Решаване на проблеми при кодиране на аудио информация. методическа разработка по информатика и ИКТ (10 клас) по темата

Решаване на проблеми при кодиране на аудио информация. методическа разработка по информатика и ИКТ (10 клас) по темата
Решаване на проблеми при кодиране на аудио информация. методическа разработка по информатика и ИКТ (10 клас) по темата
18.11.2023

Решаване на проблеми при кодиране на аудио информация

I. Размер на цифров файл

1. Определете размера (в байтове) на цифров аудио файл, чието време за възпроизвеждане е 10 секунди при честота на дискретизация 22,05 kHz и разделителна способност 8 бита. Файлът не е компресиран. (, страница 156, пример 1)

Решение:

Формула за изчисляване на размера(в байтове)цифров аудио файл:A=D*T*I/8.

За да се преобразува в байтове, получената стойност трябва да бъде разделена на 8 бита.

22,05 kHz =22,05 * 1000 Hz =22050 Hz

A=D*T*I/8 =22050 x 10 x 8 / 8 = 220500 байта.

^ Отговор: Размерът на файла е 220 500 байта.

2. Определете обема на паметта за съхраняване на цифров аудио файл, чието време за възпроизвеждане е две минути при честота на дискретизация 44,1 kHz и разделителна способност 16 бита. (, стр. 157, № 88)

Решение:

A=D*T*I/8. – количеството памет за съхраняване на цифров аудио файл.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (бита) / 8 (бита) = 10584000 байта = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Отговор: ≈ 10 MB

6. Две минути запис на цифров аудио файл заемат 5,1 MB дисково пространство. Честота на дискретизация - 22050 Hz. Каква е битовата дълбочина на аудио адаптера?

Решение:

Формула за изчисляване на битовата дълбочина: (капацитет на паметта в байтове): (време на звучене в секунди): (честота на дискретизация):

5,1 MB= 5347737,6 байта

5347737,6 байта: 120 сек: 22050 Hz= 2,02 байта = 16 бита
^ Отговор: 16 бита

8. Оценете обема на информацията на моно аудио файл с продължителност на звука 1 минута. ако „дълбочината“ на кодиране и честотата на семплиране на аудио сигнала са равни съответно:
а) 16 бита и 8 kHz;
б) 16 бита и 24 kHz.

Решение:

А).
16 бита x 8000 = 128 000 бита = 16 000 байта = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

б).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 24 000 = 384 000 бита = 48 000 байта = 46,875 KB/s
2) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 минута е равен на:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

^ Отговор: а) 937,5 KB; б) 2,8 MB

9. Колко памет е необходима за съхраняване на цифров аудио файл с висококачествен звукозапис, при условие че времето за възпроизвеждане е 3 минути?

Решение:

Високо качество на звука се постига при честота на семплиране от 44,1 kHz и битова дълбочина на аудио адаптера от 16.
Формула за изчисляване на капацитета на паметта: (време за запис в секунди) x (капацитет на звуковата карта в байтове) x (честота на дискретизация):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 байта = 15,1 MB
Отговор: 15,1 MB

10. Цифровият аудио файл съдържа аудиозапис с ниско качество (звукът е тъмен и приглушен). Каква е продължителността на файл, ако размерът му е 650 KB?
Решение:

Следните параметри са типични за мрачен и приглушен звук: честота на дискретизация - 11.025 KHz, битова дълбочина на аудио адаптера - 8 бита (вижте таблица 1). Тогава T=A/D/I. Нека преобразуваме обема в байтове: 650 KB = 665600 байта

Т=665600 байта/11025 Hz/1 байт ≈60.4 s

^ Отговор: продължителността на звука е 60,5 s

11. Оценете обема на информацията на висококачествен стерео аудио файл с продължителност на звука 1 минута, ако „дълбочината“ на кодиране е 16 бита и честотата на семплиране е 48 kHz. (, стр. 74, пример 2.54)

Решение:

Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 48 000 x 2 = 1 536 000 бита = 187,5 KB (умножено по 2, тъй като стерео).

Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 минута е равен на:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Отговор: 11 MB

12. Изчислете времето за възпроизвеждане на моно аудио файл, ако при 16-битово кодиране и честота на семплиране 32 kHz неговият обем е равен на:
а) 700 KB;
б) 6300 KB

Решение:

А).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

б).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 32 000 = 512 000 бита = 64 000 байта = 62,5 KB/s
2) Времето за възпроизвеждане на 700 KB моно аудио файл е:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 мин.

Отговор: а) 10 секунди; б) 1,5 мин.

13. Изчислете колко байта информация заема една секунда стерео запис на CD (честота 44032 Hz, 16 бита на стойност). Колко време отнема една минута? Какъв е максималният капацитет на диска (при положение, че максималната продължителност е 80 минути)?

Решение:

Формула за изчисляване на размера на паметтаA=D*T*I:
(време за запис в секунди) * (капацитет на звуковата карта в байтове) * (честота на семплиране). 16 бита -2 байта.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 байта (1 секунда стерео CD запис)
2) 60s x 2 x 44032 Hz = 5283840 байта (1 минута стерео CD запис)
3) 4800s x 2 x 44032 Hz = 422707200 байта = 412800 KB = 403,125 MB (80 минути)

Отговор: 88064 байта (1 секунда), 5283840 байта (1 минута), 403,125 MB (80 минути)

^ II. Определяне на качеството на звука.

За да определите качеството на звука, трябва да намерите честотата на дискретизация и да използвате таблица № 1

256 (2 8 ) нива на интензитет на сигнала - качество на звука на радиопредавания, използвайки 65536 (2 16 ) нива на интензитет на сигнала - качество на звука на аудио CD. Честотата с най-високо качество съответства на музика, записана на компактдиск. Големината на аналоговия сигнал се измерва в този случай 44 100 пъти в секунда.

13. Определете качеството на звука (качество на радиопредаване, средно качество, качество на аудио CD), ако е известно, че обемът на моно аудио файл с продължителност на звука 10 секунди. равна на:
а) 940 KB;
б) 157 KB.

Решение:
А).
1) 940 KB = 962560 байта = 7700480 бита
2) 7700480 бита: 10 сек = 770048 бита/сек
3) 770048 bps: 16 бита = 48128 Hz – честота на дискретизация – близка до най-високата 44,1 kHz
^ Отговор: Качество на аудио CD
б).
1) 157 KB = 160768 байта = 1286144 бита
2) 1286144 бита: 10 сек = 128614,4 бита/сек
3) 128614,4 bps: 16 бита = 8038,4 Hz
Отговор: качество на излъчване
Отговор: а) качество на CD; б) качество на радиопредаване.

Когато решават проблеми, учениците разчитат на следните понятия:

Времево вземане на проби – процес, при който по време на кодиране на непрекъснат аудио сигнал звуковата вълна се разделя на отделни малки времеви участъци, като за всеки такъв участък се задава определена стойност на амплитудата. Колкото по-голяма е амплитудата на сигнала, толкова по-силен е звукът.

Аудио дълбочина (дълбочина на кодиране) - брой битове на аудио кодиране.

Нива на звука (нива на сигнала)- звукът може да има различни нива на сила на звука. Броят на различните нива на звука се изчислява по формулата н = 2 аз Където аз – дълбочина на звука.

Честота на вземане на проби – брой измервания на нивото на входния сигнал за единица време (за 1 секунда). Колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-точна е процедурата за двоично кодиране. Честотата се измерва в Херц (Hz). 1 измерване за 1 секунда -1 Hz.

1000 измервания за 1 секунда 1 kHz. Нека обозначим честотата на дискретизация с буквата д. За кодиране изберете една от трите честоти: 44,1 KHz, 22,05 KHz, 11,025 KHz.

Смята се, че диапазонът от честоти, които човек чува, е от20 Hz до 20 kHz .

Качество на двоично кодиране – стойност, която се определя от дълбочината на кодиране и честотата на семплиране.

Аудио адаптер (звукова карта) – устройство, което преобразува електрически вибрации на звукова честота в цифров двоичен код при въвеждане на звук и обратно (от цифров код в електрически вибрации) при възпроизвеждане на звук.

Спецификации на аудио адаптера: честота на дискретизация и битова дълбочина на регистъра.).

Размер на регистъра - брой битове в регистъра на аудио адаптера. Колкото по-голям е разрядният капацитет, толкова по-малка е грешката при всяко отделно преобразуване на големината на електрическия ток в число и обратно. Ако битовата дълбочина е аз , тогава при измерване на входния сигнал 2 може да се получи аз = н различни значения.

Размер на цифров моно аудио файл ( А ) се измерва по формулата:

А = д * T * аз /8 , Където д – честота на вземане на проби (Hz), T – време на възпроизвеждане или запис на звук, аз ширина на регистъра (резолюция). Според тази формула размерът се измерва в байтове.

Размер на цифров стерео аудио файл ( А ) се измерва по формулата:

А =2* д * T * аз /8 , сигналът се записва за два високоговорителя, тъй като левият и десният звуков канал са кодирани отделно.

Полезно е за студентите да издават маса 1, показващ колко MB ще заема кодирана една минута аудио информация при различни честоти на дискретизация:

Честота на дискретизация, kHz

44,1

22,05

11,025

16 бита, стерео

10,1 MB

5,05 MB

2,52 MB

16 бита, моно

5,05 MB

2,52 MB

1,26 MB

8 бита, моно

2,52 MB

1,26 MB

630 KB

1. Размер на цифров файл

Ниво "3"

1. Определете размера (в байтове) на цифров аудио файл, чието време за възпроизвеждане е 10 секунди при честота на дискретизация 22,05 kHz и разделителна способност 8 бита. Файлът не е компресиран. (, страница 156, пример 1)

Решение:

Формула за изчисляване на размера(в байтове) цифров аудио файл: А = д * T * аз /8.

За да се преобразува в байтове, получената стойност трябва да бъде разделена на 8 бита.

22,05 kHz =22,05 * 1000 Hz =22050 Hz

А = д * T * аз /8 = 22050 x 10 x 8 / 8 = 220500 байта.

Отговор: Размерът на файла е 220 500 байта.

2. Определете обема на паметта за съхраняване на цифров аудио файл, чието време за възпроизвеждане е две минути при честота на дискретизация 44,1 kHz и разделителна способност 16 бита. (, стр. 157, № 88)

Решение:

А = д * T * аз /8. – количеството памет за съхраняване на цифров аудио файл.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (бита) / 8 (бита) = 10584000 байта = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Отговор: ≈ 10 MB

Ниво "4"

3. Потребителят разполага с памет от 2,6 MB. Необходимо е да запишете цифров аудио файл с продължителност на звука 1 минута. Каква трябва да бъде честотата на вземане на проби и битовата дълбочина? (, стр. 157, № 89)

Решение:

Формула за изчисляване на честотата на дискретизация и битовата дълбочина:д* аз=A/T

(капацитет на паметта в байтове) : (време на звучене в секунди):

2,6 MB = 2726297,6 байта

д* аз=A/T= 2726297,6 байта: 60 ​​= 45438,3 байта

D= 45438.3 байта : аз

Ширината на адаптера може да бъде 8 или 16 бита. (1 байт или 2 байта). Следователно честотата на дискретизация може да бъдеили 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz–стандартна характерна честота на дискретизация или 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- стандартна характеристика на дискретизация

Отговор:

4. Размерът на свободната памет на диска е 5,25 MB, битовата дълбочина на звуковата карта е 16. Каква е продължителността на звука на цифров аудио файл, записан с честота на дискретизация 22,05 kHz? (, стр. 157, № 90)

Решение:

Формула за изчисляване на продължителността на звука: T =A /D /I

(капацитет на паметта в байтове) : (честота на дискретизация в Hz) : (капацитет на звуковата карта в байтове):

5,25 MB = 5505024 байта

5505024 байта: 22050 Hz: 2 байта = 124,8 сек
Отговор: 124,8 секунди

5. Една минута запис на цифров аудио файл заема 1,3 MB дисково пространство, битовата дълбочина на звуковата карта е 8. При каква честота на дискретизация се записва звукът? (, стр. 157, № 91)

Решение:

Формула за изчисляване на честотата на дискретизация: д=A/T/ аз

(капацитет на паметта в байтове) : (време за запис в секунди) : (капацитет на звуковата карта в байтове)

1,3 MB = 1363148,8 байта

1363148.8 байта: 60:1 = 22719.1 Hz

Отговор: 22,05 kHz

6. Две минути запис на цифров аудио файл заемат 5,1 MB дисково пространство. Честота на дискретизация - 22050 Hz. Каква е битовата дълбочина на аудио адаптера? (, стр. 157, № 94)

Решение:

Формула за изчисляване на битовата дълбочина: (капацитет на паметта в байтове): (време на звучене в секунди): (честота на дискретизация):

5,1 MB= 5347737,6 байта

5347737,6 байта: 120 сек: 22050 Hz= 2,02 байта = 16 бита

Отговор: 16 бита

7. Обемът на свободната памет на диска е 0,01 GB, битовата дълбочина на звуковата карта е 16. Каква е продължителността на звука на цифров аудио файл, записан с честота на дискретизация 44100 Hz? (, стр. 157, № 95)

Решение:

Формула за изчисляване на продължителността на звука T = A / D / I

(капацитет на паметта в байтове) : (честота на дискретизация в Hz) : (капацитет на звуковата карта в байтове)

0,01 GB = 10737418,24 байта

10737418.24 байта: 44100: 2 = 121.74 сек. = 2.03 мин.
Отговор: 20,3 минути

8. Оценете обема на информацията на моно аудио файл с продължителност на звука 1 минута. ако „дълбочината“ на кодиране и честотата на семплиране на аудио сигнала са равни съответно:
а) 16 бита и 8 kHz;
б) 16 бита и 24 kHz.

(, стр. 76, № 2.82)

Решение:

А).
16 бита x 8000 = 128 000 бита = 16 000 байта = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

б).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 24 000 = 384 000 бита = 48 000 байта = 46,875 KB/s
2) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 минута е равен на:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

Отговор: а) 937,5 KB; б) 2,8 MB

Ниво "5"

Използва се таблица 1

9. Колко памет е необходима за съхраняване на цифров аудио файл с висококачествен звукозапис, при условие че времето за възпроизвеждане е 3 минути? (, стр. 157, № 92)

Решение:

Високо качество на звука се постига при честота на семплиране от 44,1 kHz и битова дълбочина на аудио адаптера от 16.
Формула за изчисляване на капацитета на паметта: (време за запис в секунди) x (капацитет на звуковата карта в байтове) x (честота на дискретизация):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 байта = 15,1 MB
Отговор: 15,1 MB

10. Цифровият аудио файл съдържа аудиозапис с ниско качество (звукът е тъмен и приглушен). Каква е продължителността на файл, ако размерът му е 650 KB? (, стр. 157, № 93)

Решение:

Следните параметри са типични за мрачен и приглушен звук: честота на дискретизация - 11.025 KHz, битова дълбочина на аудио адаптера - 8 бита (вижте таблица 1). Тогава T = A / D / I. Нека преобразуваме обема в байтове: 650 KB = 665600 байта

Т=665600 байта/11025 Hz/1 байт ≈60.4 s

Отговор: продължителността на звука е 60,5 s

Решение:

Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 48 000 x 2 = 1 536 000 бита = 187,5 KB (умножено по 2, тъй като стерео).

Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 минута е равен на:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Отговор: 11 MB

Отговор: а) 940 KB; б) 2,8 MB.

12. Изчислете времето за възпроизвеждане на моно аудио файл, ако с 16-битово кодиране и честота на семплиране от 32 kHz неговият обем е равен на:
а) 700 KB;
б) 6300 KB

(, стр. 76, № 2.84)

Решение:

А).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

б).
1) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 32 000 = 512 000 бита = 64 000 байта = 62,5 KB/s
2) Времето за възпроизвеждане на 700 KB моно аудио файл е:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 мин.

Отговор: а) 10 секунди; б) 1,5 мин.

13. Изчислете колко байта информация заема една секунда стерео запис на CD (честота 44032 Hz, 16 бита на стойност). Колко време отнема една минута? Какъв е максималният капацитет на диска (при положение, че максималната продължителност е 80 минути)? (, стр. 34, упражнение № 34)

Решение:

Формула за изчисляване на размера на паметтаА = д * T * аз :
(време за запис в секунди) * (капацитет на звуковата карта в байтове) * (честота на семплиране). 16 бита -2 байта.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 байта (1 секунда стерео CD запис)
2) 60s x 2 x 44032 Hz = 5283840 байта (1 минута стерео CD запис)
3) 4800s x 2 x 44032 Hz = 422707200 байта = 412800 KB = 403,125 MB (80 минути)

Отговор: 88064 байта (1 секунда), 5283840 байта (1 минута), 403,125 MB (80 минути)

2. Определяне на качеството на звука.

За да определите качеството на звука, трябва да намерите честотата на дискретизация и да използвате таблица № 1

256 (2 8) нива на интензитет на сигнала - качество на звука на радиопредаване, като се използват 65536 (2 16) нива на интензитет на сигнала - качество на звука на аудио CD. Честотата с най-високо качество съответства на музика, записана на компактдиск. Големината на аналоговия сигнал се измерва в този случай 44 100 пъти в секунда.

Ниво "5"

13. Определете качеството на звука (качество на радиопредаване, средно качество, качество на аудио CD), ако е известно, че обемът на моно аудио файл с продължителност на звука 10 секунди. равна на:
а) 940 KB;
б) 157 KB.

(, стр. 76, № 2.83)

Решение:

А).
1) 940 KB = 962560 байта = 7700480 бита
2) 7700480 бита: 10 сек = 770048 бита/сек
3) 770048 bps: 16 бита = 48128 Hz – честота на дискретизация – близка до най-високата 44,1 kHz
Отговор: Качество на аудио CD

б).
1) 157 KB = 160768 байта = 1286144 бита
2) 1286144 бита: 10 сек = 128614,4 бита/сек
3) 128614,4 bps: 16 бита = 8038,4 Hz
Отговор: качество на излъчване

Отговор: а) качество на CD; б) качество на радиопредаване.

14. Определете дължината на аудио файла, който ще се побере на 3,5” флопи диск. Моля, обърнете внимание, че 2847 сектора от 512 байта са разпределени за съхраняване на данни на такава дискета.
а) с ниско качество на звука: моно, 8 бита, 8 kHz;
б) с високо качество на звука: стерео, 16 бита, 48 kHz.

(, стр. 77, № 2.85)

Решение:

А).

8 бита x 8 000 = 64 000 бита = 8 000 байта = 7,8 KB/s
3) Времето за възпроизвеждане на моно аудио файл с обем 1423,5 KB е равно на:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 минути

б).
1) Информационният обем на дискета е равен на:
2847 сектора x 512 байта = 1457664 байта = 1423,5 KB
2) Информационният обем на звуков файл с продължителност 1 секунда е равен на:
16 бита x 48 000 x 2 = 1 536 000 бита = 192 000 байта = 187,5 KB/s
3) Времето за възпроизвеждане на стерео аудио файл с обем 1423,5 KB е равно на:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s

Отговор: а) 3 минути; б) 7,6 секунди.

3. Двоично аудио кодиране.

При решаването на задачи той използва следния теоретичен материал:

За да кодирате аудио, аналоговият сигнал, показан на фигурата


равнината е разделена на вертикални и хоризонтални линии. Вертикалното разделяне е вземането на проби от аналоговия сигнал (честотата на измерване на сигнала), хоризонталното разделяне еквантуване по ниво. Тези. Колкото по-фина е мрежата, толкова по-добро е приближението на аналоговия звук с помощта на числа. Осембитовото квантуване се използва за дигитализиране на обикновена реч (телефонен разговор) и късовълнови радио предавания. Шестнадесет бита – за цифровизиране на музикални и VHF (свръхкъси вълни) радиопредавания.

Ниво "3"

15. Аналоговият аудио сигнал беше взет първо като семпла с помощта на 256 интензитета на сигнала (качество на излъчвания звук) и след това с използване на 65 536 интензитета на сигнала (качество на звука на аудио CD). Колко пъти се различават информационните обеми на цифровизирания звук? (, стр. 77, № 2.86)

Решение:

Дължината на кода на аналогов сигнал, използващ 256 нива на интензитет на сигнала, е 8 бита, използвайки 65536 нива на интензитет на сигнала се равняват на 16 бита. Тъй като дължината на кода на един сигнал се е удвоила, информационните обеми на цифровизирания звук се различават 2 пъти.

Отговор: 2 пъти.

Ниво " 4 »

16. Съгласно теоремата на Найкуист-Котелников, за да може един аналогов сигнал да бъде точно реконструиран от неговото дискретно представяне (от неговите проби), честотата на дискретизация трябва да бъде поне два пъти максималната аудио честота на този сигнал.

    Каква трябва да бъде честотата на дискретизация на възприемания от човека звук?

    Кое трябва да е по-високо: честотата на дискретизация на речта или честотата на дискретизация на симфоничен оркестър?

Цел: Да запознае студентите с характеристиките на хардуера и софтуера за работа със звук. Видове дейности: привличане на знания от курс по физика (или работа с справочници). (, стр. ??, задача 2)

Решение:

Смята се, че обхватът на честотите, които хората чуват, е от 20 Hz до 20 kHz. По този начин, съгласно теоремата на Найкуист-Котелников, за да може аналоговият сигнал да бъде точно реконструиран от неговото дискретно представяне (от неговите проби),Честотата на дискретизация трябва да бъде най-малко два пъти по-висока от максималната аудио честота на този сигнал. Максималната звукова честота, която човек може да чуе, е 20 KHz, което означава, че устройството Ra и софтуерът трябва да осигуряват честота на семплиране поне 40 kHz или по-точно 44,1 kHz. Компютърната обработка на звука на симфоничен оркестър изисква по-висока честота на дискретизация от обработката на реч, тъй като честотният диапазон в случая на симфоничен оркестър е много по-голям.

Отговор: не по-малко от 40 kHz, честотата на семплиране на симфоничен оркестър е по-висока.

Ниво "5"

17. Фигурата показва звука на 1 секунда реч, записана от диктофон. Кодирайте го в двоичен цифров код с честота 10 Hz и дължина на кода 3 бита. (, стр. ??, задача 1)

Решение:

Кодирането при 10 Hz означава, че трябва да измерваме височината на звука 10 пъти в секунда. Нека изберем равноотдалечени моменти от време:

Дължина на кода от 3 бита означава 2 3 = 8 нива на квантуване. Тоест, като цифров код за височината на звука във всеки избран момент от времето, можем да зададем една от следните комбинации: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Има само 8 от следователно височината на звука може да бъде измерена на 8 "нива":

Ще „закръглим“ стойностите на височината до най-близкото по-ниско ниво:

Използвайки този метод на кодиране, получаваме следния резултат (включени са интервали за по-лесно възприемане): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Забележка.Препоръчително е да насочите вниманието на учениците към това колко неточно кодът предава промяната в амплитудата. Тоест честотата на семплиране е 10 Hz, а нивото на квантуване е 2 3 (3 бита) са твърде малки. Обикновено за звук (глас) се избира честота на семплиране от 8 kHz, т.е. 8000 пъти в секунда, и ниво на квантуване от 2 8 (код с дължина 8 бита).

Отговор: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Обяснете защо нивото на квантуване, заедно с честотата на дискретизация, е основната характеристика на звуковото представяне в компютъра.Цели: да консолидира разбирането на учениците за понятията „точност на представяне на данни“, „грешка при измерване“, „грешка при представяне“; Прегледайте двоичното кодиране и дължината на кода с учениците. Вид дейност: работа с дефиниции на понятия. (, стр. ??, задача 3)

Решение:

В геометрията, физиката и технологията съществува понятието „точност на измерването“, което е тясно свързано с понятието „грешка при измерване“. Но има и концепция"прецизност на представянето". Например, за височината на човек можем да кажем, че той е: а) около. 2 m, b) малко повече от 1,7 m, c) равно на 1 m 72 cm, d) равно на 1 m 71 cm 8 mm. Тоест 1, 2, 3 или 4 цифри могат да се използват за обозначаване на измерената височина.
Същото важи и за двоичното кодиране. Ако се използват само 2 бита за запис на височината на звука в определен момент от времето, тогава, дори ако измерванията са точни, могат да бъдат предадени само 4 нива: ниско (00), под средно (01), над средно ( 10), високо (11). Ако използвате 1 байт, можете да прехвърлите 256 нива. какпо-високо ниво на квантуване , или, което е същото катоКолкото повече битове са разпределени за записване на измерената стойност, толкова по-точно се предава тази стойност.

Забележка.Трябва да се отбележи, че измервателният уред трябва да поддържа и избраното ниво на квантуване (няма смисъл дължината, измерена с линийка, да се представя с дециметрови деления с точност до милиметър).

Отговор: колкото по-високо е нивото на квантуване, толкова по-точно се предава звукът.

Литература:

[ 1] Информатика. Проблемник-работилница в 2 тома /Ред. И.Г. Семакина, Е.К. Henner: Volume 1. – Laboratory of Basic Knowledge, 1999 – 304 с.: ил.

Семинар по компютърни науки и информационни технологии. Учебник за образователни институции / Н.Д. Угринович, Л.Л. Босова, Н.И. Михайлова. – М.: Бином. Лаборатория на знанието, 2002. 400 с.: ил.

Информатика в училище: Приложение към сп. „Информатика и образование“. № 4 - 2003. - М.: Образование и информатика, 2003. - 96 с.: ил.

Кушниренко А.Г., Леонов А.Г., Епиктетов М.Г. и др.. Информационна култура: кодиране на информацията. Информационни модели. 9-10 клас: Учебник за общообразователните институции. - 2-ро изд. - М.: Дропла, 1996. - 208 с.: ил.

Gein A.G., Senokosov A.I. Наръчник по информатика за ученици. - Екатеринбург: "U-Factoria", 2003. - 346. p54-56.

С различна амплитуда и честота. Колкото по-висока е амплитудата на сигнала, толкова по-силен се възприема от човек. Колкото по-висока е честотата на сигнала, толкова по-висок е неговият тон.

Фигура 1. Амплитуда на вибрациите на звуковата вълна

Честота на звуковата вълнаопределя се от броя на вибрациите в секунда. Тази стойност се измерва в херци (Hz, Hz).

Човешкото ухо възприема звуци в диапазона от $20$ Hz до $20$ kHz, този диапазон се нарича звук. Извиква се броят битове, които са разпределени за един звуков сигнал дълбочина на аудио кодиране. Съвременните звукови карти осигуряват $16-$, $32-$ или $64-$bit дълбочина на аудио кодиране. В процеса на кодиране на аудио информация непрекъснатият сигнал се заменя отделен, тоест той се преобразува в поредица от електрически импулси, състояща се от двоични нули и единици.

Честота на аудио дискретизация

Една от важните характеристики на процеса на аудио кодиране е честотата на дискретизация, която е броят измервания на нивото на сигнала за $1$ секунда:

  • едно измерване в секунда съответства на честота от $1$ гигахерца (GHz);
  • $1000$ измервания в секунда съответстват на честота от $1$ килохерца (kHz).

Определение 2

Честота на аудио дискретизацияе броят на измерванията на силата на звука за една секунда.

Броят на измерванията може да бъде в диапазона от $8$ kHz до $48$ kHz, като първата стойност съответства на честотата на радиопредаванията, а втората - на качеството на звука на музикалните медии.

Бележка 1

Колкото по-висока е честотата и дълбочината на семплиране на аудиото, толкова по-високо качество ще звучи дигитализираното аудио. Най-ниското качество на цифровизирания звук, което съответства на качеството на телефонната комуникация, се получава, когато честотата на семплиране е 8000 пъти в секунда, дълбочината на семплиране е $8$ бита, което съответства на запис на един аудио запис (моно режим). Най-високото качество на цифровизирания звук, което съответства на качеството на аудио CD, се постига, когато честотата на семплиране е $48 000 пъти в секунда, дълбочината на семплиране е $16$ бита, което съответства на запис на две аудио записи (стерео режим).

Информационен обем на звуков файл

Трябва да се отбележи, че колкото по-високо е качеството на цифровия звук, толкова по-голям е информационният обем на звуковия файл.

Нека оценим обема на информацията на моно аудио файл ($V$), това може да се направи с помощта на формулата:

$V = N \cdot f \cdot k$,

където $N$ е общата продължителност на звука, изразена в секунди,

$f$ - честота на дискретизация (Hz),

$k$ - дълбочина на кодиране (битове).

Пример 1

Например, ако продължителността на звука е $1$ минута и имаме средно качество на звука, при което честотата на семплиране е $24$ kHz и дълбочината на кодиране е $16$ бита, тогава:

$V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \bit=23040000 \bit=2880000 \byte = 2812.5 \KB=2.75 \MB.$

При кодиране на стерео аудио, процесът на семплиране се извършва отделно и независимо за левия и десния канал, което съответно удвоява размера на аудио файла в сравнение с моно аудиото.

Пример 2

Например, нека оценим обема на информацията на цифров стерео аудио файл, чиято продължителност на звука е равна на $1 секунда със средно качество на звука ($16 бита, $24 000 измервания в секунда). За да направите това, умножете дълбочината на кодиране по броя на измерванията за $1$ секунда и умножете по $2$ (стерео звук):

$V=16 \bit \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \bit = 96000 \byte = 93,75 \KB.$

Основни методи за кодиране на аудио информация

Има различни методи за кодиране на аудио информация с двоичен код, сред които има две основни направления: FM методИ Метод на вълнова таблица.

FM метод (Честотна модулация) се основава на факта, че теоретично всеки сложен звук може да бъде разложен на поредица от прости хармонични сигнали с различни честоти, всеки от които ще представлява правилна синусоида, което означава, че може да бъде описан с код. Процесът на разлагане на звукови сигнали в хармонични серии и тяхното представяне под формата на дискретни цифрови сигнали се извършва в специални устройства, наречени „аналогово-цифрови преобразуватели“ (ADC).

Фигура 2. Преобразуване на аудио сигнал в дискретен сигнал

Фигура 2а показва аудио сигнала на входа на ADC, а Фигура 2b показва вече преобразувания дискретен сигнал на изхода на ADC.

За обратно преобразуване при възпроизвеждане на звук, който се представя под формата на цифров код, се използват цифрово-аналогови преобразуватели (DAC). Процесът на преобразуване на звука е показан на фиг. 3. Този метод на кодиране не осигурява добро качество на звука, но осигурява компактен код.

Фигура 3. Преобразуване на дискретен сигнал в аудио сигнал

Фигура 3a показва дискретния сигнал, който имаме на входа на DAC, а Фигура 3b показва аудио сигнала на изхода на DAC.

Метод на масата (Вълнова маса) се основава на факта, че предварително подготвени таблици съхраняват образци от звуците на околния свят, музикални инструменти и др. Цифровите кодове изразяват височината, продължителността и интензивността на звука и други параметри, характеризиращи характеристиките на звука. Тъй като „реалните“ звуци се използват като проби, качеството на звука, получен в резултат на синтеза, е много високо и се доближава до качеството на звука на истински музикални инструменти.

Примери за аудио файлови формати

Звуковите файлове се предлагат в няколко формата. Най-популярните от тях са MIDI, WAV, MP3.

MIDI формат(цифров интерфейс за музикални инструменти) първоначално е предназначен за управление на музикални инструменти. В момента се използва в областта на електронните музикални инструменти и модулите за компютърен синтез.

WAV аудио файлов формат(форма на вълната) представлява произволен звук като цифрово представяне на оригиналната звукова вибрация или звукова вълна. Всички стандартни звуци на Windows имат WAV разширение.

MPZ формат(MPEG-1 Audio Layer 3) е един от цифровите формати за съхраняване на аудио информация. Осигурява по-високо качество на кодиране.


Знанието се състои от малко
зрънца от ежедневния опит.
DI. Писарев

Цели: Приложение на теоретичните знания в практиката.
Цели на урока:
Научете принципа на двоичното кодиране при дигитализиране на звука;
Въведете концепцията за времево семплиране на звука;
Установете връзката между качеството на аудио кодиране, дълбочината на кодиране и честотата на семплиране;
Научете се да оценявате обема на информацията на аудио файл;
Запишете звук с помощта на компютър, запазете го в аудио файлове във формат WAV и го възпроизведете.

По време на часовете:

I. Организационен момент 1. Свири музика
2. Думите на учителя:

Темата на нашия урок е „Двоично кодиране на аудио информация“. Днес ще се запознаем с концепцията за времево семплиране на звука, ще установим експериментално връзката между качеството на кодиране на звука, дълбочината на кодиране и честотата на семплиране, ще научим как да оценяваме размера на аудио файловете, да записваме звук с помощта на компютър, да го запазваме в звукови файлове във формат WAV и го възпроизведете.

II. Актуализиране на знанията на учениците. Въпроси: (запишете отговорите във формуляр № 1)

1. Избройте видовете съществуване на информация? (цифрови, текстови, графични, звукови).
2. Каква ключова дума може да бъде избрана за видео поредицата? (информационно кодиране).
3. Какво се нарича дълбочина на звука? (дълбочина на звука или дълбочина на кодиране - броят битове информация за аудио кодиране).
4. Какви нива на звука може да има звукът? (звукът може да има различни нива на сила на звука.

5. Каква е честотата на дискретизация? (Честотата на дискретизация е броят измервания на нивото на входния сигнал за единица време (за 1 секунда).
6. Каква е формулата за изчисляване на размера на цифров моно аудио файл?
(A=D*T*I).
D - честота на дискретизация;
T е времето за възпроизвеждане или запис на звука;
I - регистър битов размер.
7. Каква е формулата за изчисляване на размера на цифров стерео аудио файл?
A=2*D*T*I

III. Разрешаване на проблем. Задача № 1 (Семакин. № 88 с. 157, задачник № 1). Формуляр №1.

Определете количеството памет за съхраняване на цифров аудио файл, чието време за възпроизвеждане е две минути при честота на семплиране 44,1 kHz и 16-битово разширение.


IV. Учене на нов материал.

От началото на 90-те години персоналните компютри могат да работят с аудио информация. Всеки компютър, който има звукова карта, микрофон и високоговорители, може да записва, запазва и възпроизвежда аудио информация.
Използването на специален софтуер (редактори за запис) отваря широки възможности за създаване, редактиране и прослушване на звукови файлове. Създават се програми за разпознаване на реч и в резултат на това става възможно управлението на компютър чрез глас.
Знаете от курса си по физика, че звукът е механична вълна с непрекъснато променящи се амплитуда и честота (фиг. 1). Колкото по-висока е амплитудата, толкова по-силен е звукът; колкото по-ниска е честотата, толкова по-нисък е тонът. Компютърът е цифрово устройство, така че непрекъснатият аудио сигнал трябва да се преобразува в поредица от електрически импулси (нули и единици). За целта равнината, на която звуковата вълна е представена графично, се разделя на хоризонтални и вертикални линии (фиг. 2 и фиг. 3). Хоризонталните линии са нивата на звука, а вертикалните линии са броят на измерванията в секунда (едно измерване в секунда е един херц) или честотата на вземане на проби (Hz). Този метод ви позволява да замените непрекъсната зависимост с дискретна последователност от нива на звука, на всяко от които е присвоена стойност в двоичен код (фиг. 4).

Фиг. 1Фиг.2 Фиг.3Фиг.4
Броят на нивата на звука зависи от дълбочината на звука - броя на байтовете, използвани за кодиране на едно ниво. Обикновено 8 kHz и ниво на квантуване (8 битова дължина на кода).
, където N е броят нива на звука, а I е дълбочината на звука (битове)

Пример: Формуляр №3
Решение:
1) кодиране с честота 5 Hz - това означава, че измерванията на височината на звука се извършват за 1 секунда. 4 бита дълбочина означава, че се използват 16 нива на звука.
Ще „закръглим“ стойностите на височината до най-близкото по-ниско ниво. (Резултат от кодиране: 1000 1000 1001 O11O 0111)

2) За изчисляване на информационния обем на кодирания звук (A) се използва проста формула: A = D * i * T, където: D е честотата на дискретизация (Hz); i - дълбочина на звука (битове); T - време на възпроизвеждане (сек).
Получаваме: A = 5 Hz * 4 бита * 1 сек = 20 бита.

V. Учебна самостоятелна работа. Формуляр № 5


VI. Изследователска задача. Формуляр № 6

Групи No 1-5. Установете връзка между качеството на двоичното аудио кодиране и информационния обем на аудио файла за аудио информация с различно съдържание (монологична реч, диалогична реч, стихотворение, песен); връзката между информационния обем на файла и режима на запис (моно, стерео).


Напредък на изследователската работа:

1) Попълнете формуляр № 2.
2) Запишете резултатите, получени по време на експеримента, в таблица.
3) Направете заключение.

VII. Обобщаване на груповата работа
VIII. Мини проект Музикални и звукови възможности.
Легенда: Програма: „В гората се роди коледно дърво“
SCRN 7
ЛИНИЯ (20,0)-(300,180),2,BF
ЗА I=1 ДО 2000
X=280*RND+20 Y=180*RND
C=16*RND
PSET(X,Y),C
СЛЕДВАЩ И
СЪН 1
ЛИНИЯ (150,140)-(170,160),6,BF
PSET(110 140)
ЛИНИЯ-(210,140), 10
ЛИНИЯ-(160,110),10
ЛИНИЯ-(110,140),10
БОЯ (160,120), 10,10
НАМЕСТИ 24.10
ПЕЧАТ „В гората се роди коледно дърво“
ИГРАЙТЕ „ms+80 02 18 caajafcc“
PSET (120 110)
ЛИНИЯ-(200,110),10
ЛИНИЯ-(160,85),10
ЛИНИЯ-(120,110),10
БОЯ (160,90),10,10
НАМЕСТИ 24.10
ПЕЧАТ „Тя е израснала в гората“
ИГРАЙТЕ "caab->dc4"
PSET (130,85)
ЛИНИЯ-(190.85),10
ЛИНИЯ-(160,65),10
ЛИНИЯ-(130.85), 10
БОЯ (160,70),10,10
НАМЕСТИ 24.10
ПЕЧАТ „ПО-СЛЕДНИЯТ ПРЕЗ ЗИМАТА И ЛЯТОТО“
ИГРАЙТЕ "с PSET (140.65)
ЛИНИЯ-(180.65), 10
ЛИНИЯ -(160.50), 10
ЛИНИЯ - БОЯ (160.60), 10.10
НАМЕСТИ 24.10
ПЕЧАТ „ЗЕЛЕН БЕШЕ“
ИГРАЙТЕ на "caajofu"
СЪН
СПРИ СЕ
IX Обобщение на урока

1). Проследяване нивото на усвояване на програмния материал
1. При честота на дискретизация от 8 kHz, качеството на семплирания аудио сигнал съответства на:

    а) качество на звука на аудио CD;
    б) качество на радиопредаване;
    в) средно качество.
2. В какъв формат се записват звуковите файлове:
    а) DOC;
    б) WAV;
    в) BMP.
3. Качеството на кодиране на непрекъснат аудио сигнал зависи от:
    а) върху честотата на дискретизация и дълбочината на кодиране;
    б) върху дълбочината на цвета и резолюцията на монитора;
    в) от международния стандарт за кодиране.
4. Два аудио файла се записват с еднаква честота на дискретизация и дълбочина на кодиране. Информационният обем на файл, записан в стерео режим, е по-голям от информационния обем на файл, записан в моно режим:
    а) 4 пъти;
    б) обемите са еднакви;
    в) 2 пъти.
2). Оценяване на знанията и уменията на учениците.
3). Словото на учителя.

Разбира се, оценката на качеството на звука е до голяма степен субективна и зависи от нашето възприятие. Компютърът, подобно на човек, кодира звукова информация с цел съхранение и последващо възпроизвеждане. Помислете за това, каква е разликата между аудио информация, съхранявана в паметта на компютъра и в човешката памет? (Отговор: при хората процесът на кодиране на звука е тясно свързан с емоциите).
Така компютърът съхранява звука, а човекът музиката!!!Музиката е единственият език, на който душата говори на душата (Бертолд Ауербах). Може да се издигне до небето, да събуди сетивата, да обвърже ума и да внуши страх. Всеки човек има своя собствена музика. Какви емоции или асоциации предизвиква у вас „Лунна соната”?... Топлият поглед на любящ човек, нежното докосване на майчината ръка, а сега е възможно тези омагьосващи звуци да ви напомнят за вашия урок по информатика. Всичко това, разбирате ли, е недостъпно за цифровия двоичен код.

X. Домашна работаЗадачи No89,91,92 стр.157.

Информационният обем на аудио файл може да се изчисли по следната формула (4):

V аудио = D * T * n канали * i / k компресия, (4)

където V е информационният обем на аудиофайла, измерен в байтове, килобайти, мегабайти; D – честота на дискретизация (брой точки в секунда за описание на аудиозапис); T – време на аудио файл; n канали – брой канали на аудио файл (стерео – 2 канала, 5.1 система – 6 канала); i е дълбочината на звука, която се измерва в битове, k компресията е степента на компресия на данните, без компресия е равна на 1.

Изчисляване на информационния обем на анимацията

Информационният обем на анимацията може да се изчисли по следната формула (5):

V anim = K * T * v* i/k компресия, (5)

където V anim е информационният обем на растерното графично изображение, измерен в байтове, килобайтове, мегабайтове; K – броят на пикселите (точките) в изображението, определен от разделителната способност на носителя на информация (екран на монитор, скенер, принтер); T – време на анимация; v– честота на кадрите в секунда; i е дълбочината на цвета, която се измерва в битове на пиксел, k компресията е степента на компресия на данните, без компресия е равна на 1.

Изчисляване на информационния обем на видео файл

Информационният обем на видео файл може да се изчисли по следната формула (5):

V видео = V анимация + V аудио + V суб, (5)

където V video е информационният обем на видеофайла, измерен в байтове, килобайтове, мегабайтове; V anim е информационният обем на анимацията (видеопоследователност), измерен в байтове, килобайтове, мегабайтове; V audio е информационният обем на аудио файл, измерен в байтове, килобайти, мегабайти (видеоклип може да съдържа файлове с аудио записи за няколко езика, след което умножаваме обема на аудио файла по броя на езиковите песни); V sub е информационният обем на файла със субтитри, измерен в байтове, килобайти, мегабайти (ако има няколко файла със субтитри, тогава трябва да сумирате размерите на всеки файл).

Практическа част

Опции / Опции

Честота на кадрите

Размер на изображението

Дълбочина на цвета, битове

Коефициент на компресия на изображението

Аудиозапис

Брой езици

Дълбочина на звука, битове

Честота на дискретизация на аудиопотока, Hz

Коефициент на компресия на аудио запис

Брой субтитри, бр.

Кодиране на текста на субтитрите

Брой знаци във файла със субтитрите, бр.

Коефициент на компресия на текст