Есть ли потеря информации при оцифровке почему

Содержание

В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ (редактор звукозаписи). Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука — количество уровней) [1] .

Содержание

Принципы оцифровки звука [ править | править код ]

Цифровой звук — это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды [2] .

Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде [2] .
Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.

Оцифровка звука включает в себя два процесса:

  • процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени
  • процесс квантования по амплитуде.

Дискретизация по времени [ править | править код ]

Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется с определенным временным шагом — шагом дискретизации . Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в единицу времени, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой семплирования (от англ. « sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено.
Это подтверждается теоремой Котельникова (в зарубежной литературе встречается как теорема Шеннона, Shannon). Согласно ей, аналоговый сигнал с ограниченным спектром точно описуем дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения берутся с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала. То есть, аналоговый сигнал, в котором находится частота спектра равная Fm, может быть точно представлен последовательностью дискретных значений амплитуды, если для частоты дискретизации Fd выполняется: Fd>2Fm.
На практике это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (20 Гц — 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц. Количество замеров амплитуды в секунду называют частотой дискретизации (в случае, если шаг дискретизации постоянен).
Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью (хотя исходя из теоремы Шенона и Котельникова это возможно)

Линейное (однородное) квантование амплитуды [ править | править код ]

Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N -битного слова можно описать 2 N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды — динамический диапазон сигнала — в виде 2 N −1 равных промежутков, разделив его на 2 N уровней — квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).
Точность округления зависит от выбранного количества (2 N ) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования (подразумевая количество разрядов, то есть бит, в каждом слове), а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или семплами (от англ. « sample» — «замер»). Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными. Этот способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией, ИКМ (англ. Pulse Code Modulation — PCM).
Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM (Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.

Другие способы оцифровки [ править | править код ]

  • Способ неоднородного квантования предусматривает разбиение амплитудной шкалы на уровни по логарифмическому закону. Такой способ квантования называют логарифмическим квантованием. При использовании логарифмической амплитудной шкалы, в области слабой амплитуды оказывается большее число уровней квантования, чем в области сильной амплитуды (при этом, общее число уровней квантования остается таким же, как и в случае однородного квантования). Аналогово-цифровое преобразование, основанное на применении метода неоднородного квантования, называется неоднородной импульсно-кодовой модуляцией — неоднородной ИКМ (Nonuniform PCM).
  • Альтернативным способом аналогово-цифрового преобразования является разностная импульсно-кодовая модуляция — разностная ИКМ (англ. « Differential PCM») — в случае разностной ИКМ квантованию подвергают не саму амплитуду, а относительные значения величины амплитуды. В полной аналогии с ИКМ, разностная ИКМ может сочетаться с использованием как однородного, так и неоднородного методов квантования. Разностное кодирование имеет много разных вариантов [3] .
Читайте также:  Nvarchar тип данных sql

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) [ править | править код ]

Вышеописанный процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).
Это преобразование включает в себя следующие операции:

  1. Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.
  2. Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.
  3. Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.
  4. Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Для получения качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Кодирование оцифрованного звука перед его записью на носитель [ править | править код ]

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени.

  • Блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл без изменений, то есть последовательностью чисел — значений амплитуды. В этом случае существуют два способа хранения информации.
  • Первый — PCM (Pulse Code Modulation — импульсно-кодовая модуляция) — способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд. (В таком виде записаны данные на всех аудио CD.)
  • Второй — ADPCM (Adaptive Delta PCM — адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях).
  • Можно сжать данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели в исходном состоянии. Тут тоже есть два способа.
    • Кодирование данных без потерь (lossless coding) — способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К нему прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных особо значимо. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия.
    • Кодирование данных с потерями (lossy coding). Здесь цель — добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем размере сжатого файла. Это достигается путём использования алгоритмов, «упрощающих» оригинальный сигнал (удаляющих из него «несущественные», неразличимые на слух детали). Это приводит к тому, что декодированный сигнал перестает быть идентичным оригиналу, а является лишь «похоже звучащим». Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие. В среднем, коэффициент сжатия, обеспечиваемый такими кодерами, находится в пределах 10-14 (раз). В основе всех lossy-кодеров лежит использование так называемой психоакустической модели. Она занимается этим самым «упрощением» оригинального сигнала. Степень сжатия оригинального сигнала зависит от степени его «упрощения» — сильное сжатие достигается путём «воинственного упрощения» (когда кодером игнорируются множественные нюансы). Такое сжатие приводит к сильной потере качества, поскольку удалению могут подлежать не только незаметные, но и значимые детали звучания [4] .
    • Терминология [ править | править код ]

      • кодер – программа (или устройство), реализующая определенный алгоритм кодирования данных (например, архиватор, или кодер MP 3), которая в качестве ввода принимает исходную информацию, а в качестве вывода возвращает закодированную информацию в определенном формате.
      • декодер – программа (или устройство), реализующая обратное преобразование закодированного сигнала в декодированный.
      • кодек (от англ. « codec » — « Coder / Decoder ») — программный или аппаратный блок, предназначенный для кодирования/декодирования данных.

      Наиболее распространённые кодеки [ править | править код ]

      • MP3 – MPEG-1 Layer 3
      • ОGG – Ogg Vorbis
      • WMA – Windows Media Audio
      • MPC — MusePack
      • AAC – MPEG-2/4 AAC (Advanced Audio Coding)
      • Стандарт MPEG-2 AAC
      • Стандарт MPEG-4 AAC
      Читайте также:  Зарядное устройство на arduino

      Некоторые форматы оцифровки звука в сравнении [ править | править код ]

      12:1 с потерями

      3:1 с потерями

      11:1 с потерями

      Название формата Квантование, бит Частота дискретизации, кГц Число каналов Величина потока данных с диска, кбит/с Степень сжатия/упаковки
      CD 16 44,1 2 1411,2 1:1 без потерь
      Dolby Digital (AC3) 16-24 48 6 до 640
      DTS 20-24 48; 96 до 8 до 1536
      DVD-Audio 16; 20; 24 44,1; 48; 88,2; 96 6 6912 2:1 без потерь
      DVD-Audio 16; 20; 24 176,4; 192 2 4608 2:1 без потерь
      MP3 плавающий до 48 2 до 320
      AAC плавающий до 96 до 48 до 529 с потерями
      AAC+ (SBR) плавающий до 48 2 до 320 с потерями
      Ogg Vorbis до 32 до 192 до 255 до 1000 с потерями
      WMA до 24 до 96 до 8 до 768 2:1, есть версия без потерь

      Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения у потребителя [ править | править код ]

      Помехоустойчивое и канальное кодирование [ править | править код ]

      Помехоустойчивое кодирование позволяет при воспроизведении сигнала выявить и устранить (или снизить частоту их появления) ошибки чтения с носителя. Для этого при записи к сигналу, полученному на выходе АЦП, добавляется искусственная избыточность (контрольный бит), которая впоследствии помогает восстановить поврежденный отсчет. В устройствах записи звука обычно используется комбинация из двух или трех помехоустойчивых кодов. Для лучшей защиты от пакетных ошибок также применяется перемежение. Канальное кодирование служит для согласования цифровых сигналов с параметрами канала передачи (записи/воспроизведения). К полезному сигналу добавляются вспомогательные данные, которые облегчают последующее декодирование. Это могут быть сигналы временного кода, служебные сигналы, сигналы синхронизации. В устройствах воспроизведения цифровых сигналов канальный декодер выделяет из общего потока данных тактовые сигналы и преобразует поступивший канальный сигнал в цифровой поток данных. После коррекции ошибок сигнал поступает в ЦАП.

      Принцип действия ЦАП [ править | править код ]

      Цифровой сигнал, полученный с декодера, преобразовывается в аналоговый. Это преобразование происходит следующим образом:

      1. Декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал
      2. Путём сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
      3. Окончательное восстановление сигнала производится путём подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот

      Параметры, влияющие на качество звука при его прохождении по полному циклу [ править | править код ]

      Основными параметрами, влияющими на качество звука при этом являются:

      Также немаловажными остаются параметры аналогового тракта цифровых устройств кодирования и декодирования:

      Презентация к уроку "Кодирование звуковой информации". Раскрываются такие понятия как: оцифровка звука; интервал и частота дисретизации; разрядность кодирования.

      Просмотр содержимого документа
      «Кодирование звуковой информации»

      Кодирование звуковой информации

      • Звук – это колебания среды (воздуха, воды), которые воспринимает человеческое ухо. С помощью микрофона звук преобразуется в так называемый аналоговый электрический сигнал.

      Аналоговый сигнал – это произвольное изменение некоторой величины в заданном диапазоне.

      В любой момент времени сигнал на выходе микрофона (ток или напряжение) может принимать любое значение в некотором интервале.

      Число T называется интервалом дискретизации , а обратная ему величина 1/ Tчастотой дискретизации . Частота дискретизации обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Один герц – это 1 раз в секунду, а 1 кГц – 1000 раз в секунду. Чем больше частота дискретизации, тем точнее мы записываем сигнал, тем меньше информации теряем. Однако при этом возрастает количество отсчетов, то есть информационный объем закодированного звука.

      Оцифровка – это преобразование аналогового сигнала в цифровой код.

      Для кодирования звука в компьютерах чаще всего используются следующие частоты дискретизации:

      • 8 кГц (плохое качество, но достаточно для распознавания речи);
      • 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц (звуковые компакт-диски);
      • 48 кГц (фильмы в формате DVD) ;
      • также 96 кГц и 192 кГц (высококачественный звук в формате DVD‐audio).

      Выбранная частота влияет на качество цифрового звука.

      Представим себе, что на один отсчет выделяется 3 бита. При этом код каждого отсчета – это целое число от 0 до 7. Весь диапазон возможных значений сигнала, от 0 до максимально допустимого, делится на 8 полос, каждой из которых присваивается номер (код). Все отсчеты, попавшие в одну полосу, имеют одинаковый код

      Преобразование измеренного значения сигнала в число называется дискретизацией по уровню. Эту операцию выполняет аналого-ифровой преобразователь (АЦП) звуковой карты.

      Разрядность кодирования — это число бит, используемое для хранения одного отсчета.

      Недорогие звуковые карты имеют разрядность 16-18 бит, большинство современных — 24 бита, что позволяет использовать 2 24 = 16 777 216 различных уровней.

      Объем информации, полученный после оцифровки звука, зависит от разрядности и частоты дискретизации. Например, если используется 16-разрядное кодирование с частотой 44 кГц , за 1 с выполняется 44000 измерений сигнала, и каждое из измеренных значений занимает 16 бит (2 байта). Поэтому за 1 секунду накапливается 44000 х 2 = 88000 байт информации, а за 1 минуту

      88000 х 60 = 5 280 000 байт = 5 Мбайт . Если записывается стерео звук (левый и правый каналы), это число нужно удвоить .

      С помощью оцифровки можно закодировать любой звук, который принимает микрофон. В частности, это единственный способ кодирования человеческого голоса и различных природных звуков (шум прибоя и т.п.).

      Читайте также:  Что такое платный контент в бесплатных играх

      Среди форматов звуковых файлов наиболее известны:

      • WAV (англ. Waveform Audio File Format, файлы с расширением .wav ) — стандартный
      • формат звуковых файлов в операционной системе Windows; сжатие данных возможно, но используется редко;
      • MP3 (файлы с расширением .mp3 ) — самый популярный формат звуковых файлов,
      • использующий сжатие c потерями: для значительного уменьшения объема файла снижается качество кодирования для тех частот, которые практически неразличимы для человеческого слуха;
      • WMA (англ. Windows Media Audio, файлы с расширением .wma ) — формат звуковых
      • файлов, разработанный фирмой Microsoft; чаще всего используется сжатие для уменьшения объема файла;
      • Ogg Vorbis (файлы с расширением .ogg ) — свободный (не требующий коммерческих
      • лицензий) формат сжатия звука с потерями. Все эти форматы являются потоковыми, то есть можно начинать прослушивание до того момента, как весь файл будет получен (например, из Интернета).

      Метод инструментального кодирования

      • Этот метод основан на стандарте MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface цифровой интерфейс музыкальных инструментов). В отличие от оцифрованного звука, в таком формате хранятся последовательность нот, коды инструментов (можно использовать 128 мелодических и 47 ударных инструментов), громкость, тембр, время затухания каждой ноты и т.д. Фактически это программа, предназначенная для проигрывания звуковой картой, в памяти которой хранятся образцы звуков реальных инструментов (волновые таблицы, англ. wave tables).

      • Что такое аналоговый сигнал?
      • Какие вы знаете аналоговые приборы?
      • Что такое оцифровка? Если ли потеря информации при оцифровке? Почему?
      • Что такое интервал дискретизации и частота дискретизации?
      • Как связаны частота дискретизации с потерей информации и объемом файла?
      • Какие частоты дискретизации сейчас используются?
      • От чего зависит выбор частоты дискретизации?
      • Почему частоты дискретизации более 48 кГц применяются очень редко?
      • Что такое дискретизация по уровню?
      • Что такое разрядность кодирования звука? На что она влияет?
      • В чем достоинства и недостатки оцифровки?
      • Какие форматы файлов для хранения оцифрованного звука вы знаете?
      • Что такое потоковый звук?
      • Что такое инструментальное кодирование?
      • В чем достоинства и недостатки инструментального кодирования звука?
      • Почему MIDI-файлы могут звучать по-разному на разной аппаратуре?

      Звук– волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой.Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон.

      Цифровой звук– это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды.

      В основе кодирования звука с использованием компьютеров лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала.

      Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ (редакторы звукозаписи).

      Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения.

      Оцифровка звука— (или аналогово-цифровое преобразование) — технология преобразования аналогового звукового сигнала в цифровой вид, которая осуществляется путем замеров амплитуды сигнала с определенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.

      Оцифровка звука включает в себя два процесса:

      процесс дискретизации (осуществление выборки сигнала по времени);

      процесс квантования по амплитуде.

      Процесс дискретизации по времени— процесс получения значений сигнала, который преобразуется с определенным временным шагом —шагом дискретизации.

      Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизациииличастотой выборки, иличастотой семплирования(от англ. « ampling» — «выборка»).

      Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено.

      Процесс квантования по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью.

      Квантование– дискретизация по уровню.

      Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными.

      Каждый из 2 N возможных уровней называетсяуровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называетсяшагом квантования.

      Число N называют разрядностью квантования, а полученные в результате округления значений амплитуды числа —отсчетами илисемплами(от англ. « sample» — «замер»).

      Погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными.

      Оцифровка звука – итог:

      Плюсы:можно закодировать любой звук (в т.ч. голос, свист, шорох, …)

      Минусы: есть потеря информации, большой объем файлов

      Основные параметры, влияющие на качество звука:

      1. Разрядность — размерность (количество бит информации кодируемое/декодируемое при АЦП и ЦАП).

      2. Частота дискретизации— частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (АЦП), измеряется в Герцах.

      3. Шум — нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала

      Форматы звуковых файлов

      WAV(Waveform audio format), часто без сжатия (размер!)

      MP3(MPEG-1 Audio Layer 3, сжатие с учётом восприятия человеком)

      AAC (Advanced Audio Coding, 48 каналов, сжатие)

      WMA (Windows Media Audio, потоковый звук, сжатие)

      OGG (Ogg Vorbis, открытый формат, сжатие)