Кодирование звуковой информации

Звук — непрерывный сигнал. При двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется, т. е. заменяется серией отдельных выборок с заданной периодичностью. Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду. Периодичность выборок определяется частотой дискретизации. Оцифрованный звуковой сигнал соответствует исходному аналоговому сигналу в том случае, если частота дискретизации не меньше удвоенной частоты наивысшей гармоники этого исходного сигнала. Человек слышит звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, поэтому максимальная частота дискретизации должна быть не менее 40 кГц.

Одновременно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по амплитуде — измерение мгновенных значений амплитуды и преобразование их в цифровой код. Точность измерения зависит от количества разрядов кодового слова. При длине кодового слова 8 бит количество градаций амплитуды составляет 256, при 16 битах — 65 536. На рис. 1.2 показан процесс дискретизации и квантования аналогового сигнала 3-разрядными числами.

Для стереозвука дискретизация и квантование выполняются отдельно и независимо для левого и правого каналов. Для записи и воспроизведения звука в компьютерах исполь;

Рис. 1.2. Дискретизация по времени и квантование по уровню аналогового сигнала.

зуются звуковые карты, которые обеспечивают 8- или 16-битные выборки.

Качество звука в дискретной форме может быть плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и достаточно высоким (качество аудио-CD) при 16 битах и 44 кГц. Объем аудиофайла с длительностью звучания 1 с при хорошем качестве звука составит V = 16 бит • 44 000 = 88 Кбайт. Для уменьшения объема хранения аудиоинформации применяют методы компрессии (сжатия), уменьшающие объем без ухудшения качества до 20% первоначального.

При генерировании звучания различных музыкальных инструментов используются синтезаторы, применяющие такие методы, как метод частотной модуляции (FM-синтез) и таблицы волн (WT-синтез).

Кодирование видеоинформации

Видеоинформация формируется в результате организации потокового видео — последовательности «движущихся изображений». Оцифровка видеофрагмента связана с проблемами обеспечения очень больших скорости обмена и объема данных. Проблема повышения скорости обмена решается путем разработки быстродействующих накопителей данных. Для уменьшения объема данных, содержащихся в видеопотоке (до 9 Мб/с), для записи информации в ЭВМ обычно применяют кодирование со сжатием потока данных. Размер файла сжатого дискретного неподвижного изображения зависит от четырех параметров: площади изображения, разрешения, числа битов, необходимых для представления пикселя, и коэффициента сжатия. В видеофильме к этому еще добавляется число образующих его неподвижных изображений. Выбор коэффициента сжатия — компромисс между пропускной способностью системы и качеством восстанавливаемого изображения. Чем выше коэффициент сжатия, тем ниже качество изображения. Поэтому выбор указанных параметров обосновывается технико-экономическим анализом и алгоритмом сжатия.

Существует немало технологий сжатия/восстановления изображений. Наиболее популярная предложена объединенной группой экспертов в области фотографии (Joint Photographic Experts Group, JPEG) и позволяет сократить размеры графического файла в 10−12 раз. Для сжатия видеоинформации применяют технологию стандарта MPEG.

(Motion Picture Expert Group). Алгоритм MPEG преобразует изображение? поток сжатых данных, учитывая то, что человек, видящий движущийся объект, сосредоточивает внимание на нем, а неподвижный фон воспринимает в меньшей степени. Это позволяет выделять меняющиеся и «замороженные» фрагменты в кадре: актер движется, а декорация не меняется, что позволяет экономить на размере информации, основную картинку оцифровать один раз, а далее фиксировать и передавать только изменения. Видеоформат MPEG-1, созданный в конце 1980;х гг. и использовавшийся в Video-CD, уступил место более качественному MPEG-2, а новый стандарт MPEG-4, разработанный фирмой Microsoft в 1999 г., и его модификация DivX позволили размещать видеофильм хорошего качества на обычном компакт-диске.

Мультимедиаинформация — сочетание текстовой, звуковой, графической, видеоинформации, представляемой на экране компьютера или мультимедиапроектора. Мультимедиаинформация обладает огромными объемами, поэтому сжимается программами сжатия, а перед воспроизведением восстанавливается, как говорят, «на лету» по мере поступления потока данных. Мультимедийные компьютерные программы позволяют формировать параллельные потоки информации: текстовой, визуальной и звуковой.