Конспект урока на тему «Кодирование звуковой и видеоинформации»
план-конспект урока по информатике и икт (10 класс)

Конспект урока на тему «Кодирование звуковой и видеоинформации»

Цель урока

Получение и систематизация знаний о кодировании звуковой и видеоинформации.

Задачи урока

1. Образовательные - сформировать у обучающихся мотивацию к изучению данной темы, осмысление и усвоение принципов кодирования при оцифровке звука и видео, формирование умений оценивать числовые параметры информационных объектов.

2. Развивающие - развивать у обучающихся умение пользоваться опорными знаниями для получения новых знаний, умение выделять существенные признаки и делать обобщения, навыки творческого подхода к решению задач, а также использовать приобретенные знания в практической деятельности и повседневной жизни.

3. Воспитательные - воспитание уважения к предмету информатика как элементу общечеловеческой культуры, а также формирование ценностных отношений друг к другу, учителю, результатам обучения.

Планируемые результаты обучения

Предметные: Обучающиеся должны знать:

- различие между аналоговым и цифровым звуком;

 - принцип кодирования звуковой и видеоинформации.

- что такое временная дискретизация, глубина кодирования, частота дискретизации;

Обучающиеся должны уметь:

 - находить информационный объем аудио и видеофайлов

- оценивать качество звуковых и видеофайлов.

Личностные: готовность и способность к самостоятельной и ответственной деятельности

Метапредметные: умение продуктивно общаться и взаимодействовать в процессе совместной деятельности; владение навыками познавательной и учебной деятельности.

План урока:

1. Организационный момент
2. Проверка домашнего задания
3. Объяснение нового материала
4. Закрепление нового материала
5. Домашнее задание
6. Подведение итогов урока

Для кодирования звука используются два метода: оцифровка и инструментальное кодирование.

Оцифровка — это преобразование аналогового сигнала в цифровой код (последовательность чисел). При инструментальном кодировании в памяти компьютера хранится нотная запись мелодии и коды музыкальных инструментов.

Звук — это колебания среды (воздуха, воды). С помощью микрофона звук преобразуется в аналоговый электрический сигнал, который в любой момент времени может принимать любое значение в некотором интервале. Этот сигнал можно подать на вход звуковой карты, где специальное устройство — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует его в цифровой код. Процессор компьютера может затем обработать этот код по некоторому алгоритму, сохранить в файле и т. д. (рис. 2.27).

Для проигрывания звука через наушники или звуковые колонки (это аналоговые устройства!), цифровой код из памяти компьютера (например, из файла) передаётся звуковой карте, где с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) преобразуется в аналоговый сигнал, поступающий на устройство вывода звука.

1. Оцифровка звука

При оцифровке звука выполняется дискретизация — из всего бесконечного множества значений аналогового сигнала сохраняются в памяти только значения в отдельных точках, взятых с некоторым шагом Т по времени (рис. 2.28, а). Это называется дискретизацией по времени.

Число Т называется интервалом дискретизации, а обратная ему величина f = 1 /Т — частотой дискретизации. Частота дискретизации измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Чем больше частота дискретизации, тем точнее мы записываем сигнал, тем меньше информации теряем. Однако при этом возрастает количество отсчётов, т. е. информационный объём закодированного звука.

Для кодирования звука в компьютерах чаще всего используются частоты дискретизации 8 кГц (минимальное качество, достаточное для распознавания речи), 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц (звуковые компакт-диски), 48 кГц (фильмы в формате DVD), а также 96 кГц и 192 кГц (высококачественный звук в формате DVD-audio).

Кроме дискретизации по времени в АЦП происходит и дискретизация по уровню (квантование): измеренные значения сигнала записываются в памяти как целые числа. На рис. 2.28, б весь диапазон значений сигнала разбит на 8 = 23 одинаковых полос, что соответствует 3-битному кодированию. Все значения, попавшие в одну полосу, получают одинаковые коды.

Разрядность кодирования (глубина кодирования) — это число бит, используемое для хранения одного отсчёта.

Недорогие звуковые карты имеют разрядность 16-18 бит, большинство современных — 24 бита, что позволяет использовать 224 = 16777216 различных уровней.

Информационный объём данных, полученных в результате оцифровки звука, равен

I = f • i • t • k,

где f — частота квантования, i — разрядность кодирования, t — время и к — число каналов, которые записываются одновременно.

Для стереофонической записи (когда отдельно записываются левый и правый каналы) нужно принять к = 2, а для квадро- фонического звука (запись четырёх каналов одновременно) — к = 4.

Например, если используется 16-разрядное кодирование с частотой 44 кГц, то за 1 с выполняется 44 000 измерений сигнала, и каждое из измеренных значений занимает 16 бит (2 байта). Поэтому за 1 секунду накапливается f • i = 44000 • 2 = 88000 байт данных, а за 1 минуту

f • i • t = 88000 • 60 = 5 280000 байт * 5 Мбайт.

Если записывается стереозвук, это число нужно удвоить, а при записи квадрофонического звука — умножить на четыре.

2. Восстановление звукового сигнала

При проигрывании звука приходится решать сложную задачу — восстанавливать аналоговый сигнал по его дискретным значениям, взятым с некоторой частой /. С точки зрения математики, любой сигнал можно представить в виде суммы очень большого числа колебаний разных частот (гармоник). Если выбрать частоту дискретизации f больше, чем удвоенная частота самой быстрой гармоники, то теоретически по отдельным отсчётам можно точно восстановить исходный аналоговый сигнал. Этот результат известен в радиотехнике как теорема Котельникова-Шеннона.

К сожалению, на практике всё несколько сложнее. Дело в том, что в реальных сигналах содержатся гармоники с очень высокими частотами, так что частота дискретизации, полученная с помощью теоремы Котельникова-Шеннона, будет также высока, и объём файла недопустимо велик.

Однако средний человек слышит только звуки с частотами от 16 Гц до 20 кГц, поэтому все частоты выше 20 кГц можно «потерять» практически без ухудшения качества звука (человек не почувствует разницу!). Удвоив эту частоту (по теореме Котельникова-Шеннона), получаем оптимальную частоту дискретизации около 40 кГц, которая обеспечивает наилучшее качество, различимое на слух. Поэтому при высококачественном цифровом кодировании звука на компакт-дисках и в видеофильмах чаще всего используют частоты 44,1 кГц и 48 кГц. Более низкие частоты дискретизации применяют тогда, когда важно всячески уменьшать объём звуковых данных (например, для трансляции радиопередач через Интернет), даже ценой ухудшения качества.

Простейший метод восстановления сигнала по отдельным отсчётам — построить ступенчатый сигнал (рис. 2.29). В современных звуковых картах для повышения качества звука этот ступенчатый сигнал сглаживается с помощью специальных фильтров, однако восстановить точно исходный сигнал всё равно не удаётся, так как информация о значениях сигнала между моментами дискретизации была потеряна при оцифровке.

С помощью оцифровки можно закодировать любой звук, который принимает микрофон. Однако при оцифровке звука всегда есть потеря информации (из-за дискретизации). Кроме того, звуковые файлы имеют, как правило, большой размер, поэтому в большинстве современных форматов используется сжатие. Программа, которая выполняет сжатие звуковых данных, называется кодеком (от англ, coder/decoder — кодировщик/декодировщик).

Среди форматов оцифрованных звуковых файлов наиболее известны форматы:

• WAV (англ. Waveform Audio File Format, файлы с расширением wav);
• MP3 (файлы с расширением mp3);
• ААС (англ. Advanced Audio Coding, файлы с расширениями аас, mp4, тп4а и др.);
• WMA (англ. Windows Media Audio, файлы с расширением wma);
• Ogg Vorbis (файлы с расширением ogg) — открытый формат, не требующий оплаты лицензии.

Все эти форматы — потоковые, т. е. можно начинать прослушивание звука до того момента, как весь файл будет получен (например, из Интернета). Как правило, в них используется сжатие с потерями: для значительного уменьшения объёма файла снижается качество кодирования для тех частот, которые практически неразличимы для человеческого слуха.

3. Инструментальное кодирование звука

Для кодирования инструментальных мелодий нередко используется стандарт 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).

Современные звуковые карты поддерживают многоканальный звук, т. е. в звуковом файле может храниться несколько «дорожек», которые проигрываются одновременно. Таким образом, получается полифония — многоголосие, возможность проигрывать одновременно несколько нот. Количество голосов для современных звуковых карт может достигать 1024.

Звук, закодированный с помощью стандарта MIDI, хранится в файлах с расширением mid. Для проигрывания MIDI-файла используют синтезаторы — электронные устройства, имитирующие звук реальных инструментов. Простейший синтезатор — звуковая карта компьютера.

Главные достоинства инструментального кодирования:

• кодирование мелодии (нотной записи) происходит без потери информации;

файлы имеют значительно меньший объём в сравнении с оцифрованным звуком той же длительности Однако произвольный звук (например, человеческий голос) в таком формате закодировать невозможно. Кроме того, производители сами выбирают образцы звуков (так называемые сэмплы, от англ, samples — образцы), которые записываются в память звуковой карты (нет единого стандарта). Поэтому звучание MIDI- файла может немного отличаться на разной аппаратуре.

4. Кодирование видеоинформации

Для того чтобы сохранить видео в памяти компьютера, нужно закодировать звук и изменяющееся изображение, причём при проигрывании требуется обеспечить их синхронность (одновременность).

Для кодирования звука чаще всего используют оцифровку с частотой 48 кГц. Изображение состоит из отдельных растровых рисунков, которые меняются с частотой не менее 25 кадров в секунду, так что глаз человека воспринимает смену кадров как непрерывное движение. Это значит, что для каждой секунды видео нужно хранить в памяти 25 изображений.

При размере кадра 768 х 576 точек и глубине цвета 24 бита на пиксель закодированная 1 секунда видео (без звука) будет занимать примерно 32 Мбайт, а 1 минута — около 1,85 Гбайт. Это недопустимо много, поэтому в большинстве форматов видеоизображений используется сжатие. Упаковку и распаковку видеоданных выполняют программы-кодеки.

Основная идея сжатия видеофайлов основана на том, что за короткое время изображение изменяется очень мало, поэтому можно запомнить «базовый» кадр, а затем сохранять только изменения. Через 10-15 с изображение изменяется настолько, что необходим новый базовый кадр. Для того чтобы ещё больше уменьшить объём файла, применяют сжатие с потерями, при котором теряются некоторые детали, несущественные для восприятия человеком. При очень сильном сжатии с потерями появляются заметные искажения (артефакты), например становится явно видно, что изображение разбито на блоки размером 8x8 пикселей.

Современные цифровые видеокамеры и фотоаппараты могут записывать видео в форматах высокой чёткости с размерами изображения 1280 х 720 пикселей и 1920 х 1080 пикселей СFull HD).

Среди форматов видеофайлов наиболее известны:

• AVI (англ. Audio Video Interleave — чередующиеся звук и

видео, файлы с расширением avi);

• WMV (англ. Windows Media Video, файлы с расширением wmv);
• MPEG (файлы с расширением mpg, mpeg);
• MP4 (файлы с расширением mp4);
• MOV (англ. Quick Time Movie, файлы с расширением mov);
• Web — открытый (не требующий оплаты лицензии) видеоформат, который поддерживается в современных браузерах без установки дополнительных модулей.