Методическая разработка "Кодирование звука"
методическая разработка

Тема: «Запись, обработка и монтаж аудиоконтента»

(на примере  программы Audaciti)

Цель: овладеть практическими навыками обработки аудио информации, сформировать практические умения и навыки по созданию звуковых файлов, познакомиться с технологией записи и монтажа аудиоинформации, обработки звуковой информации в программе Audacity.

Оборудование: РМ преподавателя – персональный компьютер, лазерный принтер, мультимедийный проектор, персональные компьютеры, наушники, микрофон, звуковые колонки, локальная сеть, выход в Интернет.

Программное обеспечение: Операционная система Windows XP, инсталляция программы Audacity.

Задачи:

1. научиться обрабатывать аудиоинформацию;
2. отработать практические умения и навыки по созданию и обработке аудиоинформации;
3. научиться проводить запись и монтаж аудиоинформации;
4. отработать профессиональные навыки и умения по работе с программой обработки аудиоинформации Audacity.

Теоретическое обоснование

Кодирование и обработка звуковой информации

 Звук - продольная волна; распространяется в упругих средах (воздух, вода, различные металлы и т.д.);имеет конечную скорость.

Звуковые колебания (волны) – механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц.

Характеристики звука

 громкость звука – зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

высота звука – определяется частотой колебаний воздуха. скорость звука – скорость распространения волн в среде.

тембр звука – окраска звука, зависящая от источника звука (скрипка, рояль, гитара и т.д.).

Единица громкости звука - децибел (дБ) (десятая часть бела). Названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона.

Кодирование информации — процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.

Процесс преобразования звуковой волны в двоичный код в памяти компьютера осуществляется в два этапа:

Звуковая волна поступает в микрофон, который преобразует механические колебания частиц воздуха в переменный электрический ток (аналоговый сигнал). Громкость звука будет влиять на амплитуду колебаний тока, а высота звука – на частоту колебаний.

Для возможности обработки компьютером необходимо преобразовать непрерывно меняющийся ток в конечный набор электрических импульсов определённой величины. Для этой цели используется звуковая карта (аудиоадаптер).

 При воспроизведении звука осуществляется обратный процесс: 

Звуковая карта согласно поступающему двоичному коду формирует соответствующее переменное напряжение, подача которого на динамик вызывает колебательное движение его мембраны, вследствие чего в окружающем пространстве возбуждается звуковая волна.

Рассмотрим подробнее процесс преобразования переменного электрического тока звуковой частоты, создаваемый микрофоном  в двоичный код, выяснив, что будет влиять на качество сохраняемого в компьютере звука.

Для преобразования непрерывного сигнала в дискретный в звуковой плате производится измерение значения силы тока через определённые промежутки времени (период дискретизации). Вплоть до следующего измерения величина сигнала будет неизменной. Данный метод называется импульсно-амплитудной модуляцией PCM (Pulse Code Modulation).

Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (прерывистый) называется временной дискретизацей.

В результате временной дискретизации на выходе звуковой платы формируется прерывистый (дискретный) сигнал:

Можно заметить, что в результате временной дискретизации первоначальная гладкая кривая преобразовалась в ступеньчатую линию. Следовательно, первоначальный сигнал изменился (качество звука ухудшилось).

Рассмотрим, как будет влиять на качество звука уменьшение времени между измерениями силы тока (измерения будут производиться более часто)

Итак, звук представляет собой механическую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой  Чем выше амплитуда, тем громче звук, чем меньше частота, тем ниже тон.

Компьютер – устройство цифровое, поэтому непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (нулей и единиц). Для этого плоскость, на которой графически представлена звуковая волна, разбивается  на горизонтальные и вертикальные линии  Горизонтальные линии – это уровни громкости, а вертикальные – количество измерений за 1 секунду или частота дискретизации (Гц). Такой способ позволяет заменить непрерывную зависимость на дискретную последовательность уровней громкости, каждой из которых присваивается значение в двоичном коде 

При осуществлении дискретизации по времени через период дискретизации производится измерение уровня громкости, каждый из которых должен быть запомнен компьютером:

Как можно заметить, количество уровней громкости будет расти с увеличением частоты дискретизации и времени звучания. Попытка сохранения произвольного количества уровней громкости, полученных при дискретизации по времени приведёт к бесконечно большому размеру аудиофайла.

С целью уменьшения размера аудиофайла выделим фиксированное количество уровней громкости, которые должны быть запомнены компьютером и при осуществлении временной дискретизации будем заменять значение уровня громкости при очередном измерении наиболее близким из доступных фиксированных значений (для наглядности рассмотрим 4 уровня сигнала):

Можно заметить, что форма сигнала при выделении 4 уровней громкости существенно изменилась. Осуществим тот же процесс, но выделив 8 уровней громкости:

Количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука называют глубиной дискретизации звука.

Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала. 

1 Гц означает одно исполнение такого процесса за одну секунду: 1 Гц= 1/с.

ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА – это количество измерений громкости звука за одну секунду. 

Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.

В зависимости от необходимого качества звука выбирают, как правило, 8 или 16-битное кодирование или 32 бита

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука.

Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно").

Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").

8 000 Гц — телефон, достаточно для речи, кодек Nellymoser;

22 050 Гц — радио;

44 100 Гц — используется в Audio CD;

48 000 Гц — DVD, DAT.

96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1)

192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0)

2 822 400 Гц — SACD Super audio CD 5.1 —  (максимальная на 2008)

Учитывая, что объём аудиофайла пропорционален частоте дискретизации, глубине кодирования и длительности звучания можно записать формулу для подсчёта размера звукового файла:

Расчёт объёма звукового файла»

✍   V=k·ν·I·t

где V – размер (объём) звукового файла (в битах)

       k – количество дорожек в записи (k=1 – моно, k=2 – стерео)

       ν – частота дискретизации (в Герцах)

       I – глубина кодирования (в битах)

       t – время звучания (в секундах)

Оценим, какой информационный объём имеет звуковой файл, средней продолжительности, записанный с качеством аудио-CD диска.

Слайд 16

В качестве примера давайте решим задачу.

Оцените информационный объем высокочественного стерео аудиофайла

Ю. Антонов «Белый теплоход», время звучания 3 мин 18 сек, качество аудио-CD диска, стерео

Дано:

ν = 44,1 кГц

I = 16 бит

t = 3 мин 18 с

k = 2

Найти:

V

Форматы файлов

WAVE (.wav) - наиболее широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых файлов.

MPEG-3 (.mp3) - наиболее популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов.

MIDI (.mid) - содержат не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с помощью FM- или WT-синтеза.

Real Audio (.ra, .ram) - разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени.

MOD (.mod) - музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот.

Звуковые редакторы. 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 форматеWAV 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

Описание программы обработки звуковых файлов Audacity

Audacity – многофункциональный звуковой аудиоредактор на русском языке, способный совмещать работу на нескольких звуковых дорожках одновременно. Выпущен данный софт на условиях GNU General Public License, а работает на следующих операционных системах: Microsoft Windows, Mac OS X, Linux и других.

К основным возможностям утилиты относятся:

1. Функция импорта и экспорта различных звуковых файлов, таких как WAV, Vorbis, MP3 (с кодировщиком LAME MP3), FLAC и многих других форматов;

2. Возможность записи звука с микрофона, линейного входа и прочих источников;

3. Функция, позволяющая совмещать запись и прослушивание звуковых дорожек;

4. Возможность записывать одновременно до 16 каналов. Данная функция доступна только пользователям с многоканальной звуковой картой;

5. Опция, содержащая эффекты и расширения в комплекте поставки, а также эффекты и расширения, которые устанавливаются отдельно (LADSPA); индикаторы уровня записи и воспроизведения;

6. Возможность менять темп звука, при этом, сохраняя высоту тона;

7. Обратная функция, которая позволяет изменять высоту тона и при этом сохранять темп;

8. Функция удаления шума по конкретному образцу - Звуковая чистоте;

9. Встроенная функция, позволяющая проводить спектральный анализ с использованием преобразования Фурье.

Главным преимуществом Audacity на русском среди подобного рода софта является возможность воспроизведения нескольких дорожек одновременно. Функция выполняется без поддержки многоканального звука. Используются всего два канала, при помощи которых микшируются все дорожки. Скачать и установить звуковой редактор Audacity – это значит, позаботится о качестве любимого звука, предоставить возможность создавать качественные аудиофайлы. При работе с программным обеспечением не может быть проблемы с форматами, так как результаты работы могут сохраняться в любые необходимые форматы.

Как пользоваться программой Audacity

Меню содержит следующие команды:

"Файл"

"Правка"

"Вид"

Это стандартные команды, значение которых объяснять не стоит.

Также есть функция "Проект", при помощи которой выполняется захват (импорт) файла в программу.

Функция "Эффекты" позволяет усовершенствовать аудиофайл, использовав такие эффекты: хорус, ревер, смена темпа, эхо, эквалайзер и смена высоты звука.

Главная панель содержит функции для выполнения проигрывания (игра, остановка, переход), а также для редактирования файла (изменить громкость, переместить и многое другое).

Группа круглых клавиш, которая появится перед пользователем, предназначена для управления аудиофайлом проекта в целом. Набор квадратных кнопок, предназначен для работы с отдельным треком (выделение, изменение огибающей, изменение сэмплов, масштабирование, сдвиг дорожки и полиинструментальный режим).

Самые важные – это кнопки "Редактирование" (вырезать, скопировать, вставить, обрезать, заполнить тишиной и многое другое). Название кнопок раскрывает суть предназначения.

Последняя операция – сохранение. Для этого необходимо просто указать нужный формат.

Первичная проверка усвоения знаний. Первичное закрепление знаний

Вопросы для письменного опроса.

1. процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки  - это…(кодирование)
2. процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (прерывистый) называется…( временной дискретизаций)
3. Глубина кодирования звуковых файлов измеряется в …(бит)
4. Частота дискретизации аудиоинформации расположена в пределах…(8-48кГц)
5. Чему равен коэффициент K обозначающий количество дорожек при расчете объема стерео аудиофайла? (2)
6. В чем измеряется объем аудиофайла? (бит, байт и т.д)
7. наиболее широко распространенный формат без сжатия и без потерь – это…( WAVE (.wav) )
8. За счет чего обеспечивается уменьшение объема аудиофайла в формате мр3? (за счет удаления избыточной информации, которое не воспринимается человеком)
9. Закончите фразу: « Для расчёта объема аудиофайла необходимо  знать глубину и частоту дискретизации, режим звучания и ….» (время звучания)
10.  Согласны ли вы с утверждением, что программа Audacity предназначена для качественного воспроизведение аудиофайлов? (нет)

Практическая работа

«Создание и редактирование оцифрованного звука»

1. Подключить к компьютеру наушники и микрофон.

Подключаем микрофон в розовый вход на задней панели компьютера

После чего запускаем программу для обработки звуковой информации.

2. Познакомьтесь с описанием программы Audacity.

1) Самостоятельно создайте в своей рабочей папке папку Звукозапись.

2) Запустите программу Audacity.

3) Познакомиться с интерфейсом программы. Рассмотреть кнопки и пиктограммы. Записать назначение каждой кнопки.

4) Зафиксировать вид экрана программы.

5) Приступить к работе с программой. Выполнить следующие упражнения:

а) записать фразу, делая небольшие паузы после каждого слова, для этого:

- щёлкните по кнопке Записать

б) прочитайте в микрофон следующий текст:

«Один, два, три, шесть, семь, восемь, четыре, пять»

- для прекращения записи щелкните по кнопке «Остановить» 

- прослушайте полученный звуковой файл, используя кнопку «Воспроизвести»

- вырежьте фрагмент «шесть, семь, восемь» (клавиши: CTRL + X или кнопки на панели);

- вставьте фрагмент «шесть, семь, восемь» после слова «пять» (клавиши: CTRL + V)

Проверьте: получилась фраза «один, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь»

- из полученной фразы вырезать слова «один, два» и «семь, восемь»

Проверьте: получилась фраза «три, четыре, пять, шесть»

- сохраните полученный звуковой файл, в созданной папке Звукозапись для этого выполните команды: Файл \ Сохранить проект как…

- Имя файла – Счёт, расширение .aup будет присвоено автоматически

- сохраните этот же звуковой файл в папке Звукозапись в формате .wav, для этого выполните следующие команды: Файл \ Экспортировать.

- Имя файла Счёт2, расширение .wav будет присвоено автоматически

Проверьте: в папке Звукозапись должны быть сохранёны файлы Счёт.aup ,Счёт2.wav

6) Примените к звуковому файлу Счёт.aup эффект «Плавное затухание», для этого:

- выделите на графике последнюю часть звуковой волны (около 2 секунд)

- выполните команду Эффекты \ Плавное затухание

- прослушайте полученные изменения

- сохраните полученный файл в папке Звукозапись под именем Счёт3.aup

7) Запишите фразу:

«Количество информации, передаваемое за единицу времени, называется скоростью передачи, или скоростью информационного потока»

- скопируйте слово «информации» (клавиши: CTRL + C) и вставьте его после слова «передачи» (клавиши: CTRL + V)

Проверьте: получена фраза «Количество информации, передаваемое за единицу времени, называется скоростью передачи информации, или скоростью информационного потока»

- сохраните полученную фразу в папке Звукозапись, имя файла Информация.wav

8) Запишите фразу:

«Программное обеспечение компьютера можно разделить на три части: системное, прикладное и системы программирования или среда программирования»

- скопируйте слово «программное обеспечение» и вставьте его после слов «системное» и «прикладное»

- вырежьте слова «системы программирования или» (CTRL + X)

Проверьте: получена фраза «Программное обеспечение компьютера можно разделить на три части: системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и среда программирования»)

- сохраните полученную фразу в папке Звукозапись, имя файла: ПО.wav

8) Используя музыкальный файл Детские песни «Облака», сохраните его в папке Звукозапись под именем Облака.mp3

- оставьте только припев песни (остальное вырезать):

- примените эффект Эквалайзер для второй и третьей части четверостишья (параметры подберите самостоятельно)

- сохраните в папке Звукозапись, имя файла Облака2. wav

- удалите файл Облака.mp3

В результате работы в папке Звукозапись будет 2 проекта и 4 звуковых файла.

Контрольные вопросы

1. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?

2. С помощью каких устройств можно ввести звук в компьютер?

3. С помощью каких устройств можно ввести звук в компьютере?

4. Что называется периодом измерений?

5. Запишите формулу для расчета размера цифрового аудиофайла.

Задания для самостоятельного выполнения

1. Задание с выборочным ответом. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней интенсивности сигнала?

1) 16 битов; 2) 256 битов; 3) 1 бит; 4) 8 битов.

2. Задание с развернутым ответом. Оценить информационный объем цифровых звуковых файлов длительностью 10 секунд при глубине кодирования и частоте дискретизации звукового сигнала, обеспечивающих минимальное и максимальное качество звука:

а) моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

3. Задание с развернутым ответом. Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5" (учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байтов каждый):

а) при низком качестве звука: моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) при высоком качестве звука: стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

4. Задание с развернутым ответом. В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?

Форма отчета по работе

В отчете содержатся:

1. Цели и задачи практической работы.
2. Скрин-шоты изображений рабочего окна программы Audacity, описания кнопок и пиктограмм, расположенных на панелях инструментов, поясняющих и иллюстрирующих их назначение.
3. Ответы на контрольные вопросы.
4. Выполненные задания для самостоятельной работы.
5. Выводы по работе.

Примечание:

. Все этапы работы должны быть сохранены и представлены преподавателю на проверку в электронном виде.

Выполненная работа предъявляется на проверку преподавателю на флеш-носителе в электронном виде.

В результате работы в папке Звукозапись будет 2 проекта и 4 звуковых файла.

Отчет по практической работе распечатывается на принтере, регистрируется у преподавателя и помещается в папку.