Информация аналоговая и цифровая

Информация  аналоговая и цифровая. Термин «информация» восходит к латинскому informatio,– разъяснение, изложение, осведомленность.

Информацию можно  классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают  информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления  природы и человеческого общества. Субъективная информация создается  людьми и отражает их взгляд на объективные  явления.

В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку  человек благодаря своим органам  чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с  цифровой информацией. 
 
 

Приёмы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графических  данных, у звукозаписей не было столь  же длительной и проверенной истории  кодирования. В итоге методы кодирования  звуковой информации двоичным кодом  далеки от стандартизации. Множество  отдельных компаний разработали  свои корпоративные стандарты, но среди  них можно выделить два основных направления.

Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальный устройства - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом характерным для электронной музыки. В то же время данный метод копирования обеспечивает весьма компактный код, поэтому он нашёл применение ещё в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.

Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментах. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов исполняются реальные звуки, то его качество получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов. 

Развитие аппаратной базы современных компьютеров параллельно  с развитием программного обеспечения  позволяет сегодня записывать и  воспроизводить на компьютерах музыку и человеческую речь. Существуют два  способа звукозаписи:

цифровая запись, когда реальные звуковые волны преобразуются  в цифровую информацию путем измерения  звука тысячи раз в секунду;

MIDI-запись, которая, вообще говоря, является не реальным звуком, а записью определенных команд-указаний (какие клавиши надо нажимать, например, на синтезаторе). MIDI-запись является электронным эквивалентом записи игры на фортепиано. 

Для того чтобы воспользоваться  первым указанным способом в компьютере должна быть звуковая карта (плата).

Реальные звуковые волны имеют весьма сложную форму  и для получения их высококачественного  цифрового представления требуется  высокая частота квантования.

Звуковая плата  преобразует звук в цифровую информацию путем измерения характеристики звука (уровень сигнала) несколько  тысяч раз в секунду. То есть аналоговый (непрерывный), сигнал измеряется в тысячах точек, и получившиеся значения записываются в виде 0 и 1 в память компьютера. При воспроизведении звука специальное устройство на звуковой карте преобразует цифры в аналог звуковой волны. Хранение звука в виде цифровой записи занимает достаточно много места в памяти компьютера.

Число разрядов, используемое для создания цифрового звука, определяет качество звучания.

MIDI-запись была  разработана в начале 80-х годов  (MIDI - Musical Instrument Digital Interfase - интерфейс цифровых музыкальных инструментов). MIDI-информация представляет собой команды, а не звуковую волну. Эти команды - инструкции синтезатору. МIDI-команды гораздо удобнее для хранения музыкальной информации, чем цифровая запись. Однако для записи MIDI-команд вам потребуется устройство, имитирующее клавишный синтезатор, которое воспринимает МIDI-команды и при их получении может генерировать соответствующие звуки. 

Таким образом, рассмотрев принципы хранения в ЭВМ различных  видов информации, можно сделать  важный вывод о том, что все  они так или иначе преобразуются  в числовую форму и кодируются набором нулей и единиц. Благодаря  такой универсальности представления  данных, если из памяти наудачу извлечь  содержимое какой-нибудь ячейки, то принципиально  невозможно определить, какая именно информация там закодирована: текст, число или картинка. 
 

Результаты дискретизации  звуковой информации, как и все  остальные компьютерные данные, сохраняются  на внешних носителях в виде файлов. Звуковые файлы могут иметь различные  форматы; опираясь на данные замечательной книги, рассмотрим наиболее распространенные из них. 

Формат AU. Этот простой  и распространенный формат на системах Sun и NeXT (в последнем случае, правда, файл будет иметь расширение SND). Файл состоит из короткого служебного заголовка (минимум 28 байт), за которым непосредственно следуют звуковые данные. Широко используется в Unix-подобных системах и служит базовым для Java-машины. 

Формат WAVE (WAV). Стандартный  формат файлов для хранения звука  в системе Windows. Является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); другой разновидностью RIFF служат видеофайлы AVI. Файл RIFF составлен из блоков, некоторые из которых могут, в свою очередь, содержать другие вложенные блоки; перед каждым блоком данных помещается четырехсимвольный идентификатор и длина. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором — сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок — для нашего примера его длина составит 4 байта. Такая, казалось бы, излишняя структурированность позволяет программному обеспечению оптимизировать процесс передачи данных при воспроизведении, но, как в подобных случаях всегда бывает, выигрыш во времени приводит к существенному увеличению размера файла. 

Формат MP3 (MPEG Layer3). Это  один из форматов хранения аудиосигнала, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео. Природа получения данного формата во многом аналогична уже рассмотренному нами ранее сжатию графических данных по технологии JPEG. Поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая информация “подправляется” так, чтобы возникшие искажения на слух были незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами. Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания. Приемы, применяемые в MP3, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику, но зато обеспечивают очень значительный эффект сжатия звуковой информации. Успехи технологии MP3 привели к тому, что ее применяют сейчас и во многих бытовых звуковых устройствах, например, плеерах и сотовых телефонах. 

Формат MIDI. Название MIDI есть сокращение от Musical Instrument Digital Interface, т.е. цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Это довольно старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания. Любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию. Несмотря на свое изначальное предназначение, формат файла стал стандартным для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи. Но это же свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел. 

Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули  программ воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые используются как шаблоны  индивидуальных нот. Таким способом достигается однозначность воспроизведения  звука. К недостаткам формата  следует отнести большие затраты  времени при наложении друг на друга шаблонов одновременно звучащих нот. 

Кодирование звука. 

Из физики известно, что звук – это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический  сигнал (например, с помощью микрофона), то видно плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой – аналоговый – сигнал нужно каким-то образом  преобразовать в последовательность двоичных чисел. 

Делается это, например, так – измеряется напряжение через  равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее  его – аналого-цифровым преобразователем (АЦП). 
 
 

Чтобы воспроизвести  закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем  сгладить получившийся ступенчатый  сигнал. 

Чем выше частота  дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен  звук, но при этом увеличивается  и размер звукового файла. Поэтому  в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. 

Описанный способ кодирования  звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой  звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному. 

Издавна используется довольно компактный способ представления  музыки – нотная запись. В ней  специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте  и как сыграть. Фактически, ее можно  считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров  и музыкальных синтезаторов разработали  стандарт, определивший такую систему  кодов. Он получил название MIDI. 

Конечно, такая система  кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится  только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые  преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет  работать с музыкой в виде обычных  нот), легкость замены инструментов, изменения  темпа и тональности мелодии. 

Есть и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них – формат MP3, позволяющий с очень большим  качеством и степенью сжатия кодировать музыку, при этом вместо 18–20 музыкальных  композиций на стандартном компакт-диске (CDROM) помещается около 200. Одна песня  занимает, примерно, 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.