Двоичное кодирование звуковой информации

В аналоговой форме звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

Определение: Звук – звуковая волна с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека; чем больше частота сигнала, тем выше тон.

В дискретном виде звуковой сигнал превращен в последовательность электрических импульсов. В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временнáя дискретизация, при которой в определенные моменты времени амплитуда звуковой волны измеряется и квантуется, т.е. ей присваивается определенное значение из некоторого фиксированного набора. Данный метод называется еще импульсно-кодовой модуляцией PCM (Pulse Code Modulation).. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Преобразование непрерывной звуковой волны в последовательность звуковых импульсов различной амплитуды производится с помощью аналого-цифрового преобразователя размещенного на звуковой плате.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (смотри рисунок «временн а я дискретизация звука»).

Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости звука, его код (1, 2, 3 и так далее). Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Например, звуковая карта обеспечивает 16-битную глубину кодирования звука (каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код). Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле (I – глубина звука):

N = 2^I = 2¹⁶ = 65536

Таким образом, такая звуковая карта может обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала (уровней громкости). Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код (16-битная глубина кодирования звука).

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования, то есть звучание будет более качественным.

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне: от 8000 до 48000, то есть частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.

Иначе частота дискретизации аналогового звукового сигнала: от 8 кГц (радиотрансляция) до 48 кГц (аудио – CD).

Также возможны моно- и стерео- режимы.

Пример.

Оцените информационный объем высококачественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 секунда, если "глубина" дискретизации 16 бит, а частота 24 кГц.

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

16 бит *24 000 = 384000 бит 47 Кбайт

Соответственно, чтобы узнать информационный объем файла, длительностью 1 минуту, нужно умножить полученное число на 60.

***

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки – нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Поиск по сайту: