Файл: Методы кодирования данных (Технологии программирования).pdf

квантования называют сигнал, составляющий разницу между

восстановленным цифровым и исходным аудио сигналами. Эта разница

образуется в результате округления измеренных значений сигнала. При этом

выполняется следующая закономерность: чем выше разрядность

квантования, тем ниже уровень шума квантования (поскольку тем на

меньшее значение требуется округлять каждое измеренное значение

сигнала). Природа шума квантования такова, что ширина спектральной

области, в которой он простирается, пропорциональна значению частоты

дискретизации. На рисунке 7 изображен процесс оцифровки звукового сигнала:

Рисунок 7

Устройство, выполняющее оцифровку, называют аналого-цифровым преобразователем. Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование для которого служит цифро-аналоговый преобразователь, а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

В настоящее время все упирается в вычислительную мощность современной цифровой техники. С возрастанием точности оцифровки одновременно возрастает скорость потока цифровых данных, увеличивается вычислительная нагрузка на процессор и требуется повышенный объем памяти для хранения цифровых отчетов. Имеются и серьезные схемотехнические трудности. Вместе со стремительным простом компьютерных технологий становится возможным применять более высокие частоты дискретизации и разрядность. Цифровой звук широко применяется в современной звукозаписывающей индустрии благодаря хорошему качеству звучания, высокой помехозащищенности и удобству хранения и архивирования материала.

В настоящее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются частоты 8, 11, 22, 44 кГц. Так, частота дискретизации 44 килогерца означает, что одна секунда непрерывного звучания заменяется набором из сорока четырех тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованного звука.

Как отмечалось выше, каждый отдельный отсчет можно описать некоторой совокупностью чисел, которые затем можно представить в виде некоторого двоичного кода. Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования.

Методов сжатия (форматов), а также программ, реализующих эти

методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer

I, II, III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced

audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF),

MPEGPlus, TAC, и прочие. В настоящее время обычно используется разрядность 8, 16 и 24 бита.

На описанных выше принципах основывается формат WAV (от

WAVeform-audio – волновая форма аудио) кодирования звука. Получить

запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру

микрофона, проигрывателя, магнитофона, телевизора и других стандартно

используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV требует

очень много памяти. Так, при записи стереофонического звука с частотой

дискретизации 44 килогерца и разрядностью 16 бит – параметрами, дающими

хорошее качество звучания, – на одну минуту записи требуется около десяти

миллионов байтов памяти.

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат с названием MIDI (Musical Instruments Digital Interface – цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Фактически этот формат представляет собой набор инструкций, команд так называемого музыкального синтезатора – устройства, которые имитируют звучание реальных музыкальных инструментов. Команды синтезатора фактически являются указаниями на высоту ноты, длительность ее звучания, тип имитируемого музыкального инструмента и т.д. Таким образом, последовательность команд синтезатора представляет собой нечто вроде нотной записи музыкальной мелодии. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструментов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает высокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV.

Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (всем известный формат MP3). Формат завоевал свою популярность совершенно заслуженно – это был первый распространенный кодек, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня этому кодеку имеется много альтернатив, но выбор остается за пользователем. Преимущества MP3 – широкая распространенность и высокое качество кодирования, которое улучшается благодаря разработчикам различных кодеров.

4.4 Кодирование видео информации:

Чтобы хранить и обрабатывать видео на компьютере, необходимо закодировать его особым образом. При этом кодирование звукового сопровождения видеоинформации ничем не отличается от кодирования звука, описанного в выше. Изображение в видео состоит из отдельных кадров, которые меняются с определенной частотой. Кадр кодируется как обычное растровое изображение, то есть разбивается на множество пикселей. Закодировав отдельные кадры и собрав их вместе, можно описать все видео.

Видеоданные характеризуются частотой кадров и экранным разрешением. Скорость воспроизведения видеосигнала составляет 30 или 25 кадров в секунду, в зависимости от телевизионного стандарта. Наиболее известными из таких стандартов являются: SECAM, принятый в России и Франции, PAL, используемый в Европе, и NTSC, распространенный в Северной Америке и Японии.

В основе кодирования цветного видео лежит известная модель RGB. В телевидении же используется другая модель представления цвета изображения, а именно модель YUV. В такой модели цвет кодируется с помощью яркости Y и двух цветоразностных компонент U и V, определяющих цветность. Цветоразностная компонента образуется путем вычитания из яркостной компоненты красного и зеленого цвета. Обычно используется один байт для каждой компоненты цвета, то есть всего для обозначения цвета используется три байта информации. При этом яркость и сигналы цветности имеют равное число независимых значений. Такая модель имеет обозначение 4:4:4. Опытным путем было установлено, что человеческий глаз менее чувствителен к цветовым изменениям, чем к яркостным. Без видимой потери качества изображения можно уменьшить количество цветовых оттенков в два раза. Такая модель обозначается как 4:2:2 и принята в телевидении. Для бытового видео допускается еще большее уменьшении размерности цветовых составляющих, до 4:2:0.

Если представить каждый кадр изображения как отдельный рисунок определенного размера, то видеоизображение будет занимать очень большой объем, например, одна секунда записи в системе PAL будет занимать 25 Мбайт, а одна минута – уже 1,5 Гбайт. Поэтому на практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации. Если использовать сжатие без потерь, то самые эффективные алгоритмы позволяют уменьшить поток информации не более чем в два раза. Для более существенного снижения объемов видеоинформации используют сжатие с потерями.

Среди алгоритмов с потерями одним из наиболее известных является MotionJPEG или MJPEG. Приставка Motion говорит, что алгоритм JPEG используется для сжатия не одного, а нескольких кадров. При кодировании видео принято, что качеству VHS соответствует кодирование MJPEG с потоком около 2 Мбит/с, S-VHS – 4 Мбит/с. Свое развитие алгоритм MJPEG получил в алгоритме DV, который обеспечивает лучшее качество при таком же потоке данных. Это объясняется тем, что алгоритм DV использует более гибкую схему компрессии, основанную на адаптивном подборе коэффициента сжатия для различных кадров видео и различных частей одного кадра. Для малоинформативных частей кадра, например, краев изображения, сжатие увеличивается, а для блоков с большим количеством мелких деталей уменьшается. Еще одним методом сжатия видеосигнала является MPEG. Поскольку видеосигнал транслируется в реальном времени, то нет возможности обработать все кадры одновременно. В алгоритме MPEG запоминается несколько кадров.

Основной принцип состоит в предположении того, что соседние кадры мало отличаются друг от друга. Поэтому можно сохранить один кадр, который называют исходным, а затем сохраняются только изменения от исходного кадра, называемые предсказуемыми кадрами. Считается, что за 10-15 кадров картинка изменится настолько, что необходим новый исходный кадр. В результате при использовании MPEG можно добиться уменьшения объема информации более чем в двести раз, хотя это и приводит к некоторой потере качества.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что на данный момент мы имеем очень большое количество возможностей для совершенствования способов передачи и кодирования информации. В двадцать первый век, человечеству доступны огромные объёмы информации, а также есть возможность подкреплять практическими способами ранее созданные теории. Уже сейчас существуют технологии дополненной реальности, которые позволяют не только воспринимать те объекты, которые она проецирует, но и взаимодействовать с ними.

Сейчас особое внимание уделяется скорости передачи данных и бесперебойному потоку информации. Помимо обычных способов передачи с помощью физических накопителей, появились сети Wi-Fi и поколения передачи сотовых данных, такие как 4G и 5G, что позволяет иметь доступ к информации из любой точки мира.

Пусть, возможно, мы и не успеем сделать что-то, что сейчас можно увидеть лишь в фантастических фильмах, однако попытаться приблизится к этому и продолжить строить путь для будущих поколений, как в свое время ученые и исследователи делали для нас, вполне в наших силах.

Список литературы

Малинина Л.А. – Основы информатики: Учебник для вузов / Л.А. Малинина. – М.: Феникс, 2006. – 352 с.

Петцольд Ч. – Код: Тайный язык информатики / Ч. Петцольд. – М.: МИФ, 2020. – 448 с.

Р.В. Хемминг – Теория кодирования и теория информации / Р.В. Хемминг. – М.: Радио и связь, 1983. – 168 с.

Степанов А. Н. – Информатика: Учебник для вузов / А.Н. Степанов. – СПб.: Питер, 2015. – 720 с.

Воронина И.В. – Информатика. Шпаргалка / И.В. Воронина. – М.: Научная книга, 2009. – 130 с.

Яшин В.Н. – Информатика: Аппаратные средства персонального компьютера / В.Н. Яшин. – М.: Инфра-М, 2010. – 256 с.

Таненбаум Э. – Архитектура компьютера. 6-е изд. / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2012. – 811 с.