Информационные технологии статистической обработки данных

Во многих современных гуманитарных предметных областях статистическая обработка превратилась из вспомогательного, в основной метод выдвижения гипотез и получения выводов. К таким гуманитарным областям можно в настоящий период отнести государственное и муниципальное управление, бизнес, психологию, социологию, медицину, биологию и некоторые другие.

Специалисты в этих предметных областях не всегда являются профессионалами в прикладной статистике. Кроме того, обработка данных экспериментов, исследований, больших массивов историй болезней в медицине требует большого числа статистических вычислений. Поэтому специалистам предметных областей для статистических вычислений желательно применять специализированные программные системы прикладной статистики, иначе называемые пакетами программ прикладной статистики (ПППС).

Эти пакеты программ используют при вычислениях проверенные алгоритмы прикладной статистики, что резко снижает уровень ошибок при их использовании непрофессионалами в статистике. Кроме того, ПППС меняют технологии статистической обработки данных, позволяя проводить сравнительно быстро большое число расчётов, подбирая эмпирически наиболее адекватные статистические модели данных. Без ПППС такие технологии статистической обработки являются просто невозможными.

Современные ПППС включают также много разнообразных методов визуализации данных, связей и зависимостей переменных в них, выделения из них шкал и латентных факторов, влияющих на результаты экспериментов. Эти методы статистической обработки данных практически невозможно реализовать без ПППС в силу их сложности и необходимости выполнения большого числа расчётов.

В результате применения ПППС для статистической обработки данных существенно повышается её эффективность и расширяются возможности анализа данных экспериментов и исследований.

Наиболее распространенными в России в настоящий период являются пакеты статистических программ SPSS и Statistica. Оба этих программных пакета разработаны в США и широко распространены по всему миру. Они имеют так называемую модульную структуру, которая позволяет пользователю приобретать не весь пакет целиком, а только те его части, т.е. модули, которые нужны именно ему. Такой подход повышает объёмы продаж пакетов программ прикладной статистики.

Технологии цифрового звука

Первоначально компьютеры не были предназначены для обработки звуков. Но уже несколько последних десятилетий цифровые технологии работы со звуком, т.е. технологии обработки звуков на компьютерах, находят всё больше применений. В повседневной практике используются разнообразные цифровые устройства работы со звуком, например, MP3-плейеры, цифровые диктофоны и другие. Профессионалы в разных областях также широко используют технологии компьютерной обработки звука и создания звуков на компьютерах.

Звук переносится в пространстве с помощью передающихся в пространстве механических колебаний молекул тех или иных веществ: воздуха, пород земли, металлов и других. Эти колебания должны быть периодическими, поэтому с физической точки зрения звук – это волна механических колебаний молекул вещества, через которое эта волна распространяется.

Для распространения звуковых волн в воздушной среде можно, например, создать в каком-то ограниченном пространстве колебания воздуха, например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя, аудиодинамика или гитарной струны. Эти колебания вызовут изменения давления воздуха в окружающих областях пространства, будет возникать избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои будут сжиматься, что в свою очередь снова будет создавать избыточное давление, влияющее на окружающие их соседние слои воздуха. В результате звуковые волны от их источников будут распространяться во всех направлениях пространства. То физическое тело, которое создаёт колебания воздуха, называют источником звука. Человеческое ухо воспринимает не все звуковые колебания, а только в довольно узкой полосе частот: ни слишком высокие, ни слишком низкие звуки человеческое ухо не воспринимает.

Звуковые колебания, как и вообще любые колебания, характеризуются амплитудой (интенсивностью колебаний), их частотой (числом колебаний в единицу времени) и фазой (сдвигом начала цикла колебаний от условного нулевого момента времени).

Звуковые колебания имеют и скорость распространения, которая зависит от среды, в которой колебания распространяются. В частности, на эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. В более плотных средах звуковые колебания распространяются быстрее и с меньшими потерями, например, звук в металлах распространяется существенно быстрее и с меньшими потерями, чем по воздуху. Чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. В вакууме звук распространяться не может.

Время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от его удаленности от источника звука и характеристик среды, в которой происходит распространение звуковой волны. Скорость распространения звука почти не зависит от частоты звуковых колебаний, поэтому человеком звук воспринимается именно в той последовательности, в какой он создается источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распространялся бы быстрее звука другой частоты, то вместо музыки, например, мы бы слышали не имеющий тонов шум.

Записывать и воспроизводить звуки научились сравнительно недавно, примерно на рубеже 19 и 20 веков. Первые устройства работы со звуком формировали на носителях информации бороздок, двигаясь по которым источники звука могли воспроизводить колебания, повторявшие исходные звуки. Так производилась запись на аудиопластинки. В настоящий период звук в аудио аппаратуре представляется колебаниями непрерывных электрических сигналов, которые моделируют звуковые колебания. Физические закономерности распространения звуковых и электрических волн во многом аналогичны, что и используется в такой аудиоаппаратуре, которая называется аналоговой, а такие звуковые сигналы называются аналоговыми звуковыми сигналами.

Преобразование звуковых колебаний в аналоговый сигнал можно осуществить, например, следующим способом. Мембрана из тонкого металла с намотанной на неё катушкой индуктивности, подключенная в электрическую цепь и находящаяся в поле действия постоянного магнита, подчиняясь колебаниям воздуха и колеблясь вместе с ним, вызывает соответствующие колебания напряжения в цепи. Эти колебания моделируют оригинальную звуковую волну, передают её по электрическим проводам на аналогичное устройство, которое колеблется под воздействием электрических колебаний и создаёт звук. Приблизительно так работает микрофон с динамиком – усилителем звука. Полученный в результате колебаний мембраны аналоговый звуковой сигнал, будучи преобразованным в электрические колебания, может быть записан на магнитную ленту и впоследствии воспроизведен. Так работают ленточные магнитофоны.

И аналоговый, и цифровой аудио сигнал – это лишь формы представления звуковых колебаний материи, придуманные человеком для того, чтобы иметь возможность анализировать и обрабатывать звук. Непосредственно аналоговый или цифровой сигнал в его исходном виде не может быть прослушан, необходимо создать соответствующие звуковые колебания с помощью того или иного объекта, типа диффузора аудиодинамика. А все колебания аудиодинамика определяются колебаниями напряжения в электрической цепи, которые являются аналоговыми. Поэтому для прослушивания цифрового аудиосигнала необходимо преобразовать его в аналоговый, и соответствующие колебания передать на диффузор аудиодинамика.

Аналоговый сигнал с помощью специального процесса оцифровки может быть представлен в виде цифрового электрического сигнала, т.е. некоторой последовательности чисел, например, набора цифр из нулей и единиц. Таким образом, аналоговый звуковой сигнал может быть «введен» в компьютер, обработан цифровыми методами и сохранен на цифровом носителе в виде некоторого набора описывающих его дискретных значений.

Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой, т.е. оцифровка, включает:

• осуществление замеров величины амплитуды аналогового сигнала с некоторым временным шагом – дискретизацию;

• последующую запись полученных значений амплитуды в численном виде с каким-то шагом – квантование.

Процесс дискретизации по времени – это получение мгновенных значений преобразуемого аналогового сигнала с определенным временным шагом, называемым шагом дискретизации. Число осуществляемых в секунду замеров величины аналогового сигнала называют частотой дискретизации. Чем меньше шаг дискретизации, тем чаще регистрируются значения амплитуды и тем более точно моделируется аналоговый звуковой сигнал. По теореме Котельникова (или Шеннона) аналоговый сигнал с ограниченным спектром частот может быть точно описан дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения следуют с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра. На практике это означает: чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых человеком частот исходного аналогового сигнала (0 – 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации при оцифровке сигнала составляло не менее 40 кГц.

Оцифрованный аудио сигнал является достаточно точной, но не самой компактной формой записи исходного аналогового сигнала. Один час музыки в таком формате занимает объем около 600 Мб. Поэтому звуковые данные необходимо уплотнять, сжимать. Такое сжатие может производиться без потерь или с потерями данных.

Сжатие данных без потерь позволяет осуществлять стопроцентное восстановление исходных звуковых данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в случаях, когда требуется абсолютное, стопроцентное сохранение качества оригинального звучания аудио данных. Существующие сегодня алгоритмы беспотерьного сжатия позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50% и при этом гарантировать стопроцентное восстановление исходного цифрового материала из сжатых данных. Способы работы подобных кодеров сходны с механизмами работы архиваторов общих данных, таких, как, например, ZIP или RAR, но при этом адаптированы специально для сжатия аудио данных. Беспотерьное кодирование, хотя и идеально с точки зрения сохранности качества аудио материалов, но оказывается неспособным обеспечить высокий уровень сжатия.

Более современным является сжатие звуковых данных с потерями, что позволяет добиваться довольно высоких уровней сжатия звуковых данных при приемлемом качестве звучания. Такое кодирование звуковых данных с потерями оказывается возможным потому что всегда исходные цифровые аудио данные избыточны, а требования к качеству звучания могут быть разными и позволять использовать высокие уровни сжатия. Например, запись беседы на диктофон не требует воспроизведения разных обертонов звучания и точных тембров голосов. Именно в таких случаях вполне приемлемым является существенное сжатие звуковых данных.

Кодирование с потерями всегда приводит к утрате некоторой части звуковой информации. При этом декодированный звуковой сигнал при воспроизведении звучит похоже на оригинальный, но фактически перестает быть ему идентичным. Именно поэтому знатоки классической музыки не признают цифровых её записей, а используют аналоговые. Но большинство слушателей рок-музыки вполне удовлетворяются качеством цифрового её кодирования с потерями. Очевидно, что кодированию с потерями ввиду самой его сути не место, например, в студийной звукозаписи. При этом совершенно нелогично отказываться от его использования, например, в телефонии. В среднем, современные кодеры даже при столь высокой степени компрессии, как 1 к 10 позволяют обеспечить отличное звучание, качество которого средним слушателем на средней аппаратуре оценивается как равное качеству звучания исходных аудио данных.

Сегодня существует множество кодеров аудио данных, основанных на идее кодирования с потерями. Вот только некоторые из них: MPEG-1 Layer 3 (всем известный как MP3), Windows Media Audio (WMA), Ogg Vorbis (OGG), MusePack ( MPC), MPEG-2/4 AAC и другие.

Цифровые технологии работы со звуком в настоящий период активно развиваются, внедряются в практику совместно с миниатюризацией, наращиванием вычислительных мощностей и объемов памяти компьютеров. Уже в настоящий период широко используются очень компактные цифровые диктофоны и цифровые аудио проигрыватели, высококачественная мобильная и Интернет-телефония, домашние кинотеатры с объемным звучанием.

В широкой сфере музыкальной деятельности – создания и исполнения музыкальных произведений, запись музыки как в нотном, так и в звучащем виде, конструирование и освоение музыкального инструментария, обучение музыке, исследования музыковедческого и музыкально-акустического плана – особую роль компьютерные технологии играют в работе со звуком, преобразованным в электрический сигнал и зафиксированный на каком-либо носителе. Для работы с такого рода сигналами созданы многочисленные программы и пакеты прикладных программ. В частности, функции редактора звука весьма многообразны и включают первичные преобразования сигнала (оцифровка, масштабирование и т.д.), преобразование музыкальных характеристик сигнала (высота, темп, комбинирование фрагментов, корректировка тембра и пр.), создание акустических эффектов (эхо, реверберация, фленджер, пространственные эффекты и т.д.), синтез периодических и шумовых сигналов и некоторые другие виды преобразований.

Для синтезирования звука (и создания на компьютерах музыкальных произведений) используется MIDI – аббревиатура (сокращение) английских слов: Musical Instruments Digital Interface или по-русски Цифровой Интерфейс Музыкальных Инструментов. Этот интерфейс описывает обмен цифровыми электронными сигналами между музыкальными инструментами, к которым можно отнести звуковую карту компьютера, а также разные варианты звуковых синтезаторов. Такой цифровой интерфейс и был придуман и производителями ЭМИ (электронных музыкальных инструментов). MIDI – это не формат файлов и не запись звука, а способ обмена сообщениями между различным музыкальным (и не очень) оборудованием, а сами файлы, содержащие MIDI сообщения, имеют формат SMF (Standard MIDI File) и то не всегда. MIDI сообщение содержит указания того, какие ноты и с какой громкостью следует воспроизводить на инструменте-получателе этого сообщения. Как будет звучать MIDI файл – зависит от этого инструмента. Но композиторы получили возможность записывать музыку в таких файлах и воспроизводить её на разных электронных музыкальных инструментах. При этом можно воспроизводить и такие музыкальные звуки, которые ни один современный неэлектронный музыкальный инструмент воспроизвести не сможет. В результате появилась и получает всё более широкое распространение цифровая музыка, которая может воспроизводиться только на электронных музыкальных инструментах.