3 Представление звуковой информации
По своей природе звук является непрерывным сигналом. Для кодирования звука надо этот непрерывный сигнал превратить в последовательность нулей и единиц (дискретизация).
Для кодирования звуковой информации сначала необходимо осуществить дискретизацию непрерывного звукового сигнала (фонограммы). Фонограмму можно упрощенно представить как акустическую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Амплитуда сигнала определяет его громкость, а частота — тон: чем больше частота сигнала, тем выше тон. Делается это, например, так – измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его – аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.
Фонограмма дискретизируется по времени: при этом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется ступенчатой.
Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью.
Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1 килогерц (кГц). Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и др.
Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 28= 256 (216=65536) различных значений. Очевидно, 16-разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8-разрядный.
Качество воспроизведения звука зависит от двух параметров: количества дискретных уровней громкости и количества измерений уровня громкости в единицу времени (частоты дискретизации).
Человек различает примерно 110 уровней громкости. Если для кодировки уровня громкости использовать один байт (глубина кодирования), то можно закодировать 28 = 256 уровней. В настоящее время для кодировки громкости используются равномерная дискретизация и коды длиной 16 бит.
Качество воспроизведения тональности звукового сигнала определяется частотой дискретизации. Человек воспринимает звук в диапазоне частот от 16 до 16 000 герц. Частота дискретизации лежит в диапазоне от 8000 (качество радиотрансляции) до 48 000 (соответствует качеству аудио-CD) герц. Таким образом, для хранения 1 минуты качественного звучания необходимо 16x48 000x60 бит = 46 080 000 бит = 2 880 000 байт = 2,75 Мбайт.
При работе со стереозвуком это выполняется отдельно и независимо для левого и правого каналов и это число возрастет еще вдвое. Естественно, что для хранения звуковой информации также используются методы сжатия информации.
Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.
Издавна используется довольно компактный способ представления музыки – нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.
Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.
Существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.