Объем аудиофайла. Тема решение задач на кодирование звуковой информации. Примеры форматов звуковых файлов

Урок посвящен разбору задания 9 ЕГЭ по информатике

9 тема — «Кодирование информации, объем и передача информации» — характеризуется, как задания базового уровня сложности, время выполнения – примерно 5 минут, максимальный балл — 1

Кодирование текстовой информации

n — количество символов

i — количество бит на 1 символ (кодировка)

Кодирование графической информации

Рассмотрим некоторые понятия и формулы, необходимые для решения ЕГЭ по информатике данной темы.

• Пиксель – это наименьший элемент растрового изображения, который имеет определенный цвет.
• Разрешение – это количество пикселей на дюйм размера изображения.
• Глубина цвета - это количество битов, необходимое для кодирования цвета пикселя.
• Если глубина кодирования составляет i битов на пиксель, код каждого пикселя выбирается из 2 i возможных вариантов, поэтому можно использовать не более 2 i различных цветов.

Формула для нахождения количества цветов в используемой палитре:

• N — количество цветов
• i — глубина цвета
• В цветовой модели RGB (красный (R), зеленый (G), синий (B)): R (0..255) G (0..255) B (0..255) -> получаем 2 8 вариантов на каждый из трех цветов.
• R G B: 24 бита = 3 байта — режим True Color (истинный цвет)

Найдем формулу объема памяти для хранения растрового изображения :

• I — объем памяти, требуемый для хранения изображения
• M — ширина изображения в пикселях
• N — высота изображения в пикселях
• i — глубина кодирования цвета или разрешение

Или можно формулу записать так:

I = N * i битов

• где N – количество пикселей (M * N) и i – глубина кодирования цвета (разрядность кодирования)

* для указания объема выделенной памяти встречаются разные обозначения (V или I ).

• Следует также помнить формулы преобразования:

1 Мбайт = 2 20 байт = 2 23 бит,
1 Кбайт = 2 10 байт = 2 13 бит

Кодирование звуковой информации

Познакомимся с понятиями и формулами, необходимыми для решения заданий 9 ЕГЭ по информатике.

Пример: при ƒ=8 кГц, глубине кодирования 16 бит на отсчёт и длительности звука 128 с . потребуется:

✍ Решение:

I = 8000*16*128 = 16384000 бит
I = 8000*16*128/8 = 2 3 * 1000 * 2 4 * 2 7 / 2 3 = 2 14 / 2 3 =2 11 =
= 2048000 байт

Определение скорости передачи информации

• Канал связи всегда имеет ограниченную пропускную способность (скорость передачи информации), которая зависит от свойств аппаратуры и самой линии связи(кабеля)

Объем переданной информации I вычисляется по формуле:

• I — объем информации
• v — пропускная способность канала связи (измеряется в битах в секунду или подобных единицах)
• t — время передачи

* Вместо обозначения скорости V иногда используется q
* Вместо обозначения объема сообщения I иногда используется Q

Скорость передачи данных определяется по формуле:

и измеряется в бит/с

Решение заданий 9 ЕГЭ по информатике

Тема: Кодирование изображений

9_1: ЕГЭ по информатике 2017 задание 9 ФИПИ вариант 1 (Крылов С.С., Чуркина Т.Е.):

Какой минимальный объем памяти (в Кбайт) нужно зарезервировать, чтобы можно было сохранить любое растровое изображение размером 160 х 160 пикселей при условии, что в изображении могут использоваться 256 различных цветов?

✍ Решение:

• Используем формулу нахождения объема:
• Подсчитаем каждый сомножитель в формуле, стараясь привести числа к степеням двойки:
• M x N:

160 * 160 = 20 * 2³ * 20 * 2³ = 400 * 2 6 = = 25 * 2 4 * 2 6

Нахождение глубины кодирования i :

256 = 2 8 т.е. 8 бит на пиксель (из формулы кол-во цветов = 2 i)

Находим объем:

I = 25 * 2 4 * 2 6 * 2 3 = 25 * 2 13 - всего бит на всё изображение

Переводим в Кбайты:

(25 * 2 13) / 2 13 = 25 Кбайт

Результат: 25

Детальный разбор задания 9 ЕГЭ по информатике предлагаем посмотреть в видео:

ЕГЭ по информатике задание 9.2 (источник: вариант 11, К. Поляков):

Рисунок размером 128 на 256 пикселей занимает в памяти 24 Кбайт (без учёта сжатия). количество цветов в палитре изображения.

✍ Решение:

• где M * N — общее количество пикселей. Найдем это значение, используя для удобства степени двойки:

128 * 256 = 2 7 * 2 8 = 2 15

В вышеуказанной формуле i — это глубина цвета, от которой зависит количество цветов в палитре:

Количество цветов = 2 i

Найдем i из той же формулы:

i = I / (M*N)

Учтем, что 24 Кбайт необходимо перевести в биты . Получим:

2 3 * 3 * 2 10 * 2 3: i = (2 3 * 3 * 2 10 * 2 3) / 2 15 = = 3 * 2 16 / 2 15 = 6 бит

Теперь найдем количество цветов в палитре:

2 6 = 64 вариантов цветов в цветовой палитре

Результат: 64

Смотрите видеоразбор задания:

Тема: Кодирование изображений:

ЕГЭ по информатике задание 9.3 (источник: 9.1 вариант 24, К. Поляков):

После преобразования растрового 256-цветного графического файла в 4-цветный формат его размер уменьшился на 18 Кбайт . Каков был размер исходного файла в Кбайтах?

✍ Решение:

• По формуле объема файла изображения имеем:

где N — общее количество пикселей,
а i

• i можно найти, зная количество цветов в палитре:

количество цветов = 2 i

до преобразования: i = 8 (2 8 = 256) после преобразования: i = 2 (2 2 = 4)

Составим систему уравнений на основе имеющихся сведений, примем за x количество пикселей (разрешение):

I = x * 8 I - 18 = x * 2

Выразим x в первом уравнении:

x = I / 8

I (объем файла):

I - 18 = I / 4 4I - I = 72 3I = 72 I = 24

Результат: 24

Подробный разбор 9 задания ЕГЭ смотрите на видео:

Тема: Кодирование изображений:

ЕГЭ по информатике задание 9.4 (источник: 9.1 вариант 28, К. Поляков, С. Логинова):

Цветное изображение было оцифровано и сохранено в виде файла без использования сжатия данных. Размер полученного файла – 42 Мбайт 2 раза меньше и глубиной кодирования цвета увеличили в 4 раза больше по сравнению с первоначальными параметрами. Сжатие данных не производилось. Укажите размер файла в Мбайт , полученного при повторной оцифровке.

✍ Решение:

• По формуле объема файла изображения имеем:

где N
а i

• В такого рода задачах необходимо учесть, что уменьшение разрешения в 2 раза, подразумевает уменьшение в 2 раза пикселей отдельно по ширине и по высоте. Т.е. в целом N уменьшается в 4 раза !
• Составим систему уравнений на основе имеющихся сведений, в которой первое уравнение будет соответствовать данным до преобразования файла, а второе уравнение — после:

42 = N * i I = N / 4 * 4i

Выразим i в первом уравнении:

i = 42 / N

Подставим во второе уравнение и найдем I (объем файла):

\[ I= \frac {N}{4} * 4* \frac {42}{N} \]

После сокращений получим:

I = 42

Результат: 42

Тема: Кодирование изображений:

ЕГЭ по информатике задание 9.5 (источник: 9.1 вариант 30, К. Поляков, С. Логинова):

Изображение было оцифровано и сохранено в виде растрового файла. Получившийся файл был передан в город А по каналу связи за 72 секунды . Затем то же изображение было оцифровано повторно с разрешением в 2 раза больше и глубиной кодирования цвета в 3 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б , пропускная способность канала связи с городом Б в 3 раза выше, чем канала связи с городом А.
Б ?

✍ Решение:

• По формуле скорости передачи файла имеем:

где I — объем файла, а t — время

• По формуле объема файла изображения имеем:

где N — общее количество пикселей или разрешение,
а i — глубина цвета (количество бит, выделенное на 1 пиксель)

• Для данной задачи, необходимо уточнить, что разрешение на самом деле имеет два сомножителя (пикселей по ширине * пикселей по высоте). Поэтому при увеличении разрешения в два раза, увеличатся оба числа, т.е. N увеличится в 4 раза вместо двух.
• Изменим формулу получения объема файла для города Б :

\[ I= \frac {2*N * i}{3} \]

• Для города А и Б заменим значения объема в формуле для получения скорости:

\[ V= \frac {N*i}{72} \]

\[ 3*V= \frac{\frac {4*N*i}{3}}{t} \]

\[ t*3*V= \frac {4*N*i}{3} \]

• Подставим значение скорости из формулы для города А в формулу для города Б:

\[ \frac {t*3*N*i}{72}= \frac {4*N*i}{3} \]

• Выразим t :

t = 4 * 72 / (3 * 3) = 32 секунды

Результат: 32

Другой способ решения смотрите в видеоуроке:

Тема: Кодирование изображений:

ЕГЭ по информатике задание 9.6 (источник: вариант 33, К. Поляков):

Камера делает фотоснимки размером 1024 х 768 пикселей. На хранение одного кадра отводится 900 Кбайт .
Найдите максимально возможное количество цветов в палитре изображения.

✍ Решение:

• Количество цветов зависит от глубины кодирования цвета, которая измеряется в битах. Для хранения кадра, т.е. общего количества пикселей выделено 900 Кбайт. Переведем в биты:

900 Кбайт = 2 2 * 225 * 2 10 * 2 3 = 225 * 2 15

Посчитаем общее количество пикселей (из заданного размера):

1024 * 768 = 2 10 * 3 * 2 8

Определим объем памяти, необходимый для хранения не общего количества пикселей, а одного пикселя ([память для кадра]/[кол-во пикселей]):

\[ \frac {225 * 2^{15}}{3 * 2^{18}} = \frac {75}{8} \approx 9 \]

9 бит на 1 пиксель

9 бит — это i — глубина кодирования цвета. Количество цветов = 2 i :

2 9 = 512

Результат: 512

Смотрите подробное решение на видео:

Тема: Кодирование изображений:

9_8: Демоверсия ЕГЭ 2018 информатика:

Автоматическая фотокамера производит растровые изображения размером 640 ×480 пикселей. При этом объём файла с изображением не может превышать 320 Кбайт, упаковка данных не производится.
Какое максимальное количество цветов можно использовать в палитре?

✍ Решение:

• По формуле объема файла изображения имеем:

где N i — глубина кодирования цвета (количество бит, выделенное на 1 пиксель)

• Посмотрим, что из формулы нам уже дано:

I = 320 Кбайт, N = 640 * 420 = 307200 = 75 * 2 12 всего пикселей, i - ?

Количество цветов в изображении зависит от параметра i , который неизвестен. Вспомним формулу:

количество цветов = 2 i

Поскольку глубина цвета измеряется в битах, то необходимо объем перевести из Килобайт в биты:

320 Кбайт = 320 * 2 10 * 2 3 бит = 320 * 2 13 бит

Найдем i :

\[ i = \frac {I}{N} = \frac {320 * 2^{13}}{75 * 2^{12}} \approx 8,5 бит \]

Найдем количество цветов:

2 i = 2 8 = 256

Результат: 256

Подробное решение данного 9 задания из демоверсии ЕГЭ 2018 года смотрите на видео:

9_21: : ЕГЭ по информатике задание 9.21 (источник: К. Поляков, 9.1 вариант 58):

Для хранения в информационной системе документы сканируются с разрешением 300 ppi . Методы сжатия изображений не используются. Средний размер отсканированного документа составляет 5 Мбайт . В целях экономии было решено перейти на разрешение 150 ppi и цветовую систему, содержащую 16 цветов . Средний размер документа, отсканированного с изменёнными параметрами, составляет 512 Кбайт .

Определите количество цветов в палитре до оптимизации .

✍ Решение:

• По формуле объема файла изображения имеем:

где N — общее количество пикселей или разрешение, а i — глубина кодирования цвета (количество бит, выделенное на 1 пиксель).

• Так как по заданию имеем разрешение, выраженное в пикселях на дюйм, то фактически это означает:

I = значение ppi 2 * N * i

• Формула количества цветов:

количество цветов = 2 i

• Посмотрим, что из формулы нам уже дано до экономного варианта и при экономном варианте:

Неэкономный вариант: I = 5 Мбайт = 5 * 2 23 бит, N - ?, i - ? 300 ppi Экономный вариант: I = 512 Кбайт = 2 9 * 2 13 бит = 2 22 бит, N - ?, i = 4 бит (2 4 = 16) 150 ppi

Так как в экономном режиме нам известны все составляющие формулы, кроме разрешения (N), то найдем разрешение:

N = I / (i * 150*150 ppi) N = 2 22 / (4 * 22500)

Подставим все известные значения, включая найденное N, в формулу для неэкономного режима:

I = N * 300*300 ppi * i 5 * 2 23 = (2 22 * 300 * 300 * i) / (22500 * 4 );

Выразим i и вычислим его значение:

i = (5 * 2 23 * 22500 * 4) / (2 22 * 300 * 300) = 9000 / 900 = 10 бит

По формуле нахождения количества цветов в палитре имеем:

2 10 = 1024

Результат: 1024

Тема: Кодирование звука

9_7: ЕГЭ по информатике 2017 задание 9 ФИПИ вариант 15 (Крылов С.С., Чуркина Т.Е.):

На студии при четырехканальной (квадро ) звукозаписи с 32 -битным разрешением за 30 секунд был записан звуковой файл. Сжатие данных не производилось. Известно, что размер файла оказался 7500 Кбайт.

С какой частотой дискретизации (в кГц) велась запись? В качестве ответа укажите только число, единицы измерения указывать не нужно.

✍ Решение:

• По формуле объема звукового файла получим:

I = β * t * ƒ * S

• Из задания имеем:

I = 7500 Кбайт β = 32 бита t = 30 секунд S = 4 канала

ƒ — частота дискретизации — неизвестна, выразим ее из формулы:

\[ ƒ = \frac {I}{S*B*t} = \frac {7500 * 2^{10} * 2^2 бит}{2^7 * 30}Гц = \frac { 750 * 2^6}{1000}КГц = 2^4 = 16 \]

2 4 = 16 КГц

Результат: 16

Для более детального разбора предлагаем посмотреть видео решения данного 9 задания ЕГЭ по информатике:

Тема: Кодирование звука:

ЕГЭ по информатике задание 9_9 (источник: 9.2 вариант 36, К. Поляков):

Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без использования сжатия данных. Получившийся файл был передан в город А по каналу связи. Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с разрешением в 2 3 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б за 15 секунд; пропускная способность канала связи с городом Б в 4 раза выше, чем канала связи с городом А .

Сколько секунд длилась передача файла в город A ? В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

✍ Решение:

• Для решения понадобится формула нахождения скорости передачи данных формулы:
• Вспомним также формулу объема звукового файла:

I = β * ƒ * t * s

где:
I - объем
β - глубина кодирования
ƒ - частота дискретизации
t - время
S - кол-во каналов (если не указывается, то моно)

• Выпишем отдельно, все данные, касающиеся города Б (про А практически ничего не известно):

город Б: β - в 2 раза выше ƒ - в 3 раза меньше t - 15 секунд, пропускная способность (скорость V ) - в 4 раза выше

Исходя из предыдущего пункта, для города А получаем обратные значения:

город А: β Б / 2 ƒ Б * 3 I Б / 2 V Б / 4 t Б / 2, t Б * 3, t Б * 4 - ?

Дадим объяснения полученным данным:

так как глубина кодирования (β ) для города Б выше в 2 раза, то для города А она будет ниже в 2 раза, соответственно, и t уменьшится в 2 раза:

t = t/2

так как частота дискретизации (ƒ) для города Б меньше в 3 раза, то для города А она будет выше в 3 раза; I и t изменяются пропорционально, значит, при увеличении частоты дискретизации увеличится не только объем, но и время:

t = t * 3

скорость (V ) (пропускная способность) для города Б выше в 4 раза, значит, для города А она будет ниже в 4 раза; раз скорость ниже, то время выше в 4 раза (t и V — обратно пропорциональная зависимость из формулы V = I/t ):

t = t * 4

Таким образом, с учетом всех показателей, время для города А меняется так:

\[ t_А = \frac {15}{2} * 3 * 4 \]

90 секунд

Результат: 90

Подробное решение смотрите на видео:

Тема: Кодирование звука:

ЕГЭ по информатике задание 9.10 (источник: 9.2 вариант 43, К. Поляков):

Музыкальный фрагмент был записан в формате стерео (двухканальная запись ), оцифрован и сохранён в виде файла без использования сжатия данных. Размер полученного файла – 30 Мбайт. Затем тот же музыкальный фрагмент был записан повторно в формате моно и оцифрован с разрешением в 2 раза выше и частотой дискретизации в 1,5 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось.

Укажите размер файла в Мбайт , полученного при повторной записи. В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

✍ Решение:

I = β * ƒ * t * S

I - объем
β - глубина кодирования
ƒ - частота дискретизации
t - время
S -количество каналов

• Выпишем отдельно, все данные, касающиеся первого состояния файла, затем второго состояния — после преобразования:

1 состояние: S = 2 канала I = 30 Мбайт 2 состояние: S = 1 канал β = в 2 раза выше ƒ = в 1,5 раза ниже I = ?

Так как изначально было 2 канала связи (S ), а стал использоваться один канал связи, то файл уменьшился в 2 раза:

I = I / 2

Глубина кодирования (β ) увеличилась в 2 раза, то и объем (I ) увеличится в 2 раза (пропорциональная зависимость):

I = I * 2

Частота дискретизации (ƒ ) уменьшилась в 1,5 раза, значит, объем (I ) тоже уменьшится в 1,5 раза:

I = I / 1,5

Рассмотрим все изменения объема преобразованного файла:

I = 30 Мбайт / 2 * 2 / 1,5 = 20 Мбайт

Результат: 20

Смотрите видеоразбор данной задачи:

Тема: Кодирование звуковых файлов:

ЕГЭ по информатике задание 9_11 (источник: 9.2 вариант 72, К. Поляков):

Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без использования сжатия данных. Получившийся файл был передан в город А по каналу связи за 100 секунд. Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с разрешением в 3 раза выше и частотой дискретизации в 4 раз меньше , чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б за 15 секунд.

Во сколько раз скорость (пропускная способность канала) в город Б больше пропускной способности канала в город А ?

✍ Решение:

• Вспомним формулу объема звукового файла:

I = β * ƒ * t * S

I - объем
β - глубина кодирования
ƒ - частота дискретизации
t - время

• Выпишем отдельно, все данные, касающиеся файла, переданного в город А , затем преобразованного файла, переданного в город Б :

А: t = 100 c. Б: β = в 3 раза выше ƒ = в 4 раза ниже t = 15 c.

✎ 1 способ решения:

Скорость передачи данных (пропускная способность) зависит от времени передачи файла: чем больше время, тем ниже скорость. Т.е. во сколько раз увеличится время передачи, во столько раз уменьшится скорость и наоборот.

Из предыдущего пункта видим, что если мы вычислим, во сколько раз уменьшится или увеличится время передачи файла в город Б (по сравнению с городом А), то мы поймем, во сколько раз увеличится или уменьшится скорость передачи данных в город Б (обратная зависимость).

Соответственно, представим, что преобразованный файл передается в город А . Объем файла изменился в 3/4 раза (глубина кодирования (β) в 3 раза выше, частота дискретизации (ƒ) в 4 раза ниже). Объем и время изменяются пропорционально. Значит и время изменится в 3/4 раза:

t A для преобразов. = 100 секунд * 3 / 4 = 75 секунд

Т.е. преобразованный файл передавался бы в город А 75 секунд, а в город Б 15 секунд. Вычислим, во сколько раз снизилось время передачи:

75 / 15 = 5

Раз время передачи в город Б снизилось в 5 раз, соответственно, скорость увеличилась в 5 раз.

Ответ: 5

✎ 2 способ решения:

Выпишем отдельно все данные, касающиеся файла, переданного в город А : А: t А = 100 c. V А = I / 100

Поскольку увеличение или уменьшение во сколько-то раз разрешения и частоты дискретизации приводит к соответствующему увеличению или уменьшению объема файла (пропорциональная зависимость), то запишем известные данные для преобразованного файла, переданного в город Б :

Б: β = в 3 раза выше ƒ = в 4 раза ниже t = 15 c. I Б = (3 / 4) * I V Б = ((3 / 4) * I) / 15

Теперь найдем соотношение V Б к V А:

\[ \frac {V_Б}{V_А} = \frac {3/_4 * I}{15} * \frac {100}{I} = \frac {3/_4 * 100}{15} = \frac {15}{3} = 5 \]

(((3/4) * I) / 15) * (100 / I)= (3/4 * 100) / 15 = 15/3 = 5 S - количество каналов

Для простоты расчетов пока не будем брать во внимание количество каналов. Рассмотрим, какие данные у нас есть, и какие из них необходимо перевести в другие единицы измерения:

β = 32 бита ƒ = 32кГц = 32000Гц t = 2 мин = 120 с

Подставим данные в формулу; учтем, что результат необходимо получить в Мбайтах, соответственно, произведение будем делить на 2 23 (2 3 (байт) * 2 10 (Кбайт) * 2 10 (Мбайт)):

(32 * 32000 * 120) / 2 23 = =(2 5 * 2 7 * 250 * 120) / 2 23 = = (250*120) / 2 11 = = 30000 / 2 11 = = (2 4 * 1875) / 2 11 = = 1875 / 128 ~ 14,6

Полученный результат значения объема умножим на 4 с учетом количества каналов связи:

14,6 * 4 = 58,5

Ближайшее число, кратное 10 — это 60 .

Результат: 60

Смотрите подробное решение:

Тема: Кодирование звука:

9_19: Государственный выпускной экзамен ГВЭ 2018 (информатика ГВЭ ФИПИ, задание 7):

Производится двухканальная (стерео) цифровая звукозапись. Значение сигнала фиксируется 48 000 раз в секунду , для записи каждого значения используется 32 бит . Запись длится 5 минут , её результаты записываются в файл, сжатие данных не производится.

Какая из приведённых ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 14 Мбайт
2) 28 Мбайт
3) 55 Мбайт
4) 110 Мбайт

✍ Решение:

I = β * ƒ * t * S

Подставим в формулу имеющиеся значения:

I = 48000 * 32 * 300 * 2

Поскольку значения большие, необходимо числа 48000 и 300 выразить в степенях двойки:

48000 | 2 24000 | 2 12000 | 2 6000 | 2 = 375 * 2 7 3000 | 2 1500 | 2 750 | 2 375 | 2 - уже не делится 187,5 300 | 2 = 75 * 2 2 150 | 2 75 | 2 - уже не делится 37,5

Получим:

I = 375 * 75 * 2 15

В предложенных вариантах ответа видим, что результат везде в Мбайт. Значит, необходимо разделить полученный нами результат на 2 23 (2 3 * 2 10 * 2 10):

I = 375 * 75 * 2 15 / 2 23 = 28125 / 2 8

Найдем приближенное к числу 28125 значение в степени двойки:

2 10 = 1024 1024 * 2 2048 * 2 4096 * 2 8192 * 2 16384 * 2 32768

Получаем:

2 10 * 2 5 = 2 15 = 32768 2 10 * 2 4 = 2 14 = 16384

Число 28125 лежит между этими значениями, значит берем их:

2 15 / 2 8 = 2 7 = 128 2 14 / 2 8 = 2 6 = 64

Выбираем ответ, значение в котором находится между двумя этими числами: вариант 4 (110 Мбайт)

Результат: 4

Подробное решение ГВЭ задания 7 2018 года смотрите на видео:

Тема: Кодирование звука:

9_20: Решение 9 задания ЕГЭ по информатике (диагностический вариант экзаменационной работы 2018 года, С.С. Крылов, Д.М. Ушаков):

Производится двухканальная (стерео) звукозапись с частотой дискретизации 4 кГц и 64-битным разрешением . Запись длится 1 минуту , ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится.

Определите приблизительно размер получившегося файла (в Мбайтах) . В качестве ответа укажите ближайшее к размеру файла целое число, кратное 2 .

✍ Решение:

• По формуле объема звукового файла имеем:

I = β * ƒ * t * S

I - объем β - глубина кодирования = 32 бита ƒ - частота дискретизации = 48000 Гц t - время = 5 мин = 300 с S - количество каналов = 2

Подставим в формулу имеющиеся значения. Для удобства будем использовать степени двойки:

ƒ = 4 кГЦ = 4 * 1000 Гц ~ 2 2 * 2 10 B = 64 бит = 2 6 / 2 23 Мбайт t = 1 мин = 60 c = 15 * 2 2 c S = 2

Подставим значения в формулу объема звукового файла:

I = 2 6 * 2 2 * 2 10 * 15 * 2 2 * 2 1 / 2 23 = 15/4 ~ 3,75

Ближайшее целое, кратное двум — это число 4

Результат: 4

Видеоразбор задания:

Знание составляется из мелких
крупинок ежедневного опыта.
Д.И. Писарев

Цели: Применение теоретических знаний на практике.
Задачи урока:
Научить принципу двоичного кодирования при оцифровке звука;
Познакомить с понятием временной дискретизации звука;
Установить зависимость между качеством кодирования звука, глубиной кодирования и частотой дискретизации;
Научить оценивать информационный объем аудиофайла;
Записывать звук с помощью компьютера, сохранять его в звуковых файлах в формате WAV, воспроизводить.

Ход урока:

I. Организационный момент 1. Звучит музыка
2. Слова учителя:

Тема нашего урока «Двоичное кодирование звуковой информации». Сегодня мы познакомимся с понятием временной дискретизации звука, установим эксперементальным путем зависимость между качеством кодирования звука, глубиной кодирования и частотой дискретизации, научимся оценивать объем аудифайлов, записывать звук с помощью компьютера, сохранять его в звуковых файлах в формате WAV и воспроизводить.

II. Актуализация знаний учащихся. Вопросы: (ответы записывать в бланк №1)

1. Перечислите виды существования информации? (числовая, текстовая, графическая, звуковая).
2. Какое ключевое слово можно подобрать к видеоряду? (кодирование информации).
3. Что называют глубиной звука? (глубина звука или глубина кодирования - количество бит информации на кодировку звука).
4. Какие уровни громкости может иметь звук? (звук может иметь различные уровни громкости.

5. Что называется частотой дискретизации? (Частота дискретизации - количество измерений уровня входного сигнала в единицу времени (за 1 секунду).
6. По какой формуле вычисляется размер цифрового моноаудиофайла?
(А=Д*Т*I).
Д- частота дискретизации;
Т- время звучания или записи звука;
I- разрядность регистра.
7. По какой формуле вычисляется размер цифрового стереоаудиофайла?
А=2*Д*Т*I

III. Решение задач. Задача №1 (Семакин. №88 стр. 157, задачник №1). Бланк №1.

Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44.1 кГц и расширении 16 бит.

IV. Изучение нового материала.

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.
С помощью специальных программных средств (редакторов звукозаписей) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и, в результате, появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.
Из курса физики вам известно, что звук представляет собой механическую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой (рис. 1). 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 (рис. 2 и рис. 3). Горизонтальные линии -это уровни громкости, а вертикальные - количество измерений за 1 секунду(одно измерение в секунду - это один герц), или частота дискретизации (Гц). Такой способ позволяет заменить непрерывную зависимость на дискретную последовательность уровней громкости, каждой из которых присваивается значение в двоичном коде (рис. 4).

рис.1	рис.2	рис.3	рис.4

Количество уровней громкости зависит от глубины звука - количества байтов, используемыз для кодирования одного уровня. Обычно 8 кГц и уровень квантования (код длиной 8 бит).
, где N- количество уровней громкости, а I - глубина звука (биты)

Пример: Бланк №3
Решение:
1)кодирование с частотой 5 Гц - это значит, что происходит измерений высоты звука в 1 сек. Глубина 4 бита - означает, что используются 16 уровней громкости.
«округлять» значения высоты звука будем до ближайшего нижнего уровня. (Результат кодирования: 1000 1000 1001 О11О 0111)

2) Для расчета информационного объема закодированного звука (А) используется простая формула: А = D * i * Т, где: D - частота дискретизации (Гц); i - глубина звука (бит); Т - время звучания (сек).
Получаем: А = 5 Гц * 4 бита * 1 сек = 20 бит.

V. Обучающая самостоятельная работа. Бланк №5

VI. Исследовательское задание. Бланк №6

Группы №1-5. Установить зависимость между качеством двоичного кодирования звука и информационным объемом аудиофайла для звуковой информации различного содержания (монологическая речь, диалогическая речь, стихотворение, песня); зависимость между информационным объемом файла и режимом записи (моно, стерео).

Ход исследовательской работы:

1) Заполнить бланк №2.
2) Записать результаты в таблицу, полученные в ходе эксперимента.
3) Сделать вывод.

VII. Подведение итогов работы в группах
VIII. Мини проект Музыкальные и звуковые возможности.
Обозначения: Программа: "В лесу родилась елочка"
SCRN 7
LINE (20,0)-(300,180),2,BF
FOR I=l TO 2000
X=280*RND+20 Y=180*RND
C=16*RND
PSET(X,Y),C
NEXT I
SLEEP 1
LINE (150,140)-(170,160),6,BF
PSET(110,140)
LINE-(210,140), 10
LINE-(160,110),10
LINE- (110,140),10
PAINT (160,120), 10,10
LOCATE 24,10
PRINT «В лесу родилась елочка»
PLAY «ms+80 02 18 caajafcc»
PSET (120,110)
LINE-(200,110),10
LINE-(160,85),10
LINE-(120,110),10
PAINT (160,90),10,10
LOCATE 24,10
PRINT "В лесу она росла",
PLAY "caab->dc4"
PSET (130,85)
LINE-(190,85),10
LINE-(160,65),10
LINE-(130,85), 10
PAINT (160,70),10,10
LOCATE 24,10
PRINT «ЗИМОЙ И ЛЕТОМ СТРОЙНАЯ»
PLAY "c PSET (140,65)
LINE-(180,65), 10
LINE -(160,50), 10
LINE - PAINT (160,60), 10,10
LOCATE 24,10
PRINT "ЗЕЛЕНАЯ БЫЛА"
PLAY "caajofu"
SLEEP
STOP
IX Итог урока

1). Контроль уровня усвоения программного материала
1. При частоте дискретизации 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует:

а) качеству звучания аудио-CD;
б) качеству радиотрансляции;
в) среднему качеству.

2. В каком формате сохраняются звуковые файлы:

a) DOC;
б) WAV;
в) BMP.

3. Качество кодирования непрерывного звукового сигнала зависит:

а) от частоты дискретизации и глубины кодирования;
б) от глубины цвета и разрешающей способности монитора;
в) от международного стандарта кодирования.

4. Два звуковых файла записаны с одинаковой частотой дискретизации и глубиной кодирования. Информационный объем файла, записанного в стереорежиме, больше информационного объема файла, записанного в монорежиме:

а) в 4 раза;
б) объемы одинаковые;
в) в 2 раза.

2). Оценка знаний и умений учащихся.
3). Слово учителя.

Безусловно, оценка качества звучания - во многом субъективна и зависит от нашего восприятия. Компьютер, так же как и человек, кодирует звуковую информацию с целью хранения и последующего воспроизведения. Подумайте, а в чем разница между звуковой информацией, хранимой в памяти ПК и в памяти человека? (Ответ: у человека процесс кодирования звука тесно связан с эмоциями).
Таким образом, компьютер хранит звук, а человек музыку!!! Музыка -единственный язык, на котором душа говорит с душою (Бертольд Авербах). Она может поднять в небеса, пробудить чувства, сковать разум и вселить страх. Для каждого человека музыка своя. Какие эмоции или ассоциации вызывает у вас «Лунная соната»?... Теплый взгляд любящего человека, нежное касание материнской руки, а теперь возможно, что эти чарующие звуки будут напоминать вам и об уроке информатики. Все это, согласитесь, недоступно цифровому двоичному коду.

Х. Домашнее задание Задачи № 89,91,92 стр 157.

Расчёт информационного объёма аудио-файла можно производить по следующей формуле (4):

V audio = D * T * n каналов * i / k сжатия, (4)

где V – это информационный объём аудио-файла, измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах; D – частота дискретизации (количество точек в секунду для описания аудио-записи); T – время аудио-файла; n каналов – число каналов аудио-файла (стерео - 2 канала, система 5.1 - 6 каналов); i – глубина звука, которая измеряется в битах, k сжатия – коэффициент сжатия данных, без сжатия он равен 1.

Расчёт иформационного объема анимации

Расчёт информационного объёма анимации можно производить по следующей формуле (5):

V anim = K * T * v * i / k сжатия, (5)

где V anim – это информационный объём растрового графического изображения, измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах; K – количество пикселей (точек) в изображении, определяющееся разрешающей способностью носителя информации (экрана монитора, сканера, принтера); T – время анимации; v – частота смены кадров в секунду; i – глубина цвета, которая измеряется в битах на один пиксель, k сжатия – коэффициент сжатия данных, без сжатия он равен 1.

Расчёт иформационного объема видео-файла

Расчёт информационного объёма видео-файла можно производить по следующей формуле (5):

V video = V anim + V audio + V sub , (5)

где V video – это информационный объём видео-файла, измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах; V anim – это информационный объём анимации (видео-ряда), измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах; V audio – это информационный объём аудео-файла, измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах (в видео-ролике могут содержатся файлы аудио-дорожек для нескольких языков, тогда умножаем объем аудио-файла на количество языковых дорожек); V sub – это информационный объём файла субтитров, измеряющийся в байтах, килобайтах, мегабайтах (если несколько файлов субтитров, то надо сложить размеры каждого файла).

Практическая часть

Параметры / Варианты
Частота кадров
Размер изображения
Глубина цвета, бит
Коэффициент сжатия изображения
Аудио-дорожка
Число языков
Глубина звука, бит
Частота дискретизации аудио-потока, Гц
Коэффициент сжатия аудио-дорожки
Число субтитров, шт.
Кодировка текста субтитров
Число символов в файле субтитров, шт.
Коэффициент сжатия текста

При решении задач учащиеся опираются на следующие понятия:

Временная дискретизация – процесс, при котором, во время кодирования непрерывного звукового сигнала, звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Чем больше амплитуда сигнала, тем громче звук.

Глубина звука (глубина кодирования) - количество бит на кодировку звука.

Уровни громкости (уровни сигнала) - звук может иметь различные уровни громкости. Количество различных уровней громкости рассчитываем по формуле N = 2 I где I – глубина звука.

Частота дискретизации – количество измерений уровня входного сигнала в единицу времени (за 1 сек). Чем больше частота дискретизации, тем точнее процедура двоичного кодирования. Частота измеряется в герцах (Гц). 1 измерение за 1 секунду -1 ГЦ.

1000 измерений за 1 секунду 1 кГц. Обозначим частоту дискретизации буквой D . Для кодировки выбирают одну из трех частот: 44,1 КГц, 22,05 КГц, 11,025 КГц.

Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 Гц до 20 кГц .

Качество двоичного кодирования – величина, которая определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Аудиоадаптер (звуковая плата) – устройство, преобразующее электрические колебания звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и обратно (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.

Характеристики аудиоадаптера: частота дискретизации и разрядность регистра.).

Разрядность регистра - число бит в регистре аудиоадаптера. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического тока в число и обратно. Если разрядность равна I , то при измерении входного сигнала может быть получено 2 I = N различных значений.

Размер цифрового моноаудиофайла ( A ) измеряется по формуле:

A = D * T * I /8 , где D – частота дискретизации (Гц), T – время звучания или записи звука, I разрядность регистра (разрешение). По этой формуле размер измеряется в байтах.

Размер цифрового стереоаудиофайла ( A ) измеряется по формуле:

A =2* D * T * I /8 , сигнал записан для двух колонок, так как раздельно кодируются левый и правый каналы звучания.

Учащимся полезно выдать таблицу 1 , показывающую, сколько Мб будет занимать закодированная одна минута звуковой информации при разной частоте дискретизации:

Частота дискретизация, КГц

44,1

22,05

11,025

16 бит, стерео

10,1 Мб

5,05 Мб

2,52 Мб

16 бит, моно

5,05 Мб

2,52 Мб

1,26 Мб

8 бит, моно

2,52 Мб

1,26 Мб

630 Кб

1. Размер цифрового файла

Уровень «3»

1. Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен. (, стр. 156, пример 1)

Решение:

Формула для расчета размера (в байтах) цифрового аудио-файла: A = D * T * I /8.

Для перевода в байты полученную величину надо разделить на 8 бит.

22,05 кГц =22,05 * 1000 Гц =22050 Гц

A = D * T * I /8 = 22050 х 10 х 8 / 8 = 220500 байт.

Ответ: размер файла 220500 байт.

2. Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит. (, стр. 157, №88)

Решение :

A = D * T * I /8. – объем памяти для хранения цифрового аудиофайла.

44100 (Гц) х 120 (с) х 16 (бит) /8 (бит) = 10584000 байт= 10335,9375 Кбайт= 10,094 Мбайт.

Ответ: ≈ 10 Мб

Уровень «4»

3. 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? (, стр. 157, №89)

Решение:

Формула для расчета частоты дискретизации и разрядности: D * I =А/Т

(объем памяти в байтах) : (время звучания в секундах):

2, 6 Мбайт= 2726297,6 байт

D * I =А/Т= 2726297,6 байт: 60 = 45438,3 байт

D= 45438,3 байт : I

Разрядность адаптера может быть 8 или 16 бит. (1 байт или 2 байта). Поэтому частота дискретизации может быть либо 45438,3 Гц = 45,4 кГц ≈ 44,1 кГц –стандартная характерная частота дискретизации, либо 22719,15 Гц = 22,7 кГц ≈ 22,05 кГц - стандартная характерная частота дискретизации

Ответ:

4. Объем свободной памяти на диске - 5,25 Мб, разрядность звуковой платы - 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц? (, стр. 157, №90)

Решение:

Формула для расчета длительности звучания: T =A /D /I

(объем памяти в байтах) : (частота дискретизации в Гц) : (разрядность звуковой платы в байтах):

5,25 Мбайт = 5505024 байт

5505024 байт: 22050 Гц: 2 байта = 124,8 сек
Ответ: 124,8 секунды

5. Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы - 8. С какой частотой дискретизации записан звук? (, стр. 157, №91)

Решение:

Формула для расчета частоты дискретизации : D =А/Т/ I

(объем памяти в байтах) : (время записи в секундах) : (разрядность звуковой платы в байтах)

1,3 Мбайт = 1363148,8 байт

1363148,8 байт: 60: 1 = 22719,1 Гц

Ответ: 22,05 кГц

6. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации - 22050 Гц. Какова разрядность аудиоадаптера? (, стр. 157, №94)

Решение:

Формула для расчета разрядности: (объем памяти в байтах) : (время звучания в секундах): (частота дискретизации):

5, 1 Мбайт= 5347737,6 байт

5347737,6 байт: 120 сек: 22050 Гц= 2,02 байт =16 бит

Ответ: 16 бит

7. Объем свободной памяти на диске - 0,01 Гб, разрядность звуковой платы - 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 44100 Гц? (, стр. 157, №95)

Решение:

Формула для расчета длительности звучания T =A /D /I

(объем памяти в байтах) : (частота дискретизации в Гц) : (разрядность звуковой платы в байтах)

0,01 Гб = 10737418,24 байт

10737418,24 байт: 44100: 2 = 121,74 сек =2,03 мин
Ответ: 20,3 минуты

8. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин. если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно:
а) 16 бит и 8 кГц;
б) 16 бит и 24 кГц.

(, стр. 76, №2.82)

Решение:

а).
16 бит х 8 000 = 128000 бит = 16000 байт = 15,625 Кбайт/с
15,625 Кбайт/с х 60 с = 937,5 Кбайт

б).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 24 000 = 384000 бит = 48000 байт = 46,875 Кбайт/с
2) Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:
46,875 Кбайт/с х 60 с =2812,5 Кбайт = 2,8 Мбайт

Ответ: а) 937,5 Кбайт; б) 2,8 Мбайт

Уровень «5»

Используется таблица 1

9. Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты? (, стр. 157, №92)

Решение:

Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1КГц и разрядности аудиоадаптера, равной 16.
Формула для расчета объема памяти: (время записи в секундах) x (разрядность звуковой платы в байтах) x (частота дискретизации):
180 с х 2 х 44100 Гц = 15876000 байт = 15,1 Мб
Ответ: 15,1 Мб

10. Цифровой аудиофайл содержит запись звука низкого качества (звук мрачный и приглушенный). Какова длительность звучания файла, если его объем составляет 650 Кб? (, стр. 157, №93)

Решение:

Для мрачного и приглушенного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации - 11, 025 КГц, разрядности аудиоадаптера - 8 бит (см. таблицу 1). Тогда T =A /D /I . Переведем объем в байты: 650 Кб = 665600 байт

Т=665600 байт/11025 Гц/1 байт ≈60.4 с

Ответ: длительность звучания равна 60,5 с

Решение:

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 48 000 х 2 = 1 536 000 бит = 187,5 Кбайт (умножили на 2, так как стерео).

Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:
187,5 Кбайт/с х 60 с ≈ 11 Мбайт

Ответ: 11 Мб

Ответ: а) 940 Кбайт; б) 2,8 Мбайт.

12. Рассчитайте время звучания моноаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен:
а) 700 Кбайт;
б) 6300 Кбайт

(, стр. 76, №2.84)

Решение:

а).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

700 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 11,2 с

б).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 32 000 = 512000 бит = 64000 байт = 62,5 Кбайт/с
2) Время звучания моноаудиофайла объемом 700 Кбайт равно:
6300 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 100,8 с = 1,68 мин

Ответ: а) 10 сек; б) 1,5 мин.

13. Вычислить, сколько байт информации занимает на компакт-диске одна секунда стереозаписи (частота 44032 Гц, 16 бит на значение). Сколько занимает одна минута? Какова максимальная емкость диска (считая максимальную длительность равной 80 минутам)? (, стр. 34, упражнение №34)

Решение:

Формула для расчета объема памяти A = D * T * I :
(время записи в секундах) * (разрядность звуковой платы в байтах) * (частота дискретизации). 16 бит -2 байта.
1) 1с х 2 х 44032 Гц = 88064 байт (1 секунда стереозаписи на компакт-диске)
2) 60с х 2 х 44032 Гц = 5283840 байт (1 минута стереозаписи на компакт-диске)
3) 4800с х 2 х 44032 Гц = 422707200 байт=412800 Кбайт=403,125 Мбайт (80 минут)

Ответ: 88064 байт (1 секунда), 5283840 байт (1 минута), 403,125 Мбайт (80 минут)

2. Определение качества звука.

Для определения качества звука надо найти частоту дискретизации и воспользоваться таблицей №1

256 (2 8) уровней интенсивности сигнала -качество звучания радиотрансляции, использованием 65536 (2 16) уровней интенсивности сигнала - качество звучания аудио-CD. Самая качественная частота соответствует музыке, записанной на компакт-диске. Величина аналогового сигнала измеряется в этом случае 44 100 раз в секунду.

Уровень «5»

13. Определите качество звука (качество радиотрансляции, среднее качество, качество аудио-CD) если известно, что объем моноаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен:
а) 940 Кбайт;
б) 157 Кбайт.

(, стр. 76, №2.83)

Решение:

а).
1) 940 Кбайт= 962560 байт = 7700480 бит
2) 7700480 бит: 10 сек = 770048 бит/с
3) 770048 бит/с: 16 бит = 48128 Гц –частота дискретизации – близка к самой высокой 44,1 КГц
Ответ: качество аудио-CD

б).
1) 157 Кбайт= 160768 байт = 1286144 бит
2) 1286144 бит: 10 сек = 128614,4 бит/с
3) 128614,4 бит/с: 16 бит = 8038,4 Гц
Ответ: качество радиотрансляции

Ответ: а) качество CD; б) качество радиотрансляции.

14. Определите длительность звукового файла, который уместится на гибкой дискете 3,5”. Учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байт.
а) при низком качестве звука: моно, 8 бит, 8 кГц;
б) при высоком качестве звука: стерео, 16 бит, 48 кГц.

(, стр. 77, №2.85)

Решение:

а).

8 бит х 8 000 = 64 000 бит = 8000 байт = 7,8 Кбайт/с
3) Время звучания моноаудиофайла объемом 1423,5 Кбайт равно:
1423,5 Кбайт: 7,8 Кбайт/с = 182,5 с ≈ 3 мин

б).
1) Информационный объем дискеты равен:
2847 секторов х 512 байт = 1457664 байт = 1423,5 Кбайт
2) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 48 000 х 2= 1 536 000 бит = 192 000 байт = 187,5 Кбайт/с
3) Время звучания стереоаудиофайла объемом 1423,5 Кбайт равно:
1423,5 Кбайт: 187,5 Кбайт/с = 7,6 с

Ответ: а) 3 минуты; б) 7,6 секунды.

3. Двоичное кодирование звука.

При решении задач пользуется следующим теоретическим материалом:

Для того, чтобы кодировать звук, аналоговый сигнал, изображенный на рисунке,

плоскость разбивается на вертикальные и горизонтальные линии. Вертикальное разбиение –это дискретизация аналогового сигнала (частота измерения сигнала), горизонтальное разбиение - квантование по уровню. Т.е. чем мельче сетка – тем качественнее приближен аналоговый звук с помощью цифр. Восьмибитное квантование применяется для оцифровки обычной речи (телефонного разговора) и радиопередач на коротких волнах. Шестнадцатибитное – для оцифровки музыки и УКВ (ультро-коротко-волновые) радиопередач.

Уровень «3»

15. Аналоговый звуковой сигнал был дискретизирован сначала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала (качество звучания радиотрансляции), а затем с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала (качество звучания аудио-CD). Во сколько раз различаются информационные объемы оцифрованного звука? (, стр. 77, №2.86)

Решение:

Длина кода аналогового сигнала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала равна 8 битам, с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала равна 16 битам. Так как длина кода одного сигнала увеличилась вдвое, то информационные объемы оцифрованного звука различаются в 2 раза.

Ответ: в 2 раза.

Уровень « 4 »

16. Согласно теореме Найквиста-Котельникова, для того чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его дискретному представлению (по его отсчетам), частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты этого сигнала.

Какова должна быть частота дискретизации звука, воспринимаемого человеком?

Что должно быть больше: частота дискретизации речи или частота дискретизации звучания симфонического оркестра?

Цель: познакомить учащихся с характеристиками аппаратных и программных средств работы со звуком. Виды деятельности: привлечение знаний из курса физики (или работа со справочниками ). (, стр. ??, задача 2)

Решение:

Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 Гц до 20 кГц. Таким образом, по теореме Найквиста-Котельникова, для того чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его дискретному представлению (по его отсчетам), частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты этого сигнала. Максимальная звуковая частота которую слышит человек -20 КГц, значит, аппарату ра и программные средства должны обеспечивать частоту дискретизации не менее 40 кГц, а точнее 44,1 КГц. Компьютерная обработка звучания симфонического оркестра предполагает более высокую частоту дискретизации, чем обработка речи, поскольку диапазон частот в случае симфонического оркестра значительно больше.

Ответ: не меньше 40 кГц, частота дискретизации симфонического оркестра больше.

Уровень»5»

17. На рисунке изображено зафиксированное самописцем звучание 1 секунды речи. Закодируйте его в двоичном цифровом коде с частотой 10 Гц и длиной кода 3 бита. (, стр. ??, задача 1)

Решение:

Кодирование с частотой 10 Гц означает, что мы должны измерить высоту звука 10 раз за секунду. Выберем равноотстоящие моменты времени:

Длина кода в 3 бита означает 2 3 = 8 уровней квантования. То есть в качестве числового кода высоты звука в каждый выбранный момент времени мы можем задать одну из следующих комбинаций: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Их всего 8, следовательно, высоту звука можно измерять на 8 «уровнях»:

«Округлять» значения высоты звука будем до ближайшего нижнего уровня:

Используя данный способ кодирования, мы получим следующий результат (пробелы поставлены для удобства восприятия): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Примечание. Целесообразно обратить внимание учащихся на то, насколько неточно код передает изменение амплитуды. То есть частота дискретизации 10 Гц и уровень квантования 2 3 (3 бита) слишком малы. Обычно для звука (голоса) выбирают частоту дискретизации 8 кГц, т. е. 8000 раз в секунду, и уровень квантования 2 8 (код длиной 8 бит).

Ответ: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Объясните, почему уровень квантования относится, наряду с частотой дискретизации, к основным характеристикам представления звука в компьютере. Цели: закрепить понимание учащимися понятий «точность представления данных», «погрешность измерения», «погрешность представления»; повторить с учащимися двоичное кодирование и длину кода. Вид деятельности: работа с определениями понятий . (, стр. ??, задача 3)

Решение:

В геометрии, физике, технике есть понятие «точность измерения», тесно связанное с понятием «погрешность измерения». Но есть еще и понятие «точность представления». Например, про рост человека можно сказать, что он: а) около. 2 м, б) чуть больше 1,7 м, в) равен 1 м 72 см, г) равен 1 м 71 см 8 мм. То есть для обозначения измеренного роста можно использовать 1, 2, 3 или 4 цифры.
Так же и для двоичного кодирования. Если для записи высоты звука в конкретный момент времени использовать только 2 бита, то, даже если измерения были точны, передать можно только 4 уровня: низкий (00), ниже среднего (01), выше среднего (10), высокий (11). Если использовать 1 байт, то можно передать 256 уровней. Чем выше уровень квантования , или, что то же самое, чем больше битов отводится для записи измеренного значения, тем точнее передается это значение.

Примечание. Следует отметить, что измерительный инструмент тоже должен поддерживать выбранный уровень квантования (длину, измеренную линейкой с дециметровыми делениями, нет смысла представлять с точностью до миллиметра).

Ответ: чем выше уровень квантования тем точнее передается звук.

Литература:

[ 1] Информатика. Задачник-практикум в 2 т. /Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Том 1. – Лаборатория Базовых Знаний, 1999 г. – 304 с.: ил.

Практикум по информатике и информационным технологиям. Учебное пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович, Л.Л. Босова, Н.И. Михайлова. – М.: Бином. Лаборатория Знаний, 2002. 400 с.: ил.

Информатика в школе: Приложение к журналу «Информатика и образование». №4 - 2003. - М.: Образование и Информатика, 2003. - 96 с.: ил.

Кушниренко А.Г., Леонов А.Г., Эпиктетов М.Г. и др. Информационная культура: одирование информации. Информационные модели. 9-10 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. - 2-е изд. - М.: Дрофа, 1996. - 208 с.: ил.

Гейн А.Г., Сенокосов А.И. Справочник по информатике для школьников. - Екатеринбург: «У-Фактория», 2003. - 346. с54-56.

Временная дискретизация звука.

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.
Дискретизация - преобразование непрерывных сигналов в набор дискретных значений, каждому из которых присваивается определенный двоичный код.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек".

Каждой "ступеньке" присваивается значение уровня громкости звука, его код (1, 2, 3 и так далее). Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний, соответственно, 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. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле:
N=2 16 =65356[уровней звука],
где I - глубина кодирования.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования.

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до 96 000, то есть частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 96[кГц]. При частоте 8[кГц] качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 96[кГц] - качеству звучания аудио-CD. Следует также учитывать, что возможны как моно, так и стерео режимы.

Информационный объем звукового файла

Для определения объема звукового файла V зф необходимо умножить количество измерений K изм на глубину кодирования (число бит на уровень) V 1изм:

V зф = K изм * V 1изм

Где количество измерений K изм зависит от:

Задача 1

Домашнее задание

1 Определить объем звукового стерео файла, при частоте дискретизации (дд)[кГц], времени звучания (гг)[с] для (мм)-битного кодирования.

2 Определить время звучания в [с] звукового моно файла, имеющего объем, равный (гг) [КБ], при глубине кодирования (мм)[БИТ] и частоте дискретизации (дд)[кГц].
Где (дд) - дата вашего рождения, (мм) - месяц вашего рождения, (гг) - год вашего рождения.