КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Цель познакомить учащихся с принципом кодирования звуковой информации. Задачи Познавательные: актуализация знаний по теме "Кодирование информации", осмысление и усвоение принципов кодирования при оцифровке звука, формирование умений оценивать числовые параметры информационных объектов. Развивающие: формирование умений использовать приобретенные знания в практической деятельности и повседневной жизни, оценки качества звуковых файлов с целью создания собственных цифровых аудиоархивов, развитие мыслительных приемов деятельности при анализе, синтезе и структурировании материала. Воспитательные: формирование коммуникационной культуры ученика, воспитание толерантности. Требования к знаниям и умениям: Уч-ся должны знать: - различие между аналоговым и цифровым звуком; - принцип кодирования звуковой информации. - что такое временная дискретизация, глубина кодирования, частота дискретизации; Уч-ся должны уметь: - находить информационный объем аудиофайлов - редактировать и сохранять звуковую информацию в программе «audacity» Материалы и оборудование к уроку: презентация, опорный конспект, карточки для практической работы, программы: audacity-win-1.3.ob, flesh-ролик для решения задачи. Тип урока: комбинированный урок. Форма проведения урока: рассказ, беседа, практическая работа. Ход урока: Слайд 1 1. Эмоциональный индуктор. Демонстрация видеоролика. 2. Актуализация знаний учащихся. Здравствуйте наш сегодняшний урок я бы хотела начать с просмотра видеоролика. Какое ключевое слово можно подобрать к видеоряду? (Ответ: кодирование информации). Какие виды информации различают? (Ответ: числовая, текстовая, графическая, звуковая). Какая тема нами с вами еще не разобрана?( Представление звука) Слайд 2 3. Прослушивание 2-х звуковых файлов, подведение к теме урока. Предлагаю прослушать 2-х звуковых файла (отрывки из известного музыкального произведения) с различной частотой дискретизации: 1) 01.wav (44.1 кГц); 2) 02.wav (8 кГц). Отрывок из какого произведения сейчас прозвучал? («Лунная соната», Бетховен). Какие различия заметили? Почему? Сегодня на уроке мы ответим вопрос: от чего зависит качество звучания звуковых файлов. Слайд 2 Тема урока: «Кодирование звуковой информации». Давайте попробуем сформулировать вопросы на которые вы бы хотели получить ответы в течении урока. В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным? Что влияет на качество оцифрованного звука? Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению с обычными музыкальными дисками? Какова физическая природа звука? Давайте разберем понятия составляющие название нашей темы. Кодирование – что это? Где используется? Кодирование информации — процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки. Звуковая информация – это какая информация? звуковая информация - это кодирование звука, в котором лежит процесс колебания воздуха и электрического тока. Для того чтобы рассмотреть процесс кодирования в компьютере звуковой информации, необходимо представлять себе, какова физическая природа звука. Для этого освежим в памяти знания, полученные вами на уроках физики 9 класса при изучении темы «Звуковые колебания». 4. Актуализация упорных знаний Из курса физики вам известно Слайд 3 Звук - продольная волна; распространяется в упругих средах (воздух, вода, различные металлы и т.д.);имеет конечную скорость. Звуковые колебания (волны) – механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц. Слайд 4 Характеристики звука громкость звука – зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. высота звука – определяется частотой колебаний воздуха. скорость звука – скорость распространения волн в среде. тембр звука – окраска звука, зависящая от источника звука (скрипка, рояль, гитара и т.д.). Единица громкости звука - децибел (дБ) (десятая часть бела). Названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона. У всех источников звука имеются колеблющиеся части, которые приводят в колебательное движение частицы окружающей среды (воздуха) → распространяющаяся звуковая волна вызывает колебательное движение барабанной перепонки уха человека, которое воспринимается мозгом как звук → не все источники колебаний являются источниками звука (птица, бабочка, летучая мышь) → звук – механические колебания в частотном диапазоне от 16 Гц до 22000 Гц). Слайд 5 Уровни громкости от разных источников Слайд 6 Звук может быть представлен двумя способами Аналоговым и десткертым физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем они изменяются непрерывно. физическая величина принимает конечное множество значений, причем они изменяются скачкообразно. Итак, мы выяснили, что звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, такой непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). 5. Изучение нового материала Процесс преобразования звуковой волны в двоичный код в памяти компьютера осуществляется в два этапа: Слайд 7 Звуковая волна поступает в микрофон, который преобразует механические колебания частиц воздуха в переменный электрический ток (аналоговый сигнал). Громкость звука будет влиять на амплитуду колебаний тока, а высота звука – на частоту колебаний. Слайд 8 Для возможности обработки компьютером необходимо преобразовать непрерывно меняющийся ток в конечный набор электрических импульсов определённой величины. Для этой цели используется звуковая карта (аудиоадаптер). При воспроизведении звука осуществляется обратный процесс: Звуковая карта согласно поступающему двоичному коду формирует соответствующее переменное напряжение, подача которого на динамик вызывает колебательное движение его мембраны, вследствие чего в окружающем пространстве возбуждается звуковая волна. Слайд 9 Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (прерывистый) называется временной дискретизацей. Слайд 10 Рассмотрим подробнее процесс преобразования переменного электрического тока звуковой частоты, создаваемый микрофоном в двоичный код, выяснив, что будет влиять на качество сохраняемого в компьютере звука. Для преобразования непрерывного сигнала в дискретный в звуковой плате производится измерение значения силы тока через определённые промежутки времени (период дискретизации). Вплоть до следующего измерения величина сигнала будет неизменной. Данный метод называется импульсно-амплитудной модуляцией PCM (Pulse Code Modulation). В результате временной дискретизации на выходе звуковой платы формируется прерывистый (дискретный) сигнал: Можно заметить, что в результате временной дискретизации первоначальная гладкая кривая преобразовалась в ступеньчатую линию. Следовательно, первоначальный сигнал изменился (качество звука ухудшилось). Слайд 11 Рассмотрим, как будет влиять на качество звука уменьшение времени между измерениями силы тока (измерения будут производиться более часто) Итак, 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 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). При осуществлении дискретизации по времени через период дискретизации производится измерение уровня громкости, каждый из которых должен быть запомнен компьютером: Как можно заметить, количество уровней громкости будет расти с увеличением частоты дискретизации и времени звучания. Попытка сохранения произвольного количества уровней громкости, полученных при дискретизации по времени приведёт к бесконечно большому размеру аудиофайла. С целью уменьшения размера аудиофайла выделим фиксированное количество уровней громкости, которые должны быть запомнены компьютером и при осуществлении временной дискретизации будем заменять значение уровня громкости при очередном измерении наиболее близким из доступных фиксированных значений (для наглядности рассмотрим 4 уровня сигнала): Можно заметить, что форма сигнала при выделении 4 уровней громкости существенно изменилась. Осуществим тот же процесс, но выделив 8 уровней громкости: Количество информации, которое потребуется компьютеру для кодирования N уровней громкости можно найти по известному соотношению N=2I Слайд 12 Количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука называют глубиной дискретизации звука. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала. Слайд 13 1 Гц означает одно исполнение такого процесса за одну секунду: 1 Гц= 1/с. ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА – это количество измерений громкости звука за одну секунду. Сэмплрэйт (samplerate) - частота дискретизации (или частота сэмплирования) - частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем - АЦП). Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. В зависимости от необходимого качества звука выбирают, как правило, 8 или 16-битное кодирование или 32 бита Слайд 14 Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно"). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео"). 8 000 Гц — телефон, достаточно для речи, кодек Nellymoser; 22 050 Гц — радио; 44 100 Гц — используется в Audio CD; 48 000 Гц — DVD, DAT. 96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1) 192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0) 2 822 400 Гц — SACD Super audio CD 5.1 — (максимальная на 2008) Слайд 15 Учитывая, что объём аудиофайла пропорционален частоте дискретизации, глубине кодирования и длительности звучания можно записать формулу для подсчёта размера звукового файла: Расчёт объёма звукового файла» V=k·ν·I·t где V – размер (объём) звукового файла (в битах) k – количество дорожек в записи (k=1 – моно, k=2 – стерео) ν – частота дискретизации (в Герцах) I – глубина кодирования (в битах) t – время звучания (в секундах) 6. Первичная проверка усвоения знаний. Первичное закрепление знаний Оценим, какой информационный объём имеет звуковой файл, средней продолжительности, записанный с качеством аудио-CD диска. Слайд 16 В качестве примера давайте решим задачу. Оцените информационный объем высокочественного моно аудиофайла длительностью звучания 3 мин. 49 с, если "глубина" кодирования 32 бит, а частота дискретизации 44,1 кГц. Дано: ν = 44,1 кГц I = 32 бит t = 3 мин Решение: 44,1 кГц = 44100 Гц 3 мин 49 с = 229 с V = k ν I t = 1·44100 Гц·32 бит·229 с = 323164800 бит 40395600 байт ≈ 39448,8 Кб ≈ 38,5 Мб 49 с k=1 Найти: V Ответ: V = 38,5 Мб Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен: 32 бит * 44 100 * 1 = 1 411 200 бит = 172,3 Кбайт Это значит, что битрейт или скорость воспроизведения должна быть равна 172,3 килобайт в секунду. Информационный объем звукового файла длительностью 3 мин. 49 с равен: 172,3 Кбайт/с * 229 с =38,5 Мбайт Как видим, звук при кодировании его в компьютере будет иметь достаточно большой информационный объём. При записи с микрофона или извлечении из аудио компакт диска средствами ОС Windows получаются достаточно объёмные звуковые файлы с расширением WAV (от WAVeform-audio – волновая форма аудио). Слайд 17 Форматы файлов WAVE (.wav) - наиболее широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых файлов. MPEG-3 (.mp3) - наиболее популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов. MIDI (.mid) - содержат не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с помощью FM- или WT-синтеза. Real Audio (.ra, .ram) - разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени. MOD (.mod) - музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот. С целью уменьшения объёма звуковых файлов были разработаны методы компрессии, позволяющие существенно сжимать звуковые файлы с некоторой потерей качества Алгоритмы работы программ-кодировщиков основаны на удалении избыточной звуковой информации записанной на компакт-диске (максимальная частота звука на компакт-диске составляет 22 кГц, в то время как у большинства людей верхняя граница частотной восприимчивости находится в диапазоне от 16 до 18 кГц), и удалении звуков и частот, которые «пропадают» для человека попадая «в тень» более мощного соседнего сигнала. При этом работа проводится максимально осторожно и бережно, чтобы не «повредить» слышимый человеком звук. Сочетание обычных методов компрессии данных и учёт механизма восприятия звука мозгом человека позволяет уменьшать объём звуковых файлов до 10 раз при приемлемом качестве звучания. Однако форма звукового сигнала после сжатия звука имеет ещё большее отличие от первоначального звукового сигнала Поэтому люди с развитым музыкальным слухом могут различать звук музыкального инструмента от компьютерной записи того же инструмента. Работая с музыкальными файлами можно изменять формат аудиофайла и его качество, добиваясь нужного соотношения «качество звука – объём файла»: Слайд 18 Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3. При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются "избыточные" для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде). 7. Рефлексия (2 мин) Вернёмся к началу урока и попробуем ответить на вопросы, озвученные в начале урока: В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным? (в оцифрованном звуке имеется искажение сигнала вследствие временной дискретизации и сжатия) Что влияет на качество оцифрованного звука? (качество звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации) Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению с обычными музыкальными дисками? (музыка в формате mp3 имеет значительно меньший объём за счёт сжатия, учитывающего психологические особенности восприятия звука человеком) Слайд 19 8. Практическая работа (Перенос полученных знаний в новые условия) В ходе предстоящей практической работы Вам предстоит увидеть разницу между файлами до работы в звуковом редакторе и после. Слайд 20 Работаем мы сегодня с вами в звуковом редакторе Audaciti Выполнив практическую работу вам необходимо внести ответить на некоторые вопросы к практической работе. Для этого вы должны запустить программу MyTest заполнить Фамилии через пробел и внести результаты работы. После программа вам выставит оценку и вы узнаете верно ли вы все сделали. Оценка пойдет в журнал. Прежде чем приступить к выполнению практической работы запишите домашнее задание. Текст домашнего задания так же я выставлю в электронный дневник. Слайд 21 9. Домашнее задание. Обязательное задание: 1) конспект 2)Задачи Уровень «5» 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. Уровень «4» 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? Уровень «3» Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит. 10. Подведение итогов. 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. И прав был Норберг Винер, призывая отдать машине – машинное, а человеку – человеческое. Урок окончен. РЕЗЕРВ Слайд 21 Помимо обязательного домашнего задания, я предлагаю вам творческое. У вас есть сотовый телефон? Какой? Какое количество голосов в полифонии. А что за голоса? Все дело в принципиально другом способе кодирования, представляемым midi форматом. Midi – это своеобразный нотный лист, но для звуковой карты компьютера. Точно так же, как два музыканта неповторимо сыграют одну и ту же партитуру, так и две звуковые карты поразному проиграют midi-композицию (КАРАОКЕ). Творческая работа: тех, кто заинтересовался, я прошу подготовить презентацию, демонстрирующую уникальные возможности midi-формата.
