Проект по информатике "Представление звука"

Слайд 1

Слайд 2

Понятие о звуке Кодирование звука Двоичное кодирование звука Принципы оцифровки звука Дискретизация по времени Другие способы оцифровки Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) Кодирование оцифрованного звука перед его записью на носитель Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения у потребителя Параметры, влияющие на качество звука при его прохождении по полному циклу Методы кодирования Звуковые редакторы : - Cool Edit - Sound Forge - WaveLab Содержание

Слайд 3

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они воспринимаются органами чувств животных и человека. Понятие о звуке

Слайд 4

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука. Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).

Слайд 5

Как известно, звук – это колебания, в частности, воздуха, представляющие собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем громче звук для человека; чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, такой непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные короткие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Это выполняется устройством, называемым аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), который измеряет напряжение поступающего с микрофона звукового сигнала через равные промежутки времени и записывает полученные значения (в виде многоразрядных двоичных чисел) в память компьютера. В результате, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность значений уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (см. рисунок). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование, для которого служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал (через аналоговый фильтр). Кодирование звука

Слайд 6

Использование компьютера для обработки звука началось позднее, нежели чисел, текстов и графики. Звуковые сигналы в окружающем нас мире необычайно разнообразны. Сложные непрерывные сигналы можно с достаточной точностью представлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задана некоторым набором числовых параметров – амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени. В процессе кодирования звукового сигнала производится его временная дискретизация – непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости (см. рисунок). Каждому уровню громкости присваивается его код. Чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание. Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации. Двоичное кодирование звука

Слайд 7

Цифровой звук – это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды. Оцифровка звука — технология поделенная временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде. Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука. Оцифровка звука включает в себя два процесса: -процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени -процесс квантования по амплитуде . Принципы оцифровки звука

Слайд 8

Процесс дискретизации по времени - процесс получения значений сигнала, который преобразуется, с определенным временным шагом - шагом дискретизации . Количество размеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой сэмплирования. Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено. Это подтверждается теоремой Котельникова. Согласно ей, аналоговый сигнал с ограниченным спектром точно описуем дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения берутся с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала. На практике это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (0 – 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц. Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью. Дискретизация по времени

Слайд 9

Способ неоднородного квантования предусматривает разбиение амплитудной шкалы на уровни по логарифмическому закону. Такой способ квантования называют логарифмическим квантованием. При использовании логарифмической амплитудной шкалы, в области слабой амплитуды оказывается большее число уровней квантования, чем в области сильной амплитуды (при этом, общее число уровней квантования остается таким же, как и в случае однородного квантования). Аналогово-цифровое преобразование, основанное на применении метода неоднородного квантования, называется неоднородной импульсно-кодовой модуляцией - неоднородной ИКМ. Альтернативным способом аналогово-цифрового преобразования является разностная импульсно-кодовая модуляция – разностная ИКМ В случае разностной ИКМ квантованию подвергают не саму амплитуду, а относительные значения величины амплитуды. В полной аналогии с ИКМ, разностная ИКМ может сочетаться с использованием как однородного, так и неоднородного методов квантования. Разностное кодирование имеет много разных вариантов Другие способы оцифровки

Слайд 10

Вышеописанный процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Это преобразование включает в себя следующие операции: -ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонентов, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения. Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

Слайд 11

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени. Блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл без изменений, то есть последовательностью чисел - значений амплитуды. В этом случае существуют два способа хранения информации. Первый - PCM (импульсно-кодовая модуляция) - способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд. (В таком виде записаны данные на всех аудио CD.) Второй - ADPCM (адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях). Можно сжать данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели в исходном состоянии. Тут тоже есть два способа. Кодирование данных без потерь (lossless coding) - способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К нему прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных особо значимо. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Кодирование данных с потерями (lossy coding) . Здесь цель - добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем размере сжатого файла. Это достигается путем использования алгоритмов, «упрощающих» оригинальный сигнал (удаляющих из него «несущественные», неразличимые на слух детали). Это приводит к тому, что декодированный сигнал перестает быть идентичным оригиналу, а является лишь «похоже звучащим». Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие . Кодирование оцифрованного звука перед его записью на носитель

Слайд 12

Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения у потребителя

Слайд 13

Основными параметрами, влияющими на качество звука при этом являются: Разрядность АЦП и ЦАП. Частота дискретизации АЦП и ЦАП. Джиттер АЦП и ЦАП Передискретизация Также немаловажными остаются параметры аналогового тракта цифровых устройств кодирования и декодирования: Отношение сигнал/шум Коэффициент нелинейных искажений Интермодуляционные искажения Неравномерность амплитудно-частотной характеристики Взаимопроникновение каналов Динамический диапазон Параметры, влияющие на качество звука при его прохождении по полному циклу

Слайд 14

Методы кодирования звука основаны на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой синусоиду, называемую спектром исходного сигнала. Задачей кодирования звука, как и другого аналогового сигнала является представление его в форме другого аналогового или цифрового сигнала, более удобного для передачи или хранения в каждом конкретном случае. Реальные источники звука имеют ограниченную ширину спектра, поэтому для кодирования применяют такие методы преобразования, которые преобразуют исходный сигнал в такой, спектр которого наиболее подходит для передачи по выбранному каналу. Представление аналогового сигнала в виде другого аналогового сигнала обычно называется модуляцией, а представление в цифровом виде - кодировкой. Методы кодирования

Слайд 15

Частотная модуляция ( ЧМ ) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. Таблично-волновой синтез ( Wavetable Synthesis ) — тип синтеза, основанный на последовательном воспроизведении ограниченных по длительности циклических волновых форм, расположенных в памяти инструмента в виде матрицы (таблицы). Методы кодирования:

Слайд 16

Методы кодирования

Слайд 17

Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых редакторах в наглядной форме, поэтому операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.). Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3 . При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются "избыточные" для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде). Звуковые редакторы:

Слайд 18

Три самые распространенные программы редактирования звуковых файлов для PC - Cool Edit 96, Sound Forge 4.0b и WaveLab 1.6. Поскольку все описываемые программы предназначены для выполнения одной и той же задачи, то они имеют много общего. Все программы позволяют записывать, загружать, создавать, прослушивать, обрабатывать и сохранять звуковые файлы различных форматов (например, WAV или AIFF) и типов (моно/стерео, 8 или 16 бит и т. д.). Cool Edit : нет возможности открыть несколько файлов в разных окнах, но можно запустить несколько программ Cool Edit и загрузить в каждую свой файл. Индикаторы позволяют осуществлять мониторинг уровней поступающего на вход сигнала. Программа не имеет собственного микшера и изменение уровня необходимо производить отдельным программным микшером. Возможна прорисовка формы волны прямо во время записи.

Слайд 19

Sound Forge : может работать с самым большим числом форматов файлов из всех трех программ. Типы: моно или стерео, 8 или 16 бит, частота дискретизации от 2 до 96 кГц. При открытии файла, Sound Forge, как и Cool Edit, показывает различную информацию о выбранном файле и позволяет воспроизвести его, не загружая. Можно открыть два моно файла как один стерео файл . Если выбрана опция Operate Directly on the Sound File, то действия производятся непосредственно с файлом, а не с его копией. Возможен мониторинг уровня входного сигнала индикаторами с показом пикового уровня. Можно выбрать разные способы записи (перезапись, несколько дублей и т. д.). Программа содержит простенький микшер (View/Mixer) для регулирования различных параметров звуковой платы.

Слайд 20

WaveLab : обладает скромным списком форматов файлов ( WAV, AIF, AU, RAW). При открытии файлов возникает стандартное окно Windows без каких-либо дополнительных возможностей. Можно открыть два моно файла как один стерео файл, если выбрана опция Allow opening of dual mono files . Можно открывать несколько файлов одновременно. При записи возможен мониторинг уровня входного сигнала при помощи индикаторов с пиковым уровнем, есть микшер для изменения уровней.

Слайд 21

http://ru.wikipedia.org http://commons.wikimedia.org http://ingibit.rigalink.lv http://uchebnick.blogspot.ru http://900igr.net http://present.griban.ru http://doschool7.amoti.ru http://infoegehelp.ru Http://www.inf1.info http://www.zauchka.ru Источники: