I. Lý thuyết trọng tâm

1. Biểu diễn âm thanh

a) Từ sóng âm đến âm thanh số

Âm thanh trong tự nhiên được truyền đi dưới dạng sóng âm — có đồ thị dạng hình sin liên tục (trục hoành là thời gian, trục tung là biên độ tín hiệu). Dạng tín hiệu liên tục này gọi là tín hiệu tương tự (analog).

Máy tính chỉ làm việc với dữ liệu số (các dãy bit 0, 1), vì vậy cần chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số — quá trình này gọi là số hóa âm thanh.

b) Phương pháp số hóa âm thanh – PCM

Phương pháp cơ bản nhất để số hóa âm thanh là điều chế mã xung (Pulse Code Modulation – PCM), gồm 3 bước:

Bước 1 – Lấy mẫu: Đo giá trị biên độ tín hiệu tại các thời điểm rời rạc, cách đều nhau. Khoảng thời gian giữa hai lần đo liên tiếp gọi là chu kì lấy mẫu.

Bước 2 – Biểu diễn giá trị mẫu: Chọn một thang đo gồm các mức đều nhau (ví dụ 256 mức = $2^8$). Biên độ tại mỗi điểm lấy mẫu được quy đổi theo tỉ lệ trên thang này rồi làm tròn về mức gần nhất. Với thang 256 mức, giá trị mẫu nằm trong khoảng 0–255, tức là từ 00000000 đến 11111111 trong nhị phân — vừa đủ 1 byte.

Bước 3 – Biểu diễn âm thanh: Ghi lại dãy giá trị biên độ đã quy đổi tại các điểm lấy mẫu, ví dụ: 128, 192, 242, 255, 235, 210…

Nguyên tắc quan trọng: Đồ thị liên tục của sóng âm được xấp xỉ bằng đồ thị hình bậc thang. Chu kì lấy mẫu càng nhỏ (lấy mẫu dày hơn) và thang lấy mẫu càng chi tiết (nhiều mức hơn) → âm thanh số càng trung thực nhưng dung lượng lưu trữ càng lớn.

Một số khái niệm liên quan:

Câu hỏi kiểm tra nhanh: Khi số hóa âm thanh, chu kì lấy mẫu tăng thì lượng thông tin lưu trữ tăng hay giảm?

→ Chu kì lấy mẫu tăng nghĩa là khoảng cách giữa các lần đo xa hơn, tức lấy mẫu ít hơn trong cùng một đoạn thời gian → lượng thông tin lưu trữ giảm (nhưng chất lượng cũng giảm theo).

Câu hỏi kiểm tra nhanh: Tốc độ bit 128 Kb/s (Kbps) nghĩa là gì?

→ Nghĩa là mỗi giây âm thanh cần 128 Kilobit (tức 128 × 1024 bit) để biểu diễn.

c) Các định dạng lưu trữ âm thanh

Phương pháp PCM cho chất lượng trung thực nhưng dung lượng tệp rất lớn. Để giảm dung lượng, có hai hướng tiếp cận:

2. Biểu diễn hình ảnh

a) Hệ màu RGB và điểm ảnh

Màn hình máy tính và tivi hiện đại (LCD, OLED) tạo màu dựa trên hệ màu RGB — phối hợp ba màu cơ bản: Đỏ (Red), Xanh lá cây (Green) và Xanh dương (Blue) theo các mức độ khác nhau để tạo ra mọi sắc màu.

Mỗi điểm nhỏ nhất trên màn hình gọi là điểm ảnh (pixel – picture element). Ảnh số lưu thông tin màu theo từng pixel gọi là ảnh bitmap.

Độ sâu màu (bit depth) là số bit cần thiết để mã hóa thông tin màu của một điểm ảnh. Độ sâu màu càng lớn, màu sắc càng phong phú và tinh tế.

b) Ảnh màu, ảnh xám và ảnh đen trắng

Ảnh màu (RGB 24 bit):

Ảnh màu thông dụng có độ sâu màu 24 bit: mỗi điểm ảnh gồm 3 thành phần màu (R, G, B), mỗi thành phần dùng 8 bit → 256 sắc độ (từ 0 đến 255).

• Mã 255 = sắc độ đậm nhất của màu đó
• Mã 0 = không có màu đó (đen hoàn toàn cho thành phần đó)

Tổng số sắc độ: $256^3 = 16,777,216$ (khoảng 16,7 triệu màu khác nhau).

Ảnh xám (grayscale):

Ảnh xám thông dụng có độ sâu màu 8 bit → 256 mức xám (từ đen hoàn toàn đến trắng hoàn toàn).

Ảnh đen trắng:

Chỉ có 2 sắc độ (đen và trắng) → độ sâu màu = 1 bit (0 = đen, 1 = trắng hoặc ngược lại).

c) Các định dạng tệp hình ảnh

Lưu ảnh theo từng pixel rất tốn bộ nhớ, nên cần các phương pháp nén. Tương tự âm thanh, có hai hướng: nén không mất mát và nén có mất mát.

Thiết bị số hóa hình ảnh: máy ảnh số, máy quét, điện thoại thông minh…

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Xác định độ sâu màu của ảnh

Phương pháp:

• Bước 1: Xác định ảnh cần bao nhiêu mức sắc độ (bao nhiêu trạng thái màu khác nhau mà mỗi pixel có thể nhận).
• Bước 2: Tìm số bit tối thiểu cần dùng sao cho $2^n \geq$ số mức sắc độ. Giá trị $n$ chính là độ sâu màu.

Bài tập mẫu (SGK – Luyện tập, bài 1): Có một bảng quảng cáo LED như Hình 6.9. Nếu coi mỗi vị trí đặt bóng LED tương ứng với một điểm ảnh thì độ sâu màu của ảnh này là bao nhiêu?

Lời giải:

Quan sát bảng LED: mỗi bóng LED chỉ có 2 trạng thái — sáng hoặc tắt (tương đương đen hoặc trắng).

Số mức sắc độ = 2 → Cần $n$ bit sao cho $2^n = 2$ → $n = 1$.

Đáp án: Độ sâu màu = 1 bit.

Dạng 2: Tính dung lượng và thời gian phát âm thanh

Phương pháp:

Dựa trên mối quan hệ giữa ba đại lượng:

$$\text{Dung lượng (bit)} = \text{Tốc độ bit (bit/s)} \times \text{Thời gian (s)}$$

Suy ra:

$$\text{Thời gian (s)} = \frac{\text{Dung lượng (bit)}}{\text{Tốc độ bit (bit/s)}}$$

Lưu ý đơn vị: Cần quy đổi thống nhất trước khi tính. Nhớ: 1 MB = 1024 KB; 1 KB = 1024 Byte; 1 Byte = 8 bit. Tốc độ bit thường tính theo Kb/s (Kilobit/giây, với 1 Kb = 1000 bit trong ngữ cảnh truyền thông).

Bài tập mẫu (SGK – Luyện tập, bài 2): Nhạc CD có tốc độ bit 1411 Kb/s. Hãy ước tính một đĩa nhạc CD dung lượng 650 MB có thể nghe được bao lâu.

Lời giải:

Bước 1 – Quy đổi dung lượng sang đơn vị Kb:

$$650 \text{ MB} = 650 \times 1024 \text{ KB} = 665,600 \text{ KB} = 665,600 \times 8 \text{ Kb} = 5,324,800 \text{ Kb}$$

Bước 2 – Tính thời gian:

$$\text{Thời gian} = \frac{5,324,800 \text{ Kb}}{1411 \text{ Kb/s}} \approx 3,773 \text{ giây}$$

Bước 3 – Đổi sang phút:

$$3,773 \text{ giây} = \frac{3,773}{60} \approx 62{,}9 \text{ phút} \approx 1 \text{ giờ } 3 \text{ phút}$$

Đáp án: Đĩa CD 650 MB có thể nghe được khoảng 63 phút (xấp xỉ hơn 1 giờ).

III. Sơ đồ tư duy

1. Biểu diễn âm thanh

• 1.1. Sóng âm → tín hiệu tương tự (analog), đồ thị hình sin liên tục
• 1.2. Số hóa âm thanh (PCM): 3 bước
  • Lấy mẫu (chu kì lấy mẫu)
  • Biểu diễn giá trị mẫu (thang mức, ví dụ 256 mức = 1 byte)
  • Ghi lại dãy giá trị mẫu
• 1.3. Chất lượng: chu kì nhỏ + thang chi tiết → trung thực hơn, dung lượng lớn hơn
• 1.4. Tốc độ bit (bit-rate): số bit biểu diễn 1 giây âm thanh
• 1.5. ADC (ghi âm: analog → digital), DAC (phát: digital → analog)
• 1.6. Định dạng: WAV (PCM gốc), MP3 (lossy, giảm ~10 lần), Lossless (FLAC…)

2. Biểu diễn hình ảnh

• 2.1. Hệ màu RGB: Đỏ – Lục – Lam, phối hợp tạo mọi sắc màu
• 2.2. Điểm ảnh (pixel), ảnh bitmap: lưu thông tin theo từng pixel
• 2.3. Độ sâu màu (bit depth): số bit mã hóa màu 1 pixel
• 2.4. Ảnh màu: 24 bit (3×8), ~16,7 triệu màu
• 2.5. Ảnh xám: 8 bit, 256 mức xám
• 2.6. Ảnh đen trắng: 1 bit, 2 mức
• 2.7. Định dạng: .bmp (gốc), .jpeg (nén có mất mát), .png (nén không mất mát, nền trong suốt)

IV. Bảng sai lầm thường gặp

Thầy Phạm Thành Danh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Tin Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Tin học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 8+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Thuận Hóa