Урок на тему «Кодирование и обработка звуковой информации»

Кодирование и обработка звуковой информации

Цель урока: изучение принципов кодирования звуковой информации.

Задачи урока:
Образовательные:

• Объяснить различие между аналоговым и цифровым звуком;

• Познакомиться с принципами кодирования звуковой информации;

• Сформировать представление об оцифрованном и синтезированном звуке.

• Понятие о частоте дискретизации и глубине кодирования звука.

• Сформировать умения нахождения объёма звуковой информации.

• Сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным качеством.

• Сформировать понятие о семпловой музыке и принципах работы трекерных музыкальных редакторов на примере программы «Skale Tracker».

Развивающая:
развивать мышление, память, внимательность, навыки использования прикладного программного обеспечения.

Воспитательная:
Воспитывать дисциплинированность, самостоятельность, информационную культуру.

Оборудование:
Компьютер, проектор, экран, колонки, микрофон.

Программное обеспечение:
ОС MS Windows или Linux, приложения офисного пакета Libre Office, браузер Firefox, программа для записи звука Audacity, программа Skale Tracker для создания трекерной музыки.

План урока:

Организационные моменты: 5 мин.

Актуализация знаний: 5 мин.

Изучение нового материала: 20 мин.

Рефлексия: 3 мин.

Практическая работа: 10 мин.

Домашнее задание: 1 мин.

Подведение итогов урока: 1 мин.

Ход урока:

Организационные моменты: 5

Приветствие, проверка присутствующих, объявление темы

Сегодня мы продолжим изучать, как различная информация представляется в

компьютере. Вы все наверняка любите слушать музыку. А знаете ли вы …

• Что такое звук?

• Как раньше хранили звуковую информацию?

• Какие носители звуковой информации используются сейчас?

• От чего зависит качество звука?

• Как самостоятельно создавать цифровую музыку?

На сегодняшнем уроке мы попробуем ответить на эти вопросы.

Для этого нам надо решить следующие задачи:

• понять различие между аналоговым и цифровым звуком;

• познакомиться с принципами кодирования звуковой информации;

• рассмотреть оцифровку и синтез звука;

• определить, от каких параметров зависит качество цифрового звука;

• научиться находить объем звуковой информации;

• сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным

• качеством;

• узнать как использовать семплы при создании трекерных музыкальных композиций.

Актуализация знаний: 5 мин

Принципы кодирования звуковой информации очень схожи с принципами

кодирования графической информации, которые мы изучили недавно. Давайте

вспомним их

Фронтальная беседа по вопросам:

• В каком виде должна быть представлена информация, чтобы её можно было

• обрабатывать при помощи компьютера?

• Что такое дискретизация?

• Приведите примеры представления информации в непрерывной (аналоговой) и в дискретной форме.

• Что такое разрешение графического изображения?

• Что такое глубина цвета?

• В чём отличия растровой и векторной графики

Итак. При аналоговом представлении информации физическая величина изменяется плавно и непрерывно, принимая при этом бесконечное множество значений При дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно, принимая при этом конечное множество значений. Дискретизация – это преобразование аналоговой формы информации в набор дискретных значений.

Изучение нового материала: 20 мин

Немного физики. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность (амплитуда) звуковой волны, тем громче звук. Чем больше частота колебаний, тем выше тон звука.

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук). Частота измеряется в герцах (1 Гц – одно колебание в секунду).

Диапазон амплитуд, в котором человек может воспринимать звук, очень большой. Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дБ). Изменение громкости звука на 20 дБ соответствует изменению давления, создаваемого звуковой волной, в 10 раз.

Может ли компьютер обрабатывать аналоговый звук?

Что нужно сделать, чтобы звук можно было обработать с помощью компьютера?

Просмотр видео-фрагмента из учебного фильма.

Чтобы компьютер смог обрабатывать звук, необходимо аналоговый (непрерывный) звуковой сигнал преобразовать в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Для этого в компьютере имеется звуковая карта (аудио-адаптер). Колебания звуковой волны преобразуются микрофоном в электрические колебания, которые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в дискретный сигнал, сохраняемый в памяти компьютера в виде двоичного кода.

При воспроизведении звука происходит обратный процесс. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует дискретные сигналы в аналоговые электрические колебания, воспроизводимые акустической системой в виде звуковых волн.

Процесс преобразования непрерывного звукового сигнала в дискретный называется оцифровкой звука (временной дискретизацией).

В звуковой карте непрерывный сигнал измеряется через небольшие равные промежутки времени. Каждое измеренное значение сигнала кодируется двоичным кодом и остается неизменным до следующего измерения. В результате плавный непрерывный сигнал заменяется на ряд дискретных значений, кривая становится ступенчатой, т. е. происходит искажение информации.

От чего будет зависеть качество оцифрованного звука?

Искажения сигнала можно уменьшить, если измерять уровень звукового сигнала чаще или увеличить количество возможных дискретных значений сигнала (использовать более длинный двоичный код).

Сколько различных уровней амплитуды звука можно закодировать 4 битами?

Частота дискретизации звука – это количество измерений громкости звука за 1 секунду. Измеряется в герцах (Гц). 1 Гц = 1/сек. (одно измерение в секунду).

На практике применяют значения частоты дискретизации от 8000 Гц (8кГц) до 48000 Гц (48кГц), что соответствует изменению качества звука от качества телефонной связи до качества аудио-CD.

Глубина кодирования звука (разрядность дискретизации) – это длина двоичного кода, используемого для кодирования каждого измеренного дискретного уровня громкости звука. От глубины кодирования зависит количество дискретных значений сигнала от нуля до максимума.

N = 2ⁱ, где N – количество дискретных уровней звука, i – глубина кодирования (бит).

Обычно звуковые карты могут использовать только два значения глубины кодирования:

8 бит (28=256 уровней)

16 бит (216=65536 уровней)

Какие параметры аналогичны частоте дискретизации и глубине кодирования

звука при кодировании графики?

Демонстрация качества звука при различных значениях частоты дискретизации и глубины кодирования на заранее подготовленных примерах.

Обращается внимание учащихся на объемы соответствующих файлов.

Из примеров мы увидели, что с увеличением качества звука растет информационный объем файла.

В каких случаях важно уметь рассчитывать объем звукового файла?

Как же его рассчитать?

I – объем звукового файла (бит);

F – частота дискретизации (Гц);

i – глубина кодирования звука (бит);

t – время звучания (сек);

k – количество каналов в записи (k = 1 – моно, k = 2 – стерео).

При записи в режиме «стерео» используются 2 микрофона, хранятся 2 независимых звуковых канала, воспроизводятся 2 акустическими колонками.

Это дает возможность слышать «объемный» звук. При этом объем файла будет в 2 раза больше.

Вывод: Чем выше качество звука, тем больше объём файла!

Синтезируемый звук.
Просмотр видео-фрагмента из учебного фильма.

Кроме оцифрованного звука компьютер также может синтезировать некоторые звуки средствами звуковой карты. Синтезируемый звук подобен векторной графике. В файлах для синтезируемой музыки записывается только формальные характкристики звуков, которые будут синтезироваться непосредственно с помощью звуковых карт, поэтому объём таких файлов очень мал (подобно простым текстовым файлам).

Где и зачем применялся синтезированный звук?

В то время когда мощности компьютеров было недостаточно чтобы работать с качественной оцифрованной музыкой широко была распространена синтезируемая музыка. Она не требовала ни большого объёма, т. к. файлы были очень маленькими, ни мощьного процессора, т. к. звук генерировался непосредственно звуковой картой.

Каковы недостатки синтезированного звука?

Минусом синтезируемого звука является зависимость от конкретных аппаратных средств. На разных звуковых картах один и тот же файл будет звучать по разному.

Решением этой проблемы было создание семплерной музыки, которая представляла из себя комбинирование небольших оцифрованных звуков (семплов). Для создания семлерной музыки использовались программы носившие название sound tracker.

Как это используется сегодня?

Трекерная музыка сегодня почти не используется, её вытеснила оцифрованная музыка, поскольку современные компьютеры могут легко кодировать и раскодировать оцифрованную музыку в различных форматах.

Но программы для создания трекерной музыки существуют и сегодня. Кроме того, именно на семпловом принципе работают все современные музыкальные синтезаторы.

Оцифрованный звук можно сохранять как с полным качеством, так и в форматах со сжатием, при этом информационный объем файлов уменьшается за счет уменьшения качества звука. Наиболее популярные форматы звуковых файлов:

WAV (Waveform audio format) – без сжатия, можно выбрать частоту дискретизации и глубину кодирования для уменьшения размера файла.

MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) – сжатие с потерей информации.

WMA (Windows Media Audio) – потоковый звук, сжатие с потерей информации.

Например, те же 10 секунд стереозвука в формате MP3 (битрейт 96 Кбит/с ) будут занимать всего 117 Кбайт.

MIDI (Musical Instrument Digital Interface ) – В отличие от предыдущих форматов это не оцифрованный звук, а наборы команд (проигрываемые ноты, ссылки на проигрываемые инструменты, значения изменяемых параметров звука), которые могут воспроизводиться по-разному в зависимости от устройства воспроизведения.

MOD — формат файлов, разработанный для создания, хранения и воспроизведения музыкальных композиций на ПК Amiga. Своё название получил от того, что стал первым форматом, хранящим свои фрагменты (например, семплы) в других файлах (принцип модульности).

S3M — формат музыкальных файлов, использовавшийся трекером Scream Tracker 3. Один из трех наиболее распространенных форматов трекерной музыки.

XM — формат музыкальных файлов, использовавшийся трекером Fast Tracker.

Рассмотрим работу современного саунд трекера Skale Tracker.

Современные компьютеры позволяют легко создавать различные музыкальные композиции с использованием семплов различных инструментов. Программы типа Skale Tracker обеспечивают технические возможности для написания трекерной музыки, но качество созданных произведений зависит в первую очередь от таланта человека пишущего музыку.

Рассмотрим инструменты Skale Tracker:

1. Основная паттерна, на которой рисуется музыка.

2. Переключатель скорости движения паттерны.

3. Инструменты добавления новых паттерн и удаления ненужных.

4. Панель отображения используемых инструментов (семплов)

5. Переключатели режимов (синтезатор, микшер и т.п.)

Рефлексия: 3 мин

Давайте еще раз попробуем ответить на вопросы, поставленные в начале

урока:

• Что такое звук?

• Как раньше хранили звуковую информацию?

• Какие носители звуковой информации используются сейчас?

• От чего зависит качество звука?

• Как самостоятельно создавать цифровую музыку?

Практическая работа: 10 мин

Для работы со звуком используется специальное программное обеспечение.

Чтобы прослушивать звуковые файлы, нужны звуковые проигрыватели.

Например, стандартный проигрыватель Windows Media, популярный

проигрыватель WinAmp, который может проигрывать как оцифрованную так и трекерную музыку, и другие.

Звуковые редакторы позволяют записывать и редактировать звуковые файлы.

Звуковой сигнал представлен в визуальной форме, поэтому можно легко осуществлять операции копирования, перемещения, удаления звуковых фрагментов, накладывать звуковые дорожки друг на друга (микширование звука), применять различные звуковые эффекты, сохранять в различных звуковых форматах. Например, это можно сделать с помощью коммерческой программы Adobe Audition или свободно распространяемой программы Audacity.

Для работы с трекерной музыкой можно использовать бесплатную и свободную программу Skale Tracker.

Выполним небольшую практическую работу в стандартном приложении Звукозапись.

Попробовать создать простой музыкальный трек в Skale Tracker с использованием записанных семплов.

Домашнее задание: 1 мин

1) Учебник Угриновича Н.Д. § 1.5.

2) Рассчитать объёмы файлов, полученные в практической работе. Сравнить с реальным объёмом.

Подведение итогов урока: 1 мин

Решены ли поставленные задачи?

• понять различие между аналоговым и цифровым звуком;

• познакомиться с принципами кодирования звуковой информации;

• рассмотреть оцифровку и синтез звука;

• определить, от каких параметров зависит качество цифрового звука;

• научиться находить объем звуковой информации;

• сформировать навыки записи, редактирования и сохранения звука с нужным

• качеством;

• узнать как использовать семплы при создании трекерных музыкальных композиций.

7