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1、 1 多媒体技术 授课教师 杨静 2 第二章第二章 数字声音及MIDI 1 1 声音的特性、类型与处理声音的特性、类型与处理 2 2 声音信号的数字化声音信号的数字化 3 3 声音文件的存储格式声音文件的存储格式 4 4 电子乐器数字接口电子乐器数字接口(MIDI)(MIDI)系统系统 5 5 声卡的构成与功能声卡的构成与功能 3 第二章 数字声音及MIDI 2.1 2.1 声音的特性、类型与处理声音的特性、类型与处理 n n 声音的特性声音的特性 n n 声音的类型声音的类型 n n 声音的处理声音的处理 4 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 n 自然界
2、中声音是靠空气传播的 n 声音在空气中能引起非常小的压力变化 n 声源所引起的空气压力变化，被耳朵的耳膜所检测，然后 产生电信号刺激大脑的听觉神经，从而使人们能感觉到声音 的存在 n 自然界的各种声音大都具有周期性的强弱变化的特性，因 而也使得输出的压力信号周期变化 5 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音的三要素即为音调、音强、音色。声音的三要素即为音调、音强、音色。 音调：音调：与声音的频率有关，频率快则声音高，频率慢则声音低。与声音的频率有关，频率快则声音高，频率慢则声音低。 音强：音强：又称响度，取决于声音的幅度，即振幅的大小和强弱。又称响度，取
3、决于声音的幅度，即振幅的大小和强弱。 音色：音色：则由混入基音的泛音所决定的，每个基音又都有其固有的则由混入基音的泛音所决定的，每个基音又都有其固有的 频率和不同音强的泛音，从而使得每个声音具有特殊的音色效果频率和不同音强的泛音，从而使得每个声音具有特殊的音色效果 。 6 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音信号的有关术语声音信号的有关术语 周期：周期：将曲线上的任一点再次出现所需时间间隔称为将曲线上的任一点再次出现所需时间间隔称为周期周期。 频率：频率：而一秒钟内声音由高而一秒钟内声音由高( (压力强压力强) )到低到低( (压力低压力低) )再到高再
4、到高( (压力强压力强 ) )，这样一个循环出现的次数称为，这样一个循环出现的次数称为频率频率。频率越高，声音越高，。频率越高，声音越高， 以赫兹以赫兹(Hz)(Hz)为其度量单位。为其度量单位。 带宽：带宽：一个系统能够接收的频率是有限的，人们把系统能够接一个系统能够接收的频率是有限的，人们把系统能够接 受的最低的听觉和最高频率之间的范围称为系统的受的最低的听觉和最高频率之间的范围称为系统的带宽带宽 (Bandwidth(Bandwidth）。人类能够接受的听觉带宽是从）。人类能够接受的听觉带宽是从20Hz20Hz到到20KHz20KHz。 7 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术
5、 2.1.1 声音的特性 声音信号连续特性声音信号连续特性 声音是一种弹性波，声音信号可以分成周期信号与非周期信号 两类。周期信号即为单一频率音调的信号，其频谱是线性谱； 而非周期信号包含一定频带的所有频率分量，其频谱是连续谱 。真正的线性谱仅可从计算机或类似的声音设备中才能听到， 这种声音听起来十分单调。自然界的声音大多属于非周期信号 ，其频谱是连续谱。连续谱的成份使声音听起来饱满、生动。 8 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音信号声音信号方向感特性 声音的传播是以声波形式进行的。 由于人类的耳朵能够判别出声音到达左右耳的相对时差、声音 强度，所有能
6、够判别出声音的方向以及由于空间使声音来回反 射而造成声音的特殊空间效果。 现在的音响设备都在竭力模拟这种立体声效果和空间感效果。 9 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音信号声音信号时效性 声音具有很强的时效性，没有时间也就没有声音，声音适合在 一个时间段中表现。声音常常处于一种伴随状态，如伴音、伴 奏等，起一种气氛渲染的作用。 由于时间性，声音数据具有很强的前后相关性，因而，数据量 要大得多，实时性要求也比较高。 10 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音的质量声音的质量 声音的质量与声音的频率范围有关。 一般说
7、来，频率范围越宽声音的质量就越高。 对语音而言，常用可懂度、清晰度、自然度来衡量；而对音乐 来说，保真度、空间感、音响效果都是重要的指标。 11 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音的级别声音的级别 级别 评 价 失真级别 1 优（Excellent）感觉不到声音失真 2良（Good） 刚察觉但不讨厌 3 中（Fair） 声音有些失真，有点讨厌 4差（Poor） 声音失真，不令人反感 5劣（Bad） 严重失真，令人反感 12 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音的带宽声音的带宽 次声（Infra-sound）0-2
8、0Hz 电话语音200Hz3.4KHz 调幅广播50Hz7KHz 调频广播20Hz15KHz 音 响20Hz20KHz 超声（Ultrasound）20kHZ-1GHz 特（强）超声（Hypersound) 1GHz-10THz 13 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.1 声音的特性 声音的带宽声音的带宽 14 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.2 声音的类型 模拟音频和数字音频 （1）模拟音频(Analog audio) n 模拟音频是一种连续的模拟量，以电的、磁的等形式表示 。 例如当我们对着麦克风讲话时，麦克风能根据它周围 空压力的不同变化而输
9、出相应连续变化的电压值，这种变化 的电压值便是一种对我们讲话声音的模拟，是一种模拟量， 称为模拟音频。 n 计算机不能直接处理模拟音频。 15 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.2 声音的类型 模拟音频和数字音频 （2 2）数字音频）数字音频 (Digital audio)(Digital audio) 数字化音频的获得是通过每隔一定的时间间隔测一次模数字化音频的获得是通过每隔一定的时间间隔测一次模 拟音频的值拟音频的值( (如电压如电压) )并将其数字化。这一过程称为并将其数字化。这一过程称为采样采样，每，每 秒钟采样的次数称为秒钟采样的次数称为采样率。采样率。 一般地
10、，采样率越高，记录一般地，采样率越高，记录 的声音就越自然，反之，若采样率太低将失去原有声音的自的声音就越自然，反之，若采样率太低将失去原有声音的自 然特性，这一现象称为然特性，这一现象称为失真失真。由模拟量变为数字量的过程称由模拟量变为数字量的过程称 为模为模数转换数转换。 16 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.2 声音的类型 模拟音频和数字音频 （2 2）数字音频）数字音频 (Digital audio)(Digital audio) 由上述可知：由上述可知：数字音频是离散的，而模拟音频是连续的，数数字音频是离散的，而模拟音频是连续的，数 字音频质量的好坏与采样率密
11、切相关。数字音频信息可以被字音频质量的好坏与采样率密切相关。数字音频信息可以被 计算机存储、处理和播放计算机存储、处理和播放。 17 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.3 声音的处理 自然界中的声音可分为自然界中的声音可分为四种类型：四种类型： 次声、可听声、超声与特超声（次声、可听声、超声与特超声（1G Hz10THz1G Hz10THz） 人类的听觉能范围是人类的听觉能范围是20Hz20KHz, 20Hz20KHz, 次声、超声与特超声均非可次声、超声与特超声均非可 听声。听声。 多媒体计算机主要处理的是人类听觉范围内的可听声。多媒体计算机主要处理的是人类听觉范围内的
12、可听声。 声音的处理声音的处理主要有：声音的录制、回放、压缩、传输和编辑等主要有：声音的录制、回放、压缩、传输和编辑等 。 18 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.1.3 声音的处理 19 第二章第二章 音频信号处理技术 2.2 2.2 声音信号的数字化声音信号的数字化 n n 数字音频类型数字音频类型 n n 采样采样 n n 量化量化 n n 编码编码 n n 声音文件计算声音文件计算 n n 声音的重构声音的重构 n n 声音文件的格式声音文件的格式 20 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.2.1 数字音频信号类型 目前由计算机产生声音的方式有二种：
13、n 波形音频波形音频 以数字方式表示声波，存储对波形采样后得到的数字化信息，它由 声音卡来录制与播出声音。其文件格式为 .WAV 。 n n MIDIMIDI音频音频 电子合成器合成的声音。其文件格式为 .MID 21 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.2 声音信号的数字化 为什么要将声音数字化为什么要将声音数字化？ 自然界的声音是一种模拟的音频信息，是连续量。而计算机只 能处理离散的数字量，这就要求必须数字化。 优点：传输时抗干扰强，可纠错；存储时重放性能好，易处理 ，能进行数据压缩。 音频信息数字化，其关键的步骤是采样、量化和编码。 22 第二章第二章 音频信号处理技术音
14、频信号处理技术 2.2 声音信号的数字化 方法（即数字化 有3个步骤）： 1.采样（ Sampling ） 2.量化 (quantization :AD conversion ） 3.编码 (Encoding） 23 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.2.2 采样 采样：在某些特定的时刻对模拟信号进行测量称为采样。 采样频率：采样频率：每秒钟采样的次数称为采样频率。 原理：用一定速率的离散采样序列可以代替一个连续的频带有限的 信号而不丢失任何信息。 Nyquist采样定理：“For lossless digitization, the sampling rate should
15、 be at least twice the maximum frequency response.” 即：我们要获得一个无损的采样，就必须以波形最高允许频率的两 倍作为采样率。 24 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.2.2 采样 人类能够接受的听觉带宽是： 。在进行 采样之前，需要对输入的声音信号进行滤波。考虑到滤波器在 20KHz的地方大约有10的衰减。 按照Nyquist采样定理，可以用22KHz的2倍作为声音信号的采用 频率。 另外，为了能够与电视信号同步，PAL电视制式的场扫描为50Hz ，NTSC电视的场扫描为60Hz，所以取50和60的整数倍，选用了 44100Hz作为激光唱盘声音的采样标准。 25 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.3.1 采样 采样与量化 26 第二章第二章 音频信号处理技术音频信号处理技术 2.2.3 量化 定义：定义：量化是将模拟声音的波形转换为数字。 在幅度轴上把连续值的模拟信号变成为离散值的数字信号，在时 间轴上已变为离散的样值脉冲，在幅度轴上仍会在动态范围内有 连续值，可能出现任意幅度，即在幅度轴上仍是模拟信号的性质 ，故还必须用有限电平等级来代替实际量值。 量化精度量化精度: :表示采样值的二进制位数（比位数）。量化位数的多 少决定了采样值量化时的精度。 量化过程量化过程: :
