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多媒體技術基礎 --數(shù)字聲音,1,學習目標,1．了解聲音特性。 2．理解聲音數(shù)字化的原理。 3．了解MPEG聲音。 4．理解MIDI音樂原理及特點。 5．了解聲音文件的存儲格式及特點。 6．掌握聲音的采集方法。 7．掌握聲音編輯軟件的基本功能。 8．了解音頻卡的功能，掌握音頻卡的安裝和使用。,2,內容框架,3,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性,聲音本質上是一種機械振動波，也稱之為聲波，它通過空氣傳播到人耳，刺激神經后使人的大腦產生感覺，即聽覺。,空氣振動形成的聲波,4,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 1．頻率與音調 頻率是指聲音信號每秒鐘變化的次數(shù)，單位用赫茲（Hz）表示。,音頻頻率范圍示意,5,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 1．頻率與音調 人耳對聲音頻率的感覺表現(xiàn)為音調的高低，頻率越低，給人的感覺越聲音低沉。 人耳對同樣強度但不同頻率的聲音其主觀感覺的強弱是不同的。,6,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 2．幅度與音強 音強是指聲音信號的強弱程度，它與音頻信號的幅度有關。 我們常用音量來描述音強，音量是對音頻信號的幅度取對數(shù)后再乘以20所得到的值，單位為分貝（dB）。人耳能感知的聲音幅度大約在0-120dB之間。,7,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 2．幅度與音強 動態(tài)范圍定義為音頻信號的最大強度與最小強度之比： 音頻信號的動態(tài)范圍=20×lg（信號的最大強度/信號的最小強度）（dB） 動態(tài)范圍越大，說明音頻信號強度的相對變化范圍越大，則音響效果越好，表現(xiàn)力越強。,8,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 3．頻帶寬度 聲音信號是由許多頻率不同的信號組成的復合信號，因此需要用一個參數(shù)來描述其復合特性，這個參數(shù)就是頻帶寬度或稱為帶寬，它是描述組成復合信號的頻率范圍。,9,5.1 聲音的特性,5.1.1 聲音的物理特性 3．頻帶寬度 音頻信號的頻帶越寬，所包含的音頻信號分量越豐富，因此音質越好。,聲音質量等級與信號帶寬,10,5.1 聲音的特性,5.1.2語音、音樂、音效 根據(jù)音頻信號所攜帶的信息大體上可以分為語音、音樂、音效三類。 1．語音 2．音樂 3．音效,11,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.1 采樣與量化 聲音的數(shù)字化主要包括兩個過程：聲音采樣和量化。,聲音的采樣與量化,12,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.1 采樣與量化 1．采樣與采樣頻率 在某些特定的時刻對模擬信號進行測量叫做采樣(sampling)，這樣就把時間上連續(xù)的模擬信號通過抽取樣本，變成時間上不連續(xù)的信號序列。每秒鐘需要采集多少個聲音樣本，稱為采樣頻率，單位用赫茲（Hz）來表示。 采樣率越高，音頻信號越不失真，聲音品質越好。采樣的三個標準頻率分別為44.1kHz（CD品質的音樂）、22.05kHz（中等品質的音樂或語音）、11.025kHz（語音）。,13,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.1 采樣與量化 2．量化與量化位數(shù) 量化（quantization）是指將采樣所得的值數(shù)字化，即用二進制來表示模擬量。用來描述音頻信號樣本的二進制位數(shù)，稱為量化位數(shù)（或稱位深度），它決定了模擬信號數(shù)字化以后的動態(tài)范圍，量化位越高，信號的動態(tài)范圍越大，數(shù)字化后的音頻信號就越可能接近原始信號。,14,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 聲音質量與數(shù)據(jù)率 1．聲道 音頻文件有單聲道（mono）和雙聲道之分。雙聲道又分為左右聲道。雙聲道聲音文件比單聲道聲音文件大一倍，因為雙聲道存儲的信息比單聲道大兩倍。 雙聲道文件可以將左右兩個聲道的聲音分別保存成單聲道文件，也可以將左右聲道混合后通過一個單聲道輸出一個立體聲(stereo)聲音文件。,15,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 聲音質量與數(shù)據(jù)率 2．聲音質量與數(shù)據(jù)率,聲音質量和數(shù)據(jù)率,16,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 聲音質量與數(shù)據(jù)率 3．聲音文件的大小,文件大小= 采樣頻率（Hz）×量化位數(shù)（bit）×聲道數(shù) ×音頻秒數(shù)÷8（Byte),17,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 數(shù)字音頻的壓縮編碼 1．PCM、DPCM和ADPCM 是基于音頻數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性進行編碼的波形編碼方法，它直接對波形采樣、量化、編碼，算法簡單，易于實現(xiàn)。聲音恢復時能保持原有的特點，但壓縮比很難提高。 采用PCM編碼、ADPCM編碼等生成的數(shù)字音頻都以WAVE的文件格式存儲，以“.WAV”為文件擴展名。CD激光唱盤中包含也是WAVE格式的波形數(shù)據(jù)，只是不存成擴展名為“.WAV”文件而已。,18,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 數(shù)字音頻的壓縮編碼 2．MPEG音頻 在MPEG-1音頻標準中應用最廣的就是MPEG-1 Audio Layer 3，即我們熟知的MP3音樂，其文件擴展名為“.mp3”。MP3最大的好處在于大幅降低了數(shù)字聲音文件的容量，而不破壞原來的音質。以CD音質的Wave文件來說，通過MP3格式壓縮后，文件便可壓縮為原來的1/10～1/12。,19,5.2 聲音的數(shù)字化,5.2.2 數(shù)字音頻的壓縮編碼 2．MPEG音頻 MPEG-2標準定義了兩種聲音數(shù)據(jù)壓縮格式 MPEG-2 Audio：與MPEG-1 Audio兼容，并在此基礎上實現(xiàn)了低碼率和多聲道擴展，可提供左、右、中及兩個環(huán)繞聲道、一個加重低音聲道，即5.1環(huán)繞聲和多達7個伴音聲道，用于DVD的伴音。 MPEG-2 AAC（Advanced Audio Coding，先進音頻編碼）：音質更加完美而壓縮比更大（15:1～20:1），但與MPEG-1聲音格式不兼容。,20,5.2 聲音的數(shù)字化,什么是MP4？,?,21,5.3 認識MIDI音樂,5.3.1 什么是MIDI？ MIDI是英文Musical Instrument Digital Interface的縮寫，中文含義是樂器數(shù)字接口。它是用于在電子樂器，如音樂合成器(music synthesizers)或樂器(musical instruments)之間以及電子樂器和計算機之間交換音樂信息的一種標準協(xié)議。,22,5.3 認識MIDI音樂,5.3.2 MIDI音樂的處理過程,計算機中的聲卡有MIDI端口，它通過MIDI電纜與MIDI鍵盤或電子樂器的鍵盤連接，采集鍵盤演奏的MIDI信息；音序器（sequencer）的作用是記錄、編輯、播放由MIDI信息構成的MIDI文件，通常是一軟件，如cakewalk;音樂合成器（musical synthesizer）是一種電子設備，可將MIDI信息轉換成為模擬信號的波形，再傳送到揚聲器上產生聲音效果，計算機用的合成器一般在聲卡上。,23,5.3 認識MIDI音樂,5.3.3 MIDI音樂的合成方式 MIDI樂音的合成方法主要有兩種： 頻率調制（frequency modulation，F(xiàn)M）合成法， 樂音樣本合成法，也稱為波形表（wavetable）合成法。,FM合成法生成樂音的基本原理是，用數(shù)字信號來表示不同樂音的波形，然后用計算機把它們組合起來，再通過數(shù)模轉換器(digital to analog convertor，DAC)生成樂音。使用FM合成法來產生各種逼真的樂音是相當困難的，有些樂音幾乎不能產生。,24,5.3 認識MIDI音樂,5.3.3 MIDI音樂的合成方式 MIDI樂音的合成方法主要有兩種： 頻率調制（frequency modulation，F(xiàn)M）合成法， 樂音樣本合成法，也稱為波形表（wavetable）合成法。,波形合成法是把真實樂器發(fā)生的聲音以數(shù)字形式記錄下來，播放時改變播放速度，從而改音調周期，生成各種音階的音符。由于波表使用的音樂采樣是真實的樂器聲音，所以產生的聲音質量比FM合成方法產生的聲音質量要高。波表使用的音樂樣本的好壞以及音色庫的大小決定了波表可播放的MIDI音樂的質量。,25,5.3 認識MIDI音樂,5.3.4 MIDI音樂的特點 優(yōu)點： 生成的文件比較小，因為MIDI文件存儲的是命令，而不是聲音波形。 容易編輯，因為編輯命令比編輯聲音波形要容易得多。 MIDI音樂音源豐富的情況下能得到高品質的聲音。 配音使用方便。 不足： 由于MIDI文件記錄的不是實際的聲音，因此它的播放質量將受硬件設備的影響。 MIDI文件不適合表示語音，語音選擇波形文件更為合適。,26,5.4 聲音文件的格式及轉換,,常用聲音文件格式,27,5.4 聲音文件的格式及轉換,,常用音頻格式轉換軟件及功能,28,5.5 聲卡,5.5.1 聲卡的發(fā)展簡史,Creative公司,Sound Blaster,Sound Blaster 16,Sound Blaster PRO,Sound Blaster Awe 32,Sound Blaster Awe 64,Sound Blaster Live!,,圖5. 9 聲卡,29,5.5 聲卡,5.5.2 聲卡的功能 1．音頻的錄制、編輯與播放 2．錄制、播放MIDI音樂 3．實現(xiàn)語音通訊 4．語音識別與文語轉換 5．連接游戲桿,30,5.5 聲卡,5.5.3 聲卡的接口與使用,聲卡的接口,31,5.6 數(shù)字聲音的采集與編輯處理,5.6.1 采集數(shù)字聲音 常用有以下幾種獲取聲音資源的方法： （1）利用計算機的聲卡錄制聲音，錄音的音源可以來自話筒，也可以將來自模擬設備如錄音磁帶、收音廣播等的聲音，轉為數(shù)字聲音。 （2）利用抓音軌軟件從音樂CD上抓取音樂文件。 （3）利用現(xiàn)成的數(shù)字聲音素材，如從網上下載或從聲音素材光盤上直接復制聲音文件。 注意：當使用第三方的聲音文件時，要注意版權問題。,32,5.6 數(shù)字聲音的采集與編輯處理,5.6.1 采集數(shù)字聲音 1．利用聲卡錄制聲音 （1）確認音源與聲卡相應的接口已經相連。話筒接入聲卡的MIC接口，若是音源來自盒式磁帶或是收音機則需要一根雙頭音頻線。 （2）選擇錄音軟件。錄音軟件可以是聲音編輯軟件，也可以使用Windows附件中的“錄音機”。 （3）選擇適當?shù)牟蓸宇l率、量化位數(shù)和編碼方式。 （4）進行錄音，保存聲音文件。,33,5.6 數(shù)字聲音的采集與編輯處理,5.6.1 采集數(shù)字聲音 2．CD抓軌 CD中存儲的是數(shù)字化聲音，但不是以文件形式存儲的，不能直接拷貝。通過抓音軌，可直接獲取存儲在光盤音軌上的數(shù)據(jù)，并存儲為WAV格式或MP3格式的聲音文件。 現(xiàn)在可用于抓音軌工具很多，有專門的抓音軌工具，如EAC（Exact Audio Copy）；媒體播放軟件中也內置了抓軌功能，如Windows Media Player、Real One Player以及WinAMP；一些光盤刻錄軟件如Nero中也有此功能。,34,5.6 數(shù)字聲音的采集與編輯處理,5.6.2 數(shù)字聲音的編輯,Windows附件中的“錄音機”除了錄音還可以實現(xiàn)一些簡單的編輯，如剪切掉音頻中前后不需要的部分、對兩個音頻文件進行混合、調整音量、制作簡單的音頻效果等。,35,5.6 數(shù)字聲音的采集與編輯處理,5.6.2 數(shù)字聲音的編輯 專門的聲音編輯軟件： ULead公司的Audio Editor Sonic Foundry公司的Sound Forge Syntrillium Software公司的Cool Edit Pro GoldWave公司的GoldWave 以上這些聲音編輯軟件的功能有強有弱，但基本上都具備聲音錄制、聲音編輯、添加音效、聲音格式轉換等功能。,36,學習活動,1．從CD光盤上選擇一個音軌將它轉成雙聲道，44.1kHz、16bit的立體聲文件，并將這個文件分別轉化為雙聲道、22.05kHz、16bit，單聲道、11kHz、8bit，單聲道、5kHz、8bit的三個聲音文件，比較這些聲音文件在文件大小和聲音播放效果上的變化。 2．選擇播放若干各種不同格式的數(shù)字音頻文件，如WAV、MID、MP3、RA等，記錄各文件的屬性，如聲音文件的播放長度，聲音文件的大小，比較這些聲音文件的播放效果。 3．上網搜索教材中沒有提及的數(shù)字音頻的最新格式，了解它們的格式、特點及應用，并到收集到的資料發(fā)布到學習平臺與同學交流。,37,學習活動,4．收集當前流行各種聲卡的有關資料，了解聲卡的最新功能以及性價比。 5．小組創(chuàng)作或剪輯一個10分鐘左右的音頻作品，自定一個主題，可以是將不同的音樂作品剪輯合成一個作品（類似串燒歌），也可以錄制一段語音，并為其配樂，如配樂詩朗誦等，使其為有一個主題的作品。（也可以把這個任務和第六章教學活動3結合起來，使其成為動畫的背景音樂）。,38,