§ 1. Запись аудио- и видеоинформации

Определения и обозначения

Аналоговый сигнал — непрерывно меняющийся сигнал, который может передавать звук или изображение. Его значения меняются плавно, а не принимают только отдельные закодированные значения, как в цифровой записи. Такое представление описывает изменение сигнала, но компьютеру удобнее работать с числами.

Дискретизация — преобразование непрерывного сигнала в последовательность отдельных отсчётов. При записи звука компьютер регулярно измеряет его амплитуду — величину колебания. Эти измерения позволяют представить звучание конечным набором значений.

Частота дискретизации — число отсчётов звукового сигнала за секунду. Её измеряют в герцах: например, 44 100 Гц означает 44 100 измерений за секунду. При большей частоте изменение звука можно описать подробнее, но данных для хранения потребуется больше.

Глубина кодирования — число бит, отведённых для записи значения одного отсчёта. Если на значение выделено n бит, можно закодировать 2ⁿ различных уровней сигнала. Больше уровней позволяет точнее передавать амплитуду, но увеличивает количество данных.

Как это устроено

При аналоговой записи сигнал сохраняется в непрерывной форме, а при цифровой его значения кодируются числами. Числа удобно хранить в памяти компьютера, потому что данные в нём представлены двоичными кодами. Программы могут обрабатывать такие коды: например, менять громкость или копировать запись. Цифровые данные также можно передавать и воспроизводить на разных устройствах.

Чтобы оцифровать звук, компьютер измеряет амплитуду сигнала через равные промежутки времени. Каждое измеренное значение становится отсчётом, а затем получает двоичный код. Равные промежутки нужны, чтобы измерения регулярно описывали изменение звука во времени. В результате непрерывный сигнал заменяется последовательностью чисел, которую устройство может сохранить и обработать.

Частота дискретизации определяет, сколько раз за секунду измеряют сигнал, а глубина кодирования — насколько подробно записывают результат каждого измерения. Если увеличить частоту, между измерениями останется меньше времени, и быстрые изменения звука будут представлены лучше. Если увеличить глубину, станет больше доступных уровней амплитуды. Но при обоих изменениях возрастает количество бит, поэтому несжатая запись занимает больше места.

Цифровое видео записывают как последовательность отдельных изображений — кадров. Каждый кадр показывает сцену в определённый момент времени, а при воспроизведении кадры быстро сменяют друг друга. Из-за быстрого показа зритель воспринимает их смену как движение. Чем больше данных требуется для кадров и чем чаще они сменяются, тем больше информации нужно сохранить.

На объём аудио- и видеофайла влияют параметры записи и её продолжительность: длинный материал обычно требует больше данных. Файл можно уменьшить сжатием — специальным способом компактного представления информации. Сжатие полезно, потому что экономит место и облегчает передачу файла. При сжатии без потерь исходные данные можно восстановить полностью, а сжатие с потерями удаляет часть информации и может ухудшить качество.

Параметры цифровой записи аудио- и видеоинформации

Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть, что именно образует запись и какие параметры влияют на неё. Для оценки объёма сначала определите все параметры, указанные в соответствующей строке. Учитывайте, что сжатие может уменьшать размер файла, а при сжатии с потерями — менять качество.

Разбор задач

Задача 1. Ученик записывает один и тот же звук с частотой дискретизации 22 кГц и 44 кГц. Какой записи потребуется больше данных при одинаковых остальных параметрах? Сравним не качество на слух, а количество измерений за каждую секунду: от этого зависит число записываемых отсчётов.

1. Переведём частоты в герцы: 22 кГц = 22 000 Гц, а 44 кГц = 44 000 Гц.
2. При 22 000 Гц записывается 22 000 отсчётов за секунду; при 44 000 Гц — 44 000.
3. Вторая частота даёт вдвое больше отсчётов. При одинаковых глубине кодирования, длительности и числе каналов данных также будет примерно вдвое больше.

Ответ: больше данных потребуется записи с частотой 44 кГц.

Задача 2. Для записи звука используют 8 бит на отсчёт. Сколько различных значений можно закодировать одним отсчётом? Здесь нужно найти количество комбинаций из восьми двоичных разрядов, а не умножать 8 на число каналов или секунд.

1. Обозначим глубину кодирования буквой n: в задаче n = 8.
2. Используем правило: число уровней равно 2ⁿ. Подставляем значение: 2⁸ = 256.
3. Значит, один отсчёт может получить одно из 256 различных закодированных значений.

Ответ: 256 значений.

Задача 3. Оценим объём несжатой стереозаписи длительностью 10 секунд при частоте 44 100 Гц и глубине 16 бит. В каждом отсчёте записываются два канала. Сначала найдём объём в битах, затем переведём его в байты, разделив на 8.

1. Для одного канала за секунду требуется 44 100 × 16 бит. Для двух каналов умножаем результат на 2.
2. За 10 секунд получаем: 10 × 44 100 × 16 × 2 = 14 112 000 бит.
3. Переводим в байты: 14 112 000 ÷ 8 = 1 764 000 байт. Это оценка без учёта дополнительных данных формата и сжатия.

Ответ: около 1 764 000 байт, или 1,764 Мбайт при десятичном пересчёте.

Типичные ошибки

Некоторые думают, что при увеличении частоты дискретизации файл становится меньше. Ошибка возникает из-за смешения частоты с промежутком между отсчётами: чем чаще измерения, тем их больше за секунду. Проверьте себя: сравните число отсчётов за одинаковое время — оно растёт вместе с частотой, значит, при прочих равных увеличивается объём.

Частоту дискретизации иногда путают с глубиной кодирования, потому что обе характеристики связаны с точностью записи. Первая задаёт число измерений за секунду, а вторая — число бит для каждого измерения. Чтобы проверить ответ, спросите себя: речь о количестве отсчётов во времени или о количестве возможных значений одного отсчёта?

При расчёте размера стереозаписи можно забыть второй канал. Это происходит, когда в формулу подставляют только частоту, длительность и глубину кодирования. Перед умножением проверьте число каналов: для стереозаписи каждый из двух каналов требует собственных данных, поэтому объём при прочих равных примерно вдвое больше.

Неверно считать, что любое сжатие сохраняет запись без изменений. Такое предположение возникает из-за того, что сжатие всегда уменьшает размер файла, но способы сжатия бывают разными. Проверьте, указано ли сжатие без потерь или с потерями: во втором случае часть информации удаляется, и качество может снизиться.

Связь с другими темами

Для понимания цифровой записи пригодятся знания о двоичном кодировании, битах и байтах: они помогают понять, как компьютер хранит числа и как оценивать объём файла. Также нужны представления о времени и частоте, потому что отсчёты выполняются за определённые промежутки. При выборе параметров записи эти знания помогают сравнивать качество и размер данных.

Тема связана с хранением и передачей информации: аудио- и видеофайлы занимают место в памяти и передаются по сетям. Умение оценивать их объём помогает выбирать подходящие настройки и понимать, зачем применяют сжатие. Эти же идеи пригодятся при работе с мультимедийными файлами и устройствами записи.

Что запомнить

• Цифровая запись представляет информацию в виде чисел.
• Звук оцифровывают, измеряя его сигнал через равные промежутки времени.
• Частота дискретизации показывает число отсчётов за секунду.
• Глубина кодирования определяет число бит для записи одного отсчёта.
• Увеличение частоты дискретизации или глубины кодирования обычно увеличивает объём аудиофайла.
• Видеозапись состоит из кадров, сменяющих друг друга.
• Сжатие уменьшает объём файла; при сжатии с потерями часть информации может быть утрачена.