Технологии обработки звуковой информации в ЭВМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГАОУ ВПО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В  ОБРАЗОВАНИИ

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА (ПРОЕКТ)

 

по дисциплине

«Компьютерные сети, интернет и мультимедиа технологии»

на тему:

«Технологии обработки звуковой информации в ЭВМ»

 

 

Выполнил:

Рыльцев К.

студент 4 курса группы

инф-с-о-101

направления педагогическое образование (специальности) ИТМПИЯ

очной формы обучения

________________________

(подпись)

 

Руководитель  работы:

Поддубная Наталья 

Александровна

Доцент кафедры ИТО

 

Работа допущена к защите _______________________   ______________

      (подпись руководителя)   (дата)

 

Работа выполнена и

защищена с оценкой _________________________ Дата защиты______________

 

Члены комиссии:  ________________  __________  _______________

(должность)   (подпись)   (И.О. Фамилия)

 

________________ _______________  _______________

________________ _______________  _______________

________________ _______________  _______________

 

 

Ставрополь, 2013 г.

Содержание

 

Введение

 

Актуальность  исследования. Одной из наиболее прогрессирующих отраслей информационных технологий является направление обработки аудио- и видеоинформации. Есть определенный набор программного обеспечения, реализующего алгоритмы обработки данных информационных потоков. Некоторые из них ориентированы на ограниченное пространство выполнения задач, другие же позволяют использовать больший спектр возможностей для решения поставленных задач, но требуют больших материальных затрат и мощных ресурсов вычислительной техники.

Стоит отметить, что не существует универсального программного обеспечения для выполнения полного  спектра возможных задач при  обработке аудио-и видеоинформации. Поэтому как следствие, довольно часто встает проблема выбора конкретного  программного продукта для решения поставленной специфической задачи.

В процессе исследования этого вопроса нет смысла оценивать  функциональные возможности каждого  из существующих программных средств  для работы с мультимедийной информацией, ведь их есть очень большое количество. Кроме того, подавляющее большинство из них являются, в той или иной степени, модификацией предыдущих разработок. Поэтому, весьма важным в рассмотрении этого вопроса является формирование репрезентативной выборки из числа списка существующего программного обеспечения.

Самые первые компьютеры разрабатывались и применялись  для выполнения сложных математических вычислений. За полувековую историю  развития вычислительной техники производительность компьютеров увеличилась в миллионы раз, и при этом в тысячи раз уменьшились их размеры. И хотя по-прежнему любая обработка информации на компьютере сводится в конечном итоге к математическим операциям, вычислительная мощность современной техники позволяет производить цифровую обработку звуковой и визуальной информации, а малые габариты и невысокая стоимость техники (по сравнению с первыми компьютерами) делает ее применение действительно массовым.

 Любая информация, хранимая и обрабатываемая на  компьютере, независимо от ее  вида (текст, таблицы, рисунки,  музыка и т.п.), преобразовывается для обработки и хранения в двоичный цифровой код. Поэтому и звуковая (аудио), и визуальная (графика, видео) информация также преобразуется в цифровой код. Вся дальнейшая работа с такой информацией сводится к различным математическим преобразованиям цифровых данных, и поэтому такая обработка называется цифровой.

 В зависимости  от способов преобразования информации  в цифровой код меняются способы  ее дальнейшей обработки, а  также ее количественные и  качественные параметры. Однако  в рамках данной работы мы пропустим подробное рассмотрение методов и алгоритмов преобразования и обработки данных в цифровом виде. Нас, как пользователей, больше интересует конечный результат цифровой обработки.

Практическая  значимость заключается в том, что разработанные практические рекомендации могут быть использованы для обработки и создания аудио и видео файлов.

Объект  исследования – обработка звука в ЭВМ.

Предмет исследования – современные технологии и программные средства обработки звуковой информации.  

Цель исследования – изучение возможностей свободно распространяемых программ для обработки звуковой информации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- рассмотреть особенности  представления звуковой в ЭВМ;

- проанализировать инструментальные средства обработки звуковой информации на ЭВМ;

- разработать практические рекомендации по обработке аудио и видео информации.

 

1. Представление звуковой информации в ЭВМ

 

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. Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в  секунду (низкий звук) до 20 000 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.

Звук Громкость в  децибелах 

Нижний предел чувствительности человеческого уха 0 дбл

Шорох листьев 10 дбл

Разговор 60 дбл

Гудок автомобиля 90 дбл

Реактивный двигатель 120 дбл

Болевой порог 140 дбл

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 А(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.

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 48000 измерений громкости  звука за одну секунду.

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.

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

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.

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).  
1.1 Анализ и монтаж видео-информации

 

Во многом похожей  на цифровую обработку звука является цифровая обработка видеоинформации. Современные компьютеры позволяют  создавать, хранить, обрабатывать и  воспроизводить видеоинформацию очень  высокого качества. Конечно, для этого  требуются значительная вычислительная мощность и большие объемы дискового пространства. По аналогии со звуковыми файлами все видео файлы сжимаются с помощью различных кодеков. Видео кодеков существует даже больше, чем аудио кодеков, поэтому является актуальной проблема нахождения нужного кодека для просмотра видео файлов. Если необходимый кодек отсутствует в системе, то такое видео просмотреть не удастся. Особенностью видео файлов является также то, что в них, как правило, включена и звуковая информация, для воспроизведения которой могут также понадобиться соответствующие аудио кодеки.

 Кроме разнообразия  кодеков немного усложняет работу  с видео файлами наличие большого числа форматов файлов. Форматы AVI, MPG, MOV, DAT — одни из самых распространенных. Файлы этих форматов могут свободно копироваться, работа с ними не отличается от работы с другими файлами. Однако существуют и другие форматы, в которые встроена защита от копирования. Такие файлы нельзя обычным способом скопировать с одного диска на другой. Их можно только просматривать на компьютере или бытовой видеоаппаратуре. Однако, несмотря на наличие вышеупомянутых проблем, на правильно настроенном компьютере воспроизведение видео файлов не сложнее воспроизведения аудио файлов и также осуществляется с помощью плееров. Встроенный в Windows плеер умеет воспроизводить не только музыку, но и видео, поэтому при вставке в дисковод компакт-диска с видеозаписью автоматически начинается его воспроизведение. Кроме встроенного плеера можно устанавливать и использовать другие видеопроигрыватели. Большинство из них, также, оснащены различными функциями для удобного просмотра фильмов. В последнее время большое количество фильмов распространяется на дисках DVD. Для их проигрывания необходима установка специализированного плеера, после чего воспроизведение DVD будет также выполняться автоматически при вставке диска в дисковод.

 Запись видео - файлов возможна с помощью специальных устройств и соответствующих программ.

 

2. Обзор свободно распространяемой  программы для обработки звука

 

Итак, познакомимся поближе  с аудио редактором Audacity.

Для начала, рассмотрим преимущества:

•Audacity – свободно распространяемая программа, т.е. вам не придется ее покупать.

•Audacity имеет простой  и понятный интерфейс.

•Audacity поддерживает наиболее часто используемые форматы .wav, .mp3

Из минусов следует  отметить то, что Audacity несколько примитивна и грубовата. Здесь вы не найдете  множества волшебных эффектов, но мы с вами пока еще не опытные микшеры, и потому эта программка как раз для нас.

Итак, вы скачали и  установили Audacity на свой компьютер. Запустили  программу, и перед вами открылось  окно:

 

Рис 1 – Окно программы

 

С чего же начать работу? Для начала попробуем что-нибудь записать. Сделать это проще простого. Для этого отрегулируем громкость, с которой будет записываться звук. Сделать это можно с помощью ползунков:

 

Рис 2 - Ползунки

 

Затем, нажимаем кнопочку записи, и получаем звуковую дорожку:

Рис 3 – Кнопка записи

Ну вот, мы сделали  первую нашу с вами запись, но, как  видно на рисунке 4, запись получилась с шумами, попробуем от них избавиться. Для этого нам необходимо выбрать  инструмент (как показано на рисунке 4) и выделить область шума: