Кодирование информации. Оцифровка звука

1. Кодирование информации

1
Кодирование
информации
Урок 18. Кодирование
звуковой информации
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

2. Оцифровка звука

Кодирование информации, 10 класс
2
Оцифровка звука
аналоговый
сигнал
Оцифровка – это преобразование аналогового сигнала
в цифровой код (дискретизация).
T – интервал дискретизации (с)
1
f – частота дискретизации
T (Гц, кГц)
T
Человек слышит
16 Гц … 20 кГц
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
t
8 кГц – минимальная частота для
распознавания речи
11 кГц, 22 кГц,
44,1 кГц – качество CD-дисков
48 кГц – фильмы на DVD
96 кГц, 192 кГц
http://kpolyakov.spb.ru

3. Оцифровка звука: квантование

Кодирование информации, 10 класс
3
Оцифровка звука: квантование
? Сколько битов нужно, чтобы записать число 0,6?
Квантование (дискретизация по уровню) – это представление
числа в виде цифрового кода конечной длины.
АЦП = Аналого-Цифровой Преобразователь
3-битное кодирование:
8 битов = 256 уровней
16 битов = 65536 уровней
24 бита = 224 уровней
7
6
5
4
3
2
1
0
Разрядность кодирования —
это число битов, используемое
для хранения одного отсчёта.
T
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
t
http://kpolyakov.spb.ru

4. Оцифровка звука

Кодирование информации, 10 класс
4
Оцифровка звука
Задача. Определите информационный объем данных,
полученных при оцифровке звука длительностью
1 минута с частотой 44 кГц с помощью 16-битной
звуковой карты. Запись выполнена в режиме «стерео».
За 1 сек каждый канал записывает 44000 значений,
каждое занимает 16 битов = 2 байта
всего 44000 2 байта = 88000 байтов
С учётом «стерео»
всего 88000 2 = 176000 байтов
За 1 минуту
176000 60 = 10560000 байтов
10313 Кбайт 10 Мбайт
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

5. Оцифровка звука

Кодирование информации, 10 класс
5
Оцифровка звука
Как восстановить сигнал?
ЦАП = Цифро-Аналоговый Преобразователь
после
без
было до
сглаживания
оцифровкисглаживания
T
t
? Как улучшить качество?
? Что при этом ухудшится?
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
аналоговые
устройства!
уменьшать T
размер файла
http://kpolyakov.spb.ru

6. Оцифровка – итог

Кодирование информации, 10 класс
6
Оцифровка – итог
можно закодировать любой звук (в т.ч. голос, свист,
шорох, …)
• есть потеря информации
• большой объем файлов
? Какие свойства оцифрованного звука определяют
качество звучания?
Форматы файлов:
WAV (Waveform audio format), часто без сжатия (размер!)
MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3, сжатие с учётом
восприятия человеком)
AAC (Advanced Audio Coding, 48 каналов, сжатие)
WMA (Windows Media Audio, потоковый звук, сжатие)
OGG (Ogg Vorbis, открытый формат, сжатие)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

7. Инструментальное кодирование

Кодирование информации, 10 класс
7
Инструментальное кодирование
MIDI (Musical Instrument Digital Interface — цифровой
интерфейс музыкальных инструментов).
в файле .mid:
128 мелодических
• нота (высота, длительность)
и 47 ударных
• музыкальный инструмент
• параметры звука (громкость, тембр)
программа для
• до 1024 каналов
звуковой карты!
в памяти звуковой карты:
• образцы звуков (волновые таблицы)
MIDI-клавиатура:
нет потери информации при
кодировании инструментальной
музыки
небольшой размер файлов
невозможно закодировать
нестандартный звук, голос
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

8. Трекерная музыка

Кодирование информации, 10 класс
8
Трекерная музыка
В файле (модуле):
• образцы звуков (сэмплы)
• нотная запись, трек (track) – дорожка
• музыкальный инструмент
• до 32 каналов
Форматы файлов:
MOD разработан для компьютеров Amiga
S3M оцифрованные каналы + синтезированный
звук, 99 инструментов
XM, STM, …
Использование: демосцены (важен размер файла)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

9. Кодирование видео

Кодирование информации, 10 класс
9
Кодирование видео
! Видео = изображения + звук Синхронность!
изображения:
• ≥ 25 кадров в секунду
• PAL: 720×576, 24 бита
за 1 с: 720×576×25×3 байта ≈ 30 Мб
за 1 мин: 60×32 Мбайта ≈ 1,73 Гб
• HDTV: 1280×720, 1920×1080.
• 4K: 4096×3072
• исходный кадр + изменения (10-15 с)
• сжатие (кодеки – алгоритмы сжатия)
• DivX, Xvid, H.264, WMV, Ogg Theora…
звук:
• 48 кГц, 16 бит
• сжатие (кодеки – MP3, AAC, WMA, …)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

10. Форматы видеофайлов

Кодирование информации, 10 класс
10
Форматы видеофайлов
AVI
– Audio Video Interleave – чередующиеся звук и
видео; контейнер – могут использоваться разные
кодеки
MPEG – Motion Picture Expert Group
WMV – Windows Media Video, формат фирмы Microsoft
MP4
– MPEG-4, сжатое видео и звук
MOV – Quick Time Movie, формат фирмы Apple
WebM – открытый формат, поддерживается браузерами
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

11. Задания

Кодирование информации, 10 класс
11
Задания
1. Производилась двухканальная (стерео) звукозапись с частотой
дискретизации 64 кГц и 16-битным разрешением. В результате был
получен файл размером 48 Мбайт, сжатие данных не производилось.
Определите приблизительно, сколько времени (в минутах) проводилась
запись. В качестве ответа укажите ближайшее к времени записи целое
число.
2. Производится четырёхканальная (квадро) звукозапись с частотой
дискретизации 48 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 2
минуты, её результаты записываются в файл, сжатие данных не
производится. Укажите информационный объём к Кбайтах.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

12. Задания

Кодирование информации, 10 класс
12
Задания
3. Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без
использования
сжатия данных. Получившийся файл был передан в город А по каналу
связи.
Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с
разрешением
в 2 раза выше и частотой дискретизации в 3 раза меньше, чем в первый
раз.
Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город
Б за
15 секунд; пропускная способность канала связи с городом Б в 4 раза выше,
чем канала связи с городом А. Сколько секунд длилась передача файла в
город A?
В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не
нужно.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

13. Задания

Кодирование информации, 10 класс
13
Задания
4. Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде
файла без использования сжатия данных. Получившийся файл
был передан в город А по каналу связи. Затем тот же
музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с
разрешением в 3 раза выше и частотой дискретизации в 2 раз
меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось.
Полученный файл был передан в город Б за
12 секунд; пропускная способность канала связи с городом Б в
5 раз выше, чем канала связи с городом А. Сколько секунд
длилась передача файла в город A? В ответе запишите только
целое число, единицу измерения писать не нужно.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru