Bài 6. Dữ liệu âm thanh và hình ảnh

DỮ LIỆU ÂM THANH VÀ HÌNH ẢNH

SAU BÀI NÀY EM SẼ:

Trong tin học, âm thanh và hình ảnh là hai trong các dạng thông tin quan trọng của đa phương tiện (multimedia) mà con người có thể tiếp nhận qua các giác quan. Những thông tin này được lưu trong máy tính như thế nào?

1. BIỂU DIỄN ÂM THANH

Hoạt động 1 Bản chất của âm thanh

Âm thanh được truyền đi bằng sóng âm. Để có thể xử lí một cách hiệu quả, âm thanh trong máy tính cần được lưu trữ dưới dạng số hoá (âm thanh số). Vậy âm thanh số được tạo ra như thế nào?

Trên thực tế, sóng âm có dạng hình sin như Hình 6.1, trục hoành là trục thời gian, trục tung thể hiện biên độ của tín hiệu. Tín hiệu âm thanh có đồ thị liên tục như vậy được gọi là tín hiệu âm thanh tương tự (âm thanh analog).

a) Số hoá âm thanh

Phương pháp cơ bản để số hoá âm thanh là điều chế mã xung (Pulse Code Modulation, viết tắt là PCM) được thực hiện theo các bước như sau:

Bước 1: Lấy mẫu. Lấy giá trị biên độ tín hiệu ở những thời điểm rời rạc, cách đều nhau. Khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu gọi là chu kì lấy mẫu.

Bước 2: Biểu diễn giá trị mẫu. Chọn một thang biểu diễn giá trị mẫu, gồm một số mức đều nhau, ví dụ 256 mức. Biên độ tín hiệu được quy đổi theo tỉ lệ trên thang lấy mẫu và làm tròn. Ví dụ với thang 256 (2^8) mức thì giá trị mẫu sẽ nhận trong khoảng từ 0 tới 255, từ 00000000 đến 11111111 trong hệ nhị phân, có thể ghi trong một byte.

Bước 3: Biểu diễn âm thanh. Dãy giá trị biên độ đã quy đổi tại các điểm lấy mẫu được biểu diễn như đồ thị hình bậc thang (đường màu đỏ trên Hình 6.3). Trong đó, giá trị biên độ tín hiệu được coi là không đổi trong một chu kì lấy mẫu. Như vậy, đồ thị liên tục dạng hình sin của sóng âm (Hình 6.2) được xấp xỉ bằng đồ thị hình bậc thang.

Để đồ thị đường bậc thang bám sát hơn với đồ thị của tín hiệu gốc, chu kì lấy mẫu cần phải nhỏ và thang lấy mẫu chi tiết hơn. Khi đó, khối lượng dữ liệu âm thanh cho một đơn vị thời gian sẽ tăng thêm nhưng âm thanh số sẽ trung thực hơn.

Để số hoá âm thanh, người ta dùng các thiết bị ghi âm cài đặt sẵn phần mềm số hoá, trong đó có các mạch điện tử chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converter ADC).

Số bit cần thiết để biểu diễn được một giây âm thanh được gọi là tốc độ bit (bit-rate).

Các thiết bị âm thanh số cần có mạch điện tử gọi là DAC (Digital to Analog Converter) có chức năng tạo lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số để phát ra loa hoặc tai nghe.

b) Các định dạng lưu trữ âm thanh

Cách số hoá âm thanh theo phương pháp PCM cho chất lượng âm thanh khá trung thực nhưng kích thước tệp lớn. Do đó, người ta đã tìm các phương pháp nhằm giảm kích thước tệp. Có hai phương pháp chính:

Phương pháp thứ nhất là nén dữ liệu nhưng không làm giảm chất lượng âm thanh, tạo nên định dạng âm thanh không mất mát (lossless).

Phương pháp thứ hai là bỏ bớt một phần thông tin âm thanh, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng chấp nhận được. Một trong các định dạng thông dụng nhất là MP3, có thể làm giảm kích thước tệp khoảng 10 lần so với định dạng WAV của PCM (là định dạng thường được dùng trong các ứng dụng trên Windows) mà chất lượng âm thanh giảm không đáng kể.

2. BIỂU DIỄN HÌNH ẢNH

Hoạt động 2

Hãy đọc để biết màu trên màn hình máy tính hay ti vi được tạo như thế nào.

Hệ ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây (lục) và xanh dương (lam) (Hình 6.4.a) phối hợp theo các "liều lượng" khác nhau để tạo ra tất cả các màu (Hình 6.4.b) được gọi là hệ màu RGB (viết tắt từ Red, Green, Blue).

Màn hình LCD hay OLED của máy tính, ti vi ngày nay dùng ba diode cạnh nhau phát ba màu theo hệ RGB để tạo thành một điểm ảnh (Hình 6.5).

Biểu diễn tự nhiên nhất của hình ảnh số chính là tập hợp thông tin màu của các điểm ảnh. Điểm ảnh trong tiếng Anh gọi là pixel (picture element, phần tử ảnh). Ảnh lưu thông tin theo từng điểm ảnh gọi là ảnh bitmap.

Số bit cần thiết để mã hoá thông tin màu của một điểm ảnh trong tiếng Anh gọi là "colour depth", được hiểu là độ sâu màu. Độ sâu màu càng lớn thì màu sắc của ảnh càng tinh tế.

Ảnh màu. Ảnh màu thông dụng có độ sâu màu 24 bit, mỗi màu cơ bản được mã hoá bởi 8 bit, tương ứng với 256 sắc độ khác nhau. Mã màu càng lớn thì màu càng đậm, đến 111111112 (25510) là màu có sắc độ đậm nhất. Mã màu càng nhỏ thì độ màu giảm đi, đến 000000002 (010) là mất màu, trở thành đen hoàn toàn.

Màu trắng có mã (255, 255, 255), màu đỏ có mã (255, 0, 0), màu xanh lá cây có mã (0, 255, 0), màu xanh dương có mã (0, 0, 255), còn màu đen có mã (0, 0, 0). Tổng cộng có 256^3 tổ hợp tạo ra khoảng 16,7 triệu sắc độ màu khác nhau.

Ảnh xám và ảnh đen trắng. Ngoài ảnh màu, người ta cũng dùng ảnh xám, trong tiếng Anh gọi là grayscale, với nhiều mức đậm nhạt khác nhau, phổ biến là 256 mức.

Ảnh đen trắng chỉ có hai sắc độ màu là đen và trắng, tương đương với độ sâu màu là 1.

Biểu diễn ảnh bitmap

Ảnh bitmap nguyên gốc được lưu vào các tệp có phần mở rộng là .bmp.

Lưu ảnh theo thông tin của từng điểm ảnh rất tốn bộ nhớ. Có hai cách giải quyết vấn đề này: hoặc nén tệp, lúc xem thì giải nén mà không gây mất mát chất lượng, hoặc giảm bớt một phần thông tin, chịu mất mát một phần chất lượng. Sau đây là một số định dạng ảnh phổ biến thường được dùng trong các ứng dụng trên web:

Việc số hoá hình ảnh có thể thực hiện bằng các thiết bị số như máy ảnh số, máy quét, điện thoại thông minh.

LUYỆN TẬP

VẬN DỤNG