"Информатика. Базовый уровень", Босова Л.Л., Босова А.Ю.
Звук распространяется как непрерывные колебания, а компьютер хранит информацию в цифровом виде — последовательностях чисел и двоичных кодов. Чтобы сохранить звук, его измеряют через равные промежутки времени и каждому измеренному значению подбирают уровень из конечного набора. Частота дискретизации показывает число измерений в секунду, а глубина кодирования — сколько бит отводится на каждое измерение. Эти параметры влияют и на точность записи, и на размер файла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая информация — информация, передаваемая звуковыми колебаниями, которые воспринимает слух. Сам звук непрерывен, а компьютер хранит данные в цифровом виде, поэтому для записи его преобразуют в числа. Так сигнал можно сохранить в файле и обработать программой.
Дискретизация — замена непрерывного звукового сигнала последовательностью его значений, измеренных через равные промежутки времени. Она позволяет представить меняющийся звук набором отдельных измерений. По ним компьютер восстанавливает цифровую запись.
Частота дискретизации — число измерений сигнала за одну секунду. Её измеряют в герцах: например, 8 000 Гц означает 8 000 измерений в секунду. Этот параметр помогает понять, насколько часто фиксируются изменения звука.
Глубина кодирования звука — число бит, используемых для хранения значения одного измерения сигнала. Например, при глубине 8 бит каждому измерению назначают код из восьми двоичных разрядов. От глубины зависит, сколько разных значений можно представить.
Звуковой сигнал непрерывен и во времени, и по уровню: между двумя моментами он продолжает изменяться. Компьютер же оперирует цифровыми данными, поэтому записать такую непрерывность напрямую не может. При кодировании сигнал превращают в набор чисел, с которыми компьютер умеет работать.
Во время дискретизации сигнал измеряют через одинаковые промежутки времени. Частота дискретизации показывает, сколько таких измерений попадает в одну секунду: чем она выше, тем чаще фиксируются изменения. Поэтому при прочих равных для записи той же длительности требуется больше значений.
Само измеренное значение может оказаться любым, но для цифровой записи используют конечный набор уровней. При квантовании каждому измерению сопоставляют ближайший доступный уровень. Чем больше таких уровней, тем точнее можно передать уровень сигнала и тем меньше различие между исходным значением и выбранным.
Глубина кодирования задаёт число бит для одного измерения и тем самым количество доступных уровней. Если глубина равна n битам, возможны 2ⁿ разных кодов и, соответственно, 2ⁿ уровней. После квантования каждому значению назначают двоичный код, а последовательность этих кодов образует цифровую запись звука.
Размер несжатого файла зависит от количества измерений и объёма кода для каждого из них. Для расчёта перемножают частоту дискретизации, глубину кодирования, длительность в секундах и число каналов: размер в битах = f × n × t × c. Полученный результат делят на 8, чтобы получить байты, поскольку в одном байте восемь бит; затем при необходимости переводят байты в более крупные единицы.
| Параметр | Что показывает | Как влияет на запись или её размер |
|---|---|---|
| Частота дискретизации | Число измерений сигнала за секунду | Чем выше частота, тем чаще фиксируются изменения и тем больше данных |
| Глубина кодирования | Число бит на одно измерение | Большая глубина даёт больше уровней и увеличивает размер записи |
| Длительность записи | Время звучания в секундах | Чем дольше запись, тем больше в ней измерений и данных |
| Число каналов | Количество отдельных звуковых потоков | Для каждого канала сохраняются свои измерения, поэтому данных становится больше |
| Размер несжатого файла | Объём данных до применения сжатия | Рассчитывается по частоте, глубине, длительности и числу каналов |
Чтобы оценить размер записи, сначала определите значения всех четырёх параметров: частоту, глубину, длительность и число каналов. Затем подставьте их в формулу и переведите биты в байты. Таблица помогает проверить, какой именно параметр изменится, если запись станет длиннее или будет иметь больше каналов.
Запись длится 10 секунд, а частота дискретизации равна 8 000 Гц. Нужно найти число измерений сигнала в одном канале. Частота уже показывает количество измерений за секунду, поэтому остаётся учесть все секунды записи.
Ответ: в одном канале получено 80 000 измерений сигнала.
Глубина кодирования равна 8 битам, требуется определить число уровней квантования. Каждый бит может принимать два значения, поэтому n бит образуют 2ⁿ разных двоичных кодов. Каждому коду соответствует один уровень.
Ответ: глубиной 8 бит можно закодировать 256 уровней квантования.
Найдем размер несжатой стереозаписи длительностью 3 минуты при частоте 44 100 Гц и глубине 16 бит. Для стерео нужны два канала, поэтому данные одного канала нельзя считать достаточными. Сначала вычислим размер в битах, а затем переведём его в байты.
Ответ: размер несжатого файла — 31 752 000 байт, или примерно 31,75 Мбайт. Это расчёт без учёта служебных данных и сжатия. Если ошибочно взять один канал, результат окажется вдвое меньше.
Частоту дискретизации путают с глубиной кодирования, потому что оба параметра связаны с записью звука. Но частота показывает число измерений в секунду, а глубина — число бит на одно измерение. Проверка простая: частота выражается в герцах, глубина — в битах.
При вычислении размера иногда забывают длительность или число каналов. Это происходит, когда в формулу подставляют только параметры качества; в результате посчитан не весь файл или лишь один канал. Перед вычислением проверьте, что в произведении есть f, n, t и c.
Глубину в битах ошибочно принимают за число уровней квантования. Например, 8 бит — это не 8 уровней, а 2⁸ = 256 уровней, поскольку каждый бит имеет два возможных значения. Для самопроверки возведите 2 в степень, равную глубине.
Ещё одна ошибка — указать результат расчёта в байтах, не переведя биты. Она появляется из-за смешения единиц измерения: формула сначала даёт биты, а байт содержит 8 бит. Поэтому перед записью ответа разделите число бит на 8 и подпишите полученную единицу.
Для расчётов нужны знания о двоичной системе счисления, бите и байте, а также переводе единиц информации. Кодирование звука показывает, как общий принцип представления информации в компьютере применяется к аналоговым данным: непрерывный сигнал превращается в цифровой. Понимание частоты дискретизации, глубины и числа каналов помогает сравнивать качество и оценивать размер аудиофайлов.
Чем частота дискретизации отличается от глубины кодирования?
Частота дискретизации показывает, сколько раз в секунду измеряют сигнал, и измеряется в герцах. Глубина кодирования показывает, сколько бит используют для записи одного измеренного значения.
Почему при большей частоте дискретизации обычно увеличивается размер файла?
При более высокой частоте за секунду получают больше измерений сигнала. Для их хранения требуется больше кодов, поэтому при прочих равных размер файла растёт.
Сколько уровней квантования можно закодировать 16 битами?
Число уровней равно 2ⁿ, где n — глубина кодирования в битах. При 16 битах это 2¹⁶ = 65 536 уровней.
Почему стереозапись занимает больше места, чем монофоническая?
В стереозаписи отдельно сохраняются два канала — левый и правый. Поэтому при одинаковых длительности и параметрах на каждую секунду требуется примерно вдвое больше данных, чем для одного канала.
Как перевести рассчитанный размер звука из битов в байты?
Нужно разделить количество битов на 8, потому что один байт содержит 8 бит. Если требуется получить килобайты или мегабайты, затем делят число байтов на 1000 или 1 000 000 для десятичного расчёта.
§ 16. Кодирование звуковой информации
