Содержание
Раздел программы: Информация. Двоичное кодирование информации.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Вид урока: учебно-исследовательская работа.
Время проведения: завершение темы “Двоичное кодирование информации”.
Оборудование: компьютеры, наушники, микрофон, колонки, бланки оформления учебно-исследовательской работы, раздаточный материал с теоретическими сведениями по изучаемой теме; бланки для оформления учебно-исследовательской работы; тексты, которые будут записываться учащимися при помощи приложения Звукозапись. На компьютерах установлена операционная система Windows 2000, XP.
Учащиеся делятся на группы (по 4 человека в группе). В группах распределяются функции между учащимися: организатор, спикер, хранитель времени, секретарь. Необходимо заготовить раздаточный материал с теоретическими сведениями по изучаемой теме, бланки для оформления учебно-исследовательской работы, тексты, которые будут записываться учащимися при помощи приложения Звукозапись, тестовую проверочную работу.
Содержание этапов урока
Виды и формы работы
Хронометраж времени
1.
1 мин.
2.
3 мин.
3.
20 мин.
4.
25 мин.
5.
20 мин.
6.
7 мин.
7.
2 мин.
8.
2 мин.
Итого
80 минут
Тема нашего урока – “Двоичное кодирование звуковой информации”. Сегодня мы познакомимся с понятием временной дискретизации звука, установим экспериментальным путем зависимость между качеством кодирования звука, глубиной кодирования и частотой дискретизации; научимся оценивать информационный объем аудиофайла; записывать звук с помощью компьютера, сохранять его в звуковых файлах в формате WAV и воспроизводить. План урока …
Работа учащихся в группах по изучаемой теме с выделением главных понятий и зависимостей. Составление опорного конспекта (теоретическая основа урока – в Приложении 1).
Бланк опорного конспекта
1. Тема
___________________________________________________________________________
2. Основные понятия
____________________________________________________________________________
3. Формулы
____________________________________________________________________________
4.Примеры
____________________________________________________________________________
- Что представляет собой временнaя дискретизация звука?
- Чем заменяется непрерывный звуковой сигнал при двоичном кодировании?
- От чего зависит качество двоичного кодирования?
- Какие значения может принимать частота дискретизации, глубина звука?
- Какие существуют режимы записи звуковых файлов в приложении Звукозапись?
Группы № 1 – 4. Установить зависимость между качеством двоичного кодирования звука и информационным объемом аудиофайла для звуковой информации различного содержания (монологическая речь, диалогическая речь, стихотворение, песня); зависимость между информационным объемом файла и режимом записи (моно, стерео).
Тексты для записи аудиофайлов:
1. Умен ты или глуп,
Велик ты или мал,
Не знаем мы, пока
Ты слова не сказал.
(Саади)
2. Во поле березка стояла,
Во поле кудрявая стояла.
3. – Что трудно?
– Познать самого себя.
– Что легко?
– Давать советы другим.
(Фалес)
4. Гибкость ума может заменить красоту.
(Стендаль)
Гипотеза. Информационный объем аудиофайла зависит от качества двоичного кодирования звука, режима записи и не зависит от содержания.
Задача. Установить зависимость между качеством двоичного кодирования звука и информационным объемом аудиофайла для звуковой информации различного содержания (монологическая речь, диалогическая речь, стихотворение, песня); зависимость между информационным объемом файла и режимом записи (моно-, стерео-).
Метод исследования: эксперимент.
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
Результаты, полученные в ходе эксперимента:
“Глубина” кодирования
Частота дискретизации
Режим записи
Информационный объем
4
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
Инструкция № 1
для выполнения исследовательского задания
1. Запишите звуковой файл:
- "глубина" кодирования 8 бит, частота дискретизации 8 кГц, монорежим;
- "глубина" кодирования 16 бит, частота дискретизации 24 кГц, стереорежим;
- "глубина" кодирования 16 бит, частота дискретизации 48 кГц, монорежим;
- "глубина" кодирования 16 бит, частота дискретизации 48 кГц, стереорежим.
2. Воспроизведите аудиофайл.
3. Сравните его информационный объем с качеством звучания.
4. Сравнить информационные объемы файлов, записанных с одинаковой “глубиной” кодирования, частотой дискретизации в различных режимах записи.
5. Сделайте выводы.
| Запись звукового файла с помощью стандартного приложения Звукозапись. | |
1
2
3
4
В раскрывающемся списке Атрибуты: выбрать качество дискретизации, например, 8 000 Гц; 8 бит; Моно.
5
6
1
2
3
5. Подведение итогов работы в группах.
Каждая группа демонстрирует записанные аудиофайлы, анализирует полученные в ходе эксперимента результаты.
Инструкция № 2
для подведения итогов работы в группах
- Заполнить бланк № 2.
- Воспроизвести аудиофайлы через колонки.
- Сделать выводы.
6. Контроль уровня усвоения программного материала.
1. При частоте дискретизации 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует:
б) качеству радиотрансляции;
2. В каком формате сохраняются звуковые файлы:
3. Качество кодирования непрерывного звукового сигнала зависит:
а) от частоты дискретизации и глубины кодирования;
б) от глубины цвета и разрешающей способности монитора;
в) от международного стандарта кодирования.
4. Два звуковых файла записаны с одинаковой частотой дискретизации и глубиной кодирования.
Информационный объем файла, записанного в стереорежиме, больше информационного объема файла, записанного в монорежиме:
б) объемы одинаковые;
5. Стандартное приложение Звукозапись позволяет:
а) записывать, сохранять звуковые файлы;
б) записывать, воспроизводить, редактировать звуковые файлы;
в) записывать, редактировать, микшировать, воспроизводить звуковые
файлы.
Задание № 1
Задание № 2
Задание № 3
Задание № 4
Задание № 5
в
-
Домашнее задание.
Вычислить информационные объемы записанных на уроке аудиофайлов и сравнить их с объемами, полученными экспериментальным путем.
В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ (редактор звукозаписи). Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука — количество уровней) [1] .
Содержание
Принципы оцифровки звука [ править | править код ]
Цифровой звук — это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды [2] .
Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде [2] .
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.
Дискретизация по времени [ править | править код ]
Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется с определенным временным шагом — шагом дискретизации . Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в единицу времени, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой семплирования (от англ. « sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено.
Это подтверждается теоремой Котельникова (в зарубежной литературе встречается как теорема Шеннона, Shannon). Согласно ей, аналоговый сигнал с ограниченным спектром точно описуем дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения берутся с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала. То есть, аналоговый сигнал, в котором находится частота спектра равная Fm, может быть точно представлен последовательностью дискретных значений амплитуды, если для частоты дискретизации Fd выполняется: Fd>2Fm.
На практике это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (20 Гц — 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц. Количество замеров амплитуды в секунду называют частотой дискретизации (в случае, если шаг дискретизации постоянен).
Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью (хотя исходя из теоремы Шенона и Котельникова это возможно)
Линейное (однородное) квантование амплитуды [ править | править код ]
Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N -битного слова можно описать 2 N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды — динамический диапазон сигнала — в виде 2 N −1 равных промежутков, разделив его на 2 N уровней — квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).
Точность округления зависит от выбранного количества (2 N ) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования (подразумевая количество разрядов, то есть бит, в каждом слове), а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или семплами (от англ. « sample» — «замер»). Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными. Этот 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.
Другие способы оцифровки [ править | править код ]
- Способ неоднородного квантования предусматривает разбиение амплитудной шкалы на уровни по логарифмическому закону. Такой способ квантования называют логарифмическим квантованием. При использовании логарифмической амплитудной шкалы, в области слабой амплитуды оказывается большее число уровней квантования, чем в области сильной амплитуды (при этом, общее число уровней квантования остается таким же, как и в случае однородного квантования). Аналогово-цифровое преобразование, основанное на применении метода неоднородного квантования, называется неоднородной импульсно-кодовой модуляцией — неоднородной ИКМ (Nonuniform PCM).
- Альтернативным способом аналогово-цифрового преобразования является разностная импульсно-кодовая модуляция — разностная ИКМ (англ. « Differential PCM») — в случае разностной ИКМ квантованию подвергают не саму амплитуду, а относительные значения величины амплитуды. В полной аналогии с ИКМ, разностная ИКМ может сочетаться с использованием как однородного, так и неоднородного методов квантования. Разностное кодирование имеет много разных вариантов [3] .
Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени.
- Блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл без изменений, то есть последовательностью чисел – значений амплитуды. В этом случае существуют два способа хранения информации.
- Первый – PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция) – способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд. (В таком виде записаны данные на всех аудио CD.)
- Второй – ADPCM (Adaptive Delta PCM – адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях).
Терминология [ править | править код ]
- кодер – программа (или устройство), реализующая определенный алгоритм кодирования данных (например, архиватор, или кодер MP 3), которая в качестве ввода принимает исходную информацию, а в качестве вывода возвращает закодированную информацию в определенном формате.
- декодер – программа (или устройство), реализующая обратное преобразование закодированного сигнала в декодированный.
- кодек (от англ. « codec » – « Coder / Decoder ») – программный или аппаратный блок, предназначенный для кодирования/декодирования данных.
Наиболее распространённые кодеки [ править | править код ]
- MP3 – MPEG-1 Layer 3
- ОGG – Ogg Vorbis
- WMA – Windows Media Audio
- MPC – MusePack
- AAC – MPEG-2/4 AAC (Advanced Audio Coding)
- Стандарт MPEG-2 AAC
- Стандарт MPEG-4 AAC
Некоторые форматы оцифровки звука в сравнении [ править | править код ]
| Название формата | Квантование, бит | Частота дискретизации, кГц | Число каналов | Величина потока данных с диска, кбит/с | Степень сжатия/упаковки |
|---|---|---|---|---|---|
| CD | 16 | 44,1 | 2 | 1411,2 | 1:1 без потерь |
| Dolby Digital (AC3) | 16-24 | 48 | 6 | до 640 | |
| DTS | 20-24 | 48; 96 | до 8 | до 1536 | |
| DVD-Audio | 16; 20; 24 | 44,1; 48; 88,2; 96 | 6 | 6912 | 2:1 без потерь |
| DVD-Audio | 16; 20; 24 | 176,4; 192 | 2 | 4608 | 2:1 без потерь |
| MP3 | плавающий | до 48 | 2 | до 320 | |
| AAC | плавающий | до 96 | до 48 | до 529 | с потерями |
| AAC+ (SBR) | плавающий | до 48 | 2 | до 320 | с потерями |
| Ogg Vorbis | до 32 | до 192 | до 255 | до 1000 | с потерями |
| WMA | до 24 | до 96 | до 8 | до 768 | 2:1, есть версия без потерь |
Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения у потребителя [ править | править код ]
Помехоустойчивое и канальное кодирование [ править | править код ]
Помехоустойчивое кодирование позволяет при воспроизведении сигнала выявить и устранить (или снизить частоту их появления) ошибки чтения с носителя. Для этого при записи к сигналу, полученному на выходе АЦП, добавляется искусственная избыточность (контрольный бит), которая впоследствии помогает восстановить поврежденный отсчет. В устройствах записи звука обычно используется комбинация из двух или трех помехоустойчивых кодов. Для лучшей защиты от пакетных ошибок также применяется перемежение. Канальное кодирование служит для согласования цифровых сигналов с параметрами канала передачи (записи/воспроизведения). К полезному сигналу добавляются вспомогательные данные, которые облегчают последующее декодирование. Это могут быть сигналы временного кода, служебные сигналы, сигналы синхронизации. В устройствах воспроизведения цифровых сигналов канальный декодер выделяет из общего потока данных тактовые сигналы и преобразует поступивший канальный сигнал в цифровой поток данных. После коррекции ошибок сигнал поступает в ЦАП.
Принцип действия ЦАП [ править | править код ]
Цифровой сигнал, полученный с декодера, преобразовывается в аналоговый. Это преобразование происходит следующим образом:
- Декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал
- Путём сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
- Окончательное восстановление сигнала производится путём подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот
Параметры, влияющие на качество звука при его прохождении по полному циклу [ править | править код ]
Основными параметрами, влияющими на качество звука при этом являются:
Также немаловажными остаются параметры аналогового тракта цифровых устройств кодирования и декодирования:
Описание разработки
1. Основной принцип кодирования звука – это.
- дискретизация
- использование максимального количества символов
- использовать аудиоадаптер
- использование специально ПО
- Акустическая система – звуковая волна – электрический сигнал — аудиоадаптер памятьЭВМ
- Двоичный код – память ЭВМ – аудиоадаптер – акустическая система – электрический сигнал – звуковая волна
- Память ЭВМ – двоичный код – аудиоадаптер – электрический сигнал – акустическая система – звуковая волна
3. Аудиоадаптер – это.
- видеоплата
- аудиоплата
- носитель информации
- орган воспроизведения звука
4. Единица измерения частоты дискретизации –
5. Формула для расчета размера (в байтах) цифрового аудиофайла:
- (частота дискретизации в Мб) * ( время записи в сек) * (разрешение в битах).
- (частота дискретизации в Гц) * (разрешение в битах)/16.
- (частота дискретизации в Гц) * ( время записи в мин) * (разрешение в байтах)/8.
- (частота дискретизации в Гц) * ( время записи в сек) * (разрешение в битах)/8.
6. Диапазон слышимости для человека составляет.
- от 20 Гц до 17000 Гц (или 17 кГц)
- от 1000 Гц до 17000 Гц (или 17 кГц).
- от 20 Гц до 20000 Гц
7.При частоте дискретизации 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует:
- качеству звучания аудио-CD;
- качеству радиотрансляции;
- среднему качеству.
8. В каком формате сохраняются звуковые файлы:
9. Качество кодирования непрерывного звукового сигнала зависит:
- от частоты дискретизации и глубины кодирования;
- от глубины цвета и разрешающей способности монитора;
- от международного стандарта кодирования.
10. Два звуковых файла записаны с одинаковой частотой дискретизации и глубиной кодирования. Информационный объем файла, записанного в стереорежиме, больше информационного объема файла, записанного в монорежиме:
- в 4 раза;
- объемы одинаковые;
- в 2 раза.
11.Задача на «3». Определить информационный объем цифрового аудио файла, длительность звучания которого составляет 10 секунда при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 битов.
12.Задача на «4» и »5» Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,05 Мб. Частота дискретизации — 22 050 Гц. Какова разрядность аудиоадаптера?
