Презентация "Кодирование и обработка звука"

Презентация по информатике для 8 класса на тему "Кодирование и обработка звука". Для лучшего понимания учениками процесса дискретизации звука используется визуализация этого процесса с помощью анимации, демонстрируются звуковые фрагменты, оцифрованные с различным качеством.

Просмотр содержимого документа «Презентация "Кодирование и обработка звука"»

Кодирование и обработка звуковой информации

С. В. Чайченков, учитель информатики МБОУ Грушевской СОШ, 2014

Знаете ли вы …

Что такое звук?
Как раньше хранили звуковую информацию?
Какие носители звуковой информации используются сейчас?
Чем отличается «живой» звук от «цифрового»?
От чего зависит качество звука?

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

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.

Задачи урока

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 и сохранения звука с нужным качеством.

Для этого нам надо решить следующие 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.

Давайте вспомним…

В каком виде должна быть представлена информация, чтобы её можно было обрабатывать при помощи компьютера?
Что такое аналоговая и дискретная информация?
Приведите примеры представления информации в непрерывной (аналоговой) и в дискретной форме.
Что такое разрешение графического изображения?
Что такое глубина цвета?

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

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?

Аналоговая и дискретная форма информации

При аналоговом представлении информации физическая величина изменяется плавно и непрерывно, принимая при этом бесконечное множество значений.

Аналоговая и дискретная форма информации

При дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно, принимая при этом конечное множество значений.

Дискретизация – это преобразование аналоговой формы информации в набор дискретных значений.

При дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно, принимая при этом конечное множество значений. Дискретизация – это преобразование аналоговой формы информации в набор дискретных значений.

Немного физики

Звук – это колебания воздуха или любой другой среды, в которой он распространяется.

Звуковой сигнал характеризуется непрерывно меняющейся амплитудой ( громкостью звука ) и тоном ( частотой колебаний ).

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.

Громкость звука

Чем больше интенсивность ( амплитуда ) звуковой волны, тем громче звук (игрушечная дудочка – труба).

Частота звука

Чем больше частота колебаний , тем выше тон звука (скрипка – контрабас).

Как измерить звук? (материал для любознательных)

Для любознательных . 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.

Схема кодирования и декодирования звука

Может ли компьютер обрабатывать аналоговый звук?
Что нужно сделать, чтобы звук можно было обработать с помощью компьютера?

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.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

Временн á я дискретизация звука

Аналоговый сигнал

Дискретный сигнал

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?

От чего будет зависеть качество оцифрованного звука?

Временн á я дискретизация звука

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?

Сколько различных уровней амплитуды звука можно закодировать 4 битами?

Частота дискретизации звука –

это количество измерений громкости звука за 1 секунду.

(одно измерение в секунду)

8000 Гц (8 кГц) – качество телефонной связи.

48000 Гц (48 кГц) – качество аудио- CD .

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.

Разрядность дискретизации (глубина кодирования звука) –

это длина двоичного кода, используемого для кодирования каждого измеренного дискретного уровня громкости звука .

N – количество дискретных уровней звука

i – глубина кодирования звука (бит)

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 = 2 i , 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?

8 бит: 2 8 = 256 уровней

16 бит: 2 16 = 65536 уровней

Качество цифрового звука

Примеры записи звука с различными параметрами:

i = 8 бит, F = 8 кГц

i = 8 бит, F = 24 кГц

i = 8 бит, F = 4 8 кГц

i = 16 бит, F = 8 кГц

i = 16 бит, F = 24 кГц

i = 16 бит, F = 4 8 кГц

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

Расчёт объёма звукового файла

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).

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!

Чем выше качество звука, тем больше объём файла!

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

Решение:

F = 4 8 кГц = 48000 Гц

I = 4 80 00 Гц ∙ 16 бит ∙ 10 сек ∙ 2 =

= 15360000 бит = 1920000 байт ≈

≈ 1875 Кбайт ≈ 1,83 Мбайт

Ответ: I ≈ 1 ,83 Мбайт

F = 4 8 кГц

i = 16 бит

t = 1 0 сек

Пример задачи: (при отсутствии времени без записи в тетрадь)

Найти: I

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.
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.

Для любознательных . 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 (ухудшается качество). WMA (Windows Media Audio) – потоковый звук, сжатие с потерей информации.
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 (ухудшается качество).
WMA (Windows Media Audio) – потоковый звук, сжатие с потерей информации.

Например, те же 10 секунд стереозвука в формате MP 3 (битрейт 96 Кбит/с ) будут занимать всего 120 Кбайт.

Пример звука в формате MP3 (битрейт 96 Кбит/с ) :

В.Высоцкий – Кони привередливые (10 сек, 120 Кбайт)

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

Решение:

F = 44,1 кГц = 44100 Гц

V = 700 Мбайт = 734003200 байт

i = 16 бит = 2 байта

t = V / (F ∙ i ∙ k)

t = 734003200 байт / (44100 Гц ∙ 2 байт ∙ 2 ) ≈

≈ 4160 сек ≈ 70 мин

Ответ: t ≈ 70 мин.

F = 44,1 кГц

i = 16 бит

V = 700 Мбайт

Решим ещё одну задачу: (при отсутствии времени без записи в тетрадь)

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

Почему на диске MP3 в несколько раз больше?

Найти: t

Почему на диске MP 3 в несколько раз больше?

Знаете ли вы теперь …

Что такое звук?
Как раньше хранили звуковую информацию?
Какие носители звуковой информации используются сейчас?
Чем отличается «живой» звук от «цифрового»?
От чего зависит качество звука?

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 «Кодирование звука»

Звуковые проигрыватели

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.

Проигрыватель Windows Media

Звуковые редакторы

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 .

Звуковой редактор Audacity

Практическая работа

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

Выполним небольшую практическую работу в стандартном приложении Звукозапись .

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

Практическая работа

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

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

Практическая работа

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

Практическая работа

4. Сохраните файл в той же папке с новым именем и характеристиками, заданными в таблице на рабочем листе ( Файл – Сохранить как… – Изменить… – Атрибуты ).

Нажмите Ок , введите имя файла, нажмите Сохранить.

Посмотрите свойства файла и запишите их в таблицу ( Файл – Свойства – Формат аудио)

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.

5. Снова откройте исходный файл и повторите пункт 4 нужное количество раз.

Практическая работа

Частота дискр., кГц

Глубина кодир., бит

Дли-тель-ность, с

Режим (моно-стерео)

Объем файла, байт

Рассчитанный объем файла, байт

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

Домашнее задание

1) Учебник Босовой Л.Л. § 5.1.3.

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

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎