Âm thanh — lấy mẫu và kích thước file
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| analogue data/ˈænəlɒɡ ˈdeɪtə/ | dữ liệu tương tự |
| digital data/ˈdɪdʒɪtl ˈdeɪtə/ | dữ liệu kỹ thuật số |
| sampling/ˈsæmplɪŋ/ | lấy mẫu |
| amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ | biên độ |
| sampling rate/ˈsæmplɪŋ reɪt/ | tần số lấy mẫu |
| sampling resolution/ˈsæmplɪŋ ˌrezəˈluːʃn/ | độ phân giải lấy mẫu |
| quantisation noise/ˌkwɒntaɪˈzeɪʃn nɔɪz/ | nhiễu lượng tử hóa |
Tại sao cuộc gọi điện thoại khiến giọng bạn nghe gầy đi
- Một cuộc gọi điện thoại lấy mẫu giọng nói của bạn 8,000 lần mỗi giây. Một đĩa CD lấy mẫu giọng nói tương tự 44,100 lần mỗi giây. Giọng nói của bạn chưa thay đổi; chiếc điện thoại chỉ loại bỏ everything trên khoảng 3.4 kHz.
- Đó là lý do cuộc gọi điện thoại nghe rất rõ nhưng thiếu trầm ấm: giọng nói nằm dưới 3.4 kHz, nhưng tiếng vang của chiêng hay âm thanh
smạnh mẽ thì không. - Sự lựa chọn này không phải do lười biếng. Đó là một phép tính: lấy mẫu đủ nhanh để truyền tải lời nói, và không nhanh hơn nữa, vì mỗi mẫu bổ sung đều tốn băng thông cho mọi cuộc gọi trong nước.
- Bài học này giải thích cách một âm thanh liên tục trở thành số, hai cài đặt kiểm soát chất lượng và kích thước, cũng như phép tính mà đề thi yêu cầu.
Tương tự và kỹ thuật số
- Âm thanh trong thế giới thực là một sóng áp suất liên tục: dữ liệu tương tự, biến đổi mượt mà và nhận vô số giá trị.
- Máy tính lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số: các số rời rạc. Chuyển đổi từ cái này sang cái kia là quá trình lấy mẫu.
- Lấy mẫu đo biên độ của sóng, tức là chiều cao của nó, theo các khoảng thời gian đều đặn, và lưu mỗi phép đo dưới dạng số nhị phân.
Sóng mượt mà trở thành một hàng số
Lấy mẫu làm gì?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Lấy mẫu biến một sóng tương tự liên tục thành các giá trị số rời rạc. Loại bỏ các tần số không nghe được là nén mất mát, một bước khác.
Hai cài đặt
- Tần số lấy mẫu là số lượng mẫu được thu thập mỗi giây, đo bằng hertz. Chất lượng CD là 44.1 kHz; điện thoại sử dụng 8 kHz.
- Độ phân giải lấy mẫu (độ sâu bit mẫu) là số bit dùng để lưu biên độ của mỗi mẫu. Chất lượng CD là 16 bits, tạo ra 65,536 mức khả năng.
- Tốc độ kiểm soát những âm cao nào được giữ lại; độ phân giải kiểm soát độ chính xác mà mỗi phép đo được lưu trữ.
Lấy mẫu âm thanh
y = a sin(bt + c)
Lấy mẫu đo một sóng âm tại các khoảng thời gian đều đặn — tốc độ cao hơn sẽ sao chép chân thực hơn.
Tần số lấy mẫu của âm thanh kỹ thuật số là:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tần số lấy mẫu = số mẫu mỗi giây (hertz). Số bit trên mỗi mẫu là độ phân giải lấy mẫu.
Sắp xếp theo thứ tự các bước để chuyển đổi âm thanh thành tập tin kỹ thuật số.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Tần số quyết định bạn đo bao nhiêu lần; độ phân giải quyết định việc làm tròn chính xác đến đâu, và chính sự làm tròn này sinh ra nhiễu lượng tử.
Kích thước tập tin âm thanh
- Đơn kênh là một kênh; âm thanh nổi là hai kênh, làm gấp đôi kích thước.
- Một đoạn mono dài 5 giây ở tần số 8 kHz và độ sâu 8 bit: tổng $8000 \times 8 \times 5 \times 1 = 320\,000$ bits, tương đương 40,000 bytes.
Một đoạn mono dài 5 giây được lấy mẫu ở $8000\ \text{Hz}$ với độ phân giải 8-bit. Dung lượng của nó tính bằng bit là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
dung lượng $= 8000 \times 8 \times 5 \times 1 = 320\,000$ bits.
Dung lượng tập tin âm thanh (bits) = tần số lấy mẫu x độ phân giải lấy mẫu x thời lượng x ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Mono là một kênh, stereo hai kênh. Bỏ qua số lượng kênh sẽ làm giảm một nửa mọi đáp án cho stereo.
Ví dụ minh họa: một bài hát CD
- Một đoạn stereo dài 10 giây được ghi ở chất lượng CD: 44.1 kHz, độ sâu 16 bit. Tìm dung lượng của nó tính bằng MiB.
- $44\,100 \times 16 \times 10 \times 2 = 14\,112\,000$ bit.
- Chia cho 8 để ra bytes: $1\,764\,000$. Chia tiếp cho $1024^2$: 1.68 MiB.
- Mọi điểm số đều nằm trong phần giải thích: bốn yếu tố, một phép chia cho 8, và tiền tố được nêu rõ. Quên hai kênh sẽ làm giảm một nửa đáp án.
Một đoạn stereo dài 10 giây được lấy mẫu ở 44100 Hz với độ phân giải 16-bit. Nó cần bao nhiêu bit?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
44100 x 16 x 10 x 2 = 14,112,000 bits, khoảng 1.68 MiB. Bỏ sót hai kênh sẽ làm giảm một nửa đáp án.
Bản ghi stereo có dung lượng gấp đôi bản ghi mono cùng tốc độ và độ phân giải.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Kênh nhân với kích thước: hai kênh nghĩa là gấp đôi số mẫu. Số lượng kênh phải nằm trong công thức.
Thay đổi cài đặt
- Tốc độ lấy mẫu cao hơn: bắt được các âm cao hơn, nên âm thanh chính xác hơn, nhưng tập tin lớn hơn.
- Độ phân giải lấy mẫu cao hơn: mỗi biên độ được lưu ở các bước nhỏ hơn, nên ít nhiễu lượng tử hơn, độ thô xuất hiện khi một giá trị mượt mà được làm tròn lên mức gần nhất; tập tin lớn hơn.
- Thấp hơn một trong hai cái: tập tin nhỏ hơn và có sự suy giảm chất lượng có thể nghe thấy. Giống như hình ảnh, hãy trả lời theo những thuật ngữ này, chứ không phải "nghe rất tệ".
Tăng tần số lấy mẫu sẽ:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tần số lấy mẫu cao hơn thu được các tần số cao hơn (chất lượng tốt hơn) nhưng làm tăng dung lượng file.
Độ phân giải mẫu cao hơn (nhiều bit hơn mỗi mẫu) làm giảm nhiễu lượng tử.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Nhiều bit hơn mang lại các bước biên độ tinh tế hơn, nên mỗi mẫu gần với giá trị thực tế hơn — ít nhiễu lượng tử hơn (nhưng file lớn hơn).
Khớp mỗi thay đổi với tác động chính của nó.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Tần số quyết định cao độ nào được giữ lại; độ phân giải quyết định việc lưu trữ mẫu chính xác đến đâu.
Ví dụ minh họa: cần lấy mẫu nhanh đến bao nhiêu?
- Tốc độ lấy mẫu phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất bạn muốn giữ lại.
- Thính giác con người đạt khoảng 20 kHz. Tần số tối thiểu để ghi lại là bao nhiêu? $2 \times 20\,000 = 40\,000$ Hz, đó là lý do CD chọn 44.1 kHz, cao hơn một chút so với mức tối thiểu.
- Điện thoại lấy mẫu ở 8 kHz. Tần số cao nhất mà nó có thể truyền tải là gì? Một nửa của 8 kHz, tức là 4 kHz, và thực tế khoảng 3.4 kHz. Giọng nói vừa khít; âm nhạc thì không.
Để thu nhận các tần số lên đến $20\,000\ \text{Hz}$, tốc độ lấy mẫu tối thiểu là bao nhiêu Hz?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Tần số lấy mẫu phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất: $2 \times 20\,000 = 40\,000\ \text{Hz}$.
Điện thoại lấy mẫu ở 8000 Hz. Tần số cao nhất về mặt lý thuyết mà nó có thể truyền tải là bao nhiêu, tính bằng Hz?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Gấp đôi tần số lấy mẫu, vì tần số phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất được giữ lại. Trong thực tế, điện thoại truyền tải khoảng 3.4 kHz.
Trao đổi chất lượng với kích thước
- Lời nói cho ghi âm giọng nói: tốc độ và độ phân giải thấp là đủ, và tập tin nhỏ.
- Âm nhạc để phát hành: cài đặt CD hoặc tốt hơn, vì người nghe cảm nhận được sự khác biệt.
- Phát trực tiếp: tốc độ và độ phân giải được chọn để phù hợp với băng thông khả dụng, sau đó nén mất dữ liệu loại bỏ thêm.
- Một câu trả lời "justification" (justifying answer) nêu cài đặt, tác động đến chất lượng và tác động đến kích thước, gắn liền với mục đích sử dụng.
Điểm số dễ mất
- Tốc độ là mẫu mỗi giây; độ phân giải là bit mỗi mẫu. Đề bài chỉ định một trong hai.
- Âm thanh nổi là hai kênh. Bỏ số lượng kênh khỏi công thức sẽ làm giảm một nửa mọi câu trả lời cho âm thanh nổi.
- Tốc độ tối thiểu là gấp đôi tần số cao nhất mong muốn, không phải bằng đúng tần số đó.
- Hãy nói nhiễu lượng tử (quantisation noise), đừng nói "nghe mờ ảo". Thuật ngữ chương trình mang điểm số.
Bạn đã nắm vững
- lấy mẫu chuyển đổi dữ liệu tương tự liên tục thành dữ liệu kỹ thuật số bằng cách đo biên độ theo các khoảng thời gian đều đặn
- Tần số lấy mẫu = mẫu mỗi giây (CD 44.1 kHz), Độ phân giải lấy mẫu = bit mỗi mẫu (CD 16)
- kích thước tính bằng bit = tốc độ $\times$ × độ phân giải $\times$ × thời lượng $\times$ × số kênh; âm thanh nổi nhân đôi kết quả
- tốc độ hoặc độ phân giải cao hơn có nghĩa là độ chính xác tốt hơn, ít nhiễu lượng tử hơn và tập tin lớn hơn; tốc độ phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất được giữ lại