Что такое звуковая информация
Звуковая информация
Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой.
Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, а чем больше частота сигнала, тем выше тон.
Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz).
Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, который называют звуковым.
Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.
В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала.
Цифровой звук – это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды.
Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.
Современные звуковые карты обеспечивают 16-, 32- или 64-битную глубину кодирования звука.
При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным, то есть превращается в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Процесс перевода звуковых сигналов от непрерывной формы представления к дискретной, цифровой форме называют оцифровкой.
Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.
Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, называют глубиной кодирования звука.
Важной характеристикой при кодировании звука является частота дискретизации — количество измерений уровней сигнала за 1 секунду:
— 1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц;
— 1000 измерений в секунду соответствует частоте 1 кГц.
Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости звука за одну секунду.
Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до 48 кГц (от частоты радиотрансляции до частоты, соответствующей качеству звучания музыкальных носителей).
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 48000 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.
Лекция: Основные сведения о цифровом представлении звуковой информации. Определение звука. Запись звука.
Тема: Основные сведения о цифровом представлении звуковой информации. Определение звука. Запись звука.
1. Понятие и основные характеристики цифрового звука.
Цифровой звук — это аналоговый (т.е. непрерывный) звуковой сигнал, представленный посредством дискретных (т.е. отдельных) численных значений его амплитуды.
Характеристика цифрового звука:
Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука.
2. Преобразование и воспроизведение звуковой информации.
Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера:
Аудиоадаптер (звуковая плата) – специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.
В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера.
Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1 килогерц (кГц) = 1000 Гц. Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц и др.
Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 2 8 = 256 (2 16 = 65536) различных значений. Очевидно, что 16 – разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8 – разрядный.
Процесс воспроизведения звуковой информации, сохраненной в памяти ЭВМ:
Звуковой фай л – файл, хранящий звуковую информацию в числовой двоичной форме. Как правило, информация в звуковых файлах подвергается сжатию.
Процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (т.е. цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
3. Принципы оцифровки звука.
Оцифровка звука — технология преобразования аналогового звукового сигнала в цифровой вид. Заключается в осуществлении замеров амплитуды сигнала с определенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде. Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.
Оцифровка звука включает в себя два процесса:
· процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени
· процесс квантования по амплитуде.
Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется, с определенным временным шагом — шагом дискретизации. Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой сэмплирования (от англ. «sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале будет получено. Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью.
Линейное (однородное) квантование амплитуды
Таким образом, способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией, ИКМ (англ. Pulse Code Modulation — PCM).
Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM (Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.
Задача 1. Определить информационный объем стерео аудио файла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука (16 битов, 48 кГц).
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:
Что такое звуковая информация
Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.
Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.
Оцифровка звука включает в себя два процесса:
Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называетсяPCM ( Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.
Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)
Вышеописанный процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).
Это преобразование включает в себя следующие операции:
Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.
Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.
Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.
Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.
Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Для получения качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.
Кодирование оцифрованного звука перед его записью на носитель
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.