资源简介

(共46张PPT)
数据编码——声音编码（第六课时）
课前准备
2
安装音频处理软件
安装好GoldWave软件或者打开在线版音频处理软件（https://www.xaudiopro.com/edit）。
1
学生资源素材
准备好学生资源中的音频素材以及任务单。
微信语音
vs
真实声音
不一样？
微信语音
vs
真实声音
微信语音
真实说话声音
声音的表示
振幅反映响度的强弱
时间
振幅
频率反映音调的高低
人耳能听到声波频率范围是20-20000Hz
声音的表示
失真、噪音
传输中易受干扰
连续变化
声音的表示
多次传输失真严重、不易保存
一、声音数字化的实现过程
时间
振幅
连续变化
一、声音数字化的实现过程
图像
数字化
振幅
时间
声音
数字化
1.
声音采样
以相等的时间间隔(通常为1秒)测得多少个声音模拟信号的值。
用多少个采样点表示
时间
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
5
声音采样
振
幅
1.
声音采样
时间
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
5
声音采样
采样点越多还是越少质量更好？
振
幅
1.
声音采样
时间
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
声音采样
采样点越多还是越少质量更好？
振
幅
1.
声音采样
每秒采集1次
每秒采集2次
1.
声音采样
时间
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
声音采样
采样频率：每秒采样声音的次数，单位为赫兹
(Hz)。
振幅
采样频率越高声音还原度越好；但记录数据越多，存储容量越高。
1.
声音采样
时间
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
声音采样
振幅
高保真音乐的采样频率至少为44.1kHz，即每秒采集44100次。
体验活动：44100Hz与5500Hz
利用GoldWave打开原始音频，将其原始采样频率44100Hz改为5500Hz，比较不同采样频率的音频质量。
1.
声音采样
2.
声音量化
时间
1s
2s
3s
4s
5s
2
1
4
5
1
3
5
7
5
2
声音量化
将采样点的值分级量化，变换到最接近的数字。
振
幅
用有限个数近似表示原来连续变化的值。
0
1
2
3
4
5
6
7
量
化
值
2.12
2.
声音量化
时间
1s
2s
3s
4s
5s
2
1
4
5
1
3
5
7
5
2
声音量化
0
1
2
3
4
5
6
7
2.12
分级越多还是越少质量会更好？
量
化
值
时间
1s
2s
3s
4s
5s
5
2
9
10
2
7
11
15
11
5
12
14
0
2
4
6
8
11
9
5
3
1
10
13
15
7
量
化
值
2.
声音量化
分级越多还是越少质量会更好？
声音量化
1s
2s
3s
4s
5s
2
1
4
5
1
3
5
7
5
2
量
化
值
0
1
2
3
4
5
6
7
12
14
时间
1s
2s
3s
4s
5s
5
2
9
10
2
7
11
15
11
5
0
2
4
6
8
11
9
5
3
1
10
13
15
7
量
化
值
2.
声音量化
3位
二进制
4位
二进制
10
11
5
5
几位
二进制
12
14
2.
声音量化
时间
1s
2s
3s
4s
5s
5
2
9
10
2
7
11
15
11
5
0
2
4
6
8
量化值
11
9
5
3
1
10
13
15
7
声音量化
量化位数：表示量化值的二进制位数。
量化位数越多，声音越接近原始信号，音频的质量越好；但所占存储容量也越大。
2.
声音量化
样本序号
1
2
3
4
5
量化值（十进制）
5
2
9
10
7
二进制编码
0101
0010
1001
1010
0111
样本序号
6
7
8
9
10
量化值（十进制）
11
15
11
5
2
二进制编码
1011
1111
1011
0101
0010
3.
声音编码
声音编码
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
01010010
1001……
3.
声音编码
声音编码
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
WAV
声音质量高
所占存储容量较大
3.
声音编码
AAAEEEEEEEEEE
声音编码
无损压缩：还原压缩数据后
与压缩前相同
优化数据
排列方式
A03E10
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
3.
声音编码
声音编码
APE
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
无损压缩：还原压缩数据后
与压缩前相同
3.
声音编码
声音编码
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
3.
声音编码
声音编码
有损压缩：损失信息，提高压缩
比例，减少存储容量
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
MP3
AMR
3.
声音编码
声音编码
确立编码规则，优化数据排列。
未压缩、无损压缩与有损压缩
生成音频文件格式
类型
音频格式文件
无压缩
WAV
无损压缩
APE
有损压缩
MP3、AMR
体验活动：WAV与MP3
将原始音频另存为MP3格式，保存后查看两者的大小。
注：文件大小查看方式——【点击文件】-【右键】-【属性】）
体验活动：WAV与MP3
一、声音数字化的实现过程
模拟
信号
声音量化
声音编码
声音采样
数字
信号
微信语音
vs
真实声音
不一样？
影响因素？
二、影响音频质量的因素
模拟
信号
声音采样
声音量化
声音编码
数字
信号
采集模拟值
分级量化
确定编码规则
数据压缩
(文件格式)
量化位数
采样频率
还有吗？
二、影响音频质量的因素
接收声音信息的差异
声道数
声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量
二、影响音频质量的因素
声道数
声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量
单声道、双声道、环绕声
单声道
双声道
环绕声
微信语音
vs
真实声音
不一样？
多种因素
三、音频文件存储容量的计算
=
采样频率×量化位数×声道数
×
时间（秒）/8（字节）
音频文件存储容量
例：一首100s的双声道音频，采样频率为44.1kHz，量化位数为16，计算该音频所占的存储容量。
44100×16×100×2
/8
=
17640000B
≈
17MB
未压缩
四、数字音频的价值
语音信息
交流
四、数字音频的价值
移动支付
语音播报
四、数字音频的价值
地图
语音导航
四、数字音频的价值
语音控制
智能家居
四、数字音频的价值
记录、保留
与再生文化
五、小结与练习
声音
编码
声音数字化的过程
音频文件
计算与格式
采样：确定采样点
编码：确定编码规则
量化：确定量化值
采样频率
压缩方式（文件格式）
音频质量影响因素
音频文件存储容量的计算
常见音频文件格式
量化位数
声道数
五、小结与练习
Q1.
声音编码的实现需要经历哪三个过程？
Q2.
对于同一个原始音频，声音编码时参数分别为采样率10kHz、量化位数4位和采样率44.1kHz、量化位数16位，哪一种音频质量更好？
Q3.
无损压缩后的数据可否还原成压缩前的样子？课后练习
Q1.
声音编码的实现需要经历哪三个过程？
Q2.
对于同一个原始音频，声音编码时参数分别为采样率10kHz、量化位数4位和采样率44.1kHz、量化位数16位，哪一种音频质量更好？
Q3.
无损压缩后的数据可否还原成压缩前的样子？
正确答案：
声音的采样、量化、编码
采样率44.1kHz、量化位数16位的音频质量更好
可以课程基本信息
课题
《数据编码——声音编码》
教科书
书名：《信息技术必修1：数据与计算》
出版社：人民教育出版社、中国地图出版社
出版日期：
2019
年
6月
教学目标
教学目标：1.
理解声音编码实现过程，知道采样、量化、编码三个步骤。【信息素养】
【计算思维】
2.
知道影响音频质量的因素，掌握音频存储容量（未压缩）的计算方法。
【信息素养】【计算思维】
教学重点：声音编码的实现过程
教学难点：音频质量的影响因素
教学过程
时间
教学环节
主要师生活动
2分钟
问题导入
在平时的生活中，我们经常会使用微信语音来和别人交流。在聆听微信语音的时候，你有没有注意过这样一个现象：对方发过来的微信语音和他真实说话的声音不太一样呢？声音是如何进入手机成为微信语音的？今天我们就来聊一聊，说话声音到微信语音都经历了什么过程。
10分钟
探究一：声音数字化的实现过程
1.声音的表示
声音是由振动产生的，振动可以通过波形来记录。振幅反映了响度的强弱，频率反映了音调的高低。连续变化的模拟信号可以在多次传输时，易受干扰，导致失真、产生噪音等。例如，以前的磁带就是依靠模拟信号来记录声音，但不易多次复制、保存等。
2.声音编码的实现过程
声音编码就是将模拟信号转换成数字信号，从而能够被计算机存储、处理、传输。那么声音编码如何实现呢？同学们还记得上节课学习的图像编码过程吗？我们可以类比猜想一下。
(1)
声音采样
声音采样是以相等的时间间隔(通常为1秒)测得多少个声音模拟信号的值，即用多少采样点来表示声音波形。采样点是越多还是越少，采样的效果更好呢？
采样频率是每秒采样声音的次数，单位为赫兹
(Hz)。采样频率越高声音还原度越高，但是存储容量也就越高。通常，高保真音乐的采样频率为44.1kHz，即每秒采集44100次。
体验活动：44100Hz与5500Hz
利用GoldWave打开原始音频，将其原始采样频率44100Hz改为5500Hz，比较不同采样频率的音频质量。
(2)
声音量化
声音量化是将采样点的值进行分级量化，将采样值变换到最接近的数字值，即用有限个数的数值近似地表示原来连续变化的值。那么，量化值的分级是越多还是越少，量化的结果更好呢？
量化位数是指表示量化值的二进制位数。量化位数越多，声音越接近原始的模拟信号，音频质量越好。
经过量化，每个采样点的幅值转换成了对应的量化值，确定二进制位数，形成二进制编码。但初始的二进制编码数据量较多，占用的存储容量较大。
(3)
声音编码
确立编码规则，优化数据排列。由于图像中会存在许多的重复和冗余信息，因此在编码时可以通过压缩技术，来减少图像文件存储容量。
未压缩音频文件格式：WAV
无损压缩音频文件格式：无损压缩是通过优化数据排列方式减少文件的存储容量，其还原压缩数据后与压缩前相同。APE音频文件格式就是一种无损压缩。
有损压缩音频文件格式：有损压缩是损失一定的信息，提高压缩比，从而减少存储容量。人耳听到的频率是20Hz-20000Hz，可以将此范围外的数据删除，从而减少存储容量。例如，常用的MP3、移动端AMR都是属于有损压缩。
小结常见音频文件格式：
体验活动：WAV与MP3
利用GoldWave打开原始音频，将其另存为MP3格式，比较两者的文件大小。
3.
小结声音编码实现过程
5分钟
探究二：影响音频质量的因素
经过刚才的学习，我们了解了声音是如何通过编码称为数字信号，从而可被计算机存储、处理与传输的。现在我们回到最开始的问题，为什么真实说话声音与微信语音的声音听起来不太一样呢？在声音编码的实现过程中，哪些环节在影响着音频的质量呢？
采样频率：采样频率越高，采集点越多，声音还原度越好。
2.
量化位数：量化位数越多，量化值越精确，音频质量越高。
3.
编码方式（文件格式）：经过有损压缩的文件格式会舍去部分信息，未压缩和无损压缩文件格式的音频质量更好。
4.
声道数：
人耳在接收声音信息时，依据左右耳的差异来感知声音的位置、效果等。声道数就是基于此产生的。声道数是指声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量，不同的声道数可以播放相同或者不同的音源以达到不同效果。例如，单声道常用语广播等；双声道常用于音乐播放，所以我们利用耳机听音乐时会感觉到左右耳声音有些微不同，就是因为左右声道音源的差异；环绕声通常用于电影院，常见声道数有5个，以让观众体会到身临其境的感受。
3分钟
探究三：音频文件存储容量的计算
刚刚我们探究了影响音频质量的因素，其实这些因素也在影响着音频存储容量的大小。
音频所占存储容量的计算方法=采样频率×量化位数×声道数×
时间（秒）/8（字节）
例：一首100s的双声道音频，采样频率为44.1kHz，量化位数为16，计算该音频所占的存储容量。你能尝试列出计算式子吗？
44100×16×100×2
/8
=
17640000B
≈
17MB
3分钟
探究四：数字音频的价值
1.
语音信息交流
2.
移动支付语音播报
播放支付宝到账语音信息。
3.
地图语音导航
4.
语音控制智能家居
播放《智能语音交互冰箱》片段。
5.
记录、保护与再生文化
播放《有声版清明上河图》片段。
2分钟
小结与练习
1.
回顾总结知识
2.
小测完成自评
学生完成课后练习题，检验自己的学习效果。
Q1.
声音编码的实现需要经历哪三个过程？
Q2.
对于同一个原始音频，声音编码时参数分别为采样率10kHz、量化位数4位和采样率44.1kHz、量化位数16位，哪一种音频质量更好？
Q3.无损压缩后的数据可否还原成压缩前的样子？

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