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1、第第2 2章章 音频处理技术（二）音频处理技术（二）西安交通大学西安交通大学计算机教学实验中心计算机教学实验中心20072007多媒体技术及应用基础多媒体技术及应用基础1下一页上一页问题的提出问题的提出n数字音频信息如何处理？数字音频信息如何处理？n用什么工具可以处理？用什么工具可以处理？n有哪些处理？有哪些处理？n我能处理吗？我能处理吗？n2下一页上一页二、数字音频二、数字音频n数字音频原理回顾数字音频原理回顾n3下一页上一页声音的数字化声音的数字化 n声音的数字化声音的数字化 n数字化就是将连续信号变成离散信号。数字化就是将连续信号变成离散信号。n对音频信号，首先在时间上离散，取对音频信号
2、，首先在时间上离散，取有限个时间点，称为有限个时间点，称为采样采样。n然后在幅度上离散，取有限个幅度值，然后在幅度上离散，取有限个幅度值，称为称为量化量化。n再将得到的数据表示成计算机容易识再将得到的数据表示成计算机容易识别的格式，称为别的格式，称为编码编码。 4下一页上一页声音的声音的A/D与与D/A转换转换n模拟信号很容易受到电子干扰，因此用数字信息代模拟信号很容易受到电子干扰，因此用数字信息代替声音信号成为音频信息处理的一种方法。替声音信号成为音频信息处理的一种方法。nA/D转换和转换和D/A转换技术便应运而生。转换技术便应运而生。A表示表示Analog”（类比、模拟），（类比、模拟），
3、D代表代表“Digital ”（数字），（数字），A/D转换就是把模拟电信号转换成由转换就是把模拟电信号转换成由“0”和和“1”组成数字信号的过程。组成数字信号的过程。n这样做的好处是显而易见的，声音存储质量得到了这样做的好处是显而易见的，声音存储质量得到了加强，数字化的声音信息使计算机能够进行识别、加强，数字化的声音信息使计算机能够进行识别、处理和压缩，这也就是为什么如今磁带逐渐被淘汰，处理和压缩，这也就是为什么如今磁带逐渐被淘汰，CD唱片却趋于流行的原因。唱片却趋于流行的原因。nA/D转换的一个关键步骤是声音的采样和量化，得转换的一个关键步骤是声音的采样和量化，得到数字音频信号，它在时间上
4、是不连续的离散信号。到数字音频信号，它在时间上是不连续的离散信号。5下一页上一页PCM编码编码n1939年法国工程师年法国工程师Alec Reeves发明了将连续的模发明了将连续的模拟信号变换成时间和幅度都离散的二进制码代表的拟信号变换成时间和幅度都离散的二进制码代表的脉冲编码调制信号（脉冲编码调制信号（Pulse Code Modulation-PCM），并申请了专利。），并申请了专利。nP P首先开始应用于电话系统，但一直到首先开始应用于电话系统，但一直到年美国年美国Bell实验室才为制成了国际上第一实验室才为制成了国际上第一套商用电话系统（系统），这标志了通套商用电话系统（系统），这标志
5、了通信开始步入数字化。信开始步入数字化。nPCM 编码是对连续语音信号进行空间采样、幅度值编码是对连续语音信号进行空间采样、幅度值量化及用适当码字将其编码的总称。量化及用适当码字将其编码的总称。6下一页上一页PCM编码主要优点编码主要优点 n抗干扰能力强；失真小；传输特性稳抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。有效性、可靠性和保密性。 7下一页上一页 A/D 和和D/A转换示意图转换示意
6、图 8位可编程A/D转换芯片示意图8下一页上一页模拟声音信号的采样和量化过程示意模拟声音信号的采样和量化过程示意 模拟声音信号的波形采样得到的离散时间信号再量化得到的数字信号9下一页上一页数字音频的技术指标数字音频的技术指标 n采样频率采样频率n采样精度采样精度n声道数声道数n音频数据传输率音频数据传输率n编码算法与音频数据编码算法与音频数据压缩比压缩比10下一页上一页采样频率采样频率n采样频率是指一秒钟采样的次数。采样频采样频率是指一秒钟采样的次数。采样频率越高，单位时间内采集的样本数越多，率越高，单位时间内采集的样本数越多，得到波形越接近于原始波形，音质就越好。得到波形越接近于原始波形，音
7、质就越好。 n根据根据奈奎斯特奈奎斯特(Harry Nyquist)采样理论采样理论：如果采样频率高于输入信号最高频率的如果采样频率高于输入信号最高频率的两倍，重放时就能从采样信号序列无失两倍，重放时就能从采样信号序列无失真地重构原始信号真地重构原始信号。11下一页上一页采样的采样的3个常用频率个常用频率n分别为：分别为：n11.025kHzAM(调幅调幅)广播广播n22.05kHz FM(调频调频)广播广播n44.1kHz CD高保真音质声音高保真音质声音n现在声卡的采样频率一般为现在声卡的采样频率一般为48kHz甚至甚至96kHz。 12下一页上一页采样精度采样精度 n采样精度用每个声音样
8、本的位数表示，也叫样本精采样精度用每个声音样本的位数表示，也叫样本精度或量化位数，反映度量声音波形幅度的精度。度或量化位数，反映度量声音波形幅度的精度。n例如，每个声音样本用例如，每个声音样本用16位表示，则量化样本位表示，则量化样本值在值在065535之间，它的精度是输入信号的之间，它的精度是输入信号的1/65536。 n采样精度采样精度决定了模拟信号数字化以后的动态范围。决定了模拟信号数字化以后的动态范围。n采样精度影响到声音的质量采样精度影响到声音的质量n位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多；位数越少，声音的质量越低，需要间也越多；位数
9、越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。的存储空间越少。13下一页上一页声道数声道数 n单声道单声道(mono)信号一次产生一组声波数据。信号一次产生一组声波数据。n双声道或立体声双声道或立体声(stereo)一次产生两组声波数据。一次产生两组声波数据。n双双声声道道在在硬硬件件中中占占两两条条线线路路，一一条条是是左左声声道道，一一条是右声道。条是右声道。n立立体体声声不不仅仅音音质质、音音色色好好，而而且且能能产产生生逼逼真真的的空空间间感感。但但立立体体声声数数字字化化后后所所占占空空间间比比单单声声道道多多一一倍。倍。14下一页上一页其他因素其他因素n除除采采样样频频率率、采采样样精
10、精度度、声声道道数数影影响响声声音音质质量量外外，声声音音录录制制时时环环境境噪噪声声、声声卡卡内内部部噪噪声声以以及及采采样样数数据据丢丢失失等等都都会会造造成成声音质量的下降。声音质量的下降。n实实际际收收听听时时，音音响响（功功率率放放大大器器、扬扬声声器器等等）的的质质量量对对音音质质的的表表现现也也起起很很大大作作用。用。15下一页上一页音频数据传输率音频数据传输率 n音频信号数字化后，产生大量数据音频信号数字化后，产生大量数据 。n产生数据的速度或播放声音时需要传输数据产生数据的速度或播放声音时需要传输数据的速度影响声音的播放质量。数据传输率用的速度影响声音的播放质量。数据传输率用
11、每秒钟传输的数据位数表示，记为每秒钟传输的数据位数表示，记为bps（bit per second）。）。n未经压缩的数字音频数据传输率为：未经压缩的数字音频数据传输率为： 数据传输率数据传输率(bits)=采样频率采样频率(Hz)量化位数量化位数(bit)声道数声道数 16下一页上一页声音质量和数字化指标声音质量和数字化指标 质量质量采样频率采样频率(kHz)样本精度样本精度(bit)单道声单道声/立体声立体声数据率数据率(kB/s)(未压缩未压缩)频率范围频率范围电话电话*88单道声单道声82003 400 HzAM11.0258单道声单道声11.0507 000HzFM22.05016立体
12、声立体声88.22015 000HzCD44.116立体声立体声176.42020 000 HzDAT4816立体声立体声192.02020 000 Hz17下一页上一页 编码编码算法与音频数据压缩比算法与音频数据压缩比 n未压缩的音频数据量非常大，因此在编码的时未压缩的音频数据量非常大，因此在编码的时候常采用压缩的方式。候常采用压缩的方式。n实际上，编码的作用一是记录数字数据，二是实际上，编码的作用一是记录数字数据，二是采用一定的算法来压缩数据以减少存储空间和采用一定的算法来压缩数据以减少存储空间和提高传输效率。提高传输效率。n压缩编码的基本指标之一就是压缩比，一般为压缩编码的基本指标之一就
13、是压缩比，一般为数据压缩前后的数据量之比：数据压缩前后的数据量之比：18下一页上一页数据压缩说明数据压缩说明n采用不同的数字化指标实际上也是进行了采用不同的数字化指标实际上也是进行了不同比例的数据压缩。不同比例的数据压缩。n如果如果PCMPCM编码采用编码采用4bit4bit量化对量化对CDCD音质信号音质信号压缩，其压缩比为压缩，其压缩比为4:14:1。n压缩算法包括有损压缩和无损压缩；压缩算法包括有损压缩和无损压缩；n有损压缩解压后数据不能完全复原，要有损压缩解压后数据不能完全复原，要丢失一部分信息。丢失一部分信息。n无损压缩不丢失任何信息，能较好地复无损压缩不丢失任何信息，能较好地复原原
14、始信号。原原始信号。19下一页上一页数字音频文件格式数字音频文件格式 n数字声音文件格式是数字音数字声音文件格式是数字音频在磁盘文件中的存放形式，频在磁盘文件中的存放形式，相同的数据可以有不同的文相同的数据可以有不同的文件格式，而不同的数据也可件格式，而不同的数据也可以有相同的文件格式以有相同的文件格式。nWAVE WAVE 格式格式nMP3 MP3 格式格式nRA RA 格式格式20下一页上一页WAVEWAVE文件格式文件格式nWAVEWAVE文件是一种通用的音频数据文件，文文件是一种通用的音频数据文件，文件扩展名为件扩展名为“WAV”WAV”，WindowsWindows系统和一系统和一般
15、的音频卡都支持这种格式文件的生成、般的音频卡都支持这种格式文件的生成、编辑和播放。编辑和播放。nCDCD激光唱盘中包含的就是激光唱盘中包含的就是WAVEWAVE格式的波形格式的波形数据。一般说来，声音质量与其数据。一般说来，声音质量与其WAVEWAVE格式格式的文件大小成正比。的文件大小成正比。nWAVEWAVE文件的文件的特点特点是易于生成和编辑，但在是易于生成和编辑，但在保证一定音质的前提下压缩比不够，不适保证一定音质的前提下压缩比不够，不适合在网络上播放。合在网络上播放。21下一页上一页 MP3文件文件nMP3MP3文件是采用文件是采用MP3MP3算法压缩生成的数字音频算法压缩生成的数字
16、音频数据文件，以数据文件，以“.MP3”“.MP3”为文件后缀。为文件后缀。nMP3MP3利用利用MPEGMPEG制定的制定的MPEG-1 Audio layer 3MPEG-1 Audio layer 3的的压缩标准，将音频信息用压缩标准，将音频信息用10:110:1甚至甚至12:112:1压缩压缩率变成容量较小的数据文件。率变成容量较小的数据文件。n虽然虽然MP3MP3是一种利用了人类心理声学特性的有是一种利用了人类心理声学特性的有损压缩，人耳基本不能分辨出失真，音质几损压缩，人耳基本不能分辨出失真，音质几乎达到了乎达到了CDCD音质标准。按照这种算法，音质标准。按照这种算法，1010张张CD-DACD-DA的内容可以压缩到的内容可以压缩到l l张张CD-ROMCD-ROM中，而且中，而且视听效果相当好。视听效果相当好。 22下一页上一页 RA文件文件 nReal AudioReal Audio是是Real networksReal networks推出的一种推出的一种音乐压缩格式，它的压缩比可达到音乐压缩格式，它的压缩比可达到96:196:1，因此在网上比较流行。，因此在网上比较
