Digitale audio-informatie (deel 3)

Bemonsteringssnelheid en bitdiepte van codec

Sampling is het verkrijgen van momentane waarden (samples) van een analoog signaal met een bepaalde tijdsstap in het digitaliseringsproces. De frequentie van deze stap wordt de samplefrequentie genoemd (het is ook de sample- of samplefrequentie). Hoe groter het is, hoe beter het opgenomen en gereproduceerde geluid. In studioapparatuur is de frequentie 48 kHz, in thuissystemen – 44,1 kHz.

Bitdiepte bepaalt de kwaliteit van de opgenomen audio. Hoger is beter. De bitwaarde, bijvoorbeeld 32, geeft het aantal bits aan dat is toegewezen om de amplitude van het signaal op te nemen op het moment van de meting.

Hoe vaker (samplefrequentie) en nauwkeuriger (bitdiepte) het audiosignaal wordt gemeten, hoe hoger de kwaliteit van het audiobestand.

Bitrate

De bitsnelheid (letterlijk de informatiebitsnelheid) bepaalt de maximale hoeveelheid informatie die per tijdseenheid via het audiokanaal kan worden verzonden. Een hoge bitsnelheid is nodig om een ​​rijk geluidsbeeld te verzenden en is niet vereist bij het coderen van spraak. Audio-opnamen met een bitsnelheid van 128 Kbps zijn geschikt voor goedkope luidsprekers, maar als u toegang hebt tot dure apparatuur, is het logisch om muziek op te nemen met een bitsnelheid van 192-256 Kbps.

Handige oplossing: codering met variabele bitsnelheid, verander de bandbreedte van het audiokanaal volgens de kwaliteit en verzadiging van het muzikale fragment

Audioformaten

MP3 is momenteel het meest populaire digitale audioformaat. Het wordt veel gebruikt in netwerken voor het delen van bestanden vanwege de kleine omvang van de uiteindelijke bestanden (ongeveer 1/10 van het originele audio-cd-bestand) en vanwege het speciale algoritme voor datacompressie biedt het een afspeelkwaliteit die zeer dicht bij die van origineel. Het mp3-formaat is compatibel met absoluut alle RoverMedia-spelers, evenals met alle moderne stereo’s en dvd-spelers.

WMA is een bestandsindeling die door Microsoft is ontwikkeld om audio-informatie op te slaan en te verzenden. Het belangrijkste voordeel van WMA ten opzichte van MP3 is de grotere compressiecapaciteit, wat resulteert in een kleinere bestandsgrootte. De nieuwste versies van het formaat, te beginnen met Windows Media Audio 9.1, bieden verliesvrije codering, meerkanaals surround sound-codering en spraakcodering.

WAV is een audiocontainer-bestandsformaat voor het opslaan van een opname van een gedigitaliseerde audiostream. Dit formaat wordt voornamelijk gebruikt om geluid op te nemen van de voicerecorder die is ingebouwd in RoverMedia-spelers en de meeste moderne apparaten.

FLAC (Free Lossless Audio Codec) is een van de meest populaire formaten voor verliesloze audiocompressie. In tegenstelling tot MP3- en WMA-formaten, verwijdert het geen informatie uit de audiostream bij het coderen van de audio. Hierdoor zijn FLAC-bestanden niet alleen geschikt voor het luisteren naar muziek van hoge kwaliteit op draagbare mediaspelers van RoverMedia, maar zelfs voor hoogwaardige audioapparatuur.

Aantal audiokanalen

Infectieuze mononucleosis
Mono (van het Grieks (Monos) – één) is een voorvoegsel dat de relatie met het enkelvoud betekent.
Mono eng. Mono (monofonie) wordt meestal gebruikt als een term die verband houdt met het opnemen en weergeven van geluid.
Mono betekent monofoon, één kanaal.

Stereo
Stereo (van Grieks solide, ruimtelijk)
Stereofonie of stereogeluid (van de oud-Griekse woorden “stereoros” – solide, ruimtelijk en “achtergrond” – geluid): opname, verzending of weergave van geluid, waarin de auditieve informatie over de locatie van de bron wordt opgeslagen via geluidsontwerp over twee (of meer) onafhankelijke audiokanalen. …
Bij stereo-opname wordt de opname gemaakt van 2 microfoons op een bepaalde afstand, elk met een apart kanaal (rechts of links).
Het resultaat is wat men “panoramisch geluid” noemt.

Digitale audio-informatie (deel 2)

Bemonsteringsfrequentie. Een microfoon die op de geluidskaart is aangesloten, wordt gebruikt om analoog geluid op te nemen en om te zetten naar digitaal formaat. De kwaliteit van het verkregen digitale geluid hangt af van het aantal metingen van het geluidsvolume per tijdseenheid, dat wil zeggen de bemonsteringsfrequentie. Hoe meer metingen er in 1 seconde worden gedaan (hoe hoger de samplefrequentie), hoe nauwkeuriger de “ladder” van het digitale audiosignaal de curve van het dialoogsignaal herhaalt.

De audiosamplefrequentie is het aantal metingen van het geluidsvolume in één seconde.

De audiofragmentfrequentie kan variëren tussen 8000 en 48000 geluidsvolumemetingen per seconde.

Diepte audiocodering. Elke “stap” krijgt een specifieke waarde voor het geluidsvolume toegewezen. Loudness-niveaus van geluid kunnen worden gezien als een reeks mogelijke toestanden N, waarvoor een bepaalde hoeveelheid informatie I vereist is, die audiocoderingsdiepte wordt genoemd.

De diepte van de audiocodering is de hoeveelheid informatie die nodig is om de discrete volumeniveaus van digitale audio te coderen.

Als de coderingsdiepte bekend is, kan het aantal luidheidsniveaus van digitale audio worden berekend met de formule N = 2I. Laat de geluidscoderingsdiepte 16 bit zijn, dan is het aantal geluidsvolumeniveaus:

N = 21 = 216 = 65536.

Tijdens het coderingsproces krijgt elk geluidsvolume zijn eigen 16-bits binaire code toegewezen, het laagste geluidsniveau komt overeen met de code 0000000000000000 en het hoogste – 1111111111111111.

De kwaliteit van gedigitaliseerd geluid. Hoe hoger de bemonsteringsfrequentie en de diepte van het geluid, hoe beter het geluid van het gedigitaliseerde geluid. De laagste kwaliteit van gedigitaliseerd geluid, overeenkomend met de kwaliteit van telefooncommunicatie, wordt verkregen met een bemonsteringsfrequentie van 8000 keer per seconde, een bemonsteringssnelheid van 8 bits en door een audiotrack op te nemen (“mono” -modus). De hoogste kwaliteit van gedigitaliseerd geluid, overeenkomend met de kwaliteit van een audio-cd, wordt bereikt met een bemonsteringssnelheid van 48.000 keer per seconde, een bemonsteringssnelheid van 16 bits en de opname van twee audiotracks (stereomodus) .

Houd er rekening mee dat hoe hoger de kwaliteit van het digitale geluid, hoe groter het informatievolume in het audiobestand. Het is mogelijk om het informatievolume van een digitaal stereogeluidsbestand met een duur van 1 seconde met een gemiddelde geluidskwaliteit (16 bits, 24.000 metingen per seconde) te schatten. Hiertoe moet de coderingsdiepte worden vermenigvuldigd met het aantal metingen in 1 seconde en vermenigvuldigd met 2 (stereogeluid):

16 bit? 24.000? 2 = 768.000 bits = 96.000 bytes = 93,75 KB.

Geluidsbewerkers. Met geluidseditors kunt u niet alleen geluid opnemen en afspelen, maar ook bewerken. Gedigitaliseerd geluid wordt visueel weergegeven in geluidseditors, dus het kopiëren, verplaatsen en verwijderen van delen van de audiotrack kan eenvoudig met de muis worden uitgevoerd. Bovendien kunt u audiotracks op elkaar stapelen (geluiden mixen) en verschillende akoestische effecten toepassen (echo, omgekeerd afspelen, enz.).

Met geluidseditors kunt u de digitale geluidskwaliteit en het volume van een audiobestand wijzigen door de samplefrequentie en de coderingsdiepte te wijzigen. Gedigitaliseerde audio kan ongecomprimeerd worden opgeslagen als universele WAV- of gecomprimeerde MP3-audiobestanden.

Door audio in gecomprimeerde formaten op te slaan, worden audiofrequenties met een lage intensiteit die “buitensporig” zijn voor menselijke waarneming, weggegooid, wat in de tijd samenvalt met audiofrequenties met hoge intensiteit. Als u dit formaat gebruikt, kunt u audiobestanden tientallen keren comprimeren, maar dit leidt tot onomkeerbaar verlies van informatie (bestanden kunnen niet in hun oorspronkelijke vorm worden hersteld).
testvragen

1. Hoe beïnvloeden de samplefrequentie en de coderingsdiepte de digitale audiokwaliteit?
Zelfhulpopdrachten

1,22. Selectieve respons mapping. De geluidskaart voert een binaire codering van het analoge audiosignaal uit. Hoeveel informatie is er nodig om elk van de 65.536 mogelijke niveaus van signaalintensiteit te coderen?
16 bits;
256 bits;
1 beetje;
8 bits.

1,23. Een taak met een gedetailleerd antwoord. Schat het informatievolume in digitale audiobestanden met een duur van 10 seconden bij een coderingsdiepte en samplefrequentie van een audiosignaal dat de minimale en maximale geluidskwaliteit biedt:

a) mono, 8 bits, 8000 metingen per seconde;

b) stereo, 16 bits, 48.000 metingen per seconde.

Digitale audio-informatie (deel 1)

De geschiedenis van opnametechnologie

Het creëren van geluid door de computer is een moderne fase in de geschiedenis van de ontwikkeling van geluidstechnologie. Laten we dit verhaal eens kort bekijken.

Sinds het einde van de 19e eeuw hebben de technische middelen voor het opslaan en verzenden van informatie zich snel ontwikkeld. Dus aan het eind van de 19e eeuw maakte de beroemde Amerikaanse uitvinder Thomas Edison een grammofoon.

Het werkingsprincipe van de grammofoon is als volgt. Spraak, muziek of zang creëren geluidstrillingen die worden overgebracht naar de opnamepen van de grammofoon. De naald, die inwerkt op het oppervlak van de draaiende wasrol, laat daarin een groef achter met variabele diepte: een geluidsspoor. Wanneer een geluid wordt gereproduceerd, vindt het tegenovergestelde proces plaats: de beweging van de leesnaald langs het geluidsspoor gaat gepaard met oscillaties met dezelfde frequentie. Deze trillingen worden door de grammofoon omgezet in een hoorbaar geluid. De Edison-fonograaf is het eerste geluidsopnameapparaat.

Hetzelfde idee diende als basis voor de productie van celluloïde grammofoonplaten en mechanismen die het geluid weergeven dat erop is opgenomen: grammofoon en grammofoon.

In het midden van de 20e eeuw verscheen een elektrofoon, een elektrische analoog van een grammofoon.
Analoge geluidsweergave

De soundtrack van een grammofoonplaat is een voorbeeld van een continue vorm van geluidsopname.

Het elektrische signaal wordt naar de luidspreker van de microfoon gestuurd en omgezet in geluid.

In de 20e eeuw werd de bandrecorder uitgevonden, een apparaat voor het opnemen van geluid op magneetband. Het maakt ook gebruik van een analoge vorm van audio-opslag. Alleen nu is de soundtrack geen mechanische “putgroef”, zoals weergegeven in fig. 1.1, en een lijn met continu veranderende magnetisatie. Met behulp van een magnetische leeskop wordt een wisselend elektrisch signaal gegenereerd, dat wordt uitgezonden door een akoestisch systeem.

Tot voor kort was alle geluidstransmissietechnologie analoog. Dit is zowel telefonische communicatie als radiocommunicatie. Tijdens een telefoongesprek worden de geluidstrillingen van het microfoonmembraan omgezet in een wisselend elektrisch signaal dat via elektrische kabels wordt overgedragen. Op de ontvangende telefoon worden ze geluid.
Audiocodering en -verwerking

Geluidsinformatie. Geluid is een golf die door lucht, water of ander medium reist met een continu variërende intensiteit en frequentie.

Een persoon neemt geluidsgolven (luchttrillingen) waar met behulp van gehoor in de vorm van geluid met een ander volume en toonhoogte. Hoe groter de intensiteit van de geluidsgolf, hoe harder het geluid, hoe hoger de frequentie van de golf, hoe hoger de toonhoogte van het geluid.
Afhankelijkheid van het volume en de toonhoogte van het geluid van de intensiteit en frequentie van de geluidsgolf.

Het menselijk oor neemt geluid waar met een frequentie van 20 trillingen per seconde (laag geluid) tot 20.000 trillingen per seconde (hoog geluid).

Een persoon kan geluid waarnemen in een breed scala aan intensiteiten, waarbij de maximale intensiteit 1014 keer groter is dan het minimum (honderdduizend miljard keer). Om het volume van geluid te meten, wordt een speciale eenheid “decibel” (dbl) gebruikt. Een afname of toename van het geluidsvolume met 10 dB komt overeen met een afname of toename van de geluidsintensiteit met 10 keer

Geluidsvolume

Geluidsvolume in decibel:
-Ondergrens van gevoeligheid van het menselijk oor 0
-Rustling bladeren 10
-Praat 60
-90 claxon
-120 straalmotor
-Pijndrempel 140

Geluidstijd bemonstering. (Deel 1)

Om een ​​computer geluid te laten verwerken, moet een continu audiosignaal worden geconverteerd naar een discrete digitale vorm met behulp van tijdbemonstering. Een continue geluidsgolf is verdeeld in afzonderlijke kleine tijdsecties, voor elke sectie wordt een bepaalde waarde van de geluidsintensiteit ingesteld.

Daarom wordt de voortdurende afhankelijkheid van de luidheid van het geluid op tijdstip A (t) vervangen door een discrete reeks luidheidsniveaus. Op de grafiek lijkt dit een vloeiende curve te vervangen door een reeks “stappen”).