§ 28. Мультимедиа

Определения и обозначения

Мультимедиа — сочетание текста, графики, звука, анимации и видео в одном цифровом продукте. В отличие от материала только одного вида, например текста, такой продукт может одновременно показывать изображение, проигрывать речь и демонстрировать движение. Разные способы передачи информации дополняют друг друга и помогают точнее раскрыть содержание. Состав мультимедиа выбирают в зависимости от задачи.

Оцифровка звука — представление звукового сигнала последовательностью чисел. Компьютер не хранит непрерывную звуковую волну как таковую, поэтому через равные промежутки времени измеряют её значения и записывают результат. Так аналоговый сигнал превращается в данные, с которыми можно работать в цифровом виде. Равный интервал между измерениями позволяет описать сигнал упорядоченной последовательностью отсчётов.

Частота дискретизации — число измерений звукового сигнала за секунду; её обычно выражают в герцах или килогерцах. Чем чаще берутся отсчёты, тем подробнее цифровая запись передаёт изменения сигнала, но тем больше чисел нужно сохранить. Поэтому при одинаковых остальных параметрах повышение частоты обычно увеличивает размер несжатого файла. Частота не сообщает, сколько битов отводится на один отсчёт.

Кодек — программа или алгоритм, который кодирует мультимедийные данные и декодирует их при воспроизведении. Кодирование может уменьшать объём файла, а декодирование восстанавливает данные в форме, пригодной для проигрывателя. Разные кодеки используют разные способы сжатия, поэтому файлы могут отличаться размером, качеством и совместимостью с устройствами. Кодек должен поддерживаться программой, которая открывает файл.

Как это устроено

Мультимедийный продукт объединяет разные виды цифровой информации, потому что у каждого вида есть свои сильные стороны. Видео показывает последовательность изменений и потому подходит для передачи движения или демонстрации процесса. Звук передаёт речь, музыку и звуковые события, которые не всегда удобно описывать текстом. Текст и графика, в свою очередь, помогают обозначить названия, числа и детали, которые зрителю важно рассмотреть.

При оцифровке звук измеряют через равные промежутки времени, чтобы получить упорядоченный набор чисел, описывающий изменения сигнала. Частота дискретизации задаёт, сколько измерений приходится на секунду: чем она выше, тем больше отсчётов описывают ту же запись. Глубина кодирования определяет, сколько битов используется для одного измерения и насколько точно можно записать его значение. Увеличение частоты или глубины обычно улучшает цифровое представление, но требует больше места для хранения.

Для оценки несжатого звукового файла нужно учесть не только частоту и глубину, но и число каналов с длительностью. За каждую секунду один канал содержит f отсчётов, и на каждый из них отводится i битов, поэтому общий объём в битах равен f × i × c × t. Здесь c — число каналов, а t — время в секундах. Результат в битах переводят в байты делением на 8; для килобайт и мегабайт заранее оговаривают, используют ли десятичные или двоичные единицы.

Несжатое видео хранит кадры, то есть отдельные изображения, сменяющие друг друга. Объём одного кадра зависит от числа пикселей и глубины цвета: большее разрешение или больше битов на пиксель означает больше данных. Затем объём одного кадра умножают на число кадров, которое получается из частоты кадров и длительности ролика. Поэтому даже короткое видео может занимать много места: в нём накапливаются данные множества полноразмерных изображений.

Сжатие уменьшает количество данных, необходимых для хранения и передачи мультимедиа. При сжатии без потерь исходные данные можно восстановить полностью, а при сжатии с потерями часть сведений отбрасывается, часто так, чтобы изменения были менее заметны человеку. Выбор зависит от требуемого качества, размера и условий воспроизведения: слишком сильное сжатие может ухудшить изображение или звук. Кодек выполняет выбранное кодирование и обеспечивает декодирование файла, а его совместимость важна для проигрывателя.

Параметры цифрового звука и видео

Сначала определите, какие исходные параметры заданы для звука или видео, а затем применяйте соответствующую оценку объёма. Если требуется размер несжатых данных, учитывайте все множители, включая каналы и длительность. Для сжатого файла таблица показывает, какие характеристики важны, но не позволяет точно вычислить размер без сведений о кодеке и содержимом.

Разбор задач

Задача 1. Монофоническую запись длительностью 10 с оцифровали с частотой 8 кГц и глубиной 8 бит. Найдём объём несжатых данных без заголовка. Поскольку запись монофоническая, в ней один канал, поэтому отдельный множитель на стерео не нужен.

1. Переведём частоту в герцы: 8 кГц = 8000 Гц.
2. Число битов равно 8000 × 8 × 1 × 10 = 640 000 бит.
3. Переведём биты в байты: 640 000 ÷ 8 = 80 000 байт.

Ответ: 80 000 байт. Здесь каждый отсчёт занимает 8 бит, а за 10 секунд один канал содержит 80 000 отсчётов. Заголовок файла и возможное сжатие по условию не учитываются.

Задача 2. Стереозапись длится 3 минуты, её частота — 44,1 кГц, глубина кодирования — 16 бит. Оценим объём несжатых данных в мегабайтах. Сначала приведём время и частоту к единицам, согласованным с формулой, а число каналов зададим равным двум.

1. 3 мин = 180 с, а 44,1 кГц = 44 100 Гц.
2. Объём в битах: 44 100 × 16 × 2 × 180 = 254 016 000 бит.
3. В байтах это 254 016 000 ÷ 8 = 31 752 000 байт.
4. При десятичном переводе 1 Мбайт = 1 000 000 байт, поэтому 31 752 000 ÷ 1 000 000 = 31,752 Мбайт.

Ответ: примерно 31,75 Мбайт при десятичном способе перевода. Если считать 1 Мбайт равным 1 048 576 байтам, получится примерно 30,28 Мбайт. Разница возникает из-за разных соглашений о переводе байтов в мегабайты, поэтому способ следует указывать.

Задача 3. Несжатый ролик длится 20 с и содержит 25 кадров в секунду. Размер кадра — 1280 × 720 пикселей, глубина цвета — 24 бита. Найдём общий объём кадров, не учитывая служебные данные.

1. Число пикселей в кадре: 1280 × 720 = 921 600.
2. Один кадр занимает 921 600 × 24 = 22 118 400 бит.
3. За ролик будет 25 × 20 = 500 кадров, значит, общий объём — 22 118 400 × 500 = 11 059 200 000 бит.
4. Переводим в байты: 11 059 200 000 ÷ 8 = 1 382 400 000 байт, или 1 382,4 Мбайт при десятичном переводе.

Ответ: примерно 1382,4 Мбайт, или 1,3824 Гбайт в десятичной системе. Расчёт предполагает, что каждый кадр хранится полностью и без сжатия. В реальном сжатом ролике размер будет зависеть от кодека и видеосодержимого.

Типичные ошибки

Частоту дискретизации иногда путают с глубиной кодирования, потому что оба параметра влияют на качество и размер файла. Но частота показывает число измерений за секунду, а глубина — число битов на одно измерение. Чтобы проверить себя, посмотрите на единицы: частота выражается в герцах, глубина — в битах. В формуле объёма это разные множители, и заменять один другим нельзя.

При расчёте стереозаписи можно забыть множитель 2, так как в условии часто подробно названы частота и глубина. Тогда получается объём только одного канала — результат вдвое меньше правильного. Перед вычислением явно запишите число каналов: для моно оно равно 1, для стерео — 2. Полезно проверить, что в формуле учтены все параметры из условия.

Ошибки единиц возникают, если подставить минуты вместо секунд или килогерцы вместо герц. Формула использует частоту в измерениях за секунду и длительность в секундах, поэтому такие подстановки меняют результат в тысячи или шестьдесят раз. Перед умножением переведите минуты в секунды, а килогерцы — в герцы. После расчёта проверьте отдельно перевод битов в байты: в одном байте 8 бит.

Объём сжатого файла не равен автоматически рассчитанному объёму несжатых данных. Формула даёт оценку исходного потока, а кодек может по-разному сокращать данные в зависимости от способа сжатия и содержимого. Эту ошибку допускают, когда принимают теоретический расчёт за точный размер готового файла. Проверка проста: выясните, требуется ли объём несжатых данных или конкретного сжатого файла; для второго нужны сведения о кодеке и параметрах сжатия.

Связь с другими темами

Для расчётов с мультимедиа нужны знания о двоичном кодировании и единицах измерения информации, особенно о переводе битов в байты. Дискретизация и глубина кодирования связаны с представлением числовых данных: непрерывный сигнал описывают набором измеренных значений. Эти понятия пригодятся при дальнейшем изучении обработки сигналов. Оценка объёма файлов помогает выбирать форматы, качество и настройки для хранения и передачи аудио и видео.

Что запомнить

• Мультимедиа объединяет в одном цифровом продукте разные виды информации.
• При оцифровке звука измерения сигнала записываются через равные промежутки времени.
• Объём несжатого звука зависит от частоты дискретизации, глубины кодирования, числа каналов и длительности.
• Объём несжатого видео зависит от размера кадра, глубины цвета, частоты кадров и длительности.
• Сжатие уменьшает размер файла, но может повлиять на качество.
• Кодек кодирует данные и позволяет их декодировать для воспроизведения.