Rješavanje problema kodiranja audio informacija.
- Teorijski dio
Pri rješavanju problema učenici se oslanjaju na sljedeće pojmove:
Vremensko uzorkovanje- proces u kojem se tijekom kodiranja kontinuiranog zvučnog signala zvučni val dijeli na zasebne male vremenske dionice, a za svaku takvu dionicu postavlja se određena vrijednost amplitude. Što je veća amplituda signala, to je zvuk glasniji.
Dubina zvuka (dubina kodiranja) - broj bitova po audio kodiranju.
Broj različitih razina glasnoće izračunava se pomoću formule N= 2 ja , gdje je I dubina zvuka.
Učestalost uzorkovanja– broj mjerenja razine ulaznog signala u jedinici vremena (po 1 sekundi). Što je veća stopa uzorkovanja, točniji je postupak binarnog kodiranja. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz).
Kvaliteta binarnog kodiranja je vrijednost koja je određena dubinom kodiranja i frekvencijom uzorkovanja.
Širina registra- broj bitova u registru audio adaptera. Što je veći kapacitet znamenke, to je manja pogreška svake pojedine pretvorbe veličine električne struje u broj i obrnuto. Ako je dubina bita jednaka I, tada se pri mjerenju ulaznog signala može dobiti 2 ja =N različitih vrijednosti.
- Praktični dio. Analiza i rješenje problema.
Problem 1 . Procijenite količinu informacija digitalne stereo audio datoteke koja traje 20 sekundi s dubinom kodiranja od 16 bita i frekvencijom uzorkovanja od 10 000 Hz? Rezultat predstaviti u KB, zaokruženo na najbližu stotinku.
Prilikom rješavanja takvih problema moramo zapamtiti sljedeće:
To mono - 1 kanal, stereo - 2 kanala
Problem 2 . Odredite veličinu (u bajtovima) digitalne audio datoteke čije je vrijeme reprodukcije 10 sekundi pri brzini uzorkovanja od 22,05 kHz i razlučivosti od 8 bita.
dano: I = 8 bita = 1 bajt t = 10 sek η = 22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22050 Hz | I - bitna dubina zvučne kartice, t - vrijeme reprodukcije audio datoteke, η - frekvencija uzorkovanja | Riješenje: V(Inform.) = I · η ·t V(Inform.) = 22050 *10 *1 = 220500 bajtova Odgovor: V(Inform.) = 220500 bajtova |
Pronaći: V(količina informacija)-? |
Vremensko uzorkovanje zvuka.
Zvuk je zvučni val s kontinuiranom promjenom amplitude i frekvencije. Što je veća amplituda signala, to je glasniji za osobu; što je veća frekvencija signala, to je viši ton. Kako bi računalo obradilo zvuk, kontinuirani audio signal mora se pretvoriti u niz električnih impulsa (binarne jedinice i nule).U procesu kodiranja kontinuiranog audio signala vrši se njegovo vremensko uzorkovanje. Kontinuirani zvučni val podijeljen je u zasebne male privremene dijelove, a za svaki takav dio postavljena je određena vrijednost amplitude.
Diskretizacija je pretvorba kontinuiranih signala u skup diskretnih vrijednosti, od kojih je svakoj dodijeljen određeni binarni kod.
Stoga je kontinuirana ovisnost amplitude signala o vremenu A(t) zamijenjena diskretnim nizom razina glasnoće. Na grafikonu to izgleda kao zamjena glatke krivulje nizom "koraka".
Svakom "koraku" dodijeljena je razina glasnoće zvuka i njegov kod (1, 2, 3 i tako dalje). Razine glasnoće zvuka mogu se smatrati skupom mogućih stanja; u skladu s tim, što je više razina glasnoće dodijeljeno tijekom procesa kodiranja, to će vrijednost svake razine nositi više informacija i zvuk će biti bolji. Moderne zvučne kartice omogućuju 16-bitnu dubinu audio kodiranja. Broj različitih razina signala (stanja za određeno kodiranje) može se izračunati pomoću formule:
N=2 16 =65356[razine zvuka],
gdje je I dubina kodiranja.
Dakle, moderne zvučne kartice mogu osigurati kodiranje 65536 razina signala. Svakoj vrijednosti amplitude audio signala dodijeljen je 16-bitni kod.
Kod binarnog kodiranja kontinuiranog audio signala, on se zamjenjuje nizom diskretnih razina signala. Kvaliteta kodiranja ovisi o broju mjerenja razine signala u jedinici vremena, odnosno frekvenciji uzorkovanja. Što se više mjerenja napravi u 1 sekundi (što je veća frekvencija uzorkovanja), točniji je postupak binarnog kodiranja.
Kvaliteta binarnog audio kodiranja određena je dubinom kodiranja i brzinom uzorkovanja.
Broj mjerenja u sekundi može se kretati od 8000 do 96 000, odnosno frekvencija uzorkovanja analognog audio signala može poprimiti vrijednosti od 8 do 96[kHz]. Na frekvenciji od 8[kHz], kvaliteta uzorkovanog audio signala odgovara kvaliteti radio emisije, a na frekvenciji od 96[kHz], kvaliteti zvuka audio CD-a. Također treba uzeti u obzir da su mogući i mono i stereo način rada.
Informacijski volumen zvučne datoteke
Za određivanje glasnoće audio datoteke V zf potrebno je pomnožiti broj mjerenja K meas s dubinom kodiranja (broj bitova po razini) V 1meas:V zf = K mjere * V 1 mjere
Gdje broj mjerenja K meas ovisi o:
Problem 1
Domaća zadaća
1 Odredite glasnoću stereo audio datoteke, na frekvenciji uzorkovanja (dd) [kHz], vremenu zvuka (gg) [s] za (mm)-bitno kodiranje.2 Odredite vrijeme reprodukcije u [s] mono audio datoteke s glasnoćom jednakom (yy) [KB], s dubinom kodiranja (mm) [BIT] i frekvencijom uzorkovanja (dd) [kHz].
Gdje je (dd) vaš datum rođenja, (mm) je mjesec vašeg rođenja, (yy) je godina vašeg rođenja.
S različitom amplitudom i frekvencijom. Što je veća amplituda signala, to ga osoba percipira glasnije. Što je veća frekvencija signala, to je viši njegov ton.
Slika 1. Amplituda vibracija zvučnog vala
Frekvencija zvučnog vala određuje se brojem titraja u sekundi. Ova vrijednost se mjeri u hercima (Hz, Hz).
Ljudsko uho opaža zvukove u rasponu od $20$ Hz do $20$ kHz, taj se raspon naziva zvuk. Poziva se broj bitova koji su dodijeljeni jednom zvučnom signalu dubina audio kodiranja. Moderne zvučne kartice pružaju dubinu audio kodiranja od $16-$, $32-$ ili $64-$bit. U procesu kodiranja audio informacija zamjenjuje se kontinuirani signal diskretna, odnosno pretvara se u niz električnih impulsa koji se sastoji od binarnih nula i jedinica.
Brzina uzorkovanja zvuka
Jedna od važnih karakteristika procesa audio kodiranja je brzina uzorkovanja, što je broj mjerenja razine signala po $1$ sekundi:
- jedno mjerenje u sekundi odgovara frekvenciji od $1$ gigaherca (GHz);
- $1000$ mjerenja u sekundi odgovara frekvenciji od $1$ kiloherca (kHz).
Definicija 2
Brzina uzorkovanja zvuka je broj mjerenja glasnoće zvuka u jednoj sekundi.
Broj mjerenja može biti u rasponu od $8$ kHz do $48$ kHz, pri čemu prva vrijednost odgovara frekvenciji radijskih emisija, a druga kvaliteti zvuka glazbenog medija.
Napomena 1
Što su veća frekvencija i dubina uzorkovanja zvuka, to će digitalizirani zvuk zvučati kvalitetnije. Najniža kvaliteta digitaliziranog zvuka, koja odgovara kvaliteti telefonske komunikacije, dobiva se kada je frekvencija uzorkovanja 8000 puta u sekundi, dubina uzorkovanja $8$ bita, što odgovara snimanju jednog audio zapisa (mono mod). Najviša kvaliteta digitaliziranog zvuka, koja odgovara kvaliteti audio CD-a, postiže se kada je frekvencija uzorkovanja 48 000 $ puta u sekundi, dubina uzorkovanja 16 $ bita, što odgovara snimanju dva audio zapisa (stereo način).
Informacijski volumen zvučne datoteke
Treba napomenuti da što je veća kvaliteta digitalnog zvuka, to je veća količina informacija u zvučnoj datoteci.
Procijenimo količinu informacija mono audio datoteke ($V$), to se može učiniti pomoću formule:
$V = N \cdot f \cdot k$,
gdje je $N$ ukupno trajanje zvuka, izraženo u sekundama,
$f$ - frekvencija uzorkovanja (Hz),
$k$ - dubina kodiranja (bitovi).
Primjer 1
Na primjer, ako je trajanje zvuka $1$ minuta i imamo prosječnu kvalitetu zvuka pri kojoj je frekvencija uzorkovanja $24$ kHz i dubina kodiranja $16$ bita, tada:
$V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \bit=23040000 \bit=2880000 \byte = 2812.5 \KB=2.75 \MB.$
Kod kodiranja stereo zvuka, postupak uzorkovanja se izvodi zasebno i neovisno za lijevi i desni kanal, što, sukladno tome, udvostručuje veličinu audio datoteke u usporedbi s mono zvukom.
Primjer 2
Na primjer, procijenimo količinu informacija digitalne stereo audio datoteke, čije je trajanje zvuka jednako $1$ sekunde s prosječnom kvalitetom zvuka ($16$ bitova, $24000$ mjerenja po sekundi). Da biste to učinili, pomnožite dubinu kodiranja s brojem mjerenja po $1$ sekundi i pomnožite s $2$ (stereo zvuk):
$V=16 \bit \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \bit = 96000 \byte = 93,75 \KB.$
Osnovne metode kodiranja audio informacija
Postoje različite metode za kodiranje audio informacija s binarnim kodom, među kojima postoje dva glavna smjera: FM metoda I Metoda valne tablice.
FM metoda (Frekvencijska modulacija) temelji se na činjenici da se teoretski svaki složeni zvuk može rastaviti na niz jednostavnih harmonijskih signala različitih frekvencija, od kojih će svaki predstavljati pravilnu sinusoidu, što znači da se može opisati kodom. Proces rastavljanja zvučnih signala u harmonijske serije i njihovo predstavljanje u obliku diskretnih digitalnih signala odvija se u posebnim uređajima koji se nazivaju "analogno-digitalni pretvarači" (ADC).
Slika 2. Pretvaranje audio signala u diskretni signal
Slika 2a prikazuje audio signal na ulazu ADC-a, a slika 2b prikazuje već konvertirani diskretni signal na izlazu ADC-a.
Za obrnutu pretvorbu pri reprodukciji zvuka, koja je predstavljena u obliku numeričkog koda, koriste se digitalno-analogni pretvarači (DAC). Proces pretvorbe zvuka prikazan je na sl. 3. Ova metoda kodiranja ne daje dobru kvalitetu zvuka, ali daje kompaktan kod.
Slika 3. Pretvaranje diskretnog signala u audio signal
Na slici 3a prikazan je diskretni signal koji imamo na ulazu DAC-a, a na slici 3b audio signal na izlazu DAC-a.
Metoda tabličnog vala (Valna tablica) temelji se na činjenici da unaprijed pripremljene tablice pohranjuju uzorke zvukova okolnog svijeta, glazbenih instrumenata itd. Numerički kodovi izražavaju visinu, trajanje i intenzitet zvuka i druge parametre koji karakteriziraju značajke zvuka. Budući da se kao uzorci koriste “pravi” zvukovi, kvaliteta zvuka dobivena kao rezultat sinteze je vrlo visoka i približava se kvaliteti zvuka pravih glazbenih instrumenata.
Primjeri formata audio datoteka
Zvučne datoteke dolaze u nekoliko formata. Najpopularniji od njih su MIDI, WAV, MP3.
MIDI format(Digitalno sučelje glazbenih instrumenata) izvorno je bilo namijenjeno za upravljanje glazbenim instrumentima. Trenutno se koristi u području elektroničkih glazbenih instrumenata i računalnih modula za sintezu.
WAV format audio datoteke(valni oblik) predstavlja proizvoljni zvuk kao digitalni prikaz izvorne zvučne vibracije ili zvučnog vala. Svi standardni Windows zvukovi imaju WAV proširenje.
MPZ format(MPEG-1 Audio Layer 3) jedan je od digitalnih formata za pohranu audio informacija. Omogućuje veću kvalitetu kodiranja.
Pri rješavanju problema učenici se oslanjaju na sljedeće pojmove:
Vremensko uzorkovanje – proces u kojem se tijekom kodiranja kontinuiranog audio signala zvučni val dijeli na zasebne male vremenske dionice, a za svaku takvu dionicu zadaje se određena vrijednost amplitude. Što je veća amplituda signala, to je zvuk glasniji.
Dubina zvuka (dubina kodiranja) - broj bitova po audio kodiranju.
Razine glasnoće (razine signala)- zvuk može imati različite razine glasnoće. Broj različitih razina glasnoće izračunava se pomoću formule N = 2 ja Gdje ja – dubina zvuka.
Učestalost uzorkovanja – broj mjerenja razine ulaznog signala u jedinici vremena (po 1 sekundi). Što je veća stopa uzorkovanja, točniji je postupak binarnog kodiranja. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz). 1 mjerenje u 1 sekundi -1 Hz.
1000 mjerenja u 1 sekundi 1 kHz. Označimo slovom brzinu uzorkovanja D. Za kodiranje odaberite jednu od tri frekvencije: 44,1 KHz, 22,05 KHz, 11,025 KHz.
Vjeruje se da je raspon frekvencija koje osoba čuje iz20 Hz do 20 kHz .
Kvaliteta binarnog kodiranja – vrijednost koja je određena dubinom kodiranja i učestalošću uzorkovanja.
Audio adapter (zvučna kartica) – uređaj koji pretvara električne vibracije zvučne frekvencije u numerički binarni kod pri unosu zvuka i obrnuto (iz numeričkog koda u električne vibracije) pri reprodukciji zvuka.
Specifikacije audio adaptera: frekvencija uzorkovanja i dubina bita registra.).
Veličina registra - broj bitova u registru audio adaptera. Što je veći kapacitet znamenke, to je manja pogreška svake pojedine pretvorbe veličine električne struje u broj i obrnuto. Ako je dubina bita ja , tada se pri mjerenju ulaznog signala 2 može dobiti ja = N različita značenja.
Veličina digitalne mono audio datoteke ( A ) mjeri se formulom:
A = D * T * ja /8 , Gdje D – frekvencija uzorkovanja (Hz), T – vrijeme reprodukcije ili snimanja zvuka, ja širina registra (rezolucija). Prema ovoj formuli, veličina se mjeri u bajtovima.
Veličina digitalne stereo audio datoteke ( A ) mjeri se formulom:
A =2* D * T * ja /8 , signal se snima za dva zvučnika, budući da su lijevi i desni zvučni kanal kodirani odvojeno.
Studentima je korisno izdati stol 1, pokazujući koliko će MB kodirane jedne minute audio informacija zauzeti pri različitim brzinama uzorkovanja:
Frekvencija uzorkovanja, kHz
44,1
22,05
11,025
16 bit, stereo
10,1 MB
5,05 MB
2,52 MB
16 bita, mono
5,05 MB
2,52 MB
1,26 MB
8 bita, mono
2,52 MB
1,26 MB
630 KB
1. Veličina digitalne datoteke
Razina "3"
1. Odredite veličinu (u bajtovima) digitalne audio datoteke čije je vrijeme reprodukcije 10 sekundi pri brzini uzorkovanja od 22,05 kHz i razlučivosti od 8 bita. Datoteka nije komprimirana. (, stranica 156, primjer 1)
Riješenje:
Formula za izračunavanje veličine(u bajtovima) digitalna audio datoteka: A = D * T * ja /8.
Za pretvorbu u bajtove, dobivena vrijednost mora se podijeliti s 8 bitova.
22,05 kHz =22,05 * 1000 Hz =22050 Hz
A = D * T * ja /8 = 22050 x 10 x 8 / 8 = 220500 bajtova.
Odgovor: Veličina datoteke je 220500 bajtova.
2. Odredite količinu memorije za pohranu digitalne audio datoteke, čije je vrijeme reprodukcije dvije minute pri frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i razlučivosti od 16 bita. (, str. 157, br. 88)
Riješenje:
A = D * T * ja /8. – količina memorije za pohranu digitalne audio datoteke.
44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bitova) / 8 (bitova) = 10584000 bajtova = 10335,9375 KB = 10,094 MB.
Odgovor: ≈ 10 MB
Razina "4"
3. Korisnik ima kapacitet memorije od 2,6 MB. Potrebno je snimiti digitalnu audio datoteku u trajanju zvuka od 1 minute. Kolika bi trebala biti frekvencija uzorkovanja i dubina bita? (, str. 157, br. 89)
Riješenje:
Formula za izračunavanje brzine uzorkovanja i dubine bita:D* ja=A/T
(kapacitet memorije u bajtovima) : (vrijeme zvuka u sekundama):
2,6 MB = 2726297,6 bajtova
D* ja=A/T= 2726297,6 bajtova: 60 = 45438,3 bajtova
D= 45438.3 bajtova : ja
Širina adaptera može biti 8 ili 16 bita. (1 bajt ili 2 bajta). Stoga se brzina uzorkovanja može ili 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz–standardna karakteristična frekvencija uzorkovanja, ili 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- standardna karakteristična stopa uzorkovanja
Odgovor:
4. Količina slobodne memorije na disku je 5,25 MB, dubina bita zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 22,05 kHz? (, str. 157, br. 90)Riješenje:
Formula za izračunavanje trajanja zvuka: T =A /D /I
(kapacitet memorije u bajtovima) : (frekvencija uzorkovanja u Hz) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima):
5,25 MB = 5505024 bajta
5505024 bajta: 22050 Hz: 2 bajta = 124,8 s
Odgovor: 124,8 sekundi
5. Jedna minuta snimanja digitalne audio datoteke zauzima 1,3 MB prostora na disku, dubina bita zvučne kartice je 8. Kojom brzinom uzorkovanja se snima zvuk? (, str. 157, br. 91)
Riješenje:
Formula za izračunavanje brzine uzorkovanja: D=A/T/ ja
(kapacitet memorije u bajtovima) : (vrijeme snimanja u sekundama) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima)
1,3 MB = 1363148,8 bajtova
1363148,8 bajtova: 60:1 = 22719,1 Hz
Odgovor: 22,05 kHz
6. Dvije minute snimanja digitalne audio datoteke zauzimaju 5,1 MB prostora na disku. Frekvencija uzorkovanja - 22050 Hz. Koja je bitna dubina audio adaptera? (, str. 157, br. 94)
Riješenje:
Formula za izračunavanje dubine bita: (kapacitet memorije u bajtovima): (vrijeme zvuka u sekundama): (frekvencija uzorkovanja):
5,1 MB= 5347737,6 bajtova
5347737,6 bajta: 120 sek: 22050 Hz= 2,02 bajta = 16 bita
Odgovor: 16 bita
7. Količina slobodne memorije na disku je 0,01 GB, dubina bita zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 44100 Hz? (, str. 157, br. 95)
Riješenje:
Formula za izračunavanje trajanja zvuka T = A / D / I
(kapacitet memorije u bajtovima) : (frekvencija uzorkovanja u Hz) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima)
0,01 GB = 10737418,24 bajta
10737418,24 bajta: 44100: 2 = 121,74 sek = 2,03 min
Odgovor: 20,3 minuta
8.
Procijenite glasnoću informacija mono audio datoteke sa trajanjem zvuka od 1 minute. ako su "dubina" kodiranja i frekvencija uzorkovanja audio signala jednake:
a) 16 bita i 8 kHz;
b) 16 bita i 24 kHz.
(, str. 76, br. 2.82)
Riješenje:
A).
16 bita x 8 000 = 128 000 bita = 16 000 bajtova = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB
b).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 24 000 = 384 000 bita = 48 000 bajtova = 46,875 KB/s
2) Informacijski volumen zvučne datoteke u trajanju od 1 minute jednak je:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB
Odgovor: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB
Razina "5"
Koristi se tablica 1
9. Koliko je memorije potrebno za pohranu digitalne audio datoteke s visokokvalitetnim zvučnim zapisom, uz uvjet da je vrijeme reprodukcije 3 minute? (, str. 157, br. 92)
Riješenje:
Visoka kvaliteta zvuka postiže se frekvencijom uzorkovanja od 44,1 kHz i dubinom bitova audio adaptera od 16.
Formula za izračunavanje kapaciteta memorije: (vrijeme snimanja u sekundama) x (kapacitet zvučne kartice u bajtovima) x (učestalost uzorkovanja):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bajtova = 15,1 MB
Odgovor: 15,1 MB
10. Digitalna audio datoteka sadrži audio zapis niske kvalitete (zvuk je taman i prigušen). Koliko traje datoteka ako je njezina veličina 650 KB? (, str. 157, br. 93)
Riješenje:
Sljedeći parametri tipični su za tmuran i prigušen zvuk: frekvencija uzorkovanja - 11,025 KHz, dubina bita audio adaptera - 8 bita (vidi tablicu 1). Tada je T = A / D / I. Pretvorimo volumen u bajtove: 650 KB = 665600 bajtova
T=665600 bajtova/11025 Hz/1 bajt ≈60,4 s
Odgovor: trajanje zvuka je 60,5 s
Riješenje:
Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 48 000 x 2 = 1 536 000 bita = 187,5 KB (pomnoženo s 2, od stereo).
Količina informacija zvučne datoteke u trajanju od 1 minute jednaka je:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB
Odgovor: 11 MB
Odgovor: a) 940 KB; b) 2,8 MB.
12.
Izračunajte vrijeme reprodukcije mono audio datoteke ako je, uz 16-bitno kodiranje i frekvenciju uzorkovanja od 32 kHz, njezina glasnoća jednaka:
a) 700 KB;
b) 6300 KB
(, str. 76, br. 2.84)
Riješenje:
A).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s
b).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 32 000 = 512 000 bita = 64 000 bajtova = 62,5 KB/s
2) Vrijeme reprodukcije mono audio datoteke od 700 KB je:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 min
Odgovor: a) 10 sekundi; b) 1,5 min.
13. Izračunajte koliko bajtova informacija zauzima jedna sekunda stereo zapisa na CD-u (frekvencija 44032 Hz, 16 bita po vrijednosti). Koliko traje jedna minuta? Koliki je maksimalni kapacitet diska (pod pretpostavkom maksimalnog trajanja od 80 minuta)? (, str. 34, vježba br. 34)
Riješenje:
Formula za izračunavanje veličine memorijeA
=
D
*
T
*
ja
:
(vrijeme snimanja u sekundama) * (kapacitet zvučne kartice u bajtovima) * (frekvencija uzorkovanja). 16 bita -2 bajta.
1) 1 s x 2 x 44032 Hz = 88064 bajta (1 sekunda stereo CD snimanja)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283840 bajtova (1 minuta stereo CD snimanja)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bajtova = 412800 KB = 403,125 MB (80 minuta)
Odgovor: 88064 bajtova (1 sekunda), 5283840 bajtova (1 minuta), 403,125 MB (80 minuta)
2. Određivanje kvalitete zvuka.
Da biste odredili kvalitetu zvuka, morate pronaći frekvenciju uzorkovanja i koristiti tablicu br. 1
256 (2 8) razina intenziteta signala - kvaliteta zvuka radijske emisije, korištenjem 65536 (2 16) razina intenziteta signala - kvaliteta zvuka audio CD-a. Najkvalitetnija frekvencija odgovara glazbi snimljenoj na CD-u. Veličina analognog signala mjeri se u ovom slučaju 44 100 puta u sekundi.
Razina "5"
13. Odredite kvalitetu zvuka (kvaliteta radio emisije, prosječna kvaliteta, kvaliteta audio CD-a) ako je poznata glasnoća mono audio datoteke sa trajanjem zvuka od 10 sekundi. jednako je:
a) 940 KB;
b) 157 KB.
(, str. 76, br. 2.83)
Riješenje:
A).
1) 940 KB = 962560 bajtova = 7700480 bitova
2) 7700480 bita: 10 s = 770048 bita/s
3) 770048 bps: 16 bita = 48128 Hz – brzina uzorkovanja – blizu najviših 44,1 kHz
Odgovor: Audio CD kvaliteta
b).
1) 157 KB = 160768 bajtova = 1286144 bita
2) 1286144 bita: 10 s = 128614,4 bita/s
3) 128614,4 bps: 16 bita = 8038,4 Hz
Odgovor: kvaliteta emitiranja
Odgovor: a) kvaliteta CD-a; b) kvaliteta radijskog emitiranja.
14. Odredite duljinu audio datoteke koja će stati na 3,5” disketu. Imajte na umu da je 2847 sektora od 512 bajtova dodijeljeno za pohranu podataka na takvu disketu.
a) s niskom kvalitetom zvuka: mono, 8 bita, 8 kHz;
b) s visokom kvalitetom zvuka: stereo, 16 bita, 48 kHz.
(, str. 77, br. 2.85)
Riješenje:
A).
8 bita x 8000 = 64000 bita = 8000 bajtova = 7,8 KB/s
3) Vrijeme reprodukcije mono audio datoteke veličine 1423,5 KB jednako je:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 min
b).
1) Informacijski volumen diskete jednak je:
2847 sektora x 512 bajtova = 1457664 bajtova = 1423,5 KB
2) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 48 000 x 2 = 1 536 000 bita = 192 000 bajtova = 187,5 KB/s
3) Vrijeme reprodukcije stereo audio datoteke veličine 1423,5 KB jednako je:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s
Odgovor: a) 3 minute; b) 7,6 sekundi.
3. Binarno audio kodiranje.
Pri rješavanju zadataka koristi se sljedećim teorijskim materijalom:
Za kodiranje zvuka, analogni signal prikazan na slici
ravnina je podijeljena na okomite i vodoravne crte. Vertikalna particija je uzorkovanje analognog signala (frekvencija mjerenja signala), horizontalna je particijakvantizacija po razini. Oni. Što je mreža finija, to je bolja aproksimacija analognog zvuka pomoću brojeva. Osmobitna kvantizacija koristi se za digitalizaciju običnog govora (telefonskog razgovora) i kratkovalnog radijskog prijenosa. Šesnaest-bitni – za digitalizaciju glazbe i VHF (ultra-kratkih valova) radijskih emisija.
Razina "3"
15. Analogni audio signal prvo je uzorkovan korištenjem 256 intenziteta signala (kvaliteta emitiranog zvuka), a zatim korištenjem 65 536 intenziteta signala (kvaliteta zvuka audio CD-a). Koliko se puta razlikuju glasnoće informacija digitaliziranog zvuka? (, str. 77, br. 2.86)
Riješenje:
Duljina koda analognog signala koji koristi 256 razina intenziteta signala je 8 bita, koristeći 65536 razina intenziteta signala jednako je 16 bita. Budući da se duljina koda jednog signala udvostručila, volumen informacija digitaliziranog zvuka razlikuje se za faktor 2.
Odgovor: 2 puta.
Razina " 4 »
16. Prema Nyquist-Kotelnikovom teoremu, da bi se analogni signal mogao točno rekonstruirati iz njegove diskretne reprezentacije (iz njegovih uzoraka), frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od maksimalne audio frekvencije tog signala.
Kolika bi trebala biti brzina uzorkovanja zvuka koji čovjek može osjetiti?
Što bi trebalo biti veće: brzina uzorkovanja govora ili brzina uzorkovanja simfonijskog orkestra?
Cilj: Upoznati studente sa karakteristikama hardvera i softvera za rad sa zvukom. Vrste aktivnosti: privlačenje znanja iz tečaja fizike (ili rad s referentnim knjigama). (, str. ??, zadatak 2)
Riješenje:
Vjeruje se da je raspon frekvencija koje ljudi čuju od 20 Hz do 20 kHz. Dakle, prema Nyquist-Kotelnikovom teoremu, da bi se analogni signal mogao točno rekonstruirati iz njegove diskretne reprezentacije (iz njegovih uzoraka),Brzina uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od maksimalne frekvencije zvuka tog signala. Maksimalna frekvencija zvuka koju osoba može čuti je 20 KHz, što znači da uređaj Ra i softver moraju osigurati frekvenciju uzorkovanja od najmanje 40 kHz, točnije 44,1 kHz. Računalna obrada zvuka simfonijskog orkestra zahtijeva veću stopu uzorkovanja nego obrada govora, budući da je frekvencijski raspon u slučaju simfonijskog orkestra mnogo veći.
Odgovor: ne manje od 40 kHz, frekvencija uzorkovanja simfonijskog orkestra je veća.
Razina "5"
17. Na slici je prikazan zvuk 1 sekunde govora snimljen diktafonom. Kodirajte ga u binarnom digitalnom kodu s frekvencijom od 10 Hz i duljinom koda od 3 bita. (, str. ??, zadatak 1)
Riješenje:
Kodiranje na 10 Hz znači da moramo mjeriti visinu tona 10 puta u sekundi. Izaberimo ekvidistantne trenutke vremena:
Duljina koda od 3 bita znači 2 3 = 8 razina kvantizacije. Odnosno, kao numerički kod za visinu zvuka u svakom odabranom trenutku u vremenu, možemo postaviti jednu od sljedećih kombinacija: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Postoji samo 8 od stoga se visina zvuka može mjeriti na 8 "razina":
Mi ćemo "zaokružiti" vrijednosti visine tona na najbližu nižu razinu:
Koristeći ovu metodu kodiranja, dobivamo sljedeći rezultat (razmaci su uključeni radi lakše percepcije): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.
Bilješka.Preporučljivo je skrenuti pozornost učenika na to koliko netočno kod prenosi promjenu amplitude. To jest, frekvencija uzorkovanja je 10 Hz, a razina kvantizacije je 2 3 (3 bita) su premali. Obično se za zvuk (glas) odabire frekvencija uzorkovanja od 8 kHz, tj. 8000 puta u sekundi, i razina kvantizacije od 2 8 (kod dugačak 8 bita).
Odgovor: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.
18. Objasnite zašto je razina kvantizacije, uz frekvenciju uzorkovanja, glavna karakteristika reprezentacije zvuka u računalu.Ciljevi: učvrstiti razumijevanje učenika o pojmovima "točnost prikaza podataka", "pogreška mjerenja", "pogreška prikazivanja"; Pregledajte s učenicima binarno kodiranje i duljinu koda. Vrsta aktivnosti: rad s definicijama pojmova. (, str. ??, zadatak 3)
Riješenje:
U geometriji, fizici i tehnologiji postoji koncept "točnosti mjerenja", koji je usko povezan s konceptom "pogreške mjerenja". Ali postoji i koncept"preciznost prikazivanja".
Na primjer, o visini osobe možemo reći da je: a) oko. 2 m, b) nešto više od 1,7 m, c) jednako 1 m 72 cm, d) jednako 1 m 71 cm 8 mm. To jest, 1, 2, 3 ili 4 znamenke mogu se koristiti za označavanje izmjerene visine.
Isto vrijedi i za binarno kodiranje. Ako se samo 2 bita koriste za snimanje visine zvuka u određenom trenutku, tada, čak i ako su mjerenja bila točna, mogu se prenijeti samo 4 razine: niska (00), ispod prosjeka (01), iznad prosjeka ( 10), visoka (11). Ako koristite 1 bajt, možete prenijeti 256 razina. Kakovišu razinu kvantizacije
, ili, što je isto što iŠto je više bitova dodijeljeno za snimanje izmjerene vrijednosti, to se ta vrijednost točnije prenosi.
Bilješka.Treba napomenuti da mjerni instrument također mora podržavati odabranu razinu kvantizacije (nema smisla prikazivati duljinu izmjerenu ravnalom s decimetarskim podjelama s milimetarskom točnošću).
Odgovor: što je viša razina kvantizacije, zvuk se točnije prenosi.
Književnost:
[ 1] Informatika. Problematika-radionica u 2 sveska /Ur. I.G. Semakina, E.K. Henner: Volume 1. – Laboratory of Basic Knowledge, 1999. – 304 str.: ilustr.
Radionica iz informatike i informatike. Udžbenik za obrazovne ustanove / N.D. Ugrinovich, L.L. Bosova, N.I. Mihajlova. – M.: Binom. Laboratorij znanja, 2002. 400 str.: ilustr.
Informatika u školi: prilog časopisu “Informatika i odgoj”. Br. 4 - 2003. - M.: Obrazovanje i informatika, 2003. - 96 str.: ilustr.
Kushnirenko A.G., Leonov A.G., Epictetov M.G. i dr. Informacijska kultura: kodiranje informacija. Informacijski modeli. Razredi 9-10: Udžbenik za općeobrazovne ustanove. - 2. izd. - M.: Bustard, 1996. - 208 str.: ilustr.
Gein A.G., Senokosov A.I. Priručnik iz informatike za školarce. - Ekaterinburg: “U-Factoria”, 2003. - 346. p54-56.
Znanje se sastoji od malog
zrnca svakodnevnog iskustva.
DI. Pisarev
Ciljevi:
Primjena teorijskih znanja u praksi.
Ciljevi lekcije:
Naučiti princip binarnog kodiranja pri digitalizaciji zvuka;
Uvesti koncept vremenskog uzorkovanja zvuka;
Uspostaviti odnos između kvalitete audio kodiranja, dubine kodiranja i frekvencije uzorkovanja;
Naučiti procijeniti količinu informacija audio datoteke;
Snimite zvuk pomoću računala, spremite ga u audio datoteke u WAV formatu i reproducirajte.
Tijekom nastave:
I. Organizacijski trenutak
1. Glazba svira
2. Riječi učitelja:
Tema naše lekcije je "Binarno kodiranje audio informacija." Danas ćemo se upoznati s pojmom vremenskog uzorkovanja zvuka, eksperimentalno utvrditi odnos između kvalitete kodiranja zvuka, dubine kodiranja i frekvencije uzorkovanja, naučiti procijeniti veličinu audio datoteka, snimiti zvuk pomoću računala, spremiti ga u zvučne datoteke u WAV formatu i reproducirajte ga.
II. Obnavljanje znanja učenika.
Pitanja: (odgovore upisati u obrazac br. 1)
1. Nabrojite vrste postojanja informacija? (numerički, tekstualni, grafički, zvučni).
2. Koja se ključna riječ može odabrati za video sekvencu? (kodiranje informacija).
3. Što se naziva dubinom zvuka? (dubina zvuka ili dubina kodiranja - broj bitova informacija po audio kodiranju).
4. Koje razine glasnoće može imati zvuk? (zvuk može imati različite razine glasnoće.
6. Koja je formula za izračunavanje veličine digitalne mono audio datoteke?
(A=D*T*I).
D - učestalost uzorkovanja;
T - vrijeme reprodukcije ili snimanja zvuka;
I - veličina bita registra.
7. Koja je formula za izračunavanje veličine digitalne stereo audio datoteke?
A=2*D*T*I
III. Rješavanje problema. Problem br. 1 (Semakin. br. 88 str. 157, zadatak br. 1). Obrazac br. 1.
Odredite količinu memorije za pohranu digitalne audio datoteke, čije je vrijeme reprodukcije dvije minute pri frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i 16-bitnoj ekstenziji.
IV. Učenje novog gradiva.
Od ranih 90-ih osobna računala mogu raditi s audio informacijama. Svako računalo koje ima zvučnu karticu, mikrofon i zvučnike može snimati, spremati i reproducirati audio informacije.
Korištenje posebnog softvera (uređivača snimanja) otvara široke mogućnosti za stvaranje, uređivanje i slušanje zvučnih datoteka. Izrađuju se programi za prepoznavanje govora i kao rezultat toga postaje moguće upravljati računalom pomoću glasa.
Iz vašeg kolegija fizike znate da je zvuk mehanički val s kontinuiranom promjenom amplitude i frekvencije (slika 1). Što je veća amplituda, to je glasniji zvuk; što je niža frekvencija, to je niži ton. Računalo je digitalni uređaj, pa se kontinuirani audio signal mora pretvoriti u niz električnih impulsa (nula i jedinica). Da bi se to postiglo, ravnina na kojoj je zvučni val grafički prikazan podijeljena je na vodoravne i okomite crte (Sl. 2 i Sl. 3). Vodoravne linije su razine glasnoće, a okomite linije broj mjerenja u sekundi (jedno mjerenje u sekundi je jedan hertz) ili frekvencija uzorkovanja (Hz). Ova vam metoda omogućuje zamjenu kontinuirane ovisnosti s diskretnim slijedom razina glasnoće, od kojih je svakoj dodijeljena vrijednost u binarnom kodu (slika 4).
Broj razina glasnoće ovisi o dubini zvuka - broju bajtova koji se koriste za kodiranje jedne razine. Tipično 8 kHz i razina kvantizacije (duljina koda od 8 bita). 
Sl. 1 sl.2
sl.3 sl.4
, gdje je N broj razina glasnoće, a I dubina zvuka (bitovi)
Primjer: Obrazac br. 3
Riješenje:
1) kodiranje s frekvencijom od 5 Hz - to znači da se mjerenje visine zvuka odvija u 1 sekundi. Dubina od 4 bita znači da se koristi 16 razina glasnoće.
Vrijednosti tona ćemo "zaokružiti" na najbližu nižu razinu. (Rezultat kodiranja: 1000 1000 1001 O11O 0111)
2) Za izračun glasnoće informacija kodiranog zvuka (A) koristi se jednostavna formula: A = D * i * T, gdje je: D frekvencija uzorkovanja (Hz); i - dubina zvuka (bitovi); T - vrijeme sviranja (sek).
Dobivamo: A = 5 Hz * 4 bita * 1 sek = 20 bita.
V. Odgojni samostalni rad. Obrazac br. 5
VI. Istraživački zadatak. Obrazac br. 6
Grupe br. 1-5. Uspostaviti odnos između kvalitete binarnog audio kodiranja i informacijskog volumena audio datoteke za audio informacije različitog sadržaja (monološki govor, dijaloški govor, pjesma, pjesma); odnos između količine informacija datoteke i načina snimanja (mono, stereo).
Tijek istraživačkog rada:
1) Ispunite obrazac br. 2.
2) Rezultate dobivene tijekom pokusa zapišite u tablicu.
3) Izvedite zaključak.
VII. Sumiranje grupnog rada
VIII. Mini projekt Glazbene i zvučne mogućnosti.
Legenda: Program: “U šumi je rođeno božićno drvce”
SCRN 7
LINIJA (20,0)-(300,180),2,BF
ZA I=1 DO 2000
X=280*RND+20 Y=180*RND
C=16*RND
PSET(X,Y),C
DALJE I
SPAVANJE 1
LINIJA (150,140)-(170,160),6,BF
PSET(110,140)
LINIJA-(210,140), 10
CRTA-(160,110),10
CRTA-(110,140),10
BOJA (160,120), 10,10
LOKACIJA 24.10
ISPIS “U šumi je rođeno božićno drvce”
IGRAJ “ms+80 02 18 caajafcc”
PSET (120,110)
CRTA-(200,110),10
CRTA-(160,85),10
CRTA-(120,110),10
BOJA (160,90),10,10
LOKACIJA 24.10
PRINT "Ona je odrasla u šumi"
IGRAJ "caab->dc4"
PSET (130,85)
LINE-(190.85),10
CRTA-(160,65),10
LINIJA-(130.85), 10
BOJA (160,70),10,10
LOKACIJA 24.10
ISPIS “VITKIJI ZIMI I LJETI”
IGRAJ "sa PSET-om (140,65)
LINIJA-(180.65), 10
LINIJA -(160.50), 10
LINIJA - BOJA (160,60), 10.10
LOKACIJA 24.10
ISPIS "GREEN WAS"
IGRAJ "caajofu"
SPAVATI
STOP
IX Sažetak lekcije
1). Praćenje razine usvojenosti programskog gradiva
1. Pri brzini uzorkovanja od 8 kHz, kvaliteta uzorkovanog audio signala odgovara:
- a) kvaliteta zvuka audio CD-a;
b) kvaliteta radijskog emitiranja;
c) prosječna kvaliteta.
- a) DOC;
b) WAV;
c) BMP.
- A) o frekvenciji uzorkovanja i dubini kodiranja;
b) o dubini boje i razlučivosti monitora;
c) iz međunarodnog standarda kodiranja.
- a) 4 puta;
b) volumeni su isti;
c) 2 puta.
3). Učiteljeva riječ.
Naravno, procjena kvalitete zvuka uvelike je subjektivna i ovisi o našoj percepciji. Računalo, baš kao i osoba, kodira zvučne informacije u svrhu pohrane i naknadne reprodukcije. Razmislite o tome, koja je razlika između audio informacija pohranjenih u memoriji računala i u ljudskoj memoriji? (Odgovor: kod ljudi je proces kodiranja zvuka usko povezan s emocijama).
Dakle, računalo pohranjuje zvuk, a čovjek glazbu!!! Glazba je jedini jezik u kojem duša razgovara s dušom (Berthold Auerbach). Može se podići u nebesa, probuditi osjetila, vezati um i unijeti strah. Svaka osoba ima svoju glazbu. Kakve emocije ili asocijacije u vama izaziva “Mjesečeva sonata”?... Topli pogled osobe pune ljubavi, nježan dodir majčine ruke, a sada je moguće da će vas ti očaravajući zvukovi podsjetiti na sat informatike. Sve je to, vidite, nedostupno digitalnom binarnom kodu.