Πανεπιστήμιο Αιγαίου Παιδαγωγικό Τμήμα Δημοτικής Εκπαίδευσης Χαρακτηριστικά του ψηφιακού ήχου

Ένα ηχητικό σήμα, (το οποίο δημιουργείται στο περιβάλλον), είναι αναλογικό Τα ηχητικά δεδομένα, τα οποία προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον, είναι αναλογικά.

Ο υπολογιστής έχει τη δυνατότητα να επεξεργαστεί πληροφορίες ή δεδομένα, μόνο όταν αυτά είναι σε ψηφιακή μορφή. Για να μπορέσει ο υπολογιστής να επεξεργαστεί τον ήχο, θα πρέπει αυτός να υποστεί μία κατάλληλη επεξεργασία και από αναλογικός να μετατραπεί σε ψηφιακό.

Χαρακτηριστικά του ψηφιακού δείγματος Στον ψηφιακό ήχο κάθε δειγματοληψία καθορίζεται από δύο πολύ σημαντικούς παράγοντες, από τους οποίους εξαρτάται η ηχητική πιστότητα: Το ρυθμό δειγματοληψίας (sampling rate) Το μέγεθος του δείγματος (sampling size)

Ρυθμός δειγματοληψίας Ο ρυθμός δειγματοληψίας (sampling rate) μετριέται σε KHz και καθορίζει τον αριθμό των δειγμάτων, τα οποία λαμβάνονται σε ένα αναλογικό σήμα ανά δευτερόλεπτο από τον αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των δειγμάτων ανά δευτερόλεπτο, τόσο πιστότερος θα είναι ο ήχος. Συνήθεις συχνότητες δειγματοληψίας: 8 KHz, 11,025 KHz, 22,05 KHz, 44,1 KHz.

Μέγεθος δείγματος Στον ψηφιακό ήχο το πλάτος του ηχητικού σήματος αναλύεται σε διακριτές στάθμες τάσης. Ο αριθμός των bit τα οποία χρησιμοποιούνται για τον ορισμό του πλάτους του σήματος καθορίζει το μέγεθος του δείγματος (Sampling Size) Όταν το σήμα έχει μέγεθος δείγματος 8 bit, αυτό είναι δυνατόν να αναλυθεί σε 2 8, δηλαδή σε 256 διακριτές στάθμες τάσης, ενώ ένα σήμα με μέγεθος δείγματος 16 bit μπορεί να αναλυθεί σε 2 16, δηλαδή σε διακριτές στάθμες τάσης. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του δείγματος, τόσο ποιοτικότερος θα είναι και ο ήχος.

Ρυθμός δειγματοληψίας σε sec Μέγεθος δείγματος σε bit 4 2 Ρυθμός δειγματοληψίας σε sec

Κάρτα ήχου O υπολογιστής είναι σε θέση να επεξεργαστεί μόνο ψηφιακά σήματα. Όταν εισάγουμε κάποιον αναλογικό ήχο από μία εξωτερική πηγή (π.χ. μικρόφωνο), ο ήχος θα πρέπει να μετατραπεί από αναλογικός σε ψηφιακό. Η μετατροπή του ήχου γίνεται από τους αναλογικο - ψηφιακούς μετατροπείς (ADC Analog to Digital Converters), οι οποίοι βρίσκονται στις κάρτες ήχου. Αν εισάγουμε ήχο από ένα μουσικό CD, ο υπολογιστής δε χρειάζεται να μετατρέψει το σήμα σε ψηφιακό, διότι το μουσικό αρχείο του CD είναι ήδη γραμμένο σε ψηφιακή μορφή.

Το πρότυπο MIDI Το MIDI προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Musical Instrument Digital Interface. Αποτελεί το πρότυπο για τη δημιουργία και αναπαραγωγή του ήχου. Με τη βοήθεια του MIDI έχουμε τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε ήχους τους οποίους μπορεί να δημιουργήσει μία ολόκληρη ορχήστρα με βιολιά, κιθάρες, πιάνο κλπ.

Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε ένα αρχείο με τη μορφή απλών αριθμών. Το πλεονέκτημα του MIDI είναι ότι μειώνει εξαιρετικά το μέγεθος ενός μουσικού κομματιού. Πιο συγκεκριμένα καταγράφει διαδοχικά ποια πλήκτρα πατήθηκαν από κάποιο όργανο, με πόση δύναμη και για πόσο χρονικό διάστημα.

Τα μουσικά αρχεία MP3 Ένα αρχείο MP3 δημιουργείται από ένα ψηφιακό μουσικό αρχείο, το οποίο υπάρχει σε ένα CD, αφού υποστεί συμπίεση των ηχητικών του δεδομένων, με αποτέλεσμα να έχει πολύ μικρότερο μέγεθος. Το τελικό όμως ηχητικό αποτέλεσμα παραμένει ποιοτικά το ίδιο. Ένα αρχείο MP3 έχει περίπου το 1/10 της χωρητικότητας του αντίστοιχου μουσικού αρχείου το οποίο υπάρχει σε ένα CD, ενώ η ποιότητα του ήχου είναι στερεοφωνική και ισάξια της αρχικής.

Το MP3 βασίζεται στον απωλεστικό αλγόριθμο συμπίεσης MPEG 1-Layer 3. Κατά τη διαδικασία της συμπίεσης πολλά από τα αρχικά ηχητικά δεδομένα χάνονται οριστικά. Η απώλεια των ηχητικών δεδομένων όμως γίνεται με τέτοιον τρόπο, ώστε αυτά που χάνονται δε γίνονται αντιληπτά από τον ακροατή. Η απόρριψη ή όχι των ηχητικών δεδομένων βασίζεται στις αρχές του ψυχοακουστικού μοντέλου. Δύο από τους σημαντικότερους παράγοντες του ψυχοακουστικού μοντέλου είναι η ακουστική αντίληψη και η ηχητική επικάλυψη.

Ακουστική αντίληψη Με βάση την ακουστική αντίληψη το ανθρώπινο αυτί αντιλαμβάνεται μία ορισμένη μόνο περιοχή του ακουστικού φάσματος. Ο αλγόριθμος MP3 απορρίπτει όλες εκείνες τις περιοχές του ηχητικού φάσματος οι οποίες δε γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο αυτί.

Ηχητική επικάλυψη Ο όρος αναφέρεται στην επικάλυψη των χαμηλόφωνων ήχων για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα από άλλους υψηλόφωνους (ηχητική σκίαση). Ο εγκέφαλος του ανθρώπου αδυνατεί να ξεχωρίσει τους δύο ήχους με συνέπεια να αντιλαμβάνεται μονάχα τον υψηλόφωνο. Όταν δύο συνεχόμενοι ήχοι έχουν παραπλήσια συχνότητα, το αυτί δεν είναι σε θέση να διακρίνει ποιος από τους δύο είναι πιο οξύς ή πιο μπάσος. Και σε αυτή την περίπτωση ο αλγόριθμος MP3 απορρίπτει όλες εκείνες τις πληροφορίες οι οποίες δε γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο αυτί.

Τελικά ο αλγόριθμος MP3 εκμεταλλευόμενος τις αδυναμίες της ανθρώπινης ακοής και του εγκεφάλου, κατορθώνει να συμπιέσει ένα μουσικό αρχείο απορρίπτοντας όλες τις "άχρηστες" ηχητικές πληροφορίες με εντυπωσιακά αποτελέσματα σε ό,τι αφορά την ποιότητα της μουσικής.