10.Аппаратные и программные средства обработки звука.

Звук – упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях и твёрдых телах и воспринимаемые ухом человека и животных.

Звуковые подсистемы компьютера– подсистемы, предназначенные для записи звуковых сигналов от внешних источников; воспроизведения ранее записанных; ликвидирования; одновременной записи и воспроизведения звуковых знаков; обработки звуковых знаков; управления панорамой стереофонического звукового сигнала; обработки звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного звучания; генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов и человеческой речи; воспроизведение звуковых компакт дисков; управления работой внешних электронных музыкальных инструментов; выполнения управления компьютера с помощью голоса.

Аппаратные средства обработки звука: модуль записи, воспроизведения звука, модуль синтезатора, модуль интерфейса, модуль микшера, акустические системы.

Программные средства обработки звука: музыкальные редакторы, синтезаторы звука (речи), редакторы оцифровок реальных звуков, генераторы стили, программы для улучшения качества фонограмм.

Программы-секвенсеры. Программы обработки музыкальных файлов, которые позволяют редактировать параметры любой ноты или группы нот (громкость, высота, местоположение, инструмент, панорама), стирать, перемещать, добавлять ноты, менять скорость проигрывания мелодии без изменения высоты звука, и наоборот – поднять или опустить мелодию на любое число тонов без изменения скорости.

Программы-микшеры. Программы, которые позволяют по ходу дела регулировать громкость и стереобаланс по каждому звуковому каналу.

Звук характеризуется:

частотой дискретизации,

разрядностью выборок,

числом каналов или звуковых дорожек,

алгоритмом компрессии/декомпрессии – кодеком,

форматом хранения.

• Качество цифрового звука определяется, в основном, величиной дискретизации. Дискретизация — это количество выборок на единицу времени. Аналогия дискретизации -частота кадров в анимации и в кино.

Для определения наилучшей дискретизации существует эмпирическая формула: она должна примерно в два раза превышать максимальную частоту восприятия звука. Если верхний предел для человеческого слуха 20 000 Гц, то оптимальная дискретизация для точной его передачи составляет около 40 000 Гц. Так оно и есть: CD-качество сей­час — 44 100 Гц.

• С понижением дискретизации падает качество звука, его реалистичность, однако на­блюдается выигрыш в размере файла: если звук при 44 100 Гц «весит» 500 Кб, то при 22 050 Гц — 250 Кб и т.д.

Частота звука, кГц	Качество	Использование
48	Звук на проф цифровом носителе, напри­мер Super CD	Профессиональная звукозапись
44, 100	Компакт-диск	Наиболее распространенный вари­ант для высококачественного звука и музыки
32	Аудиокассета	Запись с кассет, в том числе и видео
22,05	FM-радиостанции	Используется для сохранения звуков радио- и телеэфира
11,025	Голос	Идеально для записи голоса человека— высокое качество и малый размер
5	Простые звуки	Простые звуки для кнопок, голос низкого качества (используется для экономии размера файла)

разрядностью выборок,

• Это количество битов, необходимое для передачи одной выборки звука. Можно провести достаточно четкую параллель с графикой: если дискретизация звука соответствует разрешению, то разрядность — глубине цвета. Так же как четырехбитовый цвет— это только градации серого, а 16-битовый способен передать несколько мил­лионов цветов, так и четырехбитовый звук очень беден, а 16-битовый полностью вос­производит всю акустическую гамму реального мира. С ростом разрядности прямо пропорционально увеличивается и размер файлов.

В настоящее время основными степенями разрядности являются 4, 8, 12, 16 и 32 бита

Разр,бит	Качество	Использование
32	Цифровые профессиональные носители	Профессиональная звукозапись
16	Компакт-диск	Звук высокого, реалистичного качества
12	Аудиокассета, звуковые до­рожки на видеокассетах	Звук для видеозаписей
8	Качество радиопередач	Музыка среднего качества, зву­ки высокого качества
4	Голос	Голосовые записи, музыка не­высокого качества

Каналы

• Моно — это один канал, стерео — два, правый и левый.

• Dolby Stereo - позволяет закодировать необходимые четыре канала в двух звуковых оптических дорожках, расположенных на кинопленке

• Dolby Surround – 3.1, 5.1, 7.1

• Dolby Digital AC-3 – шесть каналов звука. Самая распространенная (физически помещается между отверстиями перфорирования пленки)

Компрессия звука

• Обозначим

• W – объём памяти в байтах для хранения 1 секунды звука в WAVE-форме,

• w – скорость потока звуковых данных в WAVE-форме в бит/сек,

• H – частоту дискретизации (число выборок в секунду),

• B – разрядность квантования (число разрядов на выборку),

C – число каналов.

• Тогда очевидно, что w = H B C  и, если B кратно 8,  W = w/8. Следовательно, 

• скорость потока данных CD-качества (H=44100, B=16, C=2) составляет 1 411 200 бит/сек или 1378,125 Кбит/сек (такая скорость обеспечивается только CD-дисководом с не менее, чем 2-кратной скоростью),

• 1 час звука с качеством CD-DA потребует 605,6 Мбайт (поэтому на аудиодиске помещается около 70 минут несжатого звука),

• скорость потока данных телефонного качества (H=8000, B=8, C=1) составляет 64 000 бит/сек или 62,5 Кбит/сек (такая скорость обеспечивается далеко не каждым модемом, так что такой звук не может использоваться в Интернет-телефонии).

С целью уменьшения объема и потока звуковых данных в WAVE-форме используются различные специальные алгоритмы компрессии/декомпрессии (кодеки). Сжатие аудиоданных возможно лишь с некоторой потерей информации, но учет психофизиологических особенностей восприятия звука (например, не все частоты в слышимом диапазоне существенны для восприятия), позволяет в ряде случаев сделать эти потери практически незаметными. Следует, однако, учитывать очень высокую чувствительность человеческого слухового аппарата, особенно к временным характеристикам звука.

• PCM (Pulse Code Modulation) – импульсно-кодовая модуляция (

• DPCM (Differential PCM)

• ADPCM (Adaptive DPCM)

• RealAudio – метод, разработанный фирмой RealNetworks, сжимает в несколько десятков раз, но с невысоким качеством; используется в Интернете для проигрывания звуковых файлов в реальном времени.

• сжимает в несколько десятков раз при довольно высоком качестве;

• MPEG (Motion Picture Experts Group) – стандарты Группы экспертов в области кино; для сжатия звуковой информации используются стандарты MP2 и MP3; применяется психоакустическая компрессия, при которой удаляются звуки, не воспринимаемые человеческим ухом

Часто кодек определяет и формат аудиофайла, и, соответственно, его расширение:

• MPEG – ".mpa", ".mp3",

• RealAudio – ".ra", ".rm".

.ogg (Ogg Vorbis) бесплатный метод компрессии оцифрованного звука (Xiphophorus

• .wav (Standard) Стандартный звуковой формат Windows с расширением .wav. Звук с качеством "Стерео, 16-бит, 44.1кГц" имеет битрейт 176.4 килобайт в секунду. 

• flac (Free Lossless Audio Codec) .FLAC расшифровывается как Free Lossless Audio Codec (Бесплатный аудио кодек без потерь в качестве). FLAC примерно похож на MP3, но он не приводит к потерям в качестве звучания.

• .ape (Monkey's Audio)

Сжатие аудио информации без потери качества.

• .shn (Shorten)

Еще один формат сжатия аудио информации без потерь.