Билет 20

Оглавление

Ввод и обработка звуковых файлов

Звук — это волновые колебания давления в упругой среде (в воздухе, воде, металле и т. д.). Для обозначения звука часто используют термин «звуковая волна».

Основные параметры любых волн, и звуковых в том числе, — частота и амплитуда колебаний. Частоту звука измеряют в герцах (Гц, количество колебаний в секунду). Человеческое ухо способно воспринимать звук в широком диапазоне частот, примерно от 16 Гц до 20 кГц. В нетехнических областях (например, в музыке) вместо термина «частота» нередко используют термин «тон».

Амплитуду звуковых колебаний называют звуковым давлением или силой звука, эта величина характеризует воспринимаемую громкость звука. Абсолютную величину звукового давления измеряют в единицах давления — паскалях (Па). Самые слабые, едва различимые звуки имеют амплитуду около 20 мкПа (2*10^-5 Па, так называемый порог слышимости). Самые сильные звуки, еще не выводящие слуховые органы из строя, могут иметь амплитуду до 200 Па (так называемый болевой порог). Из-за столь широкого диапазона значений (максимальное и минимальное значения отличаются на 6—7 порядков!) абсолютными величинами звукового давления пользоваться крайне неудобно, на практике обычно используют логарифмическую шкалу децибелов.

Кодирование

Звукозапись — это процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн. Способы хранения, или записи, звука разделяются на аналоговые и цифровые. При аналоговой записи на носителе размещается непрерывный «слепок» звуковой волны. Так, на грампластинке пропечатывается непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука, а на магнитной ленте параметры звука сохраняются в виде намагниченности рабочей поверхности, степень намагниченности непрерывно изменяется, повторяя параметры звука.

В компьютерах применяется исключительно цифровая форма записи звука. При цифровой записи звук необходимо подвергнуть временной дискретизации и квантованию: параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определенные промежутки времени (временная дискретизация); результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (квантование).

Вообще говоря, в компьютер приходит не сам звук, а электрический сигнал, снимаемый с какого-либо устройства: например, микрофон преобразует звуковое давление в электрические колебания, которые в дальнейшем и обрабатываются. К компьютеру можно подключить и магнитофон, и радио, и эхолот — словом, любое устройство, вырабатывающее электрические сигналы.

Цифровая запись вносит двойное искажение в сохраняемые параметры сигнала: во-первых, при дискретизации теряется информация об истинном изменении звука между измерениями, а во-вторых, при квантований сохраняются не точные параметры, а только близкие к ним дискретные значения.

В компьютерах используются так называемые импульсно-кодовое и частотное представления звуковой информации, для обозначения которых чаще всего используют названия технических способов воспроизведения звука: импульсно-кодовая модуляция и частотная модуляция.

Импульсно-кодовая модуляция

Импульсно-кодовая модуляция заключается в том, что звуковая информация хранится в виде значений амплитуды, взятых в определенные моменты времени (т. е. измерения проводятся импульсами).

При записи звука в компьютер амплитуда измеряется через равные интервалы времени с некоторой достаточно большой частотой.

При воспроизведении звука компьютер использует сохраненные значения для того, чтобы восстановить непрерывную форму выходного сигнала.

Процесс получения цифровой формы звука называют оцифровкой. Устройство, выполняющее оцифровку звука, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Устройство, выполняющее обратное преобразование, из цифровой формы в аналоговую, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). В современных компьютерах основная обработка звука выполняется звуковыми картами. Помимо АЦП и ЦАП звуковые карты содержат сигнальный процессор — специализированный микрокомпьютер для обработки оцифрованного звука, выполняющий значительную часть рутинных расчетов при обработке звуков (смещение звуков, наложение спецэффектов)

ыя

Форматы файлов

WAV (Wave Form Audio File Format) –формат поддерживает множество бит-разрешений, скоростей и каналов звука, широко используется в программах, предназначенных для работы с музыкальными произведениями. Но WAV-файлы имеют большие размеры и занимают много места на диске.

MIDI (Music Instrument Digital Interface)  – это стандартный формат для передачи музыкальных файлов между электронными инструментами и компьютерами. Качество записанной в MIDI-файлах музыки хорошее, и сами они занимают мало места на диске.

 MP 3 (Moving Picture Expert Group, Audio Layer 3)  – формат, обеспечивающий высокую степень сжатия музыкальных файлов при обеспечении высокого качества их воспроизведения.  

 Кодирование звуковой информации. Сложно:

Для записи и обработки аналогового сигнала с выхода микрофона осуществляется его оцифровка с помощью аналого-цифрового преобразователя. При этом они заменяются цифровыми значениями отдельных выборок, взятых через достаточно короткие промежутки времени То есть непрерывный сигнал квантуется по величине и по времени, в результате чего получается поток логических 0 и 1, которые обрабатывает процессор. При 16-разрядном амплитудном кодировании непрерывный сигнал разбивается на ступеней квантования. В соответствии с теоремой отсчетов, частота квантования 44,1 кГц обеспечивает воспроизводимость всего звукового диапазона частот (до 20 кГц). При этом объем файла в битах равен где -- частота квантования, -- разрядность квантования по величине (число ступенек), -- время записи. Оцифрованный сигнал может быть преобразован в аналоговый с помощью цифроаналогового преобразователя.

Аналоговое кодирование цифрового сигнала. Применяется при передаче данных по телефонным линиям связи и использует три способа модуляции:

1. Амплитудная модуляция: в соответствии с последовательностью передаваемых битов изменяется амплитуда синусоидальных колебаний, например, логической 1 соответствует большая амплитуда, а логическому 0 -- маленькая или отсутствие колебаний. OC

2. Частотная модуляция: в соответствии с передаваемыми битами изменяется частота колебаний: логическая 1 -- высокая частота, 0 -- низкая.

3. Фазовая модуляция: при переходе от логической 1 к логическому 0 и наоборот фаза колебаний изменяется на

Специальное программное обеспечение

Тема программного обеспечения очень широка, поэтому здесь мы только вкратце обсудим основные представители программ для обработки звука.

Наиболее важный класс программ - редакторы цифрового аудио. Основные возможности таких программ это, как минимум, обеспечение возможности записи (оцифровки) аудио и сохранение на диск. Развитые представители такого рода программ позволяют намного больше: запись, многоканальное сведение аудио на нескольких виртуальных дорожках, обработка специальными эффектами (как встроенными, так и подключаемыми извне - об этом позже), очистка от шумов, имеют развитую навигацию и инструментарий в виде спектроскопа и прочих виртуальных приборов, управление/управляемость внешними устройствами, преобразование аудио из формата в формат, генерация сигналов, запись на компакт диски и многое другое. Некоторые из таких программ: Cool Edit Pro (Syntrillium), Sound Forge (Sonic Foundry), Nuendo (Steinberg), Samplitude Producer (Magix), Wavelab (Steinberg).   

Sony Sound Forge - версия 9.0a Build 297    

 Итак, в долгожданной версии 9.0:

- редактирование и запись многоканального звука

- обновленный поканальный конвертер для многоканального звука

- обновленный анализатор спектра

- поддержка Drag-and-drop при работе с несколькими каналами

- копирование, вырезание, вставка отдельных каналов при работе с многоканальным звуком

- усовершенствование и оптимизация методик   

WinAVI Video Converter 8.0 - бета-версия    

 WinAVI Video Converter - это, как утверждают авторы, простота и мощь в одном флаконе. Поддержка почти всех видеоформатов, включая AVI, MPEG1/2/4, VCD/SVCD/DVD, DivX, XVid, ASF, WMV, RM, QuickTime MOV, Flash SWF, конвертация из одного формата в другой, сжатие/запись на диски на лету, авторинг DVD.

Что нового в версии 8.0:

- поддержка создания меню для DVD, ввода/микширования нескольких видеопотоков

- RIP DVD в любой поддерживаемый формат

- поддержка одновременной работы с несколькими видео/аудио потоками

- Новый MPEG кодер, с рядом опций

- поддержка вывода в элементарный поток, а также MPEG2 PS (Program Stream) и TS (Transport Stream)

- поддержка Closed GOP структур

- сжатие в MPEG C-VBR (Constant-Variable Bitrate)

- сжатие в Divx-HD

- ручное задание MPEG1/2 AR и автоподбор битрейта в зависимости от разрешения потока

- предпросмотр в реальном времени

- контроль уровня громкости/яркости/контраста выводимого потока

- контроль синхронизации звука и видео

- поддержка ручного выбора декодера/сплиттера

- новый метод декодирования MOV/Real Media

- новый, более стабильный механизм прожига DVD

- поддержка выбора фрагмента потока

- исправление ошибок

В настоящее время для цифровой обработки звука могут быть использованы широко распространенные звуковые редакторы SoundForgeи CoolEdit. Достоинством первого редактора, помимо широких возможностей обработки звука, является возможность качественного преобразования звуковых файлов из одного формата в другой. Достоинством второго редактора является возможность преобразования форматов звуковых файлов в пакетном режиме. Это означает, что можно задать сразу несколько файлов для преобразования, а не преобразовывать их по отдельности.

          Не смотря на достоинства звуковых редакторов SoundForgeи CoolEdit, ни один из них не может выполнять качественное преобразование звуковых файлов из одного формата в другой в пакетном режиме. Целью создания представленной программы является возможность преобразования форматов звуковых файлов в пакетном режиме. При этом обеспечивается лучшее качество преобразования по сравнению со звуковым редактором CoolEditи возможность пакетного преобразования форматов файлов, отсутствующих в звуковом редакторе SoundForge.

          Программа обеспечивает следующие возможности:

преобразование форматов WAV файлов;

преобразование в формат DialogicADPCM(VOX);

нормализация амплитуды звукового сигнала в процессе преобразования;

применение сглаживающего фильтра.

Программа была специально разработана для использования в области компьютерной телефонии. Программа успешно используется компанией Forte-ITи ее клиентами (BeeLine, МТС) в качестве средства формирования звуковых файлов с форматом, необходимым для работы систем компьютерной телефонии.

В программе предусмотрены следующие варианты преобразования форматов файлов:

WAVфайл в WAV файл с заданным форматом;

VOXфайл в WAV файл с заданным форматом;

WAVфайл в VOX файл с заданной частотой дискретизации;

VOXфайл в VOX файл с заданной частотой дискретизации.

В VOXфайлах для хранения выборок используется адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ADPCM), позволяющая сократить объем файла без заметного ухудшения качества звука.

          Для работы с VOX файлами реализован набор алгоритмов и проведена их оптимизация с использованием языка ассемблера 80386.

          В качестве стандартных средств для преобразования форматов WAVфайлов в программе используется диспетчер аудиосжатия Windows(WindowsACM). ACMиспользуется для преобразования формата WAVфайла в формат с импульсно-кодовой модуляцией (PCM), который затем может быть использован для дальнейшего применения нормализации амплитуды и сглаживающего фильтра.

Программа предназначена для работы в операционных системах Windows95/98/Me/2000/XPи не требует установки дополнительных компонентов. Программа написана в среде BorlandC++Builder 6.0.