資源簡介

(共46張PPT)
數據編碼——聲音編碼（第六課時）
課前準備
2
安裝音頻處理軟件
安裝好GoldWave軟件或者打開在線版音頻處理軟件（https://www.xaudiopro.com/edit）。
1
學生資源素材
準備好學生資源中的音頻素材以及任務單。
微信語音
vs
真實聲音
不一樣？
微信語音
vs
真實聲音
微信語音
真實說話聲音
聲音的表示
振幅反映響度的強弱
時間
振幅
頻率反映音調的高低
人耳能聽到聲波頻率范圍是20-20000Hz
聲音的表示
失真、噪音
傳輸中易受干擾
連續變化
聲音的表示
多次傳輸失真嚴重、不易保存
一、聲音數字化的實現過程
時間
振幅
連續變化
一、聲音數字化的實現過程
圖像
數字化
振幅
時間
聲音
數字化
1.
聲音采樣
以相等的時間間隔(通常為1秒)測得多少個聲音模擬信號的值。
用多少個采樣點表示
時間
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
5
聲音采樣
振
幅
1.
聲音采樣
時間
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
5
聲音采樣
采樣點越多還是越少質量更好？
振
幅
1.
聲音采樣
時間
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
聲音采樣
采樣點越多還是越少質量更好？
振
幅
1.
聲音采樣
每秒采集1次
每秒采集2次
1.
聲音采樣
時間
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
聲音采樣
采樣頻率：每秒采樣聲音的次數，單位為赫茲
(Hz)。
振幅
采樣頻率越高聲音還原度越好；但記錄數據越多，存儲容量越高。
1.
聲音采樣
時間
1s
2s
3s
4s
5s
1
2
3
4
10
5
6
7
8
9
聲音采樣
振幅
高保真音樂的采樣頻率至少為44.1kHz，即每秒采集44100次。
體驗活動：44100Hz與5500Hz
利用GoldWave打開原始音頻，將其原始采樣頻率44100Hz改為5500Hz，比較不同采樣頻率的音頻質量。
1.
聲音采樣
2.
聲音量化
時間
1s
2s
3s
4s
5s
2
1
4
5
1
3
5
7
5
2
聲音量化
將采樣點的值分級量化，變換到最接近的數字。
振
幅
用有限個數近似表示原來連續變化的值。
0
1
2
3
4
5
6
7
量
化
值
2.12
2.
聲音量化
時間
1s
2s
3s
4s
5s
2
1
4
5
1
3
5
7
5
2
聲音量化
0
1
2
3
4
5
6
7
2.12
分級越多還是越少質量會更好？
量
化
值
時間
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.
聲音量化
分級越多還是越少質量會更好？
聲音量化
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
時間
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.
聲音量化
3位
二進制
4位
二進制
10
11
5
5
幾位
二進制
12
14
2.
聲音量化
時間
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
聲音量化
量化位數：表示量化值的二進制位數。
量化位數越多，聲音越接近原始信號，音頻的質量越好；但所占存儲容量也越大。
2.
聲音量化
樣本序號
1
2
3
4
5
量化值（十進制）
5
2
9
10
7
二進制編碼
0101
0010
1001
1010
0111
樣本序號
6
7
8
9
10
量化值（十進制）
11
15
11
5
2
二進制編碼
1011
1111
1011
0101
0010
3.
聲音編碼
聲音編碼
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
01010010
1001……
3.
聲音編碼
聲音編碼
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
WAV
聲音質量高
所占存儲容量較大
3.
聲音編碼
AAAEEEEEEEEEE
聲音編碼
無損壓縮：還原壓縮數據后
與壓縮前相同
優化數據
排列方式
A03E10
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
3.
聲音編碼
聲音編碼
APE
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
無損壓縮：還原壓縮數據后
與壓縮前相同
3.
聲音編碼
聲音編碼
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
3.
聲音編碼
聲音編碼
有損壓縮：損失信息，提高壓縮
比例，減少存儲容量
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
MP3
AMR
3.
聲音編碼
聲音編碼
確立編碼規則，優化數據排列。
未壓縮、無損壓縮與有損壓縮
生成音頻文件格式
類型
音頻格式文件
無壓縮
WAV
無損壓縮
APE
有損壓縮
MP3、AMR
體驗活動：WAV與MP3
將原始音頻另存為MP3格式，保存后查看兩者的大小。
注：文件大小查看方式——【點擊文件】-【右鍵】-【屬性】）
體驗活動：WAV與MP3
一、聲音數字化的實現過程
模擬
信號
聲音量化
聲音編碼
聲音采樣
數字
信號
微信語音
vs
真實聲音
不一樣？
影響因素？
二、影響音頻質量的因素
模擬
信號
聲音采樣
聲音量化
聲音編碼
數字
信號
采集模擬值
分級量化
確定編碼規則
數據壓縮
(文件格式)
量化位數
采樣頻率
還有嗎？
二、影響音頻質量的因素
接收聲音信息的差異
聲道數
聲音錄制時的音源數量或回放時相應的揚聲器數量
二、影響音頻質量的因素
聲道數
聲音錄制時的音源數量或回放時相應的揚聲器數量
單聲道、雙聲道、環繞聲
單聲道
雙聲道
環繞聲
微信語音
vs
真實聲音
不一樣？
多種因素
三、音頻文件存儲容量的計算
=
采樣頻率×量化位數×聲道數
×
時間（秒）/8（字節）
音頻文件存儲容量
例：一首100s的雙聲道音頻，采樣頻率為44.1kHz，量化位數為16，計算該音頻所占的存儲容量。
44100×16×100×2
/8
=
17640000B
≈
17MB
未壓縮
四、數字音頻的價值
語音信息
交流
四、數字音頻的價值
移動支付
語音播報
四、數字音頻的價值
地圖
語音導航
四、數字音頻的價值
語音控制
智能家居
四、數字音頻的價值
記錄、保留
與再生文化
五、小結與練習
聲音
編碼
聲音數字化的過程
音頻文件
計算與格式
采樣：確定采樣點
編碼：確定編碼規則
量化：確定量化值
采樣頻率
壓縮方式（文件格式）
音頻質量影響因素
音頻文件存儲容量的計算
常見音頻文件格式
量化位數
聲道數
五、小結與練習
Q1.
聲音編碼的實現需要經歷哪三個過程？
Q2.
對于同一個原始音頻，聲音編碼時參數分別為采樣率10kHz、量化位數4位和采樣率44.1kHz、量化位數16位，哪一種音頻質量更好？
Q3.
無損壓縮后的數據可否還原成壓縮前的樣子？課后練習
Q1.
聲音編碼的實現需要經歷哪三個過程？
Q2.
對于同一個原始音頻，聲音編碼時參數分別為采樣率10kHz、量化位數4位和采樣率44.1kHz、量化位數16位，哪一種音頻質量更好？
Q3.
無損壓縮后的數據可否還原成壓縮前的樣子？
正確答案：
聲音的采樣、量化、編碼
采樣率44.1kHz、量化位數16位的音頻質量更好
可以課程基本信息
課題
《數據編碼——聲音編碼》
教科書
書名：《信息技術必修1：數據與計算》
出版社：人民教育出版社、中國地圖出版社
出版日期：
2019
年
6月
教學目標
教學目標：1.
理解聲音編碼實現過程，知道采樣、量化、編碼三個步驟。【信息素養】
【計算思維】
2.
知道影響音頻質量的因素，掌握音頻存儲容量（未壓縮）的計算方法。
【信息素養】【計算思維】
教學重點：聲音編碼的實現過程
教學難點：音頻質量的影響因素
教學過程
時間
教學環節
主要師生活動
2分鐘
問題導入
在平時的生活中，我們經常會使用微信語音來和別人交流。在聆聽微信語音的時候，你有沒有注意過這樣一個現象：對方發過來的微信語音和他真實說話的聲音不太一樣呢？聲音是如何進入手機成為微信語音的？今天我們就來聊一聊，說話聲音到微信語音都經歷了什么過程。
10分鐘
探究一：聲音數字化的實現過程
1.聲音的表示
聲音是由振動產生的，振動可以通過波形來記錄。振幅反映了響度的強弱，頻率反映了音調的高低。連續變化的模擬信號可以在多次傳輸時，易受干擾，導致失真、產生噪音等。例如，以前的磁帶就是依靠模擬信號來記錄聲音，但不易多次復制、保存等。
2.聲音編碼的實現過程
聲音編碼就是將模擬信號轉換成數字信號，從而能夠被計算機存儲、處理、傳輸。那么聲音編碼如何實現呢？同學們還記得上節課學習的圖像編碼過程嗎？我們可以類比猜想一下。
(1)
聲音采樣
聲音采樣是以相等的時間間隔(通常為1秒)測得多少個聲音模擬信號的值，即用多少采樣點來表示聲音波形。采樣點是越多還是越少，采樣的效果更好呢？
采樣頻率是每秒采樣聲音的次數，單位為赫茲
(Hz)。采樣頻率越高聲音還原度越高，但是存儲容量也就越高。通常，高保真音樂的采樣頻率為44.1kHz，即每秒采集44100次。
體驗活動：44100Hz與5500Hz
利用GoldWave打開原始音頻，將其原始采樣頻率44100Hz改為5500Hz，比較不同采樣頻率的音頻質量。
(2)
聲音量化
聲音量化是將采樣點的值進行分級量化，將采樣值變換到最接近的數字值，即用有限個數的數值近似地表示原來連續變化的值。那么，量化值的分級是越多還是越少，量化的結果更好呢？
量化位數是指表示量化值的二進制位數。量化位數越多，聲音越接近原始的模擬信號，音頻質量越好。
經過量化，每個采樣點的幅值轉換成了對應的量化值，確定二進制位數，形成二進制編碼。但初始的二進制編碼數據量較多，占用的存儲容量較大。
(3)
聲音編碼
確立編碼規則，優化數據排列。由于圖像中會存在許多的重復和冗余信息，因此在編碼時可以通過壓縮技術，來減少圖像文件存儲容量。
未壓縮音頻文件格式：WAV
無損壓縮音頻文件格式：無損壓縮是通過優化數據排列方式減少文件的存儲容量，其還原壓縮數據后與壓縮前相同。APE音頻文件格式就是一種無損壓縮。
有損壓縮音頻文件格式：有損壓縮是損失一定的信息，提高壓縮比，從而減少存儲容量。人耳聽到的頻率是20Hz-20000Hz，可以將此范圍外的數據刪除，從而減少存儲容量。例如，常用的MP3、移動端AMR都是屬于有損壓縮。
小結常見音頻文件格式：
體驗活動：WAV與MP3
利用GoldWave打開原始音頻，將其另存為MP3格式，比較兩者的文件大小。
3.
小結聲音編碼實現過程
5分鐘
探究二：影響音頻質量的因素
經過剛才的學習，我們了解了聲音是如何通過編碼稱為數字信號，從而可被計算機存儲、處理與傳輸的。現在我們回到最開始的問題，為什么真實說話聲音與微信語音的聲音聽起來不太一樣呢？在聲音編碼的實現過程中，哪些環節在影響著音頻的質量呢？
采樣頻率：采樣頻率越高，采集點越多，聲音還原度越好。
2.
量化位數：量化位數越多，量化值越精確，音頻質量越高。
3.
編碼方式（文件格式）：經過有損壓縮的文件格式會舍去部分信息，未壓縮和無損壓縮文件格式的音頻質量更好。
4.
聲道數：
人耳在接收聲音信息時，依據左右耳的差異來感知聲音的位置、效果等。聲道數就是基于此產生的。聲道數是指聲音錄制時的音源數量或回放時相應的揚聲器數量，不同的聲道數可以播放相同或者不同的音源以達到不同效果。例如，單聲道常用語廣播等；雙聲道常用于音樂播放，所以我們利用耳機聽音樂時會感覺到左右耳聲音有些微不同，就是因為左右聲道音源的差異；環繞聲通常用于電影院，常見聲道數有5個，以讓觀眾體會到身臨其境的感受。
3分鐘
探究三：音頻文件存儲容量的計算
剛剛我們探究了影響音頻質量的因素，其實這些因素也在影響著音頻存儲容量的大小。
音頻所占存儲容量的計算方法=采樣頻率×量化位數×聲道數×
時間（秒）/8（字節）
例：一首100s的雙聲道音頻，采樣頻率為44.1kHz，量化位數為16，計算該音頻所占的存儲容量。你能嘗試列出計算式子嗎？
44100×16×100×2
/8
=
17640000B
≈
17MB
3分鐘
探究四：數字音頻的價值
1.
語音信息交流
2.
移動支付語音播報
播放支付寶到賬語音信息。
3.
地圖語音導航
4.
語音控制智能家居
播放《智能語音交互冰箱》片段。
5.
記錄、保護與再生文化
播放《有聲版清明上河圖》片段。
2分鐘
小結與練習
1.
回顧總結知識
2.
小測完成自評
學生完成課后練習題，檢驗自己的學習效果。
Q1.
聲音編碼的實現需要經歷哪三個過程？
Q2.
對于同一個原始音頻，聲音編碼時參數分別為采樣率10kHz、量化位數4位和采樣率44.1kHz、量化位數16位，哪一種音頻質量更好？
Q3.無損壓縮后的數據可否還原成壓縮前的樣子？

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