Кодирование звуковой информации

• Кодирование звуковой информации

Звуковая информация

• Звуковые колебания или волны — это механические колебания с частотой от 20 до 20 000 Гц.
  • Колебания ниже этого это Инфразвук
  • Колебания выше этого это Ультразвук
• Звук является продольной волной, распространяющейся в упругих средах, включая воздух, воду и металлы. Ему требуется время для распространения.

Характеристики Звука

• Громкость звука зависит от амплитуды колебаний; чем больше амплитуда, тем громче звук.
• Высота звука определяется частотой колебаний воздуха.
• Скорость звука – это скорость распространения звуковых волн в определенной среде.
• Тембр звука – это окраска звука, которая зависит от источника звука, например, скрипка, рояль или гитара.
• Децибел (дБ) является единицей измерения громкости звука, представляя собой десятую часть бела и названа в честь Александра Грэхема Белла.

Уровни громкости звука от разных источников в дБ

• Спокойное дыхание: Не воспринимается
• Шепот: 10
• Шелест листьев: 17
• Листание газет: 20
• Обычный шум в доме: 40
• Прибой на берегу: 40
• Разговор средней громкости: 50
• Громкий разговор: 70
• Пылесос: 80
• Поезд в метро: 80
• Концерт: 100
• Гром: 110
• Реактивный двигатель: 110
• Выстрел из орудия: 120

Способы представления звука

• Аналоговый: физическая величина принимает бесконечное множество значений и изменяется непрерывно, как в виниловой пластинке.
• Дискретный: физическая величина принимает конечное множество значений и изменяется скачкообразно, как в Аудио CD диске.

Временная дискретизация звука

• Временная дискретизация – это процесс разделения непрерывной звуковой волны на отдельные небольшие временные участки.
• Для каждого из этих участков устанавливается определенная величина амплитуды.

Квантование

• Квантование — это процесс замены реальных значений сигнала приблизительными значениями с определенной точностью.

БИТРЭЙТ

• БИТРЭЙТ (bitrate) - уровень квантования, объем информации в единицу времени (bits per second). То есть, то количество информации о каждой секунде записи. Измеряется в битах (bit).

Метод импульсного кодирования (PCM Pulse Code Modulation)

• Звуковая информация сохраняется в виде значений амплитуды, взятых в определенные моменты времени ("импульсами").

Оцифровка звука

• Для преобразования звука в цифровую форму используются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Параметры оцифрованного звука

• Глубина дискретизации звука (i) это количество информации, необходимой для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.
• N = 2i, где N — количество уровней громкости, а i — глубина кодирования.
• Если глубина кодирования 16 битов, количество уровней громкости равно 65536.
• Каждому уровню громкости назначается свой 16-битовый двоичный код, от 0000000000000000 до 1111111111111111.
• Частота дискретизации – это количество измерений громкости звука за одну секунду, измеряемое в герцах (Гц).
• Сэмплрэйт (samplerate) - частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (аналого-цифровым преобразованием)

Качество оцифрованного звука

• Телефонная связь: 8 бит глубина, до 8 кГц частота дискретизации.
• Среднее качество: 8-16 бит глубина, 8-48 кГц частота дискретизации.
• Качество CD: 16 бит глубина, до 48 кГц частота дискретизации.
  • Больший битрейт означает больший объем звукового файла.

Объем Аудиофайла

• V = i * m * t * k, где:
  • V – объем файла,
  • i – глубина кодирования звука,
  • m – частота дискретизации звука,
  • t – длительность звучания файла,
  • k – количество каналов (моно = 1, стерео = 2).
• Пример: высококачественный стереофайл длительностью 1 минута, с глубиной кодирования 16 бит и частотой дискретизации 48 кГц
  • Объем файла длительностью 1 секунда: 16 бит * 48000 * 2 = 187.5 Кбайт.
  • Битрейт составляет 187,5 Кбайт в секунду.
  • Объем файла длительностью 1 минута: 187.5 Кбайт/с * 60 с = 11 Мбайт.

Редактирование звука

• Редактирование звука - это любое преобразование.
• Включает очистку от шумов, разделение стереозаписи, микширование звука и добавление эффектов.

Звуковые редакторы

• Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем файла, регулируя частоту дискретизации и глубину кодирования.
• Оцифрованный звук можно сохранить без сжатия в форматах WAV или MP3.
• Форматы со сжатием отбрасывают "избыточные" частоты, что сжимает файлы в десятки раз, но приводит к необратимой потере информации.

Форматы звуковых файлов

• WAVE (.wav): широко распространенный формат для хранения звуковых файлов в Windows.
• MPEG-3 (.mp3): популярный формат звуковых файлов.
• MIDI (.mid): содержит команды для воспроизведения звука, синтезируемого с помощью FM- или WT-синтеза.
• Real Audio (.ra, .ram): разработан для потокового воспроизведения в интернете.
• MOD (.mod): музыкальный формат, хранящий образцы звука для создания индивидуальных нот.