Представление звука в компьютере

Вопросы занятия:

·        оцифровка вводимого звукового сигнала;

·        качество цифрового звука;

·        виды кодирования звуковых файлов.

С начала 90-ых годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией.

Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.

С помощью специальных программных средств (редакторов звукозаписей) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и, в результате, появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

А как же представляется звук в компьютере?

Вообще звук – это процесс колебания воздуха или любой другой среды, в которой он распространяется. Звук характеризуется амплитудой (силой) и частотой (количеством колебаний в секунду).

Под звукозаписью понимают процесс сохранения звуковой информации на каком-либо носителе с помощью специальных устройств.

Ввод звука в компьютер производится с помощью звукового устройства, микрофона или радио, выход которого подключается к порту звуковой карты.

Рассмотрим подробнее процесс ввода звука в компьютер.

Звуковые сигналы непрерывны. С помощью микрофона звуковой сигнал превращается в непрерывный электрический сигнал. Но, как вы помните компьютер может работать только с цифровой информацией, поэтому если нам нужно обработать звук на компьютере, то его необходимо дискретизировать – то есть превратить в прерывистую, состоящую из отдельных частей, последовательность нулей и единиц.

Процессом преобразования звука из непрерывной формы в дискретную при записи и из дискретной в непрерывную при воспроизведении занимается звуковая карта или аудио адаптер.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. То есть задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Промежуток времени между двумя измерениями называется периодом измерений — обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Обратная величина называется частотой дискретизации. Она обозначается буквой ν. Ровна 1/Т и измеряется в герцах.

Таким образом на качество преобразования звука влияет несколько условий:

•                    Частота дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

•                    Разрядность дискретизации – количество битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Результаты таких измерений представляются целыми положительными числами с конечным количеством разрядов. Как мы уже говорили, в таком случае получается дискретное конечное множество значений в ограниченном диапазоне.

Размер этого диапазона зависит от разрядности ячейки — регистра памяти звуковой карты.

То есть обратите внимание, снова работает главная формула информатики:

здесь i — это разрядность регистра. Также число i называют разрядностью дискретизации. Записанные данные сохраняются в файлах специальных звуковых форматов.

Рассмотрим пример.

Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации ровна 22050 Герц. Нужно найти разрядность аудиоадаптера.   

При воспроизведении звукового файла цифровые данные преобразуются в электрический аналог звука. К звуковой карте подключаются наушники или звуковые колонки. С их помощью электрические колебания преобразуются в механические звуковые волны, которые воспринимают наши уши.

Таким образом, чем больше разрядность и частота дискретизации, тем точнее представляется звук в цифровой форме и тем больше размер файла, хранящего его.

Рассмотрим такой пример: Нужно определить качество звука (то есть какое это качество радиотрансляции или качество аудио-CD) если известно, что объём моноаудиофайла длительностью звучания в 10 секунд равен 940 Кб. Разрядность аудиоадаптера ровна 16 бит.

Рассмотрим ещё один пример. Аналоговый звуковой сигнал был дискретизирован сначала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала (качество звучания радиотрансляции), а затем с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала (качество звучания аудио-CD). Нужно найти во сколько раз различаются информационные объёмы оцифрованного звука? 

Для работы со звуковой информацией на компьютере используются различные программы. Одни из них позволяют записать звук на цифровой носитель, другие — воспроизвести. Существуют программы, которые выполняют более сложную обработку звука. Такие программы называются редакторы звука. Например, можно вырезать фрагмент музыкального произведения или речи, объединить фрагменты, изменить тембр звучания, длительность воспроизведения создавать различные музыкальные эффекты, очищать звук от шумов, согласовывать с изображениями для создания мультимедийных продуктов и так далее.

При хранении оцифрованного звука приходится решать проблему уменьшения объёма звуковых файлов. Существует два способа кодирования звука: кодирования данных без потерь, позволяющего осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. А также кодирование данных с потерями. Позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных. Здесь используются различные алгоритмы, сжимающие оригинальный сигнал путём выкидывания из него слабо слышимых элементов.

Существует множество различных аудио форматов. Наиболее часто используются такие форматы как WAV и MP3. Тип формата обычно определяется расширением файла (то, что идёт после точки в имени файла mp3, wav, ogg,  wma)

WAV – один из первых аудио-форматов. Обычно используется для хранения несжатых аудиозаписей, идентичных по качеству звука записям на компакт-дисках. В среднем одна минута звука в формате wav занимает около 10 Мб.

MP3 – наиболее распространённый в мире звуковой формат. MP3, как и многие другие форматы кодирует звук с потерей качества, то есть урезает звук, который не слышится человеческим ухом, тем самым уменьшая размер файла.

На текущий момент mp3 не является лучшим форматом по соотношению размера файла к качеству звучания, но в силу своей распространённости и поддерживаемости большинством устройств, многие хранят свои записи именно в нём.

Итоги урока.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. Задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Качество оцифрованного звука зависит от:

•                    Частоты дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

•                    и Разрядности дискретизации – то есть от количества битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Существует два способа кодирования звука:

•                    кодирования данных без потерь, здесь осуществляется стопроцентное восстановление данных из сжатого потока;

•                    кодирование данных с потерями. Это способ позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных.