Кодирование текстовой, графической, звуковой и видеоинформации

Пример 2. Необходимый объём видеопамяти для графического режима с разрешением 800х600 точек и глубиной цвета 24 бита равен: In =I * X * Y= 24 * 800 * 600 = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1 406,25 Кбайт ≈ 1,37 Мбайт.

Глава 3 Кодирование звуковой информации

3.1 Аналоговый и дискретный способы представления звука   

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.

При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.       При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно

Аналоговое и дискретное кодирование

 

Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).

 

3.2 Восприятие звука человеком 

Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука. Колебания барабанной перепонки в свою очередь передаются во внутреннее ухо и раздражают слуховой нерв. Так образом человек воспринимает звук.        

 В аналоговой  форме звук представляет собой волну, которая характеризуется:

• Высота звука определяется частотой колебаний вибрирующего тела.
• Громкость звука определяется энергией колебательных движений, то есть амплитудой колебаний. 
• Длительность звука - продолжительность колебаний.
• Тембром звука называется окраска звука.

Герц (Гц или Hz) — единица измерения частоты колебаний.  1 Гц= 1/с

Человеческое ухо может воспринимать звук с частотой от 20 колебаний в секунду (20 Герц, низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (20 КГц, высокий звук). 

- аналоговый - непрерывный - звук 

  Звук представляет  собой звуковую волну с непрерывно  меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. 

 

3.3  Процесс кодирования звуковой информации 

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Т.о. при двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала.

Рис. Временная дискретизация звука

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

 

 Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости звука, его код (1, 2, 3 и так далее).       

 Уровни громкости звука  можно рассматривать как набор  возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней  громкости будет выделено в  процессе кодирования, тем большее  количество информации будет  нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание. 

 

 

 Качество кодирования звуковой информации зависит от:

1) частотой дискретизации, т.е. количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования.

2) глубины кодирования, т.е. количества уровней сигнала.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле:  N = 2i = 216 = 65536,   где  i — глубина звука.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000, то есть частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио-СD. Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.

ЗАДАЧА 1.

Можно оценить информационный объем стереоаудиофайла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука (16 битов, 48 кГц). Для этого количество битов, приходящихся на одну выборку, необходимо умножить на количество выборок в 1 секунду и умножить на 2 (стерео).

Решение:  16 бит • 48 000 • 2 = 1 536 000 бит = 192 000 байт = 187,5 Кбайт.

ЗАДАЧА 2.

Оценить информационный объем цифрового стерео звукового файла длительностью звучания 1 минута при среднем качестве звука (16 битов, 24  кГц).4     

 Решение: 16 бит × 24 000 × 2 × 60 = 46 080 000 бит = 5 760 000 байт = 5 625 Кбайт ≈ 5,5 Мбайт.  

Стандартное приложение Звукозапись играет роль цифрового магнитофона и позволяет записывать звук, то есть дискретизировать звуковые сигналы, и сохранять их в звуковых файлах в формате WАV. Эта программа позволяет редактировать звуковые файлы, микшировать их (накладывать друг на друга), а также воспроизводить.

 

Глава 4 Кодирование видеоинформации.

Видеоинформация достаточно новый вид информации, которая с каждым днем все интенсивнее проникает во все сферы человеческой деятельности. По официальной статистике, каждый пятый человек в России ежедневно воспринимает видеоинформацию либо посредством телевизора, либо посредством персонального компьютера.

Под видеоинформацией можно понимать: кинофильм, видеоклип, телепрограмму, рекламный ролик и т.п.

Любой видеоряд можно разложить на две составляющие:

• Звуковая составляющая.
• Графическая составляющая.

Наверняка появится первый вопрос: какое отношение графическая информация имеет к видео? Необходимо очень хорошо уяснить следующий факт: для создания на экране эффекта движения применяется дискретная технология, обеспечивающая быструю смену статических картинок. Научные исследования доказали, что если в течение одной секунды сменить около 15 статических изображений, которые похожи друг на друга, то человеческий глаз воспринимает подобные изменения на них как аналоговые, то есть как непрерывные. На данном эффекте и реализуется любое современное видео.

Поскольку видеоинформация складывается из двух составляющих – звуковой и графической, то и для обработки видеоматериалов требуется очень мощный персональный компьютер. Под обработкой видеоматериалов понимается процесс оцифровки, то есть кодирования видеоинформации. После кодирования видеоинформация будет находиться в двоичном формате, а, как известно, процессор персонального компьютера только и способен взаимодействовать с любой информацией, которая является двоичным кодом. Двоичный код – последовательность бит, состоящая из 0 и 1.

4.1 Алгоритм кодирования видеоинформации

Итак, представим, что в нашем распоряжении есть какая-либо видеоинформация. В качестве примера можно взять любой видеоролик. Как было ранее сказано, любую видеоинформацию можно дифференцировать, то есть разложить на две ключевые составляющие: звуковую и графическую. Следовательно, операция кодирования видеоинформации будет заключаться в сочетании операций кодирования звуковой информации и кодирования графической информации

Как мы ранее узнали, видео – быстрая смена, как правило, похожих друг на друга статических изображений, называемых кадрами. Но в современном мире данный процесс стандартизирован и все поставщики видеоконтента придерживается данных стандартов.

Я не буду приводить все существующие стандарты, касающиеся частоты смены кадров, а лишь опишу ключевые эталоны в этой области:

В процессе киносъемок используют частоту смены кадров, равную 25 раз в секунду. Подобным стандартом пользуются при производстве телепрограмм, телешоу, телерепортажей.

В процессе создания широкоформатного видеоконтента прибегают к частоте смены кадров, равной 30 раз в секунду.

В первую очередь происходит разложение аналогового видеосигнала на две дорожки: звуковую и графическую. Давайте в качестве эксперимента примем частоту смены кадров 25 раз в секунду. Это означает, что одна секунда видеопотока состоит из 25 быстросменяющих друг друга статических изображений.

По сути, нет как такового отдельного алгоритма кодирования видеоинформации, а есть симбиоз алгоритмов кодирования отдельно звука и отдельно графики.5

После проведения операции цифрования звука и изображений на выходе получается бинарный, двоичный код, который будет понятен процессору персонального компьютера. Именно в формате двоичного кода наша видеоинформация и будет храниться на электронных носителях. Если мы захотим проиграть видеоконтент на нашем ПК или другом устройстве, то нам придется провести операцию восстановления информации, то есть осуществить преобразование информации, записанной в двоичном коде в формат понятный человеку.

Единственное, на чем бы хотелось акцентировать ваше внимание, это на том, что при просмотре видеоинформации мы одновременно и видим «картинку» и слышим звук. Чтобы добиться синхронного исполнения звука и смены графических изображений процессор персонального компьютера выполняет эти операции в различных потоках. За счет этого происходит запараллеливание двух сигналов: звукового и графического, которые в совокупности образуют видеопоток.

4.2 Информационный объем видеофайла

Как найти информационный объем видеофайла?. После проведения операции кодирования видеоинформации получается двоичный поток битов. Следовательно, операционной системе необходимо выделить некое пространство для хранения данного двоичного кода (этот двоичный код является дискретным форматом нашего аналогового видеофайла).

Общая формула расчета объема памяти, необходимой для хранения закодированного видеофайла:

V = [Память, занимаемая звуковым сигналом] ∙ [Память, занимаемая графическими  кадрами] = [Память, занимаемая звуковым  сигналом] ∙ [Память, занимаемая одним  кадром] ∙ [Количество кадров].

Рассмотрим конкретный пример. Дан видеофайл, который длится 52 секунды. Известно также, что частота смены кадров составляет 25 раз в секунду. Каждый кадр представляет собой изображение, имеющее разрешение 1280 на 1024 пиксела. Также известно, что цвет кодируется в 24-х битной RGB-модели. Частота дискретизации звука составляет 44.1 КГц, а разрядность звуковой карты равна 2 байта. Необходимо найти информационный объем данного видеофайла.

Решение:

1. Определим информационный объем звукового сигнала. 
   Vзв = [Время звучания] ∙ [Разрядность звука] ∙ [Частоту дискретизации] = 52 ∙ 16 ∙ 44100 = 36691200 [бит] = 4586400 [байт] = 4478.90 [Кбайт] = 4.37 [Мбайт].
2. Определим информационный объем одного кадра. 
   Vк = [Количество пикселей изображения] ∙ [Глубину цвета] = 1280 ∙ 1024 ∙ 24 = 31457280 [бит] = 3932160 [байт] = 3840 [Кбайт] = 3.75 [Мбайт].
3. Определим информационный объем заданного видеофайла. 
   Vв = [Память, занимаемая звуковым сигналом] ∙ [Память, занимаемая одним кадром] ∙ [Количество кадров] = 4.37 ∙ 3.75 ∙ 25 = 409.69 [Мбайт] = 0.4 [Гбайт].

То есть информационный объем заданного видеофайла составляет около 0.4 Гигабайта. Файлы с видеоконтентом всегда были и будут «тяжелыми», следовательно, необходимо предусматривать пространство для их хранения.

Кстати, сам процесс кодирования видеоинформации занимает значительное время и зависит от характеристик процессора персонального компьютера. Среди всех земных профессий можно выделить профессию видеомонтажера, который наиболее интенсивно из всех занимается обработкой и отвечает за правильность кодирования видеоинформации.

Заключение

Цель моей работы достигнута. Я познакомился с кодировочными таблицами. Выяснил, что текст, набранный в одной кодировке, не может быть прочитан с помощью другой кодировки, так как их существует множество.

Познакомился с универсальной кодировкой информации Unicode и с другими кодировками кириллицы. Эти способы кодирования открывают широкие возможности для хранения информации. Узнал различные способы кодирования различных видов информации: текстовой, числовой, звуковой и видеоинформации.

Данная тема обладает большим развивающим потенциалом, так как в ходе ее изучения происходит обобщение знаний. Происходит развитие целостной системы знаний.

Хочется добавить, то, что на сегодняшний день совершенно очевидно лишь одно – цифровые технологии находятся лишь в начале своего пути, и нам еще только предстоит понять, что значит их повсеместное внедрение совместно с миниатюризацией, наращиванием вычислительных мощностей и объемов памяти.