Формула записи звука в егэ по информатике

Седьмое задание из ЕГЭ по информатике 2022. Отличное задание, которое нужно решать!

Данное задание проверяет умение определять объём памяти, необходимый для хранения графической и звуковой информации.

Приступим к примерным вариантам из ЕГЭ по информатике.

Задача (классика, количество цветов изображения)

Какое максимальное количество цветов может быть в палитре неупакованного растрового изображения, имеющего размер 1024 * 256 пикселей и занимающего на диске не более 165 кб.

Решение:

1. Найдём сколько будет весить один пиксель! У нас всего 1024 * 256 пикселей. Берём максимально возможный объём картинки (165 Кб) и разделим его на количество пикселей.

Важно: Мы не пытаемся сразу вычислить, например, количество пикселей во всём изображении. А записываем сначала в виде действия 1024 * 256. Когда уже получается дробь, пытаемся сократить эту дробь по максимуму. Это позволяет экономить силы при решении седьмого задания из ЕГЭ по информатике 2022.

Нам нужно найти: сколько именно целых бит занимает один пиксель. Округляем количество бит в меньшую сторону, потому что мы не можем «перевалить» за максимальную отметку 165 Кб для всего изображения.

Применим формулу, которую нужно твёрдо знать для решения 7 задания из ЕГЭ по информатике.

Ответ: 32

Задача (Резервирование памяти)

Какой минимальный объём памяти (в Кбайт) нужно зарезервировать, чтобы можно было сохранить любое растровое изображение размером 64 * 256 пикселей при условии, что в изображении могут использоваться 4 различных цвета? В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

Решение:

Задача обратная предыдущей. Первый вопрос на который нужно ответить: сколько весит 1 пиксель? Снова используется формула N = 2 ⁱ.

Видно, что 1 пиксель имеет объём i = 2 бита. Количество пикселей в изображении равно 64 * 256. Важно опять умножать эти два числа не сразу. Тогда объём картинки будет равен: количество пикселей (64 * 256) умножить на объём одного пикселя (2 бита).

В подобных задачах из ЕГЭ по информатике фишка в том, чтобы составить дробь и потом сократить её, тем самым вычисление делается без калькулятора и без лишних усилий.

Ответ: 4

Задача (работа со звуком)

Производится звукозапись музыкального фрагмента в формате квадро (четырёхканальная запись) с частотой дискретизации 16 кГц и 24-битным разрешением. Результаты записываются в файл, сжатие данных не производится; размер полученного файла 60 Мбайт. Затем производится повторная запись этого же фрагмента в формате стерео (двухканальная запись) с частотой дискретизации 64 кГц и 16-битным разрешением. Сжатие данных не производилось. Укажите размер файла в Мбайт, полученного при повторной записи. В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

Решение:

Общая формула для решения 7-ого задания на тему звуковых файлов из ЕГЭ по информатике.

Её легко запомнить. Объём записанного файла равен произведению всех остальных параметров. Важно соблюдать единицы измерения.

Распишем формулу дискретизации для первой звукозаписи и для второй. В первом случае у нас режим квадро, значит, нужно к произведению добавить ещё 4. Во втором случае режим стерео, значит, должны поставить коэффициент 2. Т.к. производилась запись этого же фрагмента, то время в обоях случаях одинаковое.

Выражаем время из первого уравнения и подставляем во второе.

Опять удобно решать с помощью сокращение дробей.

Ответ: 80

Закрепим результат, решив ещё одну тренировочную задачу из ЕГЭ по информатике 2021.

Задача (ЕГЭ по информатике 2020, Досрочная волна)

Музыкальный фрагмент был записан в формате квадро (четырёхканальная запись), оцифрован и сохранён в виде файла без использования сжатия данных. Размер полученного файла без учёта размера заголовка файла – 12 Мбайт. Затем тот же музыкальный фрагмент был записан повторно в формате моно и оцифрован с разрешением в 2 раза выше и частотой дискретизации в 1,5 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Укажите размер в Мбайт файла, полученного при повторной записи. В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно. Искомый объём не учитывает размера заголовка файла.

Решение:

Вначале выписываем формулу для первого файла и для второго файла. Подставляем всё, что нам известно.

Для второго звукового файла коэффициенты все переносим в одну сторону.

Выражаем из первого уравнения произведение M * i * t и подставляем его во второе уравнение.

После небольших сокращений получаем 4 Мб для второго звукового файла.

Время было для обоих файлов одинаковым, потому что было сказано, что тот же музыкальный файл перезаписали второй раз с другими параметрами.

Ответ: 4

Удачи при решении 7 задания из ЕГЭ по информатике 2022!

Автор материалов — Лада Борисовна Есакова.

При оцифровке звука в памяти запоминаются только отдельные значения сигнала. Чем чаще записывается сигнал, тем лучше качество записи.

Частота дискретизации f – это количество раз в секунду, которое происходит преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой. Измеряется в Герцах (Гц).

Глубина кодирования (а также, разрешение) – это количество бит, выделяемое на одно преобразование сигнала. Измеряется в битах (Бит).

Возможна запись нескольких каналов: одного (моно), двух (стерео), четырех (квадро).

Обозначим частоту дискретизации – f (Гц), глубину кодирования – B(бит), количество каналов – k, время записи – t(Сек).

Количество уровней дискретизации d можно рассчитать по формуле: d = 2^B.

Тогда объем записанного файла V(бит)  = f * B * k * t.

Или, если нам дано количество уровней дискретизации,

V(бит)  = f * log₂d * k * t.

Единицы измерения объемов информации:

1 б (байт) = 8 бит

1 Кб (килобайт) = 2¹⁰ б

1 Мб (мегабайт) = 2²⁰ б

1 Гб (гигабайт) = 2³⁰ б

1 Тб (терабайт) = 2⁴⁰ б

1 Пб (петабайт) = 2⁵⁰ б

При оцифровке графического изображения качество картинки зависит от количества точек и количества цветов, в которые можно раскрасить точку.

Если X – количество точек по горизонтали,

Y – количество точек по вертикали,

I – глубина цвета (количество бит, отводимых для кодирования одной точки), то количество различных цветов в палитре N = 2^I. Соответственно, I = log₂N.

Тогда объем файла, содержащего изображение, V(бит) = X * Y * I

Или, если нам дано количество цветов в палитре, V(бит) = X * Y * log₂N.

Скорость передачи информации по каналу связи (пропускная способность канала) вычисляется как количество информации в битах, переданное за 1 секунду (бит/с).

Объем переданной информации вычисляется по формуле V = q * t, где q – пропускная способность канала, а t – время передачи.

Кодирование звука

Пример 1.

Производится двухканальная (стерео) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и глубиной кодирования 32 бит. Запись длится 12 минут, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какое из приведенных ниже чисел наиболее близко к размеру полученного файла, выраженному в мегабайтах?

1) 30               2) 45           3)  75         4)  90

Решение:

V(бит)  = f(Гц)* B(бит) * k * t(Сек),

где V – размер файла, f – частота дискретизации, B – глубина кодирования, k – количество каналов, t – время.

Значит, V(Мб) = (f * B * k * t ) / 2²³

Переведем все величины в требуемые единицы измерения:

V(Мб) = (16*1000 * 32 * 2 * 12 * 60 ) / 2²³

Представим все возможные числа, как степени двойки:

V(Мб) = (2⁴ * 2³ * 125 * 2⁵ * 2 * 2² * 3 * 15 * 2²) / 2²³ = (5625 * 2¹⁷) / 2²³ = 5625 / 2⁶ =

5625 / 64 ≈ 90.

Ответ: 4

!!! Без представления чисел через степени двойки вычисления становятся намного сложнее.

!!! Частота – это физическая величина, а потому 16 кГц = 16 * 1000 Гц, а не 16 * 2¹⁰. Иногда этой разницей можно пренебречь, но на последних диагностических работах она влияла на правильность ответа.

Пример 2.

В те­че­ние трех минут про­из­во­ди­лась четырёхка­наль­ная (квад­ро) зву­ко­за­пись с ча­сто­той дис­кре­ти­за­ции 16 КГц и 24-бит­ным раз­ре­ше­ни­ем. Сжа­тие дан­ных не про­из­во­ди­лось. Какая из при­ве­ден­ных ниже ве­ли­чин наи­бо­лее близ­ка к раз­ме­ру по­лу­чен­но­го файла?

1) 25 Мбайт

2) 35 Мбайт

3) 45 Мбайт

4) 55 Мбайт

Решение:

V(бит)  = f(Гц)* B(бит) * k * t(Сек),

где V – размер файла, f – частота дискретизации, B – глубина кодирования (или разрешение), k – количество каналов, t – время.

Значит, V(Мб) = (f * B * k * t ) / 2²³ = (16 * 1000 * 24 * 4 * 3 * 60) / 2²³ = (2⁴ * 2³ * 125 * 3 * 2³ * 2² * 3 * 15 * 2²) / 2²³ = (125 * 9 * 15 * 2¹⁴) / 2²³ = 16875 / 2⁹ = 32, 96 ≈ 35

Ответ: 2

Пример 3.

Ана­ло­го­вый зву­ко­вой сиг­нал был записан сна­ча­ла с ис­поль­зо­ва­ни­ем 64 уров­ней дис­кре­ти­за­ции сиг­на­ла, а затем с ис­поль­зо­ва­ни­ем 4096 уров­ней дис­кре­ти­за­ции сиг­на­ла. Во сколь­ко раз уве­ли­чил­ся ин­фор­ма­ци­он­ный объем оциф­ро­ван­но­го звука?

            1) 64

2) 8

3) 2

4) 12

Решение:

V(бит)  = f * log₂d * k * t, где V – размер файла, f – частота дискретизации, d – количество уровней дискретизации, k – количество каналов, t – время.

V₁ = f * log₂64 * k * t = f * 6 * k * t

V₂ = f * log₂4096 * k * t = f * 12 * k * t

V₂ / V₁ = 2

Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 3.

Ответ: 3

Кодирование изображения

Пример 4.

Какой минимальный объём памяти (в Кбайт) нужно зарезервировать, чтобы можно было сохранить любое растровое изображение размером 64×64 пикселей при условии, что в изображении могут использоваться 256 различных цветов? В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

Решение:

V(бит) = X * Y * log₂N, где V – объем памяти, X,Y – количество пикселей по горизонтали и вертикали, N – количество цветов.

V (Кб) = (64 * 64 * log₂256) / 2¹³ = 2¹² * 8 / 2¹³ = 4

Ответ: 4

Пример 5.

Для хранения растрового изображения размером 64×32 пикселя отвели
1 килобайт памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Решение:

V(бит) = X * Y * log₂N, где V – объем памяти, X,Y – количество пикселей по горизонтали и вертикали, N – количество цветов.

log₂N = V /( X*Y) = 2¹³ / (2⁶ * 2⁵) = 4

N = 16

Ответ:16

Сравнение двух способов передачи данных

Пример 6.

До­ку­мент объ­е­мом 5 Мбайт можно пе­ре­дать с од­но­го ком­пью­те­ра на дру­гой двумя спо­со­ба­ми:

А) Сжать ар­хи­ва­то­ром, пе­ре­дать архив по ка­на­лу связи, рас­па­ко­вать.

Б) Пе­ре­дать по ка­на­лу связи без ис­поль­зо­ва­ния ар­хи­ва­то­ра.

Какой спо­соб быст­рее и на­сколь­ко, если

– сред­няя ско­рость пе­ре­да­чи дан­ных по ка­на­лу связи со­став­ля­ет 2¹⁸ бит в се­кун­ду,

– объем сжа­то­го ар­хи­ва­то­ром до­ку­мен­та равен 80% от ис­ход­но­го,

– время, тре­бу­е­мое на сжа­тие до­ку­мен­та – 35 се­кунд, на рас­па­ков­ку – 3 се­кун­ды?

В от­ве­те на­пи­ши­те букву А, если спо­соб А быст­рее или Б, если быст­рее спо­соб Б. Сразу после буквы на­пи­ши­те ко­ли­че­ство се­кунд, на­сколь­ко один спо­соб быст­рее дру­го­го. Так, на­при­мер, если спо­соб Б быст­рее спо­со­ба А на 23 се­кун­ды, в от­ве­те нужно на­пи­сать Б23. Слов «се­кунд», «сек.», «с.» к от­ве­ту до­бав­лять не нужно.

Решение:

Спо­соб А. Общее время скла­ды­ва­ет­ся из вре­ме­ни сжа­тия, рас­па­ков­ки и пе­ре­да­чи. Время пе­ре­да­чи t рас­счи­ты­ва­ет­ся по фор­му­ле t = V / q, где V — объём ин­фор­ма­ции, q — скорость пе­ре­да­чи дан­ных.

Объем сжатого документа: 5 * 0,8 = 4 Мб =4 * 2²³ бит.

Найдём общее время: t = 35 с + 3 с + 4 * 2²³ бит / 2¹⁸ бит/с = 38 + 2⁷ с = 166 с.

Спо­соб Б. Общее время сов­па­да­ет с вре­ме­нем пе­ре­да­чи: t = 5 * 2²³ бит / 2¹⁸ бит/с = 5 * 2⁵ с = 160 с.

Спо­соб Б быст­рее на 166 — 160 = 6 с.

Ответ: Б6

Определение времени передачи данных

Пример 7.

Ско­рость пе­ре­да­чи дан­ных через ADSL─со­еди­не­ние равна 128000 бит/c. Через дан­ное со­еди­не­ние пе­ре­да­ют файл раз­ме­ром 625 Кбайт. Опре­де­ли­те время пе­ре­да­чи файла в се­кун­дах.

Решение:

Время t = V / q, где V — объем файла, q — скорость пе­ре­да­чи дан­ных.

t = 625 * 2¹⁰ байт / (2 ⁷ * 1000) бит/c = 625 * 2¹³ бит / (125 * 2¹⁰) бит/c = 5 * 2³ с = 40 с.

Ответ: 40

Пример 8.

У Васи есть до­ступ к Ин­тер­нет по вы­со­ко­ско­рост­но­му од­но­сто­рон­не­му ра­дио­ка­на­лу, обес­пе­чи­ва­ю­ще­му ско­рость по­лу­че­ния им ин­фор­ма­ции 2¹⁷ бит в се­кун­ду. У Пети нет ско­рост­но­го до­сту­па в Ин­тер­нет, но есть воз­мож­ность по­лу­чать ин­фор­ма­цию от Васи по низ­ко­ско­рост­но­му те­ле­фон­но­му ка­на­лу со сред­ней ско­ро­стью 2¹⁵ бит в се­кун­ду. Петя до­го­во­рил­ся с Васей, что тот будет ска­чи­вать для него дан­ные объ­е­мом 4 Мбай­та по вы­со­ко­ско­рост­но­му ка­на­лу и ре­транс­ли­ро­вать их Пете по низ­ко­ско­рост­но­му ка­на­лу. Ком­пью­тер Васи может на­чать ре­транс­ля­цию дан­ных не рань­ше, чем им будут по­лу­че­ны пер­вые 512 Кбайт этих дан­ных. Каков ми­ни­маль­но воз­мож­ный про­ме­жу­ток вре­ме­ни (в се­кун­дах), с мо­мен­та на­ча­ла ска­чи­ва­ния Васей дан­ных, до пол­но­го их по­лу­че­ния Петей? В от­ве­те ука­жи­те толь­ко число, слово «се­кунд» или букву «с» до­бав­лять не нужно.

Решение:

Нужно опре­де­лить, сколь­ко вре­ме­ни будет пе­ре­да­вать­ся файл объ­е­мом 4 Мбай­та по ка­на­лу со ско­ро­стью пе­ре­да­чи дан­ных 2¹⁵ бит/с; к этому вре­ме­ни нужно до­ба­вить за­держ­ку файла у Васи (пока он не по­лу­чит 512 Кбайт дан­ных по ка­на­лу со ско­ро­стью 2¹⁷ бит/с).

Время скачивания дан­ных Петей: t₁= 4*2²³ бит / 2¹⁵ бит/с = 2¹⁰ c.

Время за­держ­ки: t₂ = 512 кб / 2¹⁷ бит/с = 2^{(9 + 10 + 3) — 17} c = 2⁵ c.

Пол­ное время: t₁ + t₂ = 2¹⁰ c + 2⁵ c = (1024 + 32) c = 1056 c.

Ответ: 1056

Пример 9.

Данные объемом 60 Мбайт передаются из пункта А в пункт Б по каналу связи, обеспечивающему скорость передачи данных 2¹⁹ бит в секунду, а затем из пункта Б в пункт В по каналу связи, обеспечивающему скорость передачи данных 2²⁰ бит в секунду. Задержка в пункте Б (время между окончанием приема данных из пункта А и началом передачи в пункт В) составляет 25 секунд. Сколько времени (в секундах) прошло с момента начала передачи данных из пункта А до их полного получения в пункте В? В ответе укажите только число, слово «секунд» или букву «с» добавлять не нужно.

Решение:

Полное время складывается из времени передачи из пункта А в пункт Б (t₁), задержки в пункте Б (t2) и времени передачи из пункта Б в пункт В (t₃).

t₁ = (60 * 2²³) / 2¹⁹ =60 * 16 = 960 c

t₂ = 25 c

t₃ = (60 * 2²³) / 2²⁰ =60 * 8 = 480 c

Полное время t₁ + t₂ +t₃ = 960 + 25 + 480 = 1465 c

Ответ: 1465

Всего: 92    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

Всего: 92    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

1. Общие сведения

2. Пример задания

3. Советы учителям и ученикам 

4. Задачи для самостоятельного решения

5. Дополнение. Некоторые сведения о цифровой звукозаписи.

6.  Решения задач с сайта ege.yandex.ru

7. История

1. Общие сведения

Сложность: базовая.

Примерное время решения (для тех, кто будет выполнять часть 2):  2 минуты

Тема: Создание и обработка графической и мультимедийной информации

Подтема: Цифровая звукозапись

Что проверяется: Умение оценивать количественные характеристики процесса записи звука.

Краткие теоретические сведения: Поскольку данный тип задания является новым в КИМ ЕГЭ, приведем (пока без обоснования, обоснование ниже) математическую модель процесса звукозаписи:

N = k * F * L *T                                              (1)

где

• • N – размер файла (в битах) , содержащего запись звука;
• • k —  количество каналов записи (например, 1 – моно, 2 – стерео, 4 – квадро и т.д.);
• • F – частота дискретизации (в герцах), т.е. количество значений амплитуды звука фиксируемых за одну секунду;
• • L – разрешение, т.е. число бит, используемых для хранения каждого измеренного значения;
• • T – продолжительность звукового фрагмента (в секундах).

 Как может выглядеть задание?  Например, так:  Заданы значения всех требуемых параметров процесса звукозаписи, кроме одного. Требуется оценить значение оставшегося параметра, например, размер файла или продолжительность звукового фрагмента.

Пример условия:

Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 24-битным разрешением. Запись длится 1 минуту, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

Варианты ответов:

1) 0,2 Мбайт

2) 2 Мбайт

3) 3 Мбайт

4) 4 Мбайт

2. Пример задания 

2.1. Условие задачи.

Задача 2012-А8-1.

Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 24-битным разрешением. Запись длится 1 минуту, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 0,2 Мбайт            2) 2 Мбайт            3) 3 Мбайт            4) 4 Мбайт

2.2. Решение. 

Приводим исходные данные к размерности биты-секунды-герцы и проводим расчеты по формуле (1):

Дано:

k = 1, т.к. одноканальная (моно) звукозапись;

F = 16 кГц = 16 000 Гц;

L = 24;

T = 1 мин = 60 с.

Найти N  

Подставляем значение известных параметров в формулу (1)

N = 1*16000*24*60 =(16*1000)* (8*3) * (4*15)=

              = 2⁴*(2³*125)*(2³*3)* )*(2²* 15) = 2¹²*5625 (бит)=

               = 2¹²*5625 бит = (2¹²*5625)/2³ байт = 2⁹*5625 байт =

              = (2⁹*5625)/ 2²⁰ Мбайт =  5625/2¹¹ Мбайт = 5625/2048 Мбайт.

Число 5625/2048 находится между числами 2 и 3. При этом оно ближе к 3, чем к 2, т.к. 3 * 2048 – 5625 < 1000; 5625 — 2 * 2048 > 1000.

Правильный вариант ответа: №3 (3 Мбайт)

Замечание. Другая идея решения приведена в п.3.3

3. Советы учителям и ученикам 

3.1  Какие знания/умения/навыки нужны ученику, чтобы решить эту задачу 

1) Не следует «зазубривать» формулу (1). Ученик, представляющий суть процесса цифровой звукозаписи, должен быть способен самостоятельно её сформулировать.

2) Необходимо умение записывать значения параметров в требуемой размерности, а также элементарные арифметические навыки, в т.ч. оперирование со степенями двойки.

3.2. Рекомендации для учителей: как разбирать задачу с учениками

Эти рекомендации – не догма, а попытка сделать выводы из собственного опыта. Ждем комментариев и Ваших рекомендаций.

А. Сильные ученики. 

1. Скорее всего, они и так решат эту задачу.

2. Можно дать задание ученикам проверить формулу (1) на практике, записывая в файл звук с микрофона. При этом следует учесть, что она справедлива только в том случае, если записываемая информация не подвергается сжатию (формат WAV (PCM) без сжатия). Если используются аудиоформаты со сжатием (WMA, MP3), то объем получившегося файла будет по понятным причинам существенно меньше расчетного.  Для экспериментов с цифровой звукозаписью можно использовать свободно распространяемый аудиоредактор Audacity (http://audacity.sourceforge.net/).

3. Целесообразно подчеркнуть концептуальную общность растрового представления звука и изображения, являющихся разновидностями одного и того же процесса приближенного представления непрерывного сигнала последовательность коротких дискретных сигналов, т.е.  оцифровывания на основе дискретизации. В случае растрового изображения производится двумерная дискретизизация яркости в пространстве, в случае звука – одномерная дискретизация по времени. И в том, и в другом случае повышение частоты дискретизации (количества пикселей или звуковых отсчетов) и/или увеличение количества битов для представления одного отсчета (разрядность цвета или звука) ведет к повышению качества оцифровки, при одновременном росте размера файла с цифровым представлением. Отсюда – необходимость сжатия данных.

4. Желательно упомянуть об альтернативных способах оцифровки звука – запись «партий» инструментов в MIDI-формате. Здесь уместно провести аналогию с растровым и векторным представлением изображений.

Б. Не столь сильные ученики. 

1. Необходимо обеспечить усвоение соотношения (1). Рекомендуется дать задания типа «Как изменится объем файла, если время записи звучания увеличить/уменьшить в p раз? »,

«Во сколько раз можно увеличить/уменьшить продолжительность записи, если максимальный размер файла увеличить/уменьшить в p раз? », «Как изменится объем файла, если количество бит для записи одного значения  увеличить/уменьшить в p раз?» и т.д.

2. Необходимо  убедиться, что учащиеся свободно оперируют размерностями, знают, что в Мбайте 2²³ бит и т.д.

3. Необходимо  убедиться, что учащиеся достаточно арифметически грамотны, свободно владеют устным счетом со степенями двойки (умножение, деление, выделение сомножителей, представляющих собой 2ⁿ).

4. Придумывайте свои подходы и пробуйте их.

3.3. Полезный прием.

В подобных задачах часто возникают степени двойки. Перемножать и делить степени проще, чем произвольные числа: умножение и деление степеней сводится к сложению и вычитанию показателей.

Заметим, что числа 1000 и 1024 отличаются менее, чем на 3%, числа 60 и 64 отличаются менее, чем на 7%. Поэтому можно поступить так. Провести вычисления, заменив 1000 на 1024 = 2¹⁰ и 60 на 64 = 2⁶, используя преимущества операций со степенями. Ближайший к полученному числу ответ и будет искомым. Можно после этого перепроверить себя, проведя точные вычисления. Но можно учесть, что общая погрешность вычислений при нашем приближении не превышает 10%. Действительно, 60*1000 = 60000; 64*1024=65536;

60000 > 0.9 * 65536 = 58982.4

Таким образом, правильный результат умножений по формуле (1) немного больше, чем 90% от полученного приближенного результата. Если учет погрешности не меняет результата – можно не сомневаться в ответе.

Пример. (ege.yandex.ru, вариант 1).

Производится двухканальная (стерео) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 12 минут, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 30 Мбайт               2) 60 Мбайт               3) 75 Мбайт               4) 90 Мбайт

Решение. Размер записи в битах равен

2*16*1000*32*12*60

С учетом замены 1000 на 1024=2¹⁰ и 60 на 64=2⁶ получим:

2¹*2⁴*2¹⁰*2⁵*3*2²*2⁶=3*2²⁸

Как известно, 1 Мбайт = 2²⁰ байт = 2²³ бит. Поэтому 3*2²⁸ бит = 3*32 = 96 Мбайт. Уменьшив это число на 10%, получим 86.4 Мбайт. В обоих случаях ближайшей величиной является 90 Мбайт.

Правильный ответ: 4

3.4. Рекомендации для учеников: как решать подобные задачи

1. Прочитайте условие задачи. Выразите неизвестный параметр через известные. Особое внимание обратите, на размерность известных параметров. Она должна быть – биты-секунды-герцы (напомним, что 1 Гц = с^-1). При необходимости, приведите значения параметров к нужной размерности, так же как это делается в задачах по физике.

2. Проводите вычисления, стараясь выделять степени двойки.

3. Обратите внимание, что в условии требуется выбрать наиболее подходящий ответ, поэтому высокая точность  вычислений до знаков после запятой не требуется. Как только стало ясно, какой из вариантов ответов наиболее близок к вычисляемому значению, вычисления следует прекратить. Если расхождение со всеми вариантами ответов очень велико (в разы или на порядок), то вычисления надо перепроверить.

Удачи!

4. Задачи для самостоятельного решения

4.1. Клоны задачи 2012-А8-1.

Ниже приведены еще четыре варианта задачи 2012-А8-1.

А) Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 32 кГц и 24-битным разрешением. Запись длится 15 секунд, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 1,5 Мбайт 2) 3 Мбайт 3) 6 Мбайт 4) 12 Мбайт

Б) Производится двухканальная (стерео) звукозапись с частотой дискретизации 32 кГц и 24-битным разрешением. Запись длится 30 секунд, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 1,5 Мбайт 2) 3 Мбайт 3) 6 Мбайт 4) 12 Мбайт

В)  Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 2 минуты, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 2 Мбайт 2) 4 Мбайт 3) 8 Мбайт 4) 16 Мбайт

Г)  Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 4 минуты, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к размеру полученного файла?

1) 2 Мбайт 2) 4 Мбайт 3) 8 Мбайт 4) 16 Мбайт

Правильные ответы:

А:1; Б:3; В:3; Г:4.

4.2. Задача 2012-А8-2(обратная к предыдущей).

A) Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 24-битным разрешением.  Результаты записываются в файл, размер которого не может превышать 8 Мбайт, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к максимально возможной длительности записываемого звукового фрагмента?

1) 1минута 2) 30 секунд 3) 3 минуты 4) 90 секунд

Б) Производится двухканальная (стерео) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 24-битным разрешением.  Результаты записываются в файл, размер которого не может превышать 8 Мбайт, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к максимально возможной длительности записываемого звукового фрагмента?

1) 1минута 2) 30 секунд 3) 3 минуты 4) 90 секунд

В) Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 48 кГц и 8-битным разрешением.  Результаты записываются в файл, размер которого не может превышать 2,5 Мбайт, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к максимально возможной длительности записываемого звукового фрагмента?

1) 1минута 2) 30 секунд 3) 3 минуты 4) 90 секунд

Г) Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 48 кГц и 16-битным разрешением.  Результаты записываются в файл, размер которого не может превышать 5 Мбайт, сжатие данных не производится. Какая из приведенных ниже величин наиболее близка к максимально возможной длительности записываемого звукового фрагмента?

1) 1минута 2) 30 секунд 3) 3 минуты 4) 90 секунд

Правильные ответы:

А:3; Б: 4 ; В: 1; Г:1 .

5.Дополнение. Некоторые сведения о цифровой звукозаписи.

Распространение звука в воздухе можно рассматривать как распространение колебаний давления. Микрофон преобразует колебания давления в колебания электрического тока. Это аналоговый непрерывный сигнал. Звуковая плата обеспечивает дискретизацию входного сигнала от микрофона. Это делается следующим образом – непрерывный сигнал заменяется последовательностью измеренных с определенной точностью значений.

Пример:

График аналогового сигнала:

  Дискретное представление этого же сигнала (41 измеренное значение):

Дискретное представление этого же сигнала (161 измеренное значение, более высокая частота дискретизации):

Видно, что чем выше частота дискретизации, тем выше качество приближенного (дискретного) сигнала. Кроме частоты дискретизации, на качество оцифрованного сигнала влияет количество двоичных разрядов, отводимых для записи каждого значения сигнала. Чем больше бит отводится под каждое значение, тем более точно можно оцифровать сигнал.

Пример 2-х битного представления этого же сигнала (двумя разрядами можно пронумеровать только 4 возможных уровня величины сигнала):

Теперь можно выписать зависимость для размера файла с оцифрованным звуком

размер_файла = (количество_значений,_фиксируемых_за_1_секунду)*

*( количество_двоичных_разрядов_для_записи_одного_значения )*

*(число_секунд_записи).

Учитывая возможность одновременной записи звука с нескольких микрофонов (стерео-, квадро- запись и т.д.), что делается для усиления реалистичности при воспроизведении, получаем формулу (1).

При воспроизведении звука цифровые значения преобразуются в аналоговые. Электрические колебания, передаваемые на динамики, преобразуются ими снова в колебания давления воздуха.

Цель. Осмыслить процесс преобразования звуковой
информации, усвоить понятия необходимые для подсчета объема звуковой
информации. Научиться решать задачи по теме.

Цель-мотивация. Подготовка к ЕГЭ.

План урока

1. Просмотр презентации по теме с комментариями учителя. Приложение
1

Материал презентации: Кодирование звуковой информации.

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили
возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий
звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и
воспроизводить звуковую информацию.

Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в
памяти компьютера:

Процесс воспроизведения звуковой информации, сохраненной
в памяти ЭВМ:

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно
меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для
человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Программное обеспечение
компьютера в настоящее время позволяет непрерывный звуковой сигнал
преобразовывать в последовательность электрических импульсов, которые можно
представить в двоичной форме. В процессе кодирования непрерывного звукового
сигнала производится его временная дискретизация. Непрерывная
звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для
каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от
времени A(t) заменяется
на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как
замена гладкой кривой на последовательность «ступенек».Каждой «ступеньке»
присваивается значение уровня громкости звука, его код(1, 2, 3 и так

далее). Уровни громкости звука можно рассматривать как
набор  возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней
громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество
информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет
звучание.

Аудиоадаптер (звуковая плата) — специальное
устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования
электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе
звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические
колебания) при воспроизведении звука.

В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом
измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код
полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в
оперативную память компьютера. Качество компьютерного звука определяется
характеристиками аудиоадаптера:

• Частотой дискретизации
• Разрядностью(глубина звука).

Частота временной дискретизации

— это количество измерений входного сигнала за 1 секунду.
Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за одну секунду соответствует
частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1 килогерц (кГц). Характерные
частоты дискретизации аудиоадаптеров:

11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и др.

Разрядность регистра  (глубина звука) число бит в
регистре аудиоадаптера, задает количество возможных уровней звука.

Разрядность определяет точность измерения входного сигнала.
Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного
преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если
разрядность равна 8 (16) , то при измерении входного сигнала может быть
получено 2⁸= 256 (2¹⁶=65536) различных значений.
Очевидно, 16 разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук,
чем 8-разрядный. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину
кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном
кодировании) можно рассчитать по формуле:

N = 2^I = 2¹⁶ = 65536, где
I — глубина звука.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить
кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала
присваивается 16-битный код. При двоичном кодировании непрерывного звукового
сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество
кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени,
то есть частоты  дискретизации. Чем большее количество измерений
производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации тем точнее
процедура двоичного кодирования.

Звуковой файл — файл, хранящий звуковую информацию в
числовой двоичной форме.

2. Повторяем единицы измерения информации

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 2¹⁰ байт=1024 байт

1 Мбайт = 2¹⁰ Кбайт=1024 Кбайт

1 Гбайт = 2¹⁰ Мбайт=1024 Мбайт

1 Тбайт = 2¹⁰ Гбайт=1024 Гбайт

1 Пбайт = 2¹⁰ Тбайт=1024 Тбайт

3. Закрепить изученный материал, просмотрев презентацию, учебник
[1]

4. Решение задач

Учебник [1], показ решения на презентации.

Задача 1. Определить информационный объем стерео
аудио файла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука(16
битов, 48 кГц).

Задача (самостоятельно). Учебник [1], показ решения
на презентации.
Определить информационный объем цифрового  аудио файла длительностью звучания
которого составляет 10 секунда при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении
8 битов.

5. Закрепление.  Решение задач дома, самостоятельно на
следующем уроке

Учебник [1]

№ 90

Определить
объем памяти для хранения цифрового аудио­файла, время звучания которого
составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 битов.

№ 91

В распоряжении
пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой
аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота
дискретиза­ции и разрядность?

№ 92

Объем свободной
памяти на диске — 5,25 Мб, разрядность звуковой платы — 16. Какова длительность
звучания цифро­вого аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

№ 93

Одна минута
записи цифрового аудиофайла занимает на дис­ке 1,3 Мб, разрядность звуковой
платы — 8. С какой частотой дискретизации записан звук?

№ 94

Какой объем
памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого
качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?

№ 95

Цифровой
аудиофайл содержит запись звука низкого качест­ва (звук мрачный и
приглушенный). Какова длительность звучания файла, если его объем составляет
650 Кб?

№ 96

Две минуты
записи цифрового аудиофайла занимают на дис­ке 5,05 Мб. Частота дискретизации —
22 050 Гц. Какова раз­рядность аудиоадаптера?

№ 97

Объем свободной памяти на диске — 0,1 Гб, разрядность зву­ковой
платы — 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой
дискретизации 44 100 Гц?

Ответы

№ 92.
124,8 секунды.

№ 93.
22,05 кГц.

№ 94. Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1 кГц и
разрядности аудиоадаптера, равной 16. Требуемый объем памяти — 15,1 Мб.

№ 95. Для
мрачного и приглушенного звука характерны следующие параметры: частота
дискретизации — 11 кГц, разрядность аудиоадаптера — 8. Длительность звучания
равна 60,5 с.

№ 96. 16
битов.

№ 97. 20,3 минуты.

Литература

1. Учебник: Информатика, задачник-практикум 1 том, под
редакцией И.Г.Семакина, Е.К. Хеннера )

2. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок»Звук.
Двоичное кодирование звуковой информации. Супрягина Елена Александровна,
учитель информатики.

3. Н. Угринович. Информатика и информационные технологии.
10-11 классы. Москва. Бином. Лаборатория знаний 2003.