Файл: Способы представления данных в информационных системах(Представление и кодирование числовой информации).pdf

1.4 Представление и кодирование звуковой информации

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 (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость гром­кости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны [17]

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) [18]. Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дбл) (таблица 2). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увели­чению интенсивности звука в 10 раз [18].

Таблица 2

Громкость звука

Источник: Половко А. М. Интерполяция. Методы и компьютерные технологии их реализации / А.М. Половко, П.Н. Бутусов. - М.: БХВ - Петербург, 2019. - 320 c.

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 [18].

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени А(t) заменяется на дискретную последова­тельность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (рисунок 2).

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 [17]. 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.

Рисунок 2. Временная дискретизация звука [19]

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 [21]. Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле 1. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно:

N = 2^I = 2¹⁶ = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16 - битовый двоичный код, наи­меньшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему – 1111111111111111 [17].

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») [18].

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стерео ­звукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секун­ду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и умножить на 2 (сте­реозвук): 16 бит × 24 000 × 2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт [18]. 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.

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 [5].

Таким образом, 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).

2 ВИДЫ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

2.1 Информационная модель и ее описание

По определению, которое приводит Смирнова Г.Н.: «Проектирование - это процесс преобразования входной информации об объекте проектирования в проект информационной системы, то есть процесс проектирование сводится к последовательной формализации проектных решений на различных стадиях жизненного цикла информационной системы» [16].

Проект - это «проектно-конструкторская и технологическая документация, в которой представлено описание проектных решений по созданию и эксплуатации информационной системы в конкретной программно-технической среде» [16].

Объектами проектирования являются отдельные элементы или их комплексы функциональных и обеспечивающих частей. Функциональными элементами выступают задачи, комплексы задач и функции управления.

Субъект проектирования - это коллектив специалистов, осуществляющих проектную деятельность, из организации, ведущей разработку и организации заказчика.

К этапам проектирования информационной системы относится планирование и анализ требований, которая включает исследование и анализ существующей информационной систем, определение требований к создаваемой информационной системы, оформление технико-экономического обоснования, оформление технического задания на разработку информационной системы.

Следующая стадия - это проектирование (техническое проектирование или логическое проектирование), которое включает разработку в соответствии со сформулированными требованиями функциональной и системной архитектуры, оформление технического проекта [7].

Последовательность и содержание этих этапов предписываются ГОСТ 34.601 - 90. «Автоматизированные системы. Стадии создания», следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3. Этапы проектирования информационных систем [23]

Реализованная система передается заказчику для внедрения и опытной эксплуатации.

Внедрение включает запуск системы у заказчика, комплексную отладку подсистем информационной системы, обучение персонала, поэтапное внедрение в эксплуатацию и оформление акта о приемо-сдаточных испытаниях информационной системы [11].

На этапе эксплуатации роль разработчиков системы сводится к выполнению гарантийных обязательств и послегарантийных работ. Комплекс таких работ иногда называют сопровождением информационной системы.

Эксплуатация включает сопровождение и модернизацию, а также сбор информации о функционировании информационной системы, исправление ошибок и недоработок и оформление требований к модернизации [12].

Таким образом к подходам к проектированию информационной системы относятся функционально - модульный или структурный подход в основу которого принцип функциональной декомпозиции, в котором система описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами, а также объектно-ориентированный подход который использует объектную декомпозицию. Система описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы в терминах обмена между ними.

2.2 Используемые классификаторы и системы кодирования

В рамках информационного обеспечения информационной системы ресторана задач важное место отводится классификаторам информации.

Необходимо обеспечить сжатие призрачной части индикаторов, а, следовательно, уменьшить объем хранимой в компьютере информации и время поиска информации, необходимой для решения задач, облегчить обработку информации позволяют классификация и кодирование информации [4].

Кодирование - это «процесс присвоения кодовых обозначений объектов. Основной целью кодирования является однозначная идентификация объектов, а также обеспечение необходимой достоверности кодируемой информации».

При проектировании кодов, предъявляется ряд требований [6]:

• охват всех кодируемых объектов и их однозначное обозначение;
• возможность расширения объектов кодирования без изменения правил их обозначения;
• максимальная информативность кода при минимальной его значимости.

Выбор системы кодирования в основном зависит от количества классификационных признаков и разработанной системы классификации. Система классификации – «совокупность правил распределения объектов множества на подмножества» [10].

Классификация представляет собой «процесс распределения объектов заданного множества на подмножества».

Классификация является результатом упорядоченного распределения объектов в заданном множестве.

Существуют иерархические и многомерные системы классификации.

«Иерархическая система классификации предполагает разделение исходного множества на подмножества, между которыми устанавливаются отношения подчинения (иерархии) [14].

В зависимости от количества классификационных признаков может быть несколько уровней классификации.

Уровень классификации - это совокупность классификационных группировок, расположенных на тех же уровнях классификации» [6].

В многоаспектных системах классификации в качестве классификационных признаков параллельно используется несколько независимых признаков, то есть, исходное множество рассматривается одновременно в разных аспектах.

Системы кодирования подразделяются на регистрационные и классификационные.

Система регистрационного кодирования используется для идентификации объектов, не требующих предварительной классификации и не зависящих от существа решаемых задач [20].

Различают последовательную и пакетно-последовательную системы кодирования.

Порядковая система кодирования состоит в последовательном порядке регистрации объектов. Отсутствуют признаки классификации, которые впоследствии не позволят получить промежуточные результаты.

Таким образом, система кодирования последовательного порядка используется для кодирования одноразрядных элементов, находящихся в определенной подчиненности. Старшему признаку присваивается серия номеров с учетом возможного расширения положения объекта, а младшему присваиваются серийные номера в пределах выбранной серии.

2.3 Уровни проблем передачи информации

При реализации информационных процессов информация всегда передается в пространстве и времени от источника информации к приемнику (приемнику). В то же время различные знаки или символы, такие как естественный или искусственный (формальный) язык, используются для передачи информации, позволяя ей быть выраженной в той или иной форме, называемой сообщением [4].