Кодирование звуковой информации

Как кодируется звук

Звук в природе — это непрерывная волна, а компьютер работает с числами. Чтобы сохранить звук в памяти, его превращают в набор чисел при помощи дискретизации: непрерывный сигнал измеряют через равные короткие промежутки времени и каждое измерение округляют до ближайшего допустимого уровня громкости. Этот процесс называют аналого-цифровым преобразованием.

Частота дискретизации

Частота дискретизации — это количество измерений сигнала за одну секунду. Измеряется в герцах: один герц — это одно измерение в секунду. Чем выше частота, тем точнее цифровая запись передаёт исходный звук. Для качественной записи музыки используют частоту в десятки тысяч измерений в секунду.

Глубина (разрядность) кодирования

Глубина кодирования — это число бит, отведённое на запись одного измерения уровня громкости. Число различимых уровней связано с глубиной формулой:

N = 2^i

где N — количество уровней громкости, i — глубина кодирования в битах. При глубине восемь бит звук различается по 256 уровням, при глубине шестнадцать бит — по 65 536 уровням.

Объём звукового файла

Объём записи равен произведению частоты дискретизации, глубины кодирования и времени звучания в секундах:

I = f * i * t

Разберём пример: запись длится 10 секунд, частота дискретизации 8000 измерений в секунду, глубина кодирования восемь бит.

I = 8000 * 8 * 10 = 640000 бит = 80000 байт ≈ 78,1 килобайта

Влияние параметров на качество

Дискретизация наглядно

Представим плавную звуковую волну как линию на графике. При дискретизации через равные промежутки времени ставят точки, повторяющие высоту линии, а затем округляют каждую точку до ближайшего разрешённого уровня. Чем чаще ставятся точки (выше частота) и чем больше разрешённых уровней (выше глубина), тем ближе цифровая «ступенчатая» запись к исходной плавной волне. При грубой дискретизации звук искажается, появляются шумы.

Стереозвук

Если запись содержит несколько каналов (например, два канала для стереозвука — левый и правый), объём увеличивается во столько раз, сколько каналов. Тогда формула расширяется:

I = f * i * t * k

где k — число каналов. Разберём пример: стереозапись (два канала) длится 5 секунд, частота 10000 измерений в секунду, глубина восемь бит.

I = 10000 * 8 * 5 * 2 = 800000 бит = 100000 байт ≈ 97,7 килобайта

Частая ошибка. Путают частоту дискретизации и глубину кодирования. Частота отвечает за то, как часто измеряют сигнал, а глубина — за то, насколько точно записывают каждое измерение. Ещё забывают умножить объём на число каналов при стереозаписи.

Кратко о главном

• Звук кодируют дискретизацией непрерывного сигнала.
• Частота дискретизации — число измерений в секунду.
• Глубина кодирования — число бит на одно измерение, N = 2^i.
• Объём записи равен I = f * i * t.