Звуковая и видеоинформация

Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изображений — анимации и видеозаписей — происходило с запаздыванием относительно рассмотренных выше разновидностей информации. Заметим, что под анимацией понимается похожее на мультипликацию «оживление» изображений, но выполняемое с помощь средств компьютерной графики. Анимация представляет собой последовательность незначительно отличающихся друг от друга, полученных с помощью компьютера картинок, которые фиксируют близкие по времени состояния движения какого-либо объекта или группы объектов. Приемлемые способы хранения и воспроизведения с помощью компьютера звуковых и видеозаписей появились только в девяностых годах двадцатого века. Эти способы работы со звуком и видео получили название мультимедийных технологий.

Звук представляет собой достаточно сложное непрерывное колебание воздуха. Оказывается, что такие непрерывные сигналы можно с достаточной точностью представлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задано некоторым набором числовых параметров — амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени. Такой подход к записи звука называется преобразованием в цифровую форму, оцифровыванием или дискретизацией, так как непрерывный звуковой сигнал заменяется дискретным (то есть состоящим из раздельных элементов) набором значений сигнала в некоторые моменты времени. Количество отсчетов сигнала в единицу времени называется частотой дискретизации. В настоящее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются частоты 8, 11, 22 и 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. В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит. 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, которое имитирует 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.

Кодирование видеоинформации еще более сложная проблема, чем кодирование звуковой информации, так как нужно позаботиться не только о дискретизации непрерывных движений, но и о синхронизации изображения со звуковым сопровождением. В настоящее время для этого используется формат, которой называется AVI (Audio-Video Interleaved — чередующееся аудио и видео).

Основные мультимедийные форматы AVI и WAV очень требовательны к памяти. Поэтому на практике применяются различные способы компрессии, то есть сжатия звуковых и видеокодов. В настоящее время стандартными стали способы сжатия, предложенные MPEG (Moving Pictures Experts Group — группа экспертов по движущимся изображениям). В частности, стандарт MPEG-1 описывает несколько популярных в настоящее время форматов записи звука. Так, например, при записи в формате МР-3 при практически том же качестве звука требуется в десять раз меньше памяти, чем при использовании формата WAV. Существуют специальные программы, которые преобразуют записи звука из формата WAV в формат МР-3. Стандарт MPEG-2 описывает методы сжатия видеозаписей, которые обеспечивают телевизионное качество изображения и стереозвуковое сопровождение и имеют приемлемые требования к памяти. Совсем недавно был разработан стандарт MPEG-4, применение которого позволяет записать полнометражный цветной фильм со звуковым сопровождением на компакт-диск обычных размеров и качества.

Перед завершением обсуждения общих принципов кодирования информации хотелось бы обратить внимание на один важный момент. Возьмем какой-либо двоичный код, например 1000 1100₂. Если обратиться к приведенному выше фрагменту кодовой таблицы, то можно утверждать, что это код буквы «М». С другой стороны, можно сказать, что этим кодом задается цвет одного из пикселов монохромного изображения. Наконец, если воспользоваться правилами перевода из двоичной системы в десятичную, то можно утверждать, что это код числа +140₁₀ (в другой интерпретации это код числа -120₁₀). Что же это на самом деле?

Интерпретация, то есть истолкование смысла одного и того же машинного кода, может быть самой разной. Один и тот же код разными программами может рассматриваться и как число, и как текст, и как изображение, и как звук. Другими словами, как именно трактуется тот или иной машинный код, определяется обрабатывающей этот код программой.

Объем памяти

Важнейшей характеристикой памяти является ее объем. Объем памяти равен количеству байтов, из которых она состоит. Таким образом, основной единицей измерения объема памяти является байт. Байт как единица объема представляет собой слишком маленькую величину. Поэтому для указания объемов памяти используется ряд кратных единиц. В вычислительных машинах основной системой счисления является двоичная, поэтому кратные единицы образуются с помощью так называемой двоичной тысячи, которая равна 2¹⁰=1 024. Первая кратная единица называется Кбайт (произносится «ка байт»). 1 Кбайт равен 1 024 байтов. Иногда, для упрощения речи, эту единицу называют килобайт, что не совсем правильно, так как килобайт должен был бы быть равным ровно одной тысяче байтов, а не одной тысяче двадцати четырем. Но на практике этой небольшой разницей часто пренебрегают. Следующая кратная единица — Мбайт («эм байт» или, упрощенно, мегабайт). 1 Мбайт равен 1 024 Кбайт или 1 048 576 байтам. Далее следует Гбайт («гэ байт» или гигабайт). 1 Гбайт равен 1 024 Мбайт=1 048 576 Кбайт=1 073 741 824 байтам. И наконец, последняя из введенных на сегодняшний день единиц объема называется Тбайт («тэ байт» или терабайт). 1 Тбайт равен 1 024 Гбайт=1 048 576 Мбайт= 1 073 741 824 Кбайт=1 099 511 697 776 байтов.

Для более наглядного представления этих единиц можно сделать следующий прикидочный расчет. На одной странице книги обычного формата размещается примерно 2000-3000 символов, то есть для ее кодирования в формате ТХТ необходимо около 2-3 Кбайт машинной памяти. Таким образом, для хранения текста книги (без иллюстраций), состоящей из 500 страниц, необходимо примерно 1-1,5 Мбайт. Еще ряд примеров. Один номер четырехстраничной газеты обычного формата (размера) занимает примерно 150 Кбайт. Для одного черно-белого телевизионного кадра при 32 градациях яркости требуется около 300 Кбайт памяти. А для хранения одного полноцветного кадра — около 1 Мбайт. Полуторачасовой цветной телевизионный фильм без применения специальных форматов типа MPEG-4 требует уже примерно 150 Гбайт памяти.