 |
Принципы компьютерного воспроизведения звука
|
|
|
|
При воспроизведении звука на компьютере происходит обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую непрерывную форму. Сигнальный процессор рассчитывает параметры звукового сигнала, а цифро-аналоговый преобразователь преобразует электрический сигнал в аналоговый, который слышен человеческому уху.
В современной цифровой звукотехнике, например в компьютерных звуковых картах, используется несколько методов реконструкции формы аналогового сигнала (восстановление звука по его цифровой форме). Эти методы сильно отличаются друг от друга даже идеями, взятыми за их основу. Общим в методах реконструкции формы сигнала является то, что цифровой сигнал сперва подвергается передискретизации – увеличению частоты дискретизации и глубины квантования в несколько раз. Например, поток звуковых данных с Audio CD с частотой дискретизации 44,1 кГц и глубиной квантования 16 битов в звуковой карте преобразуется в поток с частотой дискретизации 192 кГц и глубиной квантования 24 бита.
Для вычисления амплитуд сигнала во вставленных новых отсчетах используются различные математические методы, например полиномиальная интерполяция. Суть этого метода состоит в том, что по известным значениям функции f (х) в дискретных моментах времени x 1, x 2 …, xn мы можем восстановить ее значения в других точках x, то есть по нескольким подряд идущим отсчетам можно построить интерполяционный многочлен, проходящий через заданные точки (например, интерполяционный многочлен Лагранжа). По «старым» значениям отсчетов сигнала вычисляются коэффициенты многочлена, и с их помощью вычисляется амплитуда сигнала в отсчетах, которые вставляются при передискретизации.
|
|
|
После передискретизации цифровой сигнал с помощью ЦАП преобразуется в ступенчатый аналоговый сигнал. Этот ступенчатый сигнал представляет собой сумму ожидаемого выходного сигнала и так называемого паразитного сигнала дискретизации. Паразитный сигнал имеет малую амплитуду и очень высокую частоту. Выходной сигнал ЦАП пропускается через пропускающий фильтр низких частот, который подавляет высокочастотные составляющие сигнала. Такой технический прием позволяет добиться качественной реконструкции формы аналогового сигнала при простой реализации электронных схем.
|
Понятие звукозаписи
Люди давно научились записывать различные звуки и потом воспроизводить их. Сам процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн называется звукозаписью. Сначала люди освоили аналоговые способы записи и хранения звуковой информации. При аналоговой записи на носителе размещается непрерывный «слепок» звуковой волны. Например, на музыкальные пластинки наносится непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука, на магнитофонной ленте параметры звука сохраняются в виде намагниченности рабочей поверхности, намагниченность поверхности непрерывно изменяется, повторяя параметры звука.
С появлением компьютеров люди захотели хранить звук в компьютере и воспроизводить его с помощью ЭВМ. Однако аналоговая запись не подошла для такого хранения. В компьютере используется только цифровая форма записи звука. При цифровой записи звук необходимо подвергнуть подготовительным процедурам, а именно временной дискретизации и квантованию.
При цифровой звукозаписи значения амплитуды звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через равные небольшие промежутки времени (временная дискретизация) и записываются с некоторой точностью, то есть округляются до некоторого значения – уровня, на которые предварительно разбивается диапазон всех возможных значений (квантование).
|
|
|
То есть непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.
Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек"
|
| Временная дискретизация звука |
Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и его преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой плате. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.
Частота дискретизации звука - это количество измерений громкости звука за одну секунду.
Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.
Глубина кодирования звука. Каждой "ступеньке" присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных значений N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации бит памяти, которое называется глубиной кодирования звука.
Глубина кодирования звука - это количество бит информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.
Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2I. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно:
N = 2I = 216 = 65 536.
В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой двоичный код.
Процесс получения цифровой формы звука называют оцифровкой.
Качество оцифрованного звука. Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно"). Высокое качество оцифрованного звука, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").
|
|
|
Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду й умножить на 2 (стереозвук):
16 бит*24 000*2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.
Звуковые редакторы. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых редакторах в наглядной форме, поэтому операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.).
Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3.
При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются "избыточные" для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде).
|
|
|
Форматы звуковых файлов
1. WAVE (.wav) - наиболее широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых файлов. Файлы в этом формате имеют большой размер, который зависит от: дискретизации; разрядности звука; моно - или стереозвука; длительности.
2. MPEG-3 (.mp3) - наиболее популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов. При кодировании из мелодии удаляются звуки, не воспринимаемые человеческим ухом (воспринимаемый диапазон 20-20000 Гц).
3. Real Audio (.ra,.ram) - разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени. Полученное качество в лучшем случае соответствует плохонькой аудиокассете, для качественной записи музыкальных произведений применение формата MPEG-3 более предпочтительно. Низкий размер достигается применением методов сжатия.
4.MIDI (.mid) - содержат не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с помощью FM- или WT-синтеза. Если звуковая карта не содержит синтезатора, то такой звук воспроизводится не будет.
5. MOD (.mod) - музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот. Файлы в этом формате начинаются с набора образцов звука, за которыми следуют ноты и информация о длительности. Каждая нота воспроизводится с помощью одного из приведенных в начале звуковых шаблонов. Такой файл, в отличие от MIDI-файла, полностью задает звук, что позволяет воспроизводить его на любой компьютерной платформе.
|
|
|
