Файл: Методы кодирования данных (Кодирование аудиоданных в формате WAV).pdf

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что изначально вычислительная техника появилась в качестве кандидата на роль средства автоматизации вычислений, где сразу же встал вопрос о формате представления данных.

В первую очередь, возник вопрос представления простых типов данных: ими являлись обыкновенные десятичные числа. За числами последовала текстовая информация. Сначала тексты просто поясняли труднообозримые столбики цифр, но затем машины все более существенным образом стали преобразовывать текстовую информацию. Оформление текстов достаточно быстро вызвали у людей стремление дополнить их графиками и рисунками. Делались попытки частично решить эти проблемы в рамках символьного подхода: вводились специальные символы для рисования таблиц и диаграммам. Но практические потребности людей в графике делали ее появление среди видов компьютерной информации неизбежной. Числа, тексты и графика образовали некоторый относительно замкнутый набор, которого было достаточно для многих решаемых на компьютере задачи. Постоянный рост быстродействия вычислительной техники создал широкие технические возможности для обработки звуковой информации, а также для быстро сменяющихся изображений. Все это обусловило и развитие способов представления и кодирования различных видов информации в компьютере.

Объектом изучения, представленным в теоретической части являются данные в компьютере.

Цель работы – рассмотреть форматы данных и методы кодирования данных в вычислительной технике.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть существующие форматы данных;
• рассмотреть представление различных форматов данных в вычислительной технике и описать способы кодирования информации.

Понятие информации и формата данных

Информация. Представление данных в вычислительной технике

Информация – это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состояниях, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний[1].

В процессе обработки информация может менять структуру и форму. Признаком структуры являются элементы информации и их взаимосвязь. Формы представления информации могут быть различны. Основными из них являются: символьная; текстовая; графическая; световых или звуковых сигналов; радиоволн; электрических и нервных импульсов; магнитных записей; жестов и мимики; запахов и вкусовых ощущений и так далее.

---

В повседневной практике такие понятия, как информация и данные, часто рассматриваются как синонимы. На самом деле между ними имеются существенные различия.

Данными называется информация, представленная в удобном для обработки виде. Данные могут быть представлены в виде текста, графики, аудиовизуального ряда. Представление данных называется языком, представляющим собой совокупность символов, соглашений и правил, используемых для общения, отображения, передачи информации в электронном виде.

Среди форматов данных стоит выделить несколько категорий, которые будут рассматриваться далее.

Цифровой звук

Цифровой звук — результат преобразования аналогового сигнала звукового диапазона в цифровой аудиоформат.

Наиболее простой метод преобразования звука из аналогового в цифровой – метод импульсно-кодовой модуляции. Его суть заключается в представлении идущих последовательно моментальных величин уровня сигнала, который измеряется при помощи аналого-цифрового преобразователя, через определенные временные интервалы.

Сам по себе формат представления звуковых данных в цифровой форме зависит от метода квантования аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Кроме импульсно-кодовой модуляции также существует другой способ: сигма-дельта-модуляция. Разрядность квантования, равно как и частота дискретизации, по своей сути определяет формат файла и качество звука, к примеру, звук кодируется с глубиной 16 бит и частотой 48000 Гц.

Аудиофайл — компьютерный файл, который содержит информацию об основных характеристиках звука, а именно – частоте и амплитуде, созданный для проигрывания на специализированных устройствах или на компьютере [2].

Расширение (формат) файла включает в себя описание особенностей представления аудиоданных и спецификацию хранения последовательности данных во внутренней памяти компьютера или другого устройства.

Для устранения избыточности аудиоданных используются аудиокодеки, при помощи которых производится сжатие аудиоданных.

Цифровое представление видеоданных

Видеоданные также являются одним из наиболее распространенных форм представления информации. По своей сути, видеоданные представляют собой последовательность изображений, которым задан четкий порядок и скорость смены.

Помимо этого, видеоданные как правило сопровождаются звуковой дорожкой, которая также кодируется в определенном формате. В целом, видеофайл характеризуется видеопотоком, стандартом разложения и цветовой субстракцией.

---

К наиболее распространенным относятся форматы AVI, WMV, MKV, DVD-VIDEO и некоторые другие.

Цифровое видео может существовать во многих разных форматах - каждый со специфическими переменными, такими как видео-контейнеры (.MOV, .FLV, .MP4, .OGG, .WMV, WebM), кодеки (H264, VP6, ProRes) и битрейты (в мегабитах или килобитах в секунду). Различные устройства и браузеры имеют разные спецификации, большинство из которых связаны с одной или несколькими из этих переменных - и другими переменными.

Реальная разница между большинством видеофайлов меньше зависит от используемого контейнера, но больше от видео или аудио кодека – в контейнере. Видеокодек определяет, как обрабатывается информация. 
Различные кодеки обеспечивают различное качество звука или изображения.
 

Цифровое представление визуальной информации

Изображения и видеозаписи – крайне важные формы представления информации. Разумеется, для работы вычислительной техники с графическими данными, их также требуется грамотно представить.

В первую очередь следует учесть то, что графическая информация может занимать очень большие объёмы памяти запоминающих устройств. Наиболее остро вопрос встает при представлении видеоданных в высоком качестве: даже на сегодняшний день файлы видеозаписей в формате BluRay занимают колоссальный объём дискового пространства, а объёма накопителя в 1 Тб хватит всего на 30 фильмов в таком качестве.

Далее очень важны вопросы представления графических данных для редактирования и масштабирования. Далеко не все форматы графики позволяют добиться масштабирования без потерь, так же как и не все форматы просто поддаются редактированию и корректировке.

Рассмотрим понятие графического формата. Графическим форматом — это способ записи графической информации. Графические форматы файлов предназначены для хранения изображений, таких как фотографии и рисунки. Форматы можно классифицировать различным образом, но в первую очередь используется разделение на векторные и растровые.

Само собой, различные графические форматы предоставляют разнообразные возможности: некоторые предназначены для хранения высококачественных изображений, другие используются исключительно для графической информации малого размера, третьи – поддерживают прозрачность и могут быть растянуты или уменьшены без потери качества, тем самым находя применение в той или иной области. Но для всех графических форматов основным моментом является то, каким образом производится определение цвета в каждой точке изображения[3].

---

Для представления цветов в изображениях используются различные методы и кодировки: на основе сочетания трёх или четырёх базовых цветов и их процентного соотношения, на основе шестнадцатеричных кодов и другие. Наиболее часто для определения цвета используются модели RGB, CMYK. Сам цвет представляется в форме соотношений базовых цветов, прозрачности, насыщенности и другими способами.

Строковые данные. Символы и текст

Набор литералов, применяющихся в качестве инструмента визуального представления строковых, символьных и текстовых данных, называют алфавитом[4]. Одним из ключевых свойств алфавита является его мощность, т.е. количество знаков в алфавите. Для представления текстовых данных используются различные кодировки, которые отличаются кодами символов и их набором.

Для представления текстовых данных применяются алфавиты, которые содержат определенное количество знаков. Количество знаков, которое включает в себя алфавит, называется мощностью. Каждый знак содержит 8 бит информации, сами символы имеют порядковые номера и содержат восьмиразрядный код в двоичной системе счисления. На данный момент такая мощность для специфического алфавита является весьма ограниченным набором, поэтому в определенный момент времени возникла идея увеличить количество бит для хранения символа в два раза, тем самым предоставив возможность хранить чуть более чем 65 тысяч символов.

Методы кодирования данных

Графическая информация. Кодировка цвета HSV, RGB. Формат TIFF

Кодирование изображения подразумевает процесс его дискретизации, т.е. разбиения на отдельные составляющие. Таким образом, графическое изображение представляет собой мозаику, каждому элементу которой соответствует определенный цвет. Качество изображения напрямую зависит от кодирования, а именно – от размера точки и размера применяемой палитры цветов. Чем меньше размер точки – тем выше качество изображения, а чем богаче палитра – тем более натуральным оно является.

Существует несколько различных моделей представления цвета в изображениях. Они условно разделяются на субтрактивные и аддитивные. Субтрактивные модели используют методику вычитания определенного количества цвета из базового представления. Аддитивные модели используют принцип добавления цветов к палитре с целью получения нового оттенка. Наиболее распространены 2 модели кодирования информации о цвете: HSV и RGB. Рассмотрим эти модели более подробно.

---

RGB основана на строении человеческого глаза. Она идеально удобна для светящихся поверхностей (мониторы, телевизоры, цветные лампы и т.п.)[4]. В основе ее лежат три цвета: Red- красный, Green- зеленый и Blue- синий. Еще Ломоносов заметил, что с помощью этих трех основных цветов можно получить почти весь видимый спектр. Например, желтый цвет- это сложение красного и зеленого. Поэтому RGB называют аддитивной системой смешения цветов. Чаще всего данную модель представляют в виде единичного куба с ортами: (1;0;0)- красный, (0;1;0)- зеленый, (0;0;1)- синий и началом (0;0;0)- черный.

Рисунок 1 – цветовая модель RGB и ограничение по передаче цвета.

HSV - более интересная модель. Она построена на трёх базовых понятиях:

• Hue — цветовой тон, (например, красный, зелёный или сине-голубой). Варьируется в пределах 0—360°, однако иногда приводится к диапазону 0—100 или 0—1.
• Saturation — насыщенность. Варьируется в пределах 0—100 или 0—1. Чем больше этот параметр, тем «чище» цвет, поэтому этот параметр иногда называют чистотой цвета. А чем ближе этот параметр к нулю, тем ближе цвет к нейтральному серому.
• Value (значение цвета) или Brightness — яркость. Также задаётся в пределах 0—100 или 0—1.

Данная модель оперирует более сложными понятиями, но по своей сути она также представляет полноцветную палитру. Шкала оттенков приведена на рисунке.

Рисунок 2 – шкала оттенков по HSV.

Далее стоит рассмотреть классификацию по типу изображений. Форматы подразделяются на две большие группы: растровые и векторные.

Растровое изображение представляет собой сетку из пикселей, каждому из которых соответствует определенная позиция и цвет[5]. Подавляющее большинство изображений являются растровыми.

Векторная графика — методика представления графической информации, базирующаяся на математическом описании различных геометрических единиц (примитивов), таких как: точки, отрезки, кривые, различные геометрические фигуры и другие[6].

Рассмотрим кодирование растрового изображения на примере формата TIFF. Это один из наиболее распространенных форматов изображений. Файлы данного формата представляют собой последовательность так называемых тегов, которые начинаются с сервисных байтов – указателей формата и определения порядка байтов в графическом файле. Отдельные теги состоят только из этих маркеров, однако есть те, которые включают в себя различные дополнительные данные, которые состоят из двухбайтового поля с длинной информационной части маркера. Эта форма организации хранения данных позволяет быстро найти маркер с требуемыми данными (например, с длиной строки, числом строк и числом цветовых компонентов сжатого изображения)[7]. Рассмотрим основные теги TIFF – таблица 1.

---