Λύσεις ερωτήσεων ασκήσεων 13-15 (σελ. 80, 86, 91) – ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ Εργαστήριο Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις ερωτήσεων ασκήσεων 13-15

Πλήρεις λύσεις και των έξι ερωτήσεων των ασκήσεων 13 έως 15 — οι τρόποι δημιουργίας προσωπικής μουσικής συλλογής σε οπτικό δίσκο και η σχέση ταχύτητας ανάγνωσης και εγγραφής στην απευθείας διαδικασία, η διαφορά των αρχείων του οπτικού από εκείνα του σκληρού δίσκου και η ποιότητα της εγγραφής από αναλογική πηγή, καθώς και η σχέση δειγματοληψίας και συμπίεσης με τον βαθμό συμπίεσης του αλγορίθμου MPEG layer 3.

Άσκηση 13η · Ερώτηση 1 — Τρόποι δημιουργίας προσωπικής μουσικής συλλογής σε οπτικό δίσκο

Ερώτηση: Ερωτήσεις 1. Με ποιους τρόπους μπορούμε να δημιουργήσουμε την προσωπική συλλογή μουσικών κομματιών και να την αποθηκεύσουμε σε οπτικό δίσκο;

Απάντηση:

• Το κλειδί: για προσωπική συλλογή — δηλαδή κομμάτια από διάφορους οπτικούς δίσκους — δεν αρκεί η αντιγραφή ενός δίσκου· χρειάζεται ενδιάμεση αποθήκευση στον σκληρό δίσκο.

  Τρόπος (σελ. 75-76)	Κατάλληλος για προσωπική συλλογή;
  Απευθείας (on the fly) — τα δεδομένα από τον οπτικό δίσκο ήχου εγγράφονται απευθείας στον άδειο οπτικό δίσκο	ΟΧΙ — αντιγράφει έναν δίσκο αυτούσιο
  Έμμεση, μέσω αρχείου ειδώλου (image file) — όλες οι πληροφορίες του οπτικού δίσκου ήχου αποθηκεύονται στο σκληρό δίσκο σε ένα μόνο αρχείο	ΟΧΙ — και πάλι πιστό αντίγραφο ενός δίσκου
  Έμμεση, μέσω αρχείων με κατάληξη VAW — αποθηκεύουμε τα αρχεία από ένα ή περισσότερους οπτικούς δίσκους ήχου στο σκληρό δίσκο σε μορφή αρχείων με κατάληξη VAW	ΝΑΙ — είναι ο ενδεδειγμένος τρόπος

  Η διαδικασία με αρχεία wav (σελ. 78-79): 1. Από την κύρια οθόνη του προγράμματος Nero burning rom επιλέξτε CD-Recorder > SaveTrack. 2. Επιλέξτε από την οθόνη αυτή τα μουσικά κομμάτια, που θέλετε να αποθηκεύσετε σε αρχεία wav. 3. Καθορίστε μέσω του Browser το φάκελο του σκληρού δίσκου, που θα αποθηκεύσετε. 4. Πατήστε save, για να ξεκινήσει η διαδικασία δημιουργίας και αποθήκευσης των αρχείων wav. 5. Επαναλαμβάνουμε για κάθε δίσκο από τον οποίο θέλουμε κομμάτια. 6. Τοποθετείστε ένα άδειο CD στη συσκευή εγγραφής. 7. Από την κύρια οθόνη του προγράμματος επιλέξτε διαδοχικά file > new > Audio CD στη συνέχεια κάντε κλικ στο new. 8. Επιλέξτε από το File Browser τα αρχεία wav και με τη διαδικασία σύρω και αφήνω ρίξτε τα στο αριστερό παράθυρο — εδώ καθορίζεται και η σειρά των κομματιών. 9. Για να ξεκινήσει η διαδικασία εγγραφής, επιλέξτε διαδοχικά file > write CD.

  Η μετατροπή που κάνει το λογισμικό (σελ. 76): τα αρχεία αυτά το λογισμικό εγγραφής πρώτα τα μετατρέπει σε αρχεία με κατάληξη CDA και στην συνέχεια τα εγγράφει σε άδειο CD — έτσι ο δίσκος γίνεται Audio CD αναγνώσιμο από κάθε CD Player. Δεύτερη δυνατή διαδρομή (άσκηση 14-15, σελ. 82-89): εγγραφή των κομματιών στον σκληρό δίσκο ως .wav μέσω της κάρτας ήχου (Επιλέξτε πηγή ήχου το CD-ROM, Πατήστε το πλήκτρο εγγραφής του προγράμματος soundo'LE) και, αν θέλουμε, μοντάζ και εφφέ με το wave studio πριν από την τελική εγγραφή σε CD.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Για να δημιουργήσουμε προσωπική συλλογή μουσικών κομματιών, δηλαδή συλλογή με κομμάτια από διάφορους δίσκους, δεν αρκεί η αντιγραφή ενός δίσκου, αλλά χρειάζεται ενδιάμεση αποθήκευση στον σκληρό δίσκο. Από τους τρεις τρόπους εγγραφής, η απευθείας εγγραφή και η εγγραφή μέσω αρχείου ειδώλου δίνουν πιστό αντίγραφο ενός μόνο δίσκου και δεν εξυπηρετούν· κατάλληλη είναι η έμμεση εγγραφή μέσω αρχείων wav, όπου αποθηκεύουμε στον σκληρό δίσκο τα κομμάτια από έναν ή περισσότερους οπτικούς δίσκους ήχου. Η διαδικασία περιλαμβάνει την επιλογή αποθήκευσης ίχνους από το μενού του προγράμματος εγγραφής, την επιλογή των μουσικών κομματιών που θέλουμε, τον καθορισμό του φακέλου του σκληρού δίσκου και την αποθήκευσή τους ως αρχείων wav, επαναλαμβάνοντας για κάθε δίσκο. Στη συνέχεια τοποθετούμε άδειο CD στη συσκευή εγγραφής, δημιουργούμε νέο έργο τύπου Audio CD, σύρουμε τα αρχεία wav στο παράθυρο του έργου καθορίζοντας και τη σειρά τους και ξεκινούμε την εγγραφή. Το λογισμικό μετατρέπει πρώτα τα αρχεία wav σε αρχεία με κατάληξη CDA και έπειτα τα εγγράφει, ώστε ο δίσκος να είναι αναγνώσιμος από κάθε συσκευή αναπαραγωγής. Εναλλακτικά, τα κομμάτια μπορούν να ηχογραφηθούν στον σκληρό δίσκο μέσω της κάρτας ήχου και να υποστούν μοντάζ και ηχητικά εφφέ πριν από την τελική εγγραφή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Άσκηση 13η · Ερώτηση 2 — Σχέση ταχύτητας ανάγνωσης και ταχύτητας εγγραφής στην απευθείας εγγραφή

Ερώτηση: 2. Όταν χρησιμοποιούμε απευθείας εγγραφή, η ταχύτητα ανάγνωσης των προς εγγραφή αρχείων πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή όχι από την ταχύτητα εγγραφής τους; Αιτιολογείστε την απάντηση.

Απάντηση:

• Η απάντηση: πρέπει οπωσδήποτε να είναι μεγαλύτερη (ή τουλάχιστον ίση, με ασφαλές περιθώριο).

  Η αιτιολόγηση (σελ. 75): η ροή δεδομένων για την εγγραφή ενός CD πρέπει να είναι συνεχής, διαφορετικά, έστω και στιγμιαία διακοπή έχει σαν αποτέλεσμα ατελή εγγραφή, η οποία, στην περίπτωση των εγγράψιμων CD, σημαίνει την καταστροφή τους, επειδή δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκ νέου.

    ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ (on the fly):
  
     CD-ROM ──ρυθμός ανάγνωσης──►  buffer  ──ρυθμός εγγραφής──►  CD-R
  
     ανάγνωση > εγγραφή  →  ο buffer γεμίζει   →  ασφαλής εγγραφή ✔
     ανάγνωση < εγγραφή  →  ο buffer αδειάζει  →  διακοπή ροής
                                                →  ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ του CD-R ✘

  Γιατί δεν υπάρχει περιθώριο λάθους: στην απευθείας διαδικασία τα δεδομένα από τον οπτικό δίσκο ήχου εγγράφονται απευθείας στον άδειο οπτικό δίσκο (σελ. 75) — δηλαδή δεν υπάρχει ενδιάμεσο αντίγραφο στον σκληρό δίσκο από το οποίο να τροφοδοτηθεί ξανά η εγγραφή. Ο μόνος αποθηκευτικός χώρος είναι ο buffer, ο οποίος από μόνος του επαρκεί μόνο για λίγα δευτερόλεπτα.

  Ο ρόλος του buffer (σελ. 75): οι συσκευές εγγραφής διαθέτουν προσωρινή μνήμη αποθήκευσης των δεδομένων, που πρόκειται να γραφούν στο CD στα επόμενα δευτερόλεπτα. Όσο αυξάνεται η ταχύτητα εγγραφής, τόσο μεγαλύτερη μνήμη αποθήκευσης είναι απαραίτητη για λόγους ασφαλείας. Για παράδειγμα, για ταχύτητα εγγραφής 4x, πρέπει να υπάρχει μνήμη αποθήκευσης τουλάχιστον 4 MB, ενώ για ταχύτητα 8x, χρειάζονται 4 MB.

  Πρακτικό συμπέρασμα: επειδή οι τυπικές τιμές είναι ταχύτητα ανάγνωσης CD 24x, 32x έναντι ταχύτητας εγγραφής 8x, 10x (σελ. 75), η προϋπόθεση ικανοποιείται άνετα στον ίδιο υπολογιστή· κινδυνεύει όμως όταν ο δίσκος-πηγή είναι γρατζουνισμένος (η ανάγνωση επιβραδύνεται από τις επαναλήψεις) ή όταν άλλες εργασίες απασχολούν τον υπολογιστή. Η ασφαλής εναλλακτική: η έμμεση διαδικασία μέσω αρχείου ειδώλου (image file) (σελ. 75) — αφού όλες οι πληροφορίες του οπτικού δίσκου ήχου αποθηκεύονται στο σκληρό δίσκο σε ένα μόνο αρχείο, η ανάγνωση από τον σκληρό δίσκο είναι πολύ ταχύτερη και σταθερή. Σημείωση για το κείμενο του βιβλίου: στο παράδειγμα του buffer αναγράφεται για ταχύτητα εγγραφής 4x… τουλάχιστον 4 MB, ενώ για ταχύτητα 8x, χρειάζονται 4 MB — προφανές τυπογραφικό, αφού η ίδια η πρόταση δηλώνει ότι όσο αυξάνεται η ταχύτητα εγγραφής, τόσο μεγαλύτερη μνήμη αποθήκευσης είναι απαραίτητη (αναμενόμενη τιμή για τα 8x: 8 MB).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ταχύτητα ανάγνωσης πρέπει οπωσδήποτε να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα εγγραφής, ή τουλάχιστον ίση με ασφαλές περιθώριο. Η αιτιολόγηση είναι ότι η ροή δεδομένων για την εγγραφή ενός CD πρέπει να είναι συνεχής, γιατί έστω και στιγμιαία διακοπή δίνει ατελή εγγραφή, η οποία στα εγγράψιμα CD σημαίνει καταστροφή τους, αφού δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκ νέου. Στην απευθείας διαδικασία τα δεδομένα περνούν κατευθείαν από τον δίσκο πηγή στον άδειο δίσκο, χωρίς ενδιάμεσο αντίγραφο στον σκληρό δίσκο, οπότε ο μόνος αποθηκευτικός χώρος είναι η προσωρινή μνήμη της συσκευής, η οποία επαρκεί μόνο για λίγα δευτερόλεπτα. Αν λοιπόν η ανάγνωση είναι βραδύτερη από την εγγραφή, η μνήμη αυτή αδειάζει και η εγγραφή διακόπτεται. Στην πράξη η προϋπόθεση ικανοποιείται άνετα, αφού οι ταχύτητες ανάγνωσης είναι της τάξης των είκοσι τεσσάρων ή τριάντα δύο φορών έναντι οκτώ ή δέκα φορών της εγγραφής, κινδυνεύει όμως όταν ο δίσκος πηγή είναι γρατζουνισμένος ή όταν ο υπολογιστής απασχολείται με άλλες εργασίες. Ασφαλέστερη είναι η έμμεση διαδικασία μέσω αρχείου ειδώλου, αφού η ανάγνωση από τον σκληρό δίσκο είναι πολύ ταχύτερη και σταθερότερη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Άσκηση 14η · Ερώτηση 1 — Αν τα αρχεία από οπτικό δίσκο προς σκληρό δίσκο είναι ίδια

Ερώτηση: Ερωτήσεις 1. Τα αρχεία ψηφιακού ήχου, που λαμβάνονται από οπτικό δίσκο και αποθηκεύονται σε σκληρό δίσκο, είναι ίδια ή διαφορετικά; Αιτιολογείστε την απάντηση σας.

Απάντηση:

• Η απάντηση: είναι διαφορετικά — αλλάζει η μορφή (format) του αρχείου, ακόμη και όταν η ηχητική πληροφορία παραμένει η ίδια.

  Η αιτιολόγηση (σελ. 76): τα αρχεία αυτά το λογισμικό εγγραφής πρώτα τα μετατρέπει σε αρχεία με κατάληξη CDA και στην συνέχεια τα εγγράφει σε άδειο CD — δηλαδή η μορφή του οπτικού δίσκου ήχου (CDA) και η μορφή του σκληρού δίσκου (WAV) είναι διαφορετικές και απαιτούν μετατροπή προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση.

  	Στο Audio CD	Στον σκληρό δίσκο
  Μορφή	CDA — ίχνη (tracks) κατά το πρότυπο του Audio CD	WAV — αρχεία λειτουργικού συστήματος (σελ. 83: τα αρχεία ηχογράφησης, που αποθηκεύονται στο σκληρό δίσκο, έχουν κατάληξη wav)
  Οργάνωση	συνεχής σπείρα ίχνους, χωρίς σύστημα αρχείων για τον ήχο	σύστημα αρχείων με όνομα, φάκελο, μέγεθος
  Επικεφαλίδα	δεν υπάρχει — τα χαρακτηριστικά είναι σταθερά από το πρότυπο	header που δηλώνει δειγματοληψία, ψηφία κβαντοποίησης, κανάλια

  Πότε η ηχητική πληροφορία παραμένει ίδια: αν η αντιγραφή γίνει ψηφιακά (CD-Recorder > SaveTrack, σελ. 78) και οι ρυθμίσεις είναι οι ίδιες με του CD — συχνότητα δειγματοληψίας 44.100 Hz, αριθμό ψηφίων κβαντοποίησης 16, στερεοφωνικό ήχο και κωδικοποίηση (Format) PCM (σελ. 88) — τότε τα δείγματα είναι πανομοιότυπα και μόνο η συσκευασία αλλάζει. Πότε αλλάζει και η πληροφορία: αν η εγγραφή γίνει μέσω της κάρτας ήχου, δηλαδή με τη διαδικασία Εγγραφή ήχου σε σκληρό δίσκο από ψηφιακή πηγή (Αναγνώστη οπτικού δίσκου) (σελ. 84) όπου Επιλέξτε πηγή ήχου το CD-ROM και Πατήστε το πλήκτρο εγγραφής του προγράμματος soundo'LE — τότε ο ήχος περνά από αναλογική διαδρομή και ξαναψηφιοποιείται, οπότε η πληροφορία αλλοιώνεται. Και αν επιλεγεί συμπίεση: με συμπίεση (format) ήχου MPEG Iayer3, ταχύτητα μεταφοράς 56 Bits/s (σελ. 89) τα αρχεία είναι οπωσδήποτε διαφορετικά, αφού η MPEG είναι απωλεστική — μέρος της πληροφορίας ήχου χάνεται για πάντα κατά την συμπίεση (Μέρος Α΄). Το πρακτικό τεκμήριο (σελ. 89): πηγαίνετε στον κατάλογο, που σώσατε τα αρχεία Ήχος_3 και Ήχος_4 και από το μενού προβολή κάντε κλικ στις λεπτομέρειες. Σημειώστε τη μνήμη, που καταλαμβάνει το κάθε αρχείο — το διαφορετικό μέγεθος αποδεικνύει ότι τα αρχεία δεν είναι ίδια.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα αρχεία είναι διαφορετικά, γιατί αλλάζει η μορφή τους, ακόμη και όταν η ηχητική πληροφορία παραμένει η ίδια. Στο Audio CD ο ήχος οργανώνεται σε ίχνη κατά το πρότυπο του οπτικού δίσκου, με κατάληξη CDA, ενώ στον σκληρό δίσκο αποθηκεύεται ως κανονικό αρχείο του λειτουργικού συστήματος με κατάληξη wav, με όνομα, φάκελο, μέγεθος και επικεφαλίδα που δηλώνει τη συχνότητα δειγματοληψίας, τα ψηφία κβαντοποίησης και τα κανάλια. Γι' αυτό άλλωστε το λογισμικό εγγραφής, όταν κάνουμε την αντίστροφη διαδρομή, μετατρέπει πρώτα τα αρχεία wav σε αρχεία CDA και έπειτα τα εγγράφει. Αν η αντιγραφή γίνει ψηφιακά, με απευθείας εξαγωγή του ίχνους και με τις ίδιες ρυθμίσεις που έχει το CD, δηλαδή σαράντα τέσσερις κόμμα ένα kilohertz, δεκαέξι ψηφία, στερεοφωνικό και κωδικοποίηση PCM, τότε τα δείγματα είναι πανομοιότυπα και αλλάζει μόνο η συσκευασία. Αν όμως η εγγραφή γίνει μέσω της κάρτας ήχου με αναλογική διαδρομή, ο ήχος ξαναψηφιοποιείται και η πληροφορία αλλοιώνεται, ενώ αν επιλεγεί συμπίεση MPEG τα αρχεία είναι οπωσδήποτε διαφορετικά, αφού η συμπίεση αυτή είναι απωλεστική. Το ίδιο το βιβλίο ζητά τη σύγκριση του μεγέθους των αρχείων, που αποδεικνύει τη διαφορά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Άσκηση 14η · Ερώτηση 2 — Η ποιότητα του ήχου που αποθηκεύεται από αναλογική πηγή

Ερώτηση: 2. Η ποιότητα ήχου, που αποθηκεύουμε στο σκληρό δίσκο από αναλογική πηγή είναι: ίδια, καλύτερη ή χειρότερη; Αιτιολογήστε την απάντησή σας

Απάντηση:

• Η απάντηση: χειρότερη.

  Η αιτιολόγηση: το σήμα της αναλογικής πηγής (στην άσκηση, το δυναμικό μικρόφωνο στην υποδοχή ΜIC της κάρτας, σελ. 82) πρέπει να περάσει από τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό της κάρτας ήχου (σελ. 81), και σε κάθε τέτοια μετατροπή προστίθενται σφάλματα που δεν αναιρούνται ποτέ.

    ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΠΗΓΗ → θόρυβος πηγής και καλωδίου
                    → ADC κάρτας:  δειγματοληψία + ΚΒΑΝΤΟΠΟΙΗΣΗ
                    → θόρυβος κβαντοποίησης (μη αναστρέψιμος)
                    → .wav στον σκληρό δίσκο
  
    ΨΗΦΙΑΚΗ ΠΗΓΗ (CD) → τα ίδια δείγματα, χωρίς νέα κβαντοποίηση

  Αιτία υποβάθμισης	Εξήγηση
  Θόρυβος της ίδιας της πηγής	το μικρόφωνο, το κασετόφωνο ή το πικάπ έχουν δικό τους θόρυβο και περιορισμένη δυναμική περιοχή
  Θόρυβος καλωδίωσης	το ασύμμετρο καλώδιο μαζεύει παράσιτα και βόμβο
  Θόρυβος κβαντοποίησης	η ψηφιοποίηση στρογγυλοποιεί κάθε δείγμα στην κοντινότερη στάθμη — μη αναστρέψιμο σφάλμα
  Ποιότητα της κάρτας ήχου	το αποτέλεσμα εξαρτάται από τον ADC της κάρτας και τους ενισχυτές εισόδου της
  Λάθος στάθμη εγγραφής	πολύ χαμηλή στάθμη → κακός λόγος S/N· πολύ υψηλή → ψαλίδισμα

  Η ουσιαστική διαφορά με την ψηφιακή πηγή: στην ψηφιακή διαδρομή (Επιλέξτε πηγή ήχου το CD-ROM, σελ. 84) η πληροφορία υπάρχει ήδη ως αριθμοί και μπορεί να αντιγραφεί χωρίς καμία απώλεια· στην αναλογική διαδρομή η πληροφορία δημιουργείται εκ νέου με τη δειγματοληψία, οπότε το αποτέλεσμα είναι οπωσδήποτε κατώτερο από την πηγή.

  Πώς περιορίζεται η υποβάθμιση (σελ. 82, 88): Σωστή στάθμη: ρυθμίστε την ένταση ήχου στη μέγιστη θέση (πάνω) — αξιοποίηση όλης της δυναμικής περιοχής, χωρίς όμως ψαλίδισμα. Υψηλή ανάλυση: συχνότητα δειγματοληψίας 44.100 Hz, αριθμό ψηφίων κβαντοποίησης 16, στερεοφωνικό ήχο και κωδικοποίηση (Format) PCM — όσο μεγαλύτερα τα δύο πρώτα, τόσο μικρότερο το σφάλμα κβαντοποίησης. Αποφυγή συμπίεσης: η PCM είναι μη απωλεστική, σε αντίθεση με τη MPEG Iayer3 (σελ. 89). Καλή πηγή και καλωδίωση: καθαρές κεφαλές, σωστή ταχύτητα ταινίας και θωρακισμένα καλώδια, όπως προβλέπουν οι ασκήσεις 9 και 12.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ποιότητα είναι χειρότερη. Το σήμα της αναλογικής πηγής, στην άσκηση το δυναμικό μικρόφωνο στην υποδοχή μικροφώνου της κάρτας, πρέπει να περάσει από τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, και σε κάθε τέτοια μετατροπή προστίθενται σφάλματα που δεν αναιρούνται ποτέ. Πρώτον, υπάρχει ο θόρυβος της ίδιας της πηγής, αφού το μικρόφωνο, το κασετόφωνο ή το πικάπ έχουν δικό τους θόρυβο και περιορισμένη δυναμική περιοχή. Δεύτερον, το ασύμμετρο καλώδιο μαζεύει παράσιτα και βόμβο. Τρίτον, και κυριότερο, η ψηφιοποίηση στρογγυλοποιεί κάθε δείγμα στην κοντινότερη στάθμη, εισάγοντας μη αναστρέψιμο θόρυβο κβαντοποίησης. Τέταρτον, το αποτέλεσμα εξαρτάται από την ποιότητα του μετατροπέα και των ενισχυτών εισόδου της κάρτας, ενώ λάθος ρύθμιση της στάθμης δίνει είτε κακό λόγο σήματος προς θόρυβο είτε ψαλίδισμα. Αντίθετα, όταν η πηγή είναι ψηφιακή, η πληροφορία υπάρχει ήδη ως αριθμοί και μπορεί να αντιγραφεί χωρίς καμία απώλεια. Η υποβάθμιση περιορίζεται με σωστή στάθμη εγγραφής, με υψηλή συχνότητα δειγματοληψίας και μεγάλο αριθμό ψηφίων κβαντοποίησης, με αποφυγή απωλεστικής συμπίεσης και με καλή πηγή και θωρακισμένη καλωδίωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Άσκηση 15η · Ερώτηση 1 — Σχέση συχνότητας δειγματοληψίας και συμπίεσης

Ερώτηση: 1. Η συχνότητα δειγματοληψίας έχει σχέση ή όχι με την συμπίεση του Ερωτήσεις ήχου; Αιτιολογείστε την απάντηση σας

Απάντηση:

• Η απάντηση: πρόκειται για δύο διαφορετικά μεγέθη, τα οποία όμως συνδέονται — και τα δύο καθορίζουν το τελικό μέγεθος του αρχείου, αλλά με εντελώς διαφορετικό τρόπο.

  	Συχνότητα δειγματοληψίας	Συμπίεση
  Τι κάνει	καθορίζει πόσα δείγματα ανά δευτερόλεπτο λαμβάνονται	μειώνει τον όγκο των ήδη ληφθέντων δεδομένων
  Πότε δρα	κατά τη μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό	μετά τη δειγματοποίηση, στο ψηφιακό σήμα
  Τι περιορίζει	τη μέγιστη συχνότητα που καταγράφεται (κριτήριο Nyquist: fδ ≥ 2·fmax)	το πλήθος bit, απορρίπτοντας μη ακουστές πληροφορίες
  Στην άσκηση	συχνότητα δειγματοληψίας 44.100 Hz (σελ. 88)	συμπίεση (format) ήχου MPEG Iayer3 (σελ. 89)

  Το κοινό μέγεθος που τα συνδέει — ο ρυθμός δεδομένων:

   ΑΣΥΜΠΙΕΣΤΟ PCM:
     ρυθμός = fδ × ψηφία × κανάλια
            = 44.100 × 16 × 2 ≈ 1.411.200 bit/s ≈ 1,4 Mbit/s
  
   ΜΕ MPEG layer 3 (10:1):
     ρυθμός ≈ 128 kbit/s   —  η ΙΔΙΑ δειγματοληψία, δέκα φορές λιγότερα bit

  Η ουσία της σχέσης: η δειγματοληψία παραμένει η ίδια (44.100 Hz) και μετά τη συμπίεση — ο αλγόριθμος δεν μειώνει τα δείγματα, αλλά πόσα bit χρειάζεται για να τα περιγράψει. Άρα: Δεν έχουν άμεση σχέση με την έννοια ότι η μία δεν καθορίζει την άλλη — μπορούμε να έχουμε υψηλή δειγματοληψία με ισχυρή συμπίεση, ή χαμηλή δειγματοληψία χωρίς συμπίεση. Έχουν έμμεση σχέση με την έννοια ότι και οι δύο επιδρούν στο μέγεθος του αρχείου και στην ποιότητα: όσο υψηλότερη η δειγματοληψία, τόσο περισσότερα δεδομένα έχει να συμπιέσει ο αλγόριθμος, οπότε για δεδομένο ρυθμό εξόδου (π.χ. 56 Bits/s της άσκησης) απαιτείται μεγαλύτερος λόγος συμπίεσης και άρα περισσότερες απώλειες.

  Η επιβεβαίωση από την ίδια την άσκηση (σελ. 89): πηγαίνετε στον κατάλογο, που σώσατε τα αρχεία Ήχος_3 και Ήχος_4… Σημειώστε τη μνήμη, που καταλαμβάνει το κάθε αρχείο. Σε τι συμπέρασμα καταλήγετε. Τα δύο αρχεία έχουν ίδιο ηχητικό περιεχόμενο και ίδια δειγματοληψία, αλλά πολύ διαφορετικό μέγεθος — απόδειξη ότι η συμπίεση είναι ανεξάρτητος παράγοντας. Πώς λειτουργεί η συμπίεση (Μέρος Α΄): το σήμα ήχου στους αλγόριθμους MPEG-1 layer 1, MPEG-1 layer χωρίζεται σε 32 ζώνες συχνοτήτων, ενώ στον MPEG-1 layer 3 σε 576 και με τη χρήση ψυχοακουστικών μοντέλων καθορίζεται για κάθε ζώνη ένα κατώφλι ακουστότητας. Με βάση το κατώφλι αυτό γίνεται η απόρριψη των μη ακουστών συχνοτήτων — δηλαδή η συμπίεση δρα στο περιεχόμενο, όχι στον ρυθμό δειγματοληψίας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η συχνότητα δειγματοληψίας και η συμπίεση είναι δύο διαφορετικά μεγέθη, τα οποία όμως συνδέονται έμμεσα, γιατί και τα δύο καθορίζουν το τελικό μέγεθος του αρχείου. Η συχνότητα δειγματοληψίας καθορίζει πόσα δείγματα λαμβάνονται ανά δευτερόλεπτο κατά τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και, σύμφωνα με το κριτήριο του Nyquist, περιορίζει τη μέγιστη συχνότητα που μπορεί να καταγραφεί. Η συμπίεση, αντίθετα, δρα μετά τη δειγματοληψία, πάνω στο ήδη ψηφιακό σήμα, και μειώνει το πλήθος των bit απορρίπτοντας τις μη ακουστές πληροφορίες με βάση ψυχοακουστικά μοντέλα. Δεν έχουν λοιπόν άμεση σχέση, με την έννοια ότι η μία δεν καθορίζει την άλλη: μπορούμε να έχουμε υψηλή δειγματοληψία με ισχυρή συμπίεση ή χαμηλή δειγματοληψία χωρίς καθόλου συμπίεση, ενώ η δειγματοληψία παραμένει η ίδια και μετά τη συμπίεση. Έχουν όμως έμμεση σχέση, γιατί όσο υψηλότερη είναι η δειγματοληψία τόσο περισσότερα δεδομένα έχει να συμπιέσει ο αλγόριθμος, οπότε για δεδομένο ρυθμό εξόδου απαιτείται μεγαλύτερος λόγος συμπίεσης και άρα περισσότερες απώλειες. Αυτό επιβεβαιώνει και το πείραμα της άσκησης, όπου δύο αρχεία με ίδιο περιεχόμενο και ίδια δειγματοληψία έχουν πολύ διαφορετικό μέγεθος ανάλογα με το αν συμπιέστηκαν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Άσκηση 15η · Ερώτηση 2 — Ο βαθμός συμπίεσης του αλγορίθμου MPEG layer 3

Ερώτηση: 2. Τι βαθμό συμπίεσης πετυχαίνουμε με τον αλγόριθμο συμπίεσης MPEG Iayer3;

Απάντηση:

• Η απάντηση (Μέρος Α΄): τελευταίος δημιουργήθηκε ο αλγόριθμος συμπίεσης MPEG-1 layer 3 που προσφέρει πολύ καλή ποιότητα ήχου με μεγαλύτερη συμπίεση από τους προηγούμενους και χρησιμοποιείται ευρέως στο Διαδίκτυο (Internet) για τη μεταφορά ψηφιακών τραγουδιών και μουσικής δηλαδή αρχείων με επέκταση .MP3. Προσφέρει συμπίεση 10:1 και ρυθμό δεδομένων 128 kbps.

  Αλγόριθμος (Μέρος Α΄)	Συμπίεση	Ρυθμός δεδομένων	Χρήση
  MPEG-1 layer 1	4:1	384 kbit/s	σύστημα συμπίεσης PASC του ψηφιακού συστήματος ήχου DCC
  MPEG-1 layer 2	6:1 έως 8:1	256 kBps έως 192 kBps	ψηφιακές ραδιοφωνικές εκπομπές, ψηφιακή τηλεόραση, DVD
  MPEG-1 layer 3	10:1	128 kbps	Διαδίκτυο — αρχεία .MP3

  Τι σημαίνει πρακτικά ο λόγος 10:1:

    Ασυμπίεστο CD (PCM):  44.100 × 16 × 2 ≈ 1.411 kbit/s
    MP3 στα 128 kbps   :                     128 kbit/s
                          ⇒  λόγος ≈ 11 : 1  (το βιβλίο: 10:1)
  
    Ένα τραγούδι 4 λεπτών:  ~42 MB ασυμπίεστο  →  ~4 MB ως MP3

  Πώς επιτυγχάνεται (Μέρος Α΄): το σήμα ήχου… στον MPEG-1 layer 3 [χωρίζεται] σε 576 [ζώνες] και με τη χρήση ψυχοακουστικών μοντέλων καθορίζεται για κάθε ζώνη ένα κατώφλι ακουστότητας. Με βάση το κατώφλι αυτό γίνεται η απόρριψη των μη ακουστών συχνοτήτων. Τα ψυχοακουστικά μοντέλα των αλγορίθμων αυτών χρησιμοποιούν τις ιδιαιτερότητες της ανθρώπινης ακοής και, κυρίως, το φαινόμενο της ακουστικής σκίασης. Το τίμημα (Μέρος Α΄): οι αλγόριθμοι αυτοί είναι απωλεστικοί, δηλαδή μέρος της πληροφορίας ήχου χάνεται για πάντα κατά την συμπίεση και επεξεργάζονται δύο κανάλια ήχου. Στην ίδια την άσκηση (σελ. 89) η ρύθμιση είναι συμπίεση (format) ήχου MPEG Iayer3, ταχύτητα μεταφοράς 56 Bits/s και στερεοφωνικό ήχο — δηλαδή 56 kbit/s, ρυθμός χαμηλότερος από τα τυπικά 128 kbps και άρα ακόμη μεγαλύτερος λόγος συμπίεσης (περίπου 25:1) με αισθητά χειρότερη ποιότητα· ακριβώς γι' αυτό ζητείται στη συνέχεια η σύγκριση των αρχείων Ήχος_3 και Ήχος_4.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο αλγόριθμος MPEG-1 layer 3 προσφέρει συμπίεση δέκα προς ένα και ρυθμό δεδομένων εκατόν είκοσι οκτώ kilobit ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή τη μεγαλύτερη συμπίεση από τους αλγορίθμους της οικογένειας MPEG-1, με πολύ καλή ποιότητα ήχου· χρησιμοποιείται ευρέως στο Διαδίκτυο για τη μεταφορά τραγουδιών, δηλαδή στα αρχεία με επέκταση MP3. Για σύγκριση, ο layer 1 προσφέρει συμπίεση τέσσερα προς ένα με ρυθμό τριακόσια ογδόντα τέσσερα kilobit ανά δευτερόλεπτο και ο layer 2 συμπίεση από έξι έως οκτώ προς ένα. Πρακτικά, ένα ασυμπίεστο στερεοφωνικό σήμα ποιότητας CD απαιτεί περίπου χίλια τετρακόσια kilobit ανά δευτερόλεπτο, οπότε στα εκατόν είκοσι οκτώ kilobit το τραγούδι καταλαμβάνει περίπου το ένα δέκατο του χώρου. Η συμπίεση επιτυγχάνεται με τον χωρισμό του σήματος σε πεντακόσιες εβδομήντα έξι ζώνες συχνοτήτων και με ψυχοακουστικά μοντέλα που καθορίζουν κατώφλι ακουστότητας ανά ζώνη, ώστε να απορρίπτονται οι μη ακουστές συχνότητες, κυρίως με βάση το φαινόμενο της ακουστικής σκίασης. Το τίμημα είναι ότι ο αλγόριθμος είναι απωλεστικός και μέρος της πληροφορίας χάνεται για πάντα. Σημειώνεται ότι στην ίδια την άσκηση επιλέγεται ρυθμός πενήντα έξι kilobit ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή ακόμη μεγαλύτερος λόγος συμπίεσης με αισθητά χειρότερη ποιότητα.

Κριτήρια αξιολόγησης: