Устройство вывода персонального компьютера. Назначение, характеристики.

№25. Кодирование и обработка звуковой информации. Цифровое фото и видео.

Звук представляет собой рас­пространяющуюся в воздухе, воде или

другой среде волну с непрерывно меняющейся ин­тенсивностью и

частотой.

Человек воспринимает зву­ковые волны (колебания воз­духа) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсив­ность звуковой волны, тем громче звук, чем больше часто­та волны, тем выше тон звука Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 ООО колеба­ний в секунду (высокий звук).

Человек может воспринимать звук в огромном диапа­зоне интенсивностей, в котором максимальная интен­сивность больше минимальной в 10¹⁴ раз (в сто тысяч миллиардов раз). Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дбл). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увели­чению интенсивности звука в 10 раз.

Для того чтобы ком­пьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сиг­нал должен быть преобразован в цифровую дискретную фор­му с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие вре­менные участки, для каждого такого участка устанавливает­ся определенная величина интенсивности звука.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последова­тельность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек»

Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и его преобразования в цифровую форму используется микро­фон, подключенный к звуковой плате. Качество полученно­го цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискрети­зации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее «лесенка» цифрового звукового сигнала повторяет кривую аналогового сигнала.

Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Частота дискретизации звука может лежать в диапазо­не от 8000 до 48 ООО измерений громкости звука за одну се­кунду

Глубина кодирования звука. Каждой «ступеньке» при­сваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор воз­можных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.

Глубина кодирования звука - это количество ин­формации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно: _N = 2^I = 2¹⁶ = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код, наи­меньшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему — 1111111111111111.

Качество оцифрованного звука. Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным бу­дет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефон­ной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим «моно»). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секун­ду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуко­вых дорожек (режим «стерео»).

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стерео­звукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секун­ду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и умножить на 2 (сте­реозвук):

16 бит • 24 000 • 2 = 768 000 бит = = 96 000 байт = 93,75Кбайт.

Звуковые редакторы. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактиро­вать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых ре­дакторах в наглядной форме, поэтому операции копирова­ния, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (мик­шировать звуки) и применять различные акустические эф­фекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.).

Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифро­ванный звук можно сохранять без сжатия в звуковых фай­лах в универсальном формате WAV или в формате со сжа­тием МРЗ.

При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются «избыточные» для человеческого восприя­тия звуковые частоты с малой интенсивностью, сов­падающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого фор­мата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере инфор­мации (файлы не могут быть восстановлены в перво­начальном виде).

Цифровая фотография. Цифровые фотокамеры позволя­ют получить полноцветное изображение высокого качества непосредственно в цифровом формате. Полученное цифровое изображение сохраняется в цифровой камере на сменной карте flash-памяти. После подключения цифровой камеры к USB -порту компьютера производится копирование изобра­жений на жесткий диск компьютера. При необходимости можно провести редактирование фотографии с помощью растрового графического редактора. Высококачественная цветная печать цифровых фотографий производится на струйном принтере.

Цифровые фотокамеры позволя­ют получить полноцветное изображение высокого качества непосредственно в цифровом формате. Полученное цифровое изображение сохраняется в цифровой камере на сменной карте flash-памяти. После подключения цифровой камеры к USB -порту компьютера производится копирование изобра­жений на жесткий диск компьютера. При необходимости можно провести редактирование фотографии с помощью растрового графического редактора. Высококачественная цветная печать цифровых фотографий производится на струйном принтере.

Цифровое видео. Цифровые видеокамеры позволяют снимать видеофильмы непосредственно в цифровом форма­те. Цифровое видео, представляющее собой последователь­ность кадров с определенным разрешением, сохраняется в видеокамере на магнитной кассете. После подключения цифровой видеокамеры к DV -порту компьютера и запуска программы цифрового видеомонтажа производится захват и копирование видео на жесткий диск компьютера.

В процессе захвата программа цифрового видеомонтажа автоматически обнаруживает изменения изображения в по­токе видео и разбивает его на сцены. Монтаж цифрового ви­деофильма производится путем выбора лучших сцен и раз­мещения их в определенной временной последовательности. При переходе между сценами можно использовать различ­ные анимационные эффекты: наплыв, растворение и др.

Просмотр цифрового видео можно осуществлять непо­средственно на экране монитора компьютера или на под­ключенном телевизоре

Видеофильм состоит из потока сменяющих друг друга кадров и звука. Показ полноцветных кадров и воспроизведе­ние высококачественного звука требуют передачи очень больших объемов информации в единицу времени. Поэтому в процессе захвата и сохранения видеофайла на диске произ­водится его сжатие. Во-первых, используются методы сжа­тия неподвижных растровых графических изображений и звука, описанные выше.

Во-вторых, используется потоковое сжатие. В последо­вательности кадров выделяются сцены, в которых изобра­жение меняется незначительно. Затем в сцене выделяется ключевой кадр, на основании которого строятся следующие, зависимые кадры. В зависимых кадрах вместо передачи кода цвета всех пикселей передаются коды цвета только не­большого количества измененных пикселей.

Потоковое видео. Для передачи видео в Интернет к USB-порту компьютера подключается Web-камера. Так как скорость передачи данных в Интернете ограничена, используются потоковые методы сжатия с ис­пользованием одного из двух стандартов RealVideo или Windows Media.

Потоковое сжатие применяется как для видео, так и для звука. Сжатие видео обеспечивается за счет уменьшения размера кадра (например, может использоваться разреше­ние 240 х 180 точек), уменьшения частоты кадров (частота хадров может быть уменьшена до 1 кадра в секунду), а так­же уменьшения количества цветов. Для сжатия звука мож­но уменьшить частоту дискретизации и глубину кодирова­ния, а также вместо стереозвука выбрать монофонический звук (один канал).