Кодирование и обработка звуковой информации

Цель урока: изучение принципов кодирования звуковой информации.

Задачи урока:

Образовательные:

объяснить различие между аналоговым и цифровым звуком;

познакомить с принципами кодирования звуковой информации;

сформировать представление о зависимости качества цифрового звука от частоты дискретизации и глубины кодирования звука;

сформировать умения нахождения объема звуковой информации;

сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным качеством.

Развивающая:

развивать мышление, память, внимательность, навыки использования прикладного программного обеспечения.

Воспитательная:

воспитывать дисциплинированность, самостоятельность, информационную культуру.

Оборудование:

Рабочее место учителя: компьютер, проектор, экран, микрофон, колонки.

Рабочее место ученика: компьютер, наушники с микрофоном.

Программное обеспечение: ОС Microsoft Windows XP, приложение Microsoft PowerPoint, компьютерная презентация «Кодирование звуковой информации», стандартное приложение «Звукозапись».

План урока:

Организационный момент (3 мин)

Актуализация знаний (3 мин)

Изучение нового материала (20 мин)

Рефлексия, тестирование (7 мин)

Практическая работа (10 мин)

Домашнее задание (1 мин)

Подведение итогов урока (1 мин)

Примечание: В зависимости от уровня класса и при наличии возможности, желательно разделить этот материал на два урока.

Ход урока

I. Организационный момент (3 мин)

Приветствие, проверка присутствующих, объявление темы (слайд 1).

Сегодня мы продолжим изучать, как различная информация представляется в компьютере. Вы все наверняка любите слушать музыку. А знаете ли вы … (слайд 2).

Что такое звук?

Как раньше хранили звуковую информацию?

Какие носители звуковой информации используются сейчас?

От чего зависит качество звука?

На сегодняшнем уроке мы попробуем ответить на эти вопросы.

Для этого нам надо решить следующие задачи (слайд 3):

понять различие между аналоговым и цифровым звуком;

познакомиться с принципами кодирования звуковой информации;

определить, от каких параметров зависит качество цифрового звука;

научиться находить объем звуковой информации;

сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным качеством.

II. Актуализация знаний (3 мин)

Принципы кодирования звуковой информации очень схожи с принципами кодирования графической информации, которые мы изучили недавно. Давайте вспомним их (слайд 4).

Фронтальная беседа по вопросам:

В каком виде должна быть представлена информация, чтобы её можно было обрабатывать при помощи компьютера?

 Что такое дискретизация?

 Приведите примеры представления информации в непрерывной (аналоговой) и в дискретной форме.

 Что такое разрешение графического изображения?

 Что такое глубина цвета?

Итак. При аналоговом представлении информации физическая величина изменяется плавно и непрерывно, принимая при этом бесконечное множество значений (слайд 5). При дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно, принимая при этом конечное множество значений (слайд 6). Дискретизация – это преобразование аналоговой формы информации в набор дискретных значений.

III. Изучение нового материала (20 мин)

(Слайд 7). Немного физики. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность (амплитуда) звуковой волны, тем громче звук (слайд 8) (игрушечная дудочка – труба). Чем больше частота колебаний, тем выше тон звука (слайд 9) (скрипка – контрабас).

(Слайд 10). Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук). Частота измеряется в герцах (1 Гц – одно колебание в секунду).

Диапазон амплитуд, в котором человек может воспринимать звук, очень большой. Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дБ). Изменение громкости звука на 20 дБ соответствует изменению давления, создаваемого звуковой волной, в 10 раз.

Может ли компьютер обрабатывать аналоговый звук?

Что нужно сделать, чтобы звук можно было обработать с помощью компьютера?

(Слайд 11). Чтобы компьютер смог обрабатывать звук, необходимо аналоговый (непрерывный) звуковой сигнал преобразовать в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Для этого в компьютере имеется звуковая карта (аудио-адаптер). Колебания звуковой волны преобразуются микрофоном в электрические колебания, которые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в дискретный сигнал, сохраняемый в памяти компьютера в виде двоичного кода.

При воспроизведении звука происходит обратный процесс. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует дискретные сигналы в аналоговые электрические колебания, воспроизводимые акустической системой в виде звуковых волн.

(Слайд 12). Процесс преобразования непрерывного звукового сигнала в дискретный называется оцифровкой звука (временнóй дискретизацией).

В звуковой карте непрерывный сигнал измеряется через небольшие равные промежутки времени. Каждое измеренное значение сигнала кодируется двоичным кодом и остается неизменным до следующего измерения. В результате плавный непрерывный сигнал заменяется на ряд дискретных значений, кривая становится ступенчатой, т. е. происходит искажение информации.

От чего будет зависеть качество оцифрованного звука?

(Слайд 13). Искажения сигнала можно уменьшить, если измерять уровень звукового сигнала чаще или увеличить количество возможных дискретных значений сигнала (использовать более длинный двоичный код).

Сколько различных уровней амплитуды звука можно закодировать 4 битами?

(Слайд 14). Частота дискретизации звука – это количество измерений громкости звука за 1 секунду. Измеряется в герцах (Гц). 1 Гц = 1/сек. (одно измерение в секунду).

На практике применяют значения частоты дискретизации от 8000 Гц (8 кГц) до 48000 Гц (48 кГц),  что соответствует изменению качества звука от качества телефонной связи до качества аудио-CD.

(Слайд 15). Глубина кодирования звука (разрядность дискретизации) – это длина двоичного кода, используемого для кодирования каждого измеренного дискретного уровня громкости звука. От глубины кодирования зависит количество дискретных значений сигнала от нуля до максимума.

N = 2i, где N – количество дискретных уровней звука, i – глубина кодирования (бит).

Обычно звуковые карты могут использовать только два значения глубины кодирования:

8 бит (28=256 уровней)

16 бит (216=65536 уровней)

Какие параметры аналогичны частоте дискретизации и глубине кодирования звука при кодировании графики?

(Слайд 16). Демонстрация качества звука при различных значениях частоты дискретизации и глубины кодирования на заранее подготовленных примерах. Обращается внимание учащихся на объемы соответствующих файлов.

(Слайд 17). Из примеров мы увидели, что с увеличением качества звука растет информационный объем файла.

В каких случаях важно уметь рассчитывать объем звукового файла?

Как же его рассчитать?

I – объем звукового файла (бит);

F – частота дискретизации (Гц);

i – глубина кодирования звука (бит);

t – время звучания (сек);

k – количество каналов в записи (k = 1 – моно, k = 2 – стерео).

При записи в режиме «стерео» используются 2 микрофона, хранятся 2 независимых звуковых канала, воспроизводятся 2 акустическими колонками. Это дает возможность слышать «объемный» звук. При этом объем файла будет в 2 раза больше.

Вывод: Чем выше качество звука, тем больше объём файла!

(Слайд 18). Пример задачи:

Определить объём высококачественного звукового файла со следующими параметрами: частота дискретизации 48 кГц, глубина кодирования 16 бит, время звучания 10 секунд, стерео.

Решение – смотрите документ

(Слайд 19). Оцифрованный звук можно сохранять как с полным качеством, так и в форматах со сжатием, при этом информационный объем файлов уменьшается за счет уменьшения качества звука. Наиболее популярные форматы звуковых файлов:

WAV (Waveform audio format) – без сжатия, можно выбрать частоту дискретизации и глубину кодирования для уменьшения размера файла.

MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) – сжатие с потерей информации.

WMA (Windows Media Audio) – потоковый звук, сжатие с потерей информации.

Например, те же 10 секунд стереозвука в формате MP3 (битрейт 96 Кбит/с ) будут занимать всего 117 Кбайт.

(Слайд 20). Решим ещё одну задачу:

Сколько минут высококачественного звука можно записать на CD диск
(частота дискретизации 44,1 кГц, глубина кодирования 16 бит, стерео).

Решение – смотрите документ

Почему на диске MP3 в несколько раз больше?

IV. Рефлексия, тестирование (7 мин)

Давайте еще раз попробуем ответить на вопросы, поставленные в начале урока (слайд 21):

Что такое звук?

Как раньше хранили звуковую информацию?

Какие носители звуковой информации используются сейчас?

От чего зависит качество звука?

Для закрепления изученного материала ученикам предлагается сесть за компьютеры и выполнить небольшой тест в форме веб-страницы (файл код_звука.htm). Тест создан с помощью программного комплекса NetTest v2.8 (К.Поляков, kpolyakov.spb.ru).

V. Практическая работа (10 мин)

Для работы со звуком используется специальное программное обеспечение. Чтобы прослушивать звуковые файлы, нужны звуковые проигрыватели. Например, стандартный проигрыватель Windows Media, популярный проигрыватель WinAmp и другие (слайд 22).

Звуковые редакторы позволяют записывать и редактировать звуковые файлы. Звуковой сигнал представлен в визуальной форме, поэтому можно легко осуществлять операции копирования, перемещения, удаления звуковых фрагментов, накладывать звуковые дорожки друг на друга (микширование звука), применять различные звуковые эффекты, сохранять в различных звуковых форматах. Например, это можно сделать с помощью коммерческой программы Adobe Audition или свободно распространяемой программы Audacity (слайд 23).

Выполним небольшую практическую работу в стандартном приложении Звукозапись.

1. Откройте приложение Звукозапись (Пуск – Программы – Стандартные – Развлечения – Звукозапись) (слайд 24)

2. Откройте звуковой файл (Файл – Открыть… – Мои документы – Моя музыка – Высоцкий.wav) (слайд 25)

3. Посмотрите свойства этого файла (Файл – Свойства – Формат аудио: PCM 48 кГц; 16 бит; Стерео)  (слайд 26)

4. Сохраните файл в той же папке с новым именем и характеристиками, заданными в таблице (Файл – Сохранить как… – Изменить… – Атрибуты). Посмотрите свойства файла (пункт 3) и запишите их в таблицу (слайд 27)

5. Снова откройте исходный файл (пункт 2) и повторите пункт 4 нужное количество раз (слайд 28)

VI. Домашнее задание (1 мин) (слайд 29)

1) Учебник Босовой Л.Л. §5.1.3; учебник Угриновича Н.Д. § 1.5.

2) Рассчитать объёмы файлов, полученные в практической работе. Сравнить с реальным объёмом.

VII. Подведение итогов урока (1 мин) (слайд 30)

Решены ли поставленные задачи?

понять различие между аналоговым и цифровым звуком;

познакомиться с принципами кодирования звуковой информации;

определить, от каких параметров зависит качество цифрового звука;

научиться находить объем звуковой информации;

сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным качеством.