Итак, в ходе оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, представляющих собой стандартные амплитуды сигналов через равные промежутки времени.
Изложенный метод преобразования звуковой информации для хранения в памяти компьютера в очередной раз подтверждает тезис о том, что любая информация для хранения в компьютере приводится к цифровой форме и затем переводится в двоичную систему. Теперь мы знаем, что и звуковая информация не является исключением из этого фундаментального правила.
Остается рассмотреть обратный процесс — воспроизведение записанного в компьютерный файл звука. Здесь имеет место преобразование в противоположном направлении — из дискретной цифровой формы представления сигнала в непрерывную аналоговую, поэтому вполне естественно соответствующий узел компьютерного устройства называется ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Процесс реконструкции первоначального аналогового сигнала по имеющимся дискретным данным нетривиален, поскольку никакой информации о форме сигнала между соседними отсчетами не сохранилось. В разных звуковых картах для восстановления звукового сигнала могут использоваться различные способы. Наиболее наглядный и понятный из них состоит в том, что по имеющимся точкам рассчитывается степенная функция, проходящая через заданные точки, которая и принимается в качестве формы аналогового сигнала.
Желательно изложить
Из курса физики известно, что звук есть колебания среды. Чаще всего средой является воздух, но это совсем не обязательно. Например, звук прекрасно распространяется по поверхности земли: именно поэтому в приключенческих фильмах герои, стараясь услышать шум погони, прикладывают ухо к земле. Напротив, существует весьма эффектный школьный физический опыт, который показывает, что при откачивании воздуха мы перестаем слышать звук находящегося под герметичным колпаком звонка. Важно также подчеркнуть, что существует определенный диапазон частот, к которому принадлежат звуковые волны: примерно от нескольких десятков герц до величины немного более 20 кГц1. Значения этих границ определяются возможностями человеческого слуха.
1 Интересно сопоставить характерные звуковые частоты с тактовой частотой типового микропроцессора — различие составляет примерно 6 порядков, что говорит об огромных возможностях компьютера в обработке звуковой информации.
БИЛЕТ № 17
1. Технология решения задач с помощью компьютера (моделирование, формализация, алгоритмизация, программирование). Показать на примере задачи (математической, физической, экономической, экологической).
2. Двоичное кодирование звуковой информации. Глубина кодирования и частота дискретизации.
3. Задача. Составление таблицы истинности для логической функции, содержащей операции отрицания, (инверсию), умножения (конъюнкцию), сложения (дизъюнкцию).
1. Технология решения задач с помощью компьютера (моделирование, формализация, алгоритмизация, программирование). Показать на примере задачи (математической, физической, экономической, экологической)
Базовые понятия
Модель, идеальная и материальная модель, моделирование, компьютерное моделирование, математическое моделирование, этапы компьютерного моделирования, формализация, компьютерный эксперимент, алгоритм, программа, тестирование и отладка программы.
Обязательно изложить
В решении любой содержательной задачи с использованием компьютера можно выделить ряд этапов.
Первый этап — определение целей моделирования. Основные из них таковы:
• понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (согласно этой цели моделирования получают описательную, или дескриптивную, модель);
• научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизационные и многокритериальные модели);
• научиться прогнозировать прямые и косвенные последствия воздействия на объект (игровые и имитационные модели).
После этого переходят к формализации объекта (процесса), результатом которой и будет в нашем случае модель (математическая или информационная).
Содержательное описание процесса обычно самостоятельного значения не имеет, а служит лишь основой для дальнейшей формализации этого процесса — построения формализованной схемы и модели процесса.
Формализованная схема является промежуточным звеном между содержательным описанием и моделью и разрабатывается в тех случаях, когда из-за сложности исследуемого процесса переход от содержательного описания к модели оказывается невозможным.
Моделирование — процесс построения формальной модели реального явления и ее использование в целях исследования моделируемого явления.
Когда модель сформулирована, выбирается метод и инструментальное средство ее исследования. В зависимости от формализованной постановки задачи в качестве такого средства может выступать либо пакет прикладных программ, либо собственноручно составленная программа.
Если в качестве средства решения задачи выступает тот или иной язык программирования (впрочем, это актуально и для математических пакетов), следующий этап — разработка алгоритма и составление программы для ЭВМ (понятия алгоритма и программы подробно рассматриваются в билете 13, вопрос 1; а основы алгоритмического программирования — в билете 2, вопрос 2).
После составления программы решаем с ее помощью простейшую тестовую задачу с целью устранения грубых ошибок.
Если результаты соответствуют экспериментальным данным или нашим интуитивным представлениям, проводят расчеты по программе, данные накапливаются и соответствующим образом обрабатываются. Чаще удобной для восприятия формой представления результатов являются не таблицы значений, а графики, диаграммы. Иногда численные значения пытаются заменить аналитически заданной функцией, вид которой определяет экспериментатор. Результаты анализа и обработки полученных данных в конечном итоге попадают в отчет о проделанном эксперименте.
Примеры решения содержательных задач из различных областей см.: Шестаков А.П. Профильное обучение информатике в старших классах средней школы (10—11-е классы) на основе курса "Компьютерное математическое моделирование" (КММ) // "Информатика" № 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48/2002.
Желательно изложить
История развития технологии решения задач с использованием ЭВМ.
Примечание для учителей
Чаще всего задачи на программирование предлагаются учащимся уже в формализованном виде. На примере ряда моделей из различных областей науки и для высококачественного воспроизведения звука верхнюю границу обычно с некоторым запасом принимают равной 22 кГц. Отсюда из теоремы Найквиста следует, что частота звукозаписи в таких случаях (например, при записи музыкальных компакт-дисков) должна быть не ниже 44 кГц2. Часто такое высокое качество не требуется, и частоту дискретизации можно значительно снизить. Например, при записи речи вполне достаточно частоты дискретизации 8 кГц. Заметим, что результат при этом получается хотя и не блестящий, но легко разборчивый3 — вспомните, как вы слышите голоса своих друзей по телефону.
При оцифровке звука напрашивается линейная зависимость между величиной входного сигнала и номером уровня. Иными словами, если громкость возрастает в 2 раза, то интуитивно ожидается, что и соответствующее ему число возрастет вдвое. В простейших случаях так и делается, но это не самое лучшее решение. Причина в том, что в широком диапазоне громкости звука человеческое ухо не является линейным. Например, при очень громких звуках (когда "уши закладывает" ) увеличение или уменьшение интенсивности звука почти не дает эффекта, в то время как при восприятии шепота очень незначительное падение уровня может приводить к полной потере разборчивости. Поэтому при записи цифрового звука, особенно при 8-битном кодировании, часто используют различные неравномерные распределения уровней громкости, в основе которых лежит логарифмический закон (ц-law, A-law и другие).
Примечание для учителей
Мы рассмотрели процессы преобразования естественных звуков к виду, пригодному для хранения в компьютере, и последующего их восстановления при воспроизведении. Разумеется, не следует требовать от учеников на экзамене большего. Тем не менее, назовем некоторые интересные вопросы, связанные с компьютерной обработкой звуковой информации, которые полезно знать любому грамотному пользователю. Это, прежде всего сжатие (кто ни разу не использовал файлы МРЗ?), MIDI-запись музыки в виде необычайно компактных "нотных" команд для инструментов, форматы звуковых файлов и их особенности, возможности компьютеров в редактировании фонограмм (фильтрация, удаление помех и т.п.) и другие не менее важные и интересные темы.
Примечание для учеников
Автор советует при подготовке к экзамену прочитать полный материал вопроса, снабженный интересными примерами и иллюстрациями.
2 Обычно используется значение 44 032 Гц, которое делится нацело на 256.
3 Известно, что высокие частоты в основном влияют на "окраску" (тембр) человеческого голоса.
Ссылка на материалы по вопросу
Подробные материалы опубликованы в "Информатике" № 14, 2003. Электронная версия имеется на сайте редакции по адресу http:/ /inf.lsepteniber.ru/ eremin/emc/theory/info/Ъ17__2.html.
По поводу непрерывной и дискретной информации можем порекомендовать почитать ответ на "старый вопрос 3 билета 10, опубликованный в "Информатике" № 14, 2003 (также доступно в Интернете по ссылке из списка литературы предыдущего вопроса).