C2采样定理0ppt课件

0 一 声音 声音是传递信息的重要媒体 是多媒体技术研究中的一个重要内容 1 声音的物理特性 机械振动或气流等外力引起周围弹性媒质发生波动 产生声波 声波传到人耳经过人类听觉系统的感知就是声音 声音是通过空气传播的一种连续的波 称为声波 soundwave 声波到达人耳鼓膜时 人会感到压力的变化 这就是声音 sound 2 参数指标 幅度 振幅 指声波波形的最高 低 点与时间轴之间的距离 反映声音信号的大小 强弱程度 频率 信号在单位时间内变化的次数 HZ 多个频率声音的复合 3 人们对声音的感知不仅与声音幅度有关 还与声音的频率有关 可听声 audio 20HZ 20kHZ次音 亚音信号 subsonic 20kHZ 300HZ 3kHZ语音信号 speech 4 模拟信号与数字信号 模拟信号 时间或幅度上连续的信号 时间上 连续 是指在一个指定的时间范围内信号的幅值有无穷多个 幅度上 连续 是指幅度的数值有无穷多个 5 数字信号 幅值被限制在有限个数值之内 即幅值只能取有限的几个数值 6 二 声音在计算机内的表示 PCM pulsecodemodulation 脉冲编码调制 波形编码 MID musicalinstrumentdigital 参数编码 7 PCM编码 PCM 是一种把模拟信号转换为数字信号最基本的编码方法 主要包括采样 量化和编码3个过程 8 采样 sampling 采样 在某些特定的时刻对模拟信号进行测量 即每隔一定的时间测量一次声音信号的幅值 把时间连续的模拟信号转换成时间离散 幅度连续的采样信号 9 采样 sampling 样本 每次采样都记录下原始模拟声波在某一时刻的状态 称之为样本 将一系列的样本连接起来 就可以描述一段声波了 均匀采样 采样的间隔时间相等 10 采样 采样频率 采样频率 一秒种采样的次数 HZ 采样频率越高 单位时间内采集的样本数越多 得到的波形越接近原始波形 音质越好 数字化声音的数据量也越大 11 采样频率 奈奎斯特定理 奈奎斯特采样定理 如果采样频率高于输出信号最高频率的两倍 重放时就能从采样信号序列无失真地重构原始信号 必要非充分条件 CD44 1kHz 语音8kHz11 025kHz语音信号22 02kHz要求不太严格的背景音乐 12 量化 quantization 量化 是按 四舍五入 或其它方法将采样得到的数值限定在几个有限的数值中 将采样信号转换为时间离散 幅度离散的数字信号 样本精度 sampleprecise 反映度量声音波形幅度的精度 13 量化 采样精度越高 位数越多 表示的数值范围越大 数字化后波形振幅的精度越高 声波的还原越细腻 声音的质量越好 需要的存储空间越多 位数越少 声音的质量越低 需要的存储空间越少 通常有8位 16位 14 编码 coding 量化后的数字音频信号直接存入计算机会占用很大的存储空间 通过编码可以去除信号冗余和量化噪音 减少数据的存储量 15 编码 编码 按一定的格式把离散的量化数值加以记录 即将量化后的信号转换成一个二进制编码组输出 并在有用的数据中加入一些用于同步 纠错和控制的数据 16 声道数 声道数即采样时同时生成的波形个数 一次生成一个声波数据 称为单声道 一次生成两个声波数据 称为双声道或立体声 立体声音质 音色好 能产生逼真的空间感 但所占空间比单声道多一倍 17 数据传输率 数据率 数字化或还原1秒钟声音 未压缩 所需传输的数据位数 未经压缩的数字声音的数据率 b s 采样频率 Hz 样本精度 bit 声道数 18 不同质量声音的数字化性能指标 19 除采样频率 样本精度 声道数影响声音质量外 声音录制时环境噪声 声卡内部噪声以及采样数据丢失等都会造成音质的下降 实际收听 音响的质量对音质的表现也起很大作用 20 数字化声音压缩的必要性 例 计算一分钟未经压缩的高保真立体声数字声音文件的大小 高保真立体声数据传输率一分钟音频数据量 21 总结 声音的数字化过程实际上就是采样 量化和编码的过程 数字音频的数据量很大 对计算机存储和数据实时传输都造成一定的压力 因此 实际运用中并非都按最高音质来采样 而是根据音源的质量和实际需要灵活运用 如在录制一段语音 8kHZ就够了 22 对于音乐信号 减少数据量的方法不是降低采样频率和采样精度 而是数据压缩 23 二 电子合成音乐 PCM数字音频实际上是一种数字式录音 重放的过程 需要很大的数据量 可用合成的方式产生音乐 电子乐器 电子键盘 吉他 萨克斯管 钢琴 风琴 贝司 铜管乐器 簧管乐器等 24 MIDI MIDI是乐器数字接口 musicalinstrumentdigitalinterface 的英文缩写 是一个国际通用的标准接口 是一种技术规范 20世纪80年代提出来的 是数字音乐的国际标准 25 MIDI MIDI信息实际上是一段音乐的描述 是数字化的乐谱 包含音符 定时以及键号 通道号 持续时间 音量和击键力度等各个音符的有关信息 26 MIDI与PCM原理比较 PCM波形编码 把音乐的波形进行数字化采样和编码 记录音乐本身 定义和产生乐曲的MIDI信息和数据组存放于MIDI文件中 MIDI文件本身只是一堆数字信号而已 不包含任何声音信息 27 MIDI与PCM原理比较 MIDI是将数字式电子乐器的弹奏过程以命令符号的形式记录下来 如什么时侯开始什么时侯结束演奏音符 按了哪一个键 力度多大 时间多长等 乐曲是如何演奏出来的 在播放的时侯 根据记录的乐谱指令 通过音乐合成器生成音乐声波 28 音乐合成器 音乐合成器是由数字信号处理器 DSP 和其他集成电路芯片构成的电子设备 用来产生并修改正弦波形 然后通过声音产生器和扬声器发出特定的声音 不同的合成器根据MIDI乐谱指令产生的音色和音质都可不同 29 电脑合成音乐的制作原理 MIDI电子乐器通过MIDI接口与计算机相连 计算机可通过音序器软件采集MIDI电子乐器发出的一系列指令 这一系列的指令将记录到以 MID 为扩展明的MIDI文件中 在计算机上音序器可对MIDI文件进行编辑和修改 30 电脑合成音乐的制作原理 最后 将MIDI指令送往音乐合成器 由合成器对MIDI指令符号进行解释并产生波形 然后通过声音发生器送往扬声器播放出来 31 MIDI音乐的产生过程 32 音序器 音序器是一种为MIDI作曲而设计的软件或设备 可用来记录 播放及MIDI事件 大多数音序器可输入输出MIDI文件 当演奏MIDI文件时 音序器将MIDI信息从文件中取出并送至合成器中 33 MIDI设备与计算机的连接 34 MIDI作品 MIDI作者可以购买现成的产品 也可以自己制作 当然 开发自己的MIDI作品 除了必须拥有计算机方面的知识与设备之外 还需要具备专业音乐知识和专用工具 35 三 数字化声音PCM和MIDI的比较 与MIDI数据相比 数字化的声音是声音的实际表示 它代表了声音的瞬时幅度 因为它与设备无关 每次播放时它都发出相同的声音 从这一点看 它的一致性好 但代价较高 因其数据文件要求较大的存储空间 MIDI数据是与设备有关的 即MIDI音乐文件所产生的声音与用来播放的特定的MIDI设备有关 36 1 MIDI数据优点 1 文件紧凑 所占空间小 通常 MIDI文件比CD质量的数字化声音文件小200到1000倍 由于MIDI文件体积相当小 所以很适合在网络上传播 它不占用较多的内存 外存空间和CPU资源 37 1 MIDI数据优点 2 在某些情况下 如果所用的MIDI声源较好 MIDI有可能发出比数字化声音更好的质量 3 MIDI数据是完全可编辑的 我们可以用多种方法来处理它的每一个细节 而在处理数字化声音时 这些方法却完全用不上 38 2 MIDI数据缺点 MIDI只适用于电子乐器产生的声音因MIDI数据并不是声音 仅当MIDI回放设备与产生时所指定设备相同时 回放的结果才是精确的 但是不同声卡 不同软波表 不同硬件音源的音色是完全不同的 所以相同的MIDI文件在不同的设备上播放结果会完全不一样 这是MIDI的基本特点 对硬件依赖极强 39 2 MIDI数据缺点 为了创建数字化声音所要求的准备与编程工作 不需要掌握许多音乐理论知识 MIDI则要求比较多 40 3 数字化声音和MIDI之间的选择 1 选择MIDI 由于没有足够的RAM 硬盘空间或CPU处理能力 具有高质量的声源 对回放的硬件有完全的控制 没有语言对话的需要 41 2 选择数字化声音 对回放硬件没有完全的控制 有足够的计算资源处理数字文件 有语言对话的需要 42 课堂练习 人耳能感知的声音频率范围是多少 什么是采样 什么是量化 什么是编码 每秒钟采集的声音样本数目 称作 存储每个声音样本所用的二进制位数 叫做 43 课堂练习 采样频率的高低是根据奈奎斯特理论和声音信号本身的最高频率决定的 即 采样频率不应低于声音信号最高频率的 这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音 这叫作无损数字化 因此 高保真声音的信号频率约为20kHz 采样频率就选为 假设目前正在使用麦克风进行录音 采样频率设为22kHZ 量化选为16位 在不采用压缩技术的情况下 计算录制57秒的立体声文件大约需要多少空间 44 课堂练习 6 两分钟双声道 16位采样位数 22 05khz采样频率声音的不压缩的数据量是多少 课堂练习 人耳能感知的声音频率范围是多少 什么是采样 什么是量化 什么是编码 20HZ 20kHZ 采样 在特定的时刻对信号进行测量 量化 将信号幅度取值限定在几个有限的数值中 编码 即将量化后的信号转换成一个二进制编码组输出 去除信号冗余和量化噪音 加入一些用于同步 纠错和控制的数据 课堂练习 每秒钟采集的声音样本数目 称作 存储每个声音样本所用的二进制位数 叫做 采样频率 采样精度 样本精度 采样频率的高低是根据奈奎斯特理论和声音信号本身的最高频率决定的 即 采样频率不应低于声音信号最高频率的 这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音 这叫作无损数字化 因此 高保真声音信号最高频率约为20kHz 采样频率就选为 2倍 44 1kHZ 假设目前正在使用麦克风进行录音 采样频率设为22kHZ 量化选为16位 在不采用压缩技术的情况下 计算录制57秒的立体声文件大约需要多少空间 未经压缩的数字声音的数据率 b s 采样频率 Hz 样本精度 bit 声道数 22 1000 16 2 57bit 40128000b 5MB 两分钟双声道 16位采样位数 22 05khz采样频率声音的不压缩的数据量是多少音频文件大小 单位Byte 量化单位数 采样频率 声道数 持续时间 81M 1024KB1KB 1024B16 22050 2 120 8 10584000B 10MB 写出汽车周期T与观测周期t的关系 二 欠采样在工程实际中的应用 1 采样示波器 2 频闪测速 频闪仪 频频闪仪也叫闪静像仪或闪光测速仪 当闪光速率与被测物体的转速 运行频率同步时 视觉上使运动物体呈静止状态 以便轻易观测到高速运动物体的表面质量与运行状况 频闪仪的闪光速度即为被检测物体 电机马达 转速和运动频率 印刷机 亦可以利用频闪仪分析物体振动情况 高速移动物体的动作以及高速摄影等 闪光测速仪其实就是一个灯泡和一个电源 它的电源的特点是输出一个频率可以调节的电压脉冲去驱动灯泡 那个灯泡的特点是余辉小 即惯性小 测试的时候在旋转的物体上做一个标记 待物体转起来后你就发现不了你做的标记了 那么现在你用闪光测速器对着旋转的物体闪光 并调节闪光的频率 当你清晰的看到你在那个物体上做的标记后 这时闪