Кодирование звуковой информации

Конспект урока по информатике и ИКТ

Тема: «Кодирование звуковой информации»

Тема урока: «ДВОИЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ»

Форма проведения: урок-практикум

Цель: сформировать практические навыки обработки звуковой информации.

Задачи:

познакомится с теоретическими основами оцифровки звука;

установить зависимость между качеством кодирования звука, глубиной кодирования и частотой дискретизации;

научиться рассчитывать объем звуковых данных;

исследовать причины потери качества закодированного звука;

научиться применять звуковой редактор для записи цифрового звука;

развивать мыслительные приемы деятельности при анализе, синтезе и структурировании материала;

формировать коммуникационную культуру ученика.

Технические средства обучения: проектор, компьютер, микрофон, колонки, наушники.

Программное обеспечение: MicrosoftOffice PowerPoint, Audacity  — свободный многоплатформенный аудиоредактор звуковых файлов, ориентированный на работу с несколькими дорожками.

Ход урока:

1. Организационный момент. Приветствие. Отметить отсутствующих.

2. Актуализация знаний учащихся. Беседа учителя с учениками. (Слайд 1)

Зачем люди кодируют информацию? (Слайд 2)

Какие виды информации различают? (Ответ: числовая, текстовая, графическая, звуковая, мультимедиа).

3. Прослушивание двух звуковых файлов, подведение к теме урока.
Предлагаю прослушать два звуковых файла (отрывки из известного музыкального произведения) с различной частотой дискретизации: 1) 01.aup (48 кГц); 2) 02.aup (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, научимся рассчитывать объем звуковых данных.Тема урока: «Двоичное кодирование звуковой информации». (Слайд 3)

На каждом компьютере в папке «Мои документы» вложена папка «Кодирование звуковой информации» в ней находится общедоступный документ, откройте его, пожалуйста, и посмотрите. Вы обнаружите пустые поля. Во время практической работы их необходимо заполнять. В результате получится опорный конспект, который дома можно использовать для подготовки к следующему уроку.

Давайте разберем понятия, составляющие тему урока:

Двоичное кодирование – что это? Почему в компьютере используется двоичное кодирование? (слайд 4)

Вспомните, что такое звук? Какие характеристики он имеет? (слайд 5)

Какие бывают способы представления звуковой информации? (слайд 6)

4.Кодирование звука. Временная дискретизация.

Из курса физики вам известно, что звук представляет собой механическую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой (рис.1). Чем 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). (Слайд 7)

Рассмотрим следующий пример. (Слайд 8)

КВАНТОВАНИЕ - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью.

5. Определение объема аудиофайла.

Р ешим следующую задачу. (Слайд 9)

Задача 1.

На рисунке 5 изображено зафиксированное самописцем звучание 1 секунды речи.

Необходимо:

1

Рис.5

2)рассчитать информационный объем закодированного звука.

Решение:

5 Гц – это значит, что происходит 5 измерений в 1 сек. Глубина 4 бита – означает, что используются 2⁴ = 16 уровней громкости.

(Результат кодирования: 1000 1000 1001 0110 0111)

Для расчета информационного объема закодированного звука (V) используется простая формула: V = D * i * T, где: D – частота дискретизации (Гц); i – глубина звука (бит); T – время звучания (сек).

Получаем: V = 5 Гц * 4 бита * 1 сек = 20 бит.

Объем аудиофайла. (Слайд 10)

6. Исследование. От чего зависит качество звука?

Любая теория обязательно должна быть проверена на практике. Для выполнения практической работы разделимся на три группы.

Задания для первой группы.

Что означает оцифровать звук?

Какие характеристики у оцифрованного звука?

Проведите оцифровку человеческой речи. Ученик читает текст. Производится запись и последующее воспроизведение с частотой дискретизации 8 кГц и 44.1 кГц. Далее сравниваются информационные объемы и качество звучания. Как частота дискретизации влияет на качество звучания?

Заполнить таблицу:

Параметры качественного звука:

(Ответы: 44.1 кГц, 16 бит – качественное звучание; 8 кГц, 8 бит – достаточное для передачи речи.)

Задание для второй группы.

Современные программные средства предоставляют широкие возможности для обработки оцифрованного звука.

После оцифровки, из полученных файлов создаются музыкальные архивы. Уверена, что и вы на домашних компьютерах храните подборку аудио файлов.

1. Какой формат вы используете для хранения музыкальных архивов?

Чем плох Wave? (Ответ: большой объем файла).

2. Какие еще форматы звуковых файлов вам известны?

Можно подробнее пояснить, что для хранения звуковой информации требуются огромные объёмы памяти, поэтому звуковые файлы подвергаются сжатию: «избыточные» для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающей по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Что позволяет сжатию файла в десятки раз, а также может привести к потере информации.

Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в формате WAV или в формате со сжатием MP3.

3. Знаете ли вы, что такое битрейт? Как битрейт влияет на качество звучания?

(Ответы: уменьшение битрейта ведет к ухудшению качества звучания и уменьшению информационного объема звукового файла. Приемлемое качество звучания – при битрейте 128 Кб/с)

4. В звуковом редакторе улучшить качество звукового файла music.wav, который хранится на Рабочем столе. Сравнить объемы исходного и полученного файлов. Конвертировать файл music1.wav в формат Mp3.

Заполните таблицу:

Полученный файл music1.wav имеет объем 344Кбайта, а исходный файлmusic.wav имеет объем 79 Кбайт. Получаем: 344 Кбайта/79 Кбайта = 4,35.

Полученные результаты по формуле: 48000Гц/22050 Гц×32 бит/16бит = 4,35.

Полученный файл music1. mp3 имеет объем 34Кбайта, а исходный файлmusic1.wav имеет объем 344 Кбайт. Получаем: 344 Кбайта/34Кбайта 10.

Выводы: при конвертировании формата Wave в Mp3 качество звучания остается на высоком уровне, а информационный объем уменьшается в 10 раз. При увеличении частоты дискретизации и глубины кодирования звукаулучшается качество звукового файла, но увеличивается его информационный объем.

Задание для третей группы

За звук от аудио- и видеозаписей на персональном компьютере отвечает звуковая карта. Она принимает информацию, которая поступает на ПК, и превращает ее в сигналы. Их мы и слышим из динамиков. Правда, нередки случаи, когда звук на ПК вдруг становится плохим или нуждается в обновлении.

Как можно улучшить качество звука?

(Скачивание новых драйверов для звуковой карты. Покупка и установка новой звуковой карты. Подключение динамиков более высокого качества к аудиовыходу. Использовать специальные программы, гарантирующие улучшение качества звука. У каждой из них свои особенности, но в целом любая программа для улучшения качества звука предлагает 3D звук; удобный и «продвинутый» эквалайзер, благодаря которому можно будет улучшить качество звука по желанию; коррекцию колонок, чтобы следить за диапазоном и качеством их звукового воспроизведения; полный контроль центрального канала; виртуальный савбуфер, который позволяет улучшить бас колонок при отсутствии самого савбуфера).

Объясните, почему уровень квантования относится, наряду с частотой дискретизации, к основным характеристикам представления звука в компьютере.

Определите качество звука (качество радиотрансляции, среднее качество, качество аудио-CD) если известно, что объем моноаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен: а) 940 Кбайт; б) 157 Кбайт.

а) 1) 940 Кбайт= 962560 байт = 7700480 бит

2) 7700480 бит : 10 сек = 770048 бит/с

3) 770048бит/с :16 бит =48128 Гц –частота дискретизации – близка к самой высокой 44,1КГц
Ответ: качество аудио-CD

б) 1) 157 Кбайт= 160768 байт = 1286144 бит
2) 1286144 бит : 10 сек = 128614,4 бит/с
3) 128614,4 бит/с : 16 бит = 8038,4 Гц
Ответ: качество радиотрансляции

Ответ: а) качество CD; б) качество радиотрансляции.

Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?

Решение:

Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1КГц и разрядности аудиоадаптера, равной 16.

Формула для расчета объема памяти: (время записи в секундах) x (разрядность звуковой платы в байтах) x (частота дискретизации): 180 с х 2 х 44100 Гц = 15876000 байт = 15,1 Мб

Ответ: 15,1 Мб

8. Рефлексия. Давайте подытожим: что нового сегодня на уроке вы узнали; чему научились; будут ли знания вам полезны? (Проводится игра «Знатоки информатики»)

10. Подведение итогов.

В конце урока оценивается практическая работа, комментируются оценки.

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.

И прав был Норберг Винер, призывая отдать машине – машинное, а человеку – человеческое.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/198829-kodirovanie-zvukovoj-informacii