является основополагающей для всех звуковых файлов.

RIFF. Resource Interchange File Format. Уникальная система хранения любых структурированных данных.

MOD. Файл хранит в себе короткий образец звука, который потом можно использовать в качестве шаблона для инструмента.

AIF или AIFF. Audio Interchange File Format. Данный формат распространен в системах Apple Macintosh и Silicon Graphics. Заключает в себе сочетание MOD и WAV.

MID. Файл, хранящий в себе сообщения MIDI-системе, установленной на Вашем компьютере или в устройстве.

МР3. Самый скандальный формат за последнее время. Многие для объяснения параметров сжатия, которые в нем применяют, сравнивают его с jpeg для изображений. Там очень много наворотов в вычислениях, чего и не перечислишь, но коэффициент сжатия в 10-12 раз сказали о себе сами. Специалисты говорят о контурности звука как о самом большом недостатке данного формата. Действительно, если сравнивать музыку с изображением, то смысл остался, а мелкие нюансы ушли. Качество МР3 до сих пор вызывает много споров, но для «обычных немузыкальных» людей потери не ощутимы явно.

RA. Real Audio или потоковая передача аудиоданных. Довольно распространенная система передачи звука в реальном времени через Интернет. Скорость передачи порядка 1 Кб в секунду. Полученный звук обладает следующими параметрами: 8 или 16 бит и 8 или 11 кГц.

Источник

MP3, AAC, WAV, FLAC: рассказываем обо всех форматах аудиофайлов

Сохранить и прочитать потом —

Организуя свою коллекцию цифровой музыки, можно утонуть в разнообразии форматов аудиофайлов. Почти каждый слышал об MP3, но что такое OGG, AIFF или MQA?

Если по прочтении списка у вас возникло подозрение, что все эти форматы для получения таких шикарных аббревиатур учились в разных университетах, мы поможем развеять его. В этом материале будет прояснена суть некоторых популярных музыкальных форматов, разница между ними и то, почему это важно знать.

Что бы вы ни слушали – MP3-файлы с низким битрейтом, чуть более качественные треки в AAC или Hi-Res-аудио во FLAC или WAV – настало время разобраться в том, что именно вы получаете в каждом случае и как выбрать оптимальный формат.

Давайте оценим плюсы и минусы каждого из них.

Краткий обзор форматов файлов и кодеков

Чтобы не ходить вокруг да около, вначале мы приведем краткую памятку по всем форматам файлов и различиям между ними. Если захотите узнать больше, ниже вы найдете более подробное описание различий в размерах, качестве звука и совместимости.

AAC (не является форматом Hi-Res-аудио). Ставшая популярной благодаря Apple альтернатива формату MP3. Со сжатием и потерями, но с более высоким качеством звука. Используется для скачивания с iTunes и трансляции с Apple Music.

AIFF (Hi-Res). Альтернатива WAV от Apple с более полными метаданными. Не особенно популярный формат без сжатия и потерь с файлами большого размера.

DSD (Hi-Res). Однобитный формат, применяемый в Super Audio CD. Существует в вариантах с частотой дискретизации 2,8 МГц, 5,6 МГц и 11,2 МГц. Из-за использования кодека высокого качества в настоящее время не применяется для стриминга. Формат без сжатия.

FLAC (Hi-Res). Формат со сжатием без потерь с поддержкой частот дискретизации, совместимых с Hi-Res, и хранением метаданных; размер файлов вдвое меньше, чем у WAV. Благодаря отсутствию лицензионных отчислений считается лучшим форматом для скачивания и хранения альбомов в Hi-Res-аудио. Его главный недостаток – отсутствие поддержки устройствами Apple (и, следовательно, несовместимость с iTunes).

MP3 (не является форматом Hi-Res-аудио). Популярный формат со сжатием и потерями с малым размером файла и далеко не самым высоким качеством звучания. Удобен для хранения музыки на смартфонах и плеерах iPod.

MQA (Hi-Res). Формат со сжатием для хранения Hi-Res-файлов в более удобной для стриминга форме. Используется сервисом Tidal Masters для трансляций Hi-Res-аудио.

OGG (не является форматом Hi-Res-аудио). Иногда называется полным именем – Ogg Vorbis. Альтернатива MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающая под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.

WAV (Hi-Res). Стандартный формат, в котором записаны все CD. Отличное качество звука, но огромный размер файлов из-за отсутствия сжатия. Слабая поддержка метаданных (обложек, названий песен и исполнителей).

WMA Lossless (Hi-Res). Версия Windows Media Audio без сжатия, поддержку которой уже не часто можно встретить в смартфонах и планшетах.

Аудиофайлы со сжатием и без него

Вначале рассмотрим три категории, в которые можно сгруппировать все форматы аудиофайлов. Они определяются степенью сжатия данных и связанным с ним уровнем потерь качества звучания.

Если для сжатия аудио в вашем файле не применялся специальный алгоритм (или кодек), это приведет к двойному результату: во-первых, потерь качества звучания не будет, во-вторых, место на вашем жестком диске скоро закончится.

По своей сути запись в формате без сжатия полностью соответствует оригинальному аудиофайлу, в котором зафиксированы в цифровом представлении реальные звуковые сигналы.

WAV и AIFF можно назвать самыми популярными форматами аудиофайлов без сжатия. Оба они основаны на PCM (Pulse Code Modulation, импульсно-кодовой модуляции), широко известном механизме непосредственного преобразования аудиосигнала в цифровую форму. В WAV и в AIFF применяются схожие технологии, но методы хранения данных несколько различаются. В этих форматах можно записывать как файлы CD-качества, так и более высокого разрешения.

Формат WAV был разработан Microsoft и IBM, в силу чего применяется на платформах на базе Windows; он является стандартным форматом записи компакт-дисков.

Формат AIFF создан компанией Apple как альтернатива WAV; и хотя AIFF-файлы менее распространены, они обеспечивают более полную поддержку метаданных, позволяя хранить обложки альбомов, названия песен и тому подобную информацию.

Недостаток этих форматов – требование гигантских объемов памяти. Файлы CD-качества (16 бит, 44,1 кГц) занимают около 10 МБ дискового пространства на минуту звучания.

ALAC, FLAC, WMA Lossless: аудиоформаты без потерь

Все мы любим FLAC. Формат без потерь, файлы во FLAC (Free Lossless Audio Codec, бесплатный аудиокодек без потерь) по размеру почти вдвое меньше, чем в WAV или AIFF без сжатия с эквивалентной частотой дискретизации, однако в плане звучания никаких потерь качества не заметно. FLAC также поддерживает более высокое разрешение по сравнению с CD-качеством – до 32 бит и 192 кГц.

Помимо FLAC, есть и другие форматы без потерь – ALAC (Apple Lossless) и WMA Lossless (Windows Media Audio). Первый представляет собой отличную альтернативу для iOS и iTunes, хотя размер файлов чуть выше, чем у FLAC. Не все смартфоны и планшеты поддерживают его.

AAC и MP3: аудиоформаты с потерями

Кто не слышал про MP3? Все про него слышали. Этот самый распространенный аудиоформат удобен для хранения музыки на плеерах iPod или планшетах и поддерживается практически любыми устройствами. Однако для этого приходится жертвовать значительным объемом информации. Для того чтобы уменьшить размеры файлов на порядок по сравнению с записями в CD-качестве, необходимо отбросить значительный процент исходных данных, что приводит к потере качества звучания.

Битрейт, с которым записан MP3-файл, тоже влияет на качество звука. MP3 с битрейтом 128 кбит/с теряют больше информации, чем файлы с 320 кбит/с (это расшифровывается как «килобит в секунду», где каждый «бит», в сущности, представляет собой крохотный кусочек песни). Учитывая резкое снижение стоимости памяти, в наше время нет никаких причин слушать файлы с битрейтом 128 кбит/с; MP3 с 320 кбит/с имеют смысл при ограниченном объеме памяти, они также остаются стандартным форматом для скачивания файлов Интернет-магазинов.

Еще один формат с потерями, AAC (Advanced Audio Coding, усовершенствованное кодирование звука), также предполагает сжатие, как и MP3, но благодаря несколько более эффективным алгоритмам обеспечивает более качественный звук. AAC используется для скачивания с iTunes и трансляций с Apple Music (с битрейтом 256 кбит/с), а также в передачах с YouTube.

Формат Vorbis, нередко называемый Ogg Vorbis, чтобы подчеркнуть использование контейнера Ogg, представляет собой альтернативу MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающую под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.

Если вы планируете использовать форматы с потерей информации, учитывайте следующий факт: повышение числа «бит» обычно ведет к росту качества звучания, однако оно во многом зависит от эффективности кодека, с помощью которого выполняется преобразование файла. Если большая часть музыки в вашей коллекции закодирована с битрейтом 128 Кбит/с, то вы могли заметить, что, несмотря на принципиальное сходство звучания, из-за низкой эффективности кодека MP3-файлы, скорее всего, будут слушаться несколько хуже AAC или Ogg Vorbis.

Как насчет музыки в высоком разрешении?

В отличие от HD-видео, для аудио высокого разрешения пока не разработано универсального стандарта.

Если не вдаваться в подробности, под этим термином обычно понимаются записи с более высокой частотой дискретизации и/или разрядностью, чем у CD (т.е. 16 бит/44,1 кГц). Примерами Hi-Res-аудио могут служить файлы с параметрами 16 бит/96 кГц или 24 бит/192 кГц.

Благодаря наличию дополнительной аудиоинформации Hi-Res-файлы звучат намного лучше в сравнении с компрессированными файлами, теряющими эту информацию в процессе сжатия. Эти форматы требуют больше места на диске, но их качество определенно стоит таких затрат.

К Hi-Res-аудио относятся форматы без сжатия, такие как AIFF и WAV, а также без потерь – FLAC и ALAC. DSD (отчасти нишевый формат, применявшийся в Super Audio CD) также входит в категорию Hi-Res-аудио, но его поддерживает гораздо меньшее число устройств. Если говорить о стриминге, то такие сервисы, как Tidal Masters, используют упаковщик MQA, позволяющий передавать по сетям файлы в высоком разрешении с использованием минимально возможной полосы пропускания сигнала.

Что касается воспроизведения форматов Hi-Res-аудио, то сегодня его поддерживает уже немало устройств. 24-разрядные файлы способны проигрывать беспроводные колонки Denon HEOS, а также портативные музыкальные плееры премиум-класса – такие как Cowon Plenue D2 и Astell & Kern A&norma SR15.

Кроме того, с Hi-Res-аудио совместимы большинство флагманских моделей смартфонов под Android – например, удостоенный высших оценок Samsung Galaxy S10+ – однако прослушать их на новеньком iPhone вам сходу не удастся. Мы нашли способы обойти это ограничение, но нельзя забывать о том, что файлы Hi-Res-аудио пока еще не настолько компактны, как их аналоги в форматах с потерями.

Какой аудиоформат будет лучшим для вас?

Выбор формата зависит от того, что вас больше волнует – объем памяти или качество звучания – а также от того, с каким устройством вы намерены его использовать.

Популярность MP3 сложилась в эпоху, когда стоимость дискового пространства была очень высока. Сегодня смартфоны, музыкальные плееры и ноутбуки оснащаются памятью внушительного объема, так что есть смысл обратить внимание на форматы с качеством выше, чем у CD.

Если же вы решили архивировать свои аудиофайлы, FLAC или другой формат без потерь может стать неплохим вариантом. Они представляют собой удачный компромисс между уровнем сжатия и качеством звучания, позволяя слушать высококачественную цифровую музыку и сэкономить дисковое пространство. Только не забудьте проверить совместимость выбранного формата и имеющихся устройств.

Подготовлено по материалам портала «What Hi-Fi?», март 2020 г.

Источник