Том 12. Числа-основа гармонии. Музыка и математика

Иными словами, звуковая информация передается с фиксированной скоростью. Аналоговые звуковые системы работают с неизменной скоростью передачи информации: заметьте, что скорость вращения пластинки или магнитофонной ленты при записи или воспроизведении не меняется. Аналогово-цифровое преобразование звука также выполняется с фиксированной скоростью. При этом генерируется файл с «сырым», необработанным звуком. «Сырой» звук CD-качества содержит много информации; следовательно, для его хранения требуются файлы большого размера, а для передачи — канал большой пропускной способности. Неизбежно встает вопрос о сжатии этой информации.

Сжатие

Сжатие данных — это процесс, позволяющий кодировать цифровую информацию с помощью меньшего количества бит. Для сжатия цифрового аудио используются форматы MP3, FLAC, Vorbis и другие. Эти форматы позволяют уменьшить размер звуковых файлов и быстрее передавать их. Однако и при передаче, и при воспроизведении требуется распаковка данных.

Сжатие данных может выполняться с помощью различных алгоритмов. Существуют два основных вида алгоритмов сжатия — с потерями или без потерь информации. Сжатие с потерями приводит к необратимому ухудшению качества звука. При сжатии без потерь качество звука не снижается, что позволяет при необходимости полностью восстановить исходный звук. В форматах сжатия произвольной информации (ZIP, RAR, ARJ и других) используются алгоритмы сжатия без потерь, в противном случае при сжатии и последующей распаковке данных терялись бы некоторые буквы и слова.

Также важно учитывать скорость работы алгоритмов: более сложный алгоритм может обеспечить более высокую степень сжатия, но если время сжатия и распаковки слишком велико, такой алгоритм может оказаться непригодным для передачи звука в реальном времени.

Какой формат лучше? Когда удобно использовать сжатие информации? В каждом отдельном случае баланс между качеством звука и экономией занимаемого места на диске и времени передачи определяется индивидуально. Очевидно, что профессионалы отдают предпочтение сохранению качества. В других случаях, например, при потоковой передаче или телефонной связи, предпочтительнее использовать сжатие информации.

Способы сжатия

В одном из основных методов сжатия используется поиск повторяющихся значений и закономерностей. Как можно сжать следующие последовательности бит?

1) 111111111111111111111111111111111…

2) 101101110111101111101111110111111…

3) 11010110001011010000101001110010…

Чтобы понять, как работает алгоритм сжатия, представьте, что нам нужно передать другому человеку такой набор инструкций, чтобы он смог воспроизвести исходное сообщение.

Передать первую последовательность нетрудно, достаточно дать команду «всегда записывать 1».

Команда для второй последовательности несколько сложнее: «Записывать каждый раз на 1 больше, разделяя группы единиц нулями».

Третья последовательность — самая сложная. Ее нерегулярность не позволяет сформировать набор инструкций, которые помогли бы существенно сэкономить время по сравнению с последовательной передачей исходных значений.

Распознавание закономерностей используется преимущественно при сжатии текстов и изображений. Однако информация, содержащаяся в звуковых файлах, имеет по большей части хаотичный характер, поэтому вышеописанные методы не позволяют достичь хорошей степени сжатия. Следовательно, при сжатии аудио с потерей данных используются другие приемы, например методы психоакустики. Один из таких приемов заключается в определении и устранении информации, «незначимой для восприятия» (это определение можно трактовать абсолютно по-разному). Иными словами, не производится кодирование звуков, которые неразличимы слушателем.

Другой прием — так называемое формирование шума (noise shaping), при котором шумы смещаются в спектр частот, менее заметных для слушателя, и воспринимаемый сигнал кажется более чистым. Разумеется, всегда можно уменьшить частоту дискретизации и число бит, используемых при кодировании.

MIDI

MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — «Цифровой интерфейс музыкальных инструментов») — это набор команд, разработанный в 1982 году для связи компьютеров и электронных музыкальных инструментов.

Инструкции в формате MIDI хранятся в файлах, которые можно воспроизвести в любой момент. Так как эти файлы содержат только последовательность инструкций, они имеют намного меньший размер, чем обычные аудиофайлы. MIDI-файл можно назвать цифровой партитурой. Он состоит из последовательно записанных событий и команд. Эти события описывают множество параметров звука: его высоту, интенсивность, вибрато, звуковую панораму.