Файл: Методы кодирования данных (Общие принципы кодирования данных).pdf

Для преобразования в цифровую форму аналогового сигнала, представляющего собой функцию от времени, производится определение двух параметров: точки времени измерения и уровня сигнала в данной точке.

Измерение точки времени определяется как дискретизация сигнала, и характеризуется заданной частотой. При этом к частоте дискретизации предъявляется требование, согласно которому она должна составлять не менее удвоенной частоты наивысшей гармонической составляющей преобразуемого звукового сигнала (в соответствии с теоремой Котельникова). Так как человек воспринимает звук с частотой принадлежащей диапазону от 16 Гц до 20 кГц, то соответствующее максимальное значение частоты дискретизации составляет не менее 40 кГц. Таким образом, измерение уровня сигнала должно происходить не реже 40000 раз в секунду. Для большинства современных аудиоподсистем этот параметр составляет 44,1 или 48 кГц.[2]

Для приведения в цифровую форму уровня сигнала используется процесс квантования по амплитуде. Он заключается в замене абсолютных значений амплитуды значениями, приближенными с некоторой точностью. Уровень точности зависит от количества бит N, отведенных для записи уровня сигнала в каждой точке времени. Все возможные значения из диапазона 2 в степени N называются уровнем квантования, а дистанция между двумя ближайшими значениями носит название шага квантования. Сам параметр N определяется как разрядность квантования. Значения, полученные в результате приближения, называются семплами. Считается, что погрешность, возникающая при квантовании с величиной разрядность 16 бит, не воспринимается человеком на слух.

В 1997 году компанией Intel был представлен стандарт аудиокодеков AC`97. Данный стандарт, рекомендуемый для использования в материнских и звуковых платах, а также модемах, декларирует поддержку частоты дискретизации 96 кГц с применением 20-разрядного стерео и 48 кГц с применением 20-разрядного стерео для многоканальной записи и воспроизведения.

Структурно данный стандарт включает в себя встроенный в южный мост чипсет хост-контроллера и установленный на плате аудиокодек. Первый обеспечивает обмен информацией между системной шиной и аналоговым кодеком. Данное устройство, представленное небольшим чипом, предназначено для выполнения аналогово-цифрового и цифроаналогового преобразования.

В 2004 году компания Intel представила новый стандарт, призванный обеспечить более высокое качество воспроизведения звука - High Definition Audio (HDA). HDA, будучи наследником AC`97, не обладает обратной совместимостью с предыдущим стандартом. При этом он обеспечивает поддержку большего количества каналов (до 16) и большую разрядность сэмплирования.

Разработанные на его основе устройства предоставляют 8-, 16-, 20-, 24- и 32-разрядные сэмплы, поддерживая при этом частоту дискретизации до 192 кГц в стереорежиме и до 96 кГц в многоканальном режиме.

Преобразованный подобным образом сигнал может храниться в памяти компьютера и подвергаться цифровым методам обработки.

Массив аудиоинформации может быть сохранен в неизмененном виде, как последовательность приближенных величин амплитуды, при этом используются два схожих формата: Pulse Code Modulation (импульсно-кодовая модуляция. Частный случай реализации - формат WAV), при котором в память заносятся абсолютные значения амплитуды, и Adaptive Delta PCM (адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция), при которой записываются относительные изменения амплитуды.

Этот способ обладает преимуществом в виде простоты реализации, однако и обладает значительным недостатком - аудиоинформация, сохраненная в приведенных форматах, занимает большие объемы памяти. Этот недостаток стал особенно актуален с распространением компьютерных сетей, пропускная способность которых ограничивала объемы передаваемой информации. Поэтому были разработаны методы компрессии аудиоданных.

Данные методы принято разделять на два основных типа: кодирование данных без потерь (lossless coding), и кодирование данных с потерями (lossy coding).

Основное отличие между двумя приведенными типами кодеков заключается, как следует из названия, в том, что кодеки без потерь сохраняют в аудиоданных информацию, которую при сжатии с потерями кодек расценивает как избыточную. Применение lossless-методов позволяет обеспечить компрессию данных так, чтобы сохранить возможность восстановления оригинальных данных из сжатых.

К наиболее популярным форматам кодирования без потерь относятся FLAC, WavPac, Monkey`s Audio.

FLAC (Free Loseless Audio Codec) создан Джошем Колсоном. Первая версия представлена в 2001 году. Применение данного кодека обеспечивает компрессию аудиоданных на уровне 50 - 60% от исходного файла (для сравнения - применение известного архиватора ZIP позволяет сжать аудиофайл на 10-20%). Максимальная эффективность FLAC достигается при компрессии записей голоса.

Данный формат применим как для регулярного прослушивания аудиоданных, так и для архивирования, поскольку включает поддержку тэгов, обложек.

К преимуществам данного формата относятся его бесплатность и открытость, что обеспечивает ему широкое распространение и активную поддержку производителей оборудования.

Конкурирующий формат WavPack обеспечивает уровень компрессии от 30 до 70%, в зависимости от исходных данных. К его отличительным особенностям относится так называемый " гибридный режим" работы, при котором создаются два файла, одним из которых является "коррекционный" файл, обеспечивающий полное восстановление данных, а вторым - файл меньшего размера, созданный с помощью методов, основанных на "lossing coding", при этом сохраняющий высокое качество звука [7].

Еще одним, относительно распространенным, форматом сжатия без потерь является Monkey`s Audio. К его преимуществом перед приведенными кодеками являются более высокая степень компрессии и поддержка многопоточности. Однако последняя особенность оказывается недостатком при определенных обстоятельствах, поскольку декодирование подразумевает задействование вычислительных ресурсов, пропорциональных кодированию. Это ограничивает распространение данного формата среди специализированных устройств воспроизведения звука. Кроме того, широкому распространению данного формата препятствует лицензия, которая не относится к разряду "открытых". Официальная версия препятствует поддерживает кодирование только в среде Windows. Декодирование с последующим воспроизведением доступно так же для платформ Mac OS и Linux. [2]

Алгоритмы кодирования данных с потерями отличаются сравнительно большим разнообразием, но наибольшее распространение из них получили MPEG - 1 Layer I, II, III; MPEG II AAC (Advanced Audio Coding); Windows Media Audio.

Общим для приведенных форматов является то обстоятельство, что при осуществлении компрессии из исходного файла удаляются неразличимые для человеческого слуха детали. Таким образом, на этапе декодирования данный сигнал перестает быть идентичным, а лишь является максимально приближенным. Данный подход основывается на так называемой " психоакустической модели" и позволяет достигать снижения объема файла в 10-14 раз от исходного. В качестве примеров принципов, лежащих в основе данного подхода можно привести следующее: при одновременном звучании двух звуковых сигналов разной интенсивности более сильный сигнал маскирует более слабый, соответственно при компресси с потерями более слабый сигнал отбрасывается. Подобная ситуация наблюдается при воспроизведении тихого звука сразу после громкого: тихий сигнал не воспронимается вследствие пониженной слуховой чувствительности, вызванной громким звуком. В этом случае информацией о нем можно пренебречь. Кроме того, активно используется то обстоятельство, что большинство слушателей не способно воспринимать сигналы с мощностью ниже определенного порога при соотвтествующих частотных диапазонах.

Повышение степени компрессии находится в прямой корреляции со степенью потери качества.

Наиболее известным и распространенным форматом сжатия является MPEG, котрый подразделяется на Layer I, II, III. Максимальную компрессию обеспечивает последний, что достигается более высокими требованиями к вычислителным ресурсам, необходимым для декодирования сигнала. Психоакустическая модель, применяемая в этом алгоритме, разделяет частотный спектр на отрезки, для которых уровень сигнала принимается одинаковым, после чего отбрасывает звуковую информацию, не воспринимаемую слушателем, с помощью приведенных выше принципов.

Версия MPEG Layer III имеет наименьшую длину отрезков, благодаря чему достигается высокий уровень компрессии.

Все три "слоя" MPEG Audio имеют обратную совместимость, позволяя воспроизводить информацию, закодированную с помощью Layer I, декодором Layer III.

Файлы, закодированные Layer III, обладают , как правило, расширением mp3.

Еще одной характеристикой, имеющую принципиальное значение при использовании алгоритмов компрессии со сжатием является битрейт.

Под битрейтом принято понимать количество бит передаваемых, либо обрабатываемых в единицу времени. Битрейт определяет эффективную скорость потока данных в канале, то есть минимальный размер канала, способного обеспечить прохождение потока без задержек.

Упомянутый ранее WAV кодируется с максимальным битрейтом на уровне 320 кбит/с. При снижении уровня битрейта ниже 128 кб/с потеря качества воспроизводимого сигнала становится заметной. Сам по себе битрейт является важным интегральным показателем качества закодированного сигнала. Несмотря на наличие прямой корреляции между битрейтом и качеством, следует учитывать, что конечный итог зависит от исходного материала, и сигнал закодированный с меньшим битрейтом может теоретически обладать более высоким качеством, чем другой сигнал, закодированный с более высоким уровнем показателя.

По отношению к битрейту существует три алгоритма компрессии:

1. С постоянным битерейтом (CBR, Constant Bit Rate), при использовании которого при кодировании сигнала уровень показателя остается постоянным.
2. С переменным битрейтом (VBR, Variable Bit Rate), при котором показатель меняется в реальном времени в зависимости от кодируемого сигнала . Это позволяет снижать размер файла, при повышении уровня качества, по сравнению с постоянным битрейтом.
3. С усредненным битрейтом (ABR, Average Bit Rate). представляющм собой комплекс двух приведенных алгоритмов. В качестве параметра при кодировании задается средний битрейт. В ходе дискретизации сигнала алгоритм применяет переменный битрейт, контролируя при этом, чтобы средний уровень показателя не превышал установленный пользователем. Это снижает уровень качества по сравнению с переменным битрейтом, но позволяет добиться необходимой оптимизации размера итогового файла.

Свои особенности при кодировании имеет стереосигнал. Для этого существуют два метода. При использовании первого - двухканального - оба канала кодируются по отдельности, вследствие чего битрейт снижается вдвое в пересчете на канал. Второй метод - Joint Stereo - подразумевает вычисление суммы и разности сигналов каждого из каналов. Благодаря совпадению частот для хранения разности требуется меньше памяти, чем для суммы, вследствие чего большая ширина битрейта предоставляется сумме.

К другим алгоритмам компрессии с потерями относятся проприетарные форматы Advanced Audio Coding и Windows Media Audio. Они имеют свои особенности, позволяющие добиться более высокого, в сравнении с MPEG Layer III, качества, но используют те же принципы.

Кроме того в 2000 году был представлен открытый формат Vorbis, предусматривающий отсутствие патентных ограничений. Данный формат поддерживается множеством платформ, включая Windows, Linux, Mac OS, Android, и более редкие. [2]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе было дано определение понятию «данные» и рассмотрены методы и принципы кодирования информации. Были детально изучены методы кодирования информации, представленной в различных форматах: числовой, текстовой; двух видов мультимедийной информации: звуковой и графической.

Рассмотрены требования, предъявляемые кодированием различной информации к вычислительным ресурсам и памяти компьютеров в зависимости от применяемых алгоритмов. Была дана оценка их актуальности и применимости на текущий момент.

Снижение темпов увеличения вычислительных мощностей, вызванное фундаментальными ограничениями (в частности, прекращение действия закона Мура), требует повышения качества применяемых алгоритмов кодирования информации на фоне лавинообразного нарастания ее объемов.

Научный поиск дал стимул техническому развитию этой сферы и привел к значительному возрастанию информационных и компьютерных возможностей и к новому скачку роста количества информации.

Цели и задачи курсовой работы считаю выполненными.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаврилов М.В. Информатика и информационные технологии/ М.В. Гаврилов, В.А. Климов. – М.: Юрайт, 2013. – 378с.
2. Еремин Е.А.Представление звуковой информации в ЭВМ. Информатика 2004, № 45, с. 16–17.
3. Информатика. Общий курс: учебник / под ред. В.И. Колесникова. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2013. – 400 с.
4. Каймин В.А. Информатика. Учебник. - М.: ИНФА-М., 2003 – 285 с.
5. Каплунова Н.В., Шарыхин В.В., Хмельницкий С.В. Концепция развития информационных ресурсов. // Под ред. С.В.Хмельницкого. - СПб.: Европейский университет в Санкт-Петербурге, 2001.
6. Леонтьев В. Новейшая энциклопедия персонального компьютера - М.: Олма Медиа Групп, 2007. –734 с.
7. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс. Учебник для вузов, 3-е изд. - СПб.: Питер, 2011. – 640 с.
8. Соловьева Ф. И. Введение в теорию кодирования: Учебное пособие / Новосиб.гос. ун-т. Новосибирск, 2006 с. 127
9. Сочко, С. С. С 69 Системы счисления. Методы кодирования числовой информации в ЭВМ [Текст] : учеб. пособие / С. С. Сочко. ‒ Ухта : УГТУ, 2016. – 76 с.
10. Шауман А. М. Основы машинной арифметики/ А. М. Шауман. – СПб.: Питер, 2009. – 415с.
11. Шафрин Ю.А. Основы компьютерной технологии. – М., 1998
12. Широбокова Н. В. Представление информации в компьютере/ Н.В. Широбокова. – М.: ИНФРА-М, 2011. – 328 с.
13. Алгоритм фрактального сжатия [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Алгоритм_фрактального_сжатия (дата обращения: 07.02.2018)