C2采样定理0ppt课件

1、整理课件整理课件0一、声音一、声音 声音是传递信息的重要媒体，是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多媒体技术研究中的一个重要内容；容；整理课件整理课件1声音的物理特性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，称为声音是通过空气传播的一种连续的波，称为声波（声波（sound wave）声波到达人耳鼓膜时，人会感到压力的变化，声波到达人耳鼓膜时，人会感到压力的变化，这就是声音（

2、这就是声音（sound）整理课件整理课件2参数指标参数指标u幅度（振幅）：指声波波形的最高（低）幅度（振幅）：指声波波形的最高（低）点与时间轴之间的距离，反映声音信号的点与时间轴之间的距离，反映声音信号的大小、强弱程度大小、强弱程度频率：信号在单位时间内变化的次数，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多个频率声音的复合整理课件整理课件3人们对声音的感知不仅与声音幅度有关，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：还与声音的频率有关：可听声（可听声（audio）：）： 20HZ 20kHZ次音、亚音信号次音、亚音信号(subsonic) ：20kHZ 300H

3、Z 3kHZ 语音信号（语音信号（speech）整理课件整理课件4模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号：时间或幅度上连续的信号模拟信号：时间或幅度上连续的信号时间上时间上“连续连续”是指在一个指定的时间范围内是指在一个指定的时间范围内信号的幅值有无穷多个；信号的幅值有无穷多个；幅度上幅度上“连续连续”是指幅度的数值有无穷多个；是指幅度的数值有无穷多个；整理课件整理课件5数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，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即幅值只能取有限的几个数值整理课件整理课件6二、声音在计算机内的表示二、声音在计算机内的表示 uPCM(pulse c

4、ode modulation，脉冲，脉冲编码调制）波形编码编码调制）波形编码MID(musical instrument digital )参参数编码数编码整理课件整理课件7PCM编码编码 PCM：是一种把模拟信号转换为数字：是一种把模拟信号转换为数字信号最基本的编码方法，主要包括信号最基本的编码方法，主要包括采采样样、量化量化和和编码编码3个过程：个过程：整理课件整理课件8采样（采样（sampling） 采样：在某些特定的时刻对模拟信号采样：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；把时间连续的模次声音信号的幅值；把时间连续的

5、模拟信号转换成时间离散、幅度连续的拟信号转换成时间离散、幅度连续的采样信号；采样信号；整理课件整理课件9采样（采样（sampling） 样本：每次采样都记录下原始模拟声样本：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；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，就可以描将一系列的样本连接起来，就可以描述一段声波了述一段声波了均匀采样：采样的间隔时间相等均匀采样：采样的间隔时间相等整理课件整理课件10采样采样 采样频率采样频率 采样频率：一秒种采样的次数；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采样频率越高，单位时间内采集的样本数越多，得到的波

6、形越接近原始波本数越多，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形，音质越好，数字化声音的数据量也越大也越大整理课件整理课件11采样频率奈奎斯特定理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（必要样信号序列无失真地重构原始信号（必要非充分条件）非充分条件）CD 44.1kHz；语音；语音 8kHz11.025kHz 语音信号语音信号 22.02kHz要求不太严要求不太严格的背景音乐格的背景音乐整理课件整理课件12量化（量化（qua

7、ntization）量化：是按量化：是按“四舍五入四舍五入”或其它方法将采或其它方法将采样得到的数值限定在几个有限的数值中，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、幅度离散的将采样信号转换为时间离散、幅度离散的数字信号；数字信号；样本精度（样本精度（sample precise）：反映度量声）：反映度量声音波形幅度的精度音波形幅度的精度整理课件整理课件13量化量化采样精度越高，位数越多，表示的数值范采样精度越高，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，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，需声波的还原越细腻，声音的质量越好

8、，需要的存储空间越多；位数越少，声音的质要的存储空间越多；位数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少；通常有量越低，需要的存储空间越少；通常有8位、位、16位位整理课件整理课件14编码（编码（coding） 量化后的数字音频信号直接存入计算机会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占用很大的存储空间-，通过编码可以去除，通过编码可以去除信号冗余和量化噪音，减少数据的存储量信号冗余和量化噪音，减少数据的存储量整理课件整理课件15编码编码编码：编码：按一定的格式把离散的量化数值加以记录，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即将量化后的信号转换

9、成一个二进制编码组输出；组输出；并在有用的数据中加入一些用于同步、纠并在有用的数据中加入一些用于同步、纠错和控制的数据；错和控制的数据； 整理课件整理课件16声道数声道数 声道数即采样时同时生成的波形个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，称为双声道或立一次生成两个声波数据，称为双声道或立体声；体声； 立体声音质、音色好，能产生逼真的空间立体声音质、音色好，能产生逼真的空间感，但所占空间比单声道多一倍感，但所占空间比单声道多一倍整理课件整理课件17数据传输率数据传输率数据率：数字化或还原数据率：数字化或还原

10、1 1秒钟声音（未压缩）秒钟声音（未压缩）所需传输的数据位数。所需传输的数据位数。未经压缩的数字声音的数据率未经压缩的数字声音的数据率(b/s) =(b/s) =采样采样频率频率(Hz)(Hz)* *样本精度样本精度(bit)(bit)* *声道数声道数整理课件整理课件18不同质量声音的数字化性能指标不同质量声音的数字化性能指标质量质量采样频率采样频率（kHzkHz）样本精度样本精度（b/sb/s）声道声道数据率数据率（kb/skb/s）频率范围频率范围（HzHz）电话电话8 88 8单声道单声道64.064.020020034003400AMAM11.02511.0258 8单声道单声道88

11、.288.2505070007000FMFM22.05022.0501616立体声立体声705.6705.620201500015000CDCD44.144.11616立体声立体声1411.21411.220202000020000DATDAT48481616立体声立体声1536.01536.020202000020000整理课件整理课件19除采样频率、样本精度、声道数影响声音除采样频率、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噪声以及采样数据丢失等都会造成音质的下降；下降；实际收听，音响的质量对音质的

12、表现也起实际收听，音响的质量对音质的表现也起很大作用；很大作用；整理课件整理课件20数字化声音压缩的必要性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；声音文件的大小；高保真立体声高保真立体声数据传输率数据传输率一分钟音频数据量一分钟音频数据量整理课件整理课件21总结：总结：声音的数字化过程实际上就是声音的数字化过程实际上就是采样采样、量化量化和和编码编码的过程；的过程；数字音频的数据量很大，对计算机存储和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，数据实时传输都造成一定的压力。因此，实际运用中

13、并非都按最高音质来采样，而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；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，如在录制一段语音，8kHZ就够了。就够了。整理课件整理课件22对于音乐信号。减少数据量的方法不是降对于音乐信号。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；低采样频率和采样精度，而是数据压缩；整理课件整理课件23二、电子合成音乐二、电子合成音乐PCM数字音频实际上是一种数字式录音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（电子乐器可用合成的方式产生音乐（电子乐器:

14、电子电子键盘、吉他、萨克斯管、钢琴、风琴、贝键盘、吉他、萨克斯管、钢琴、风琴、贝司、铜管乐器、簧管乐器等）司、铜管乐器、簧管乐器等）整理课件整理课件24MIDIMIDI是乐器数字接口（是乐器数字接口（musical instrument digital interface）的英文缩写）的英文缩写, 是一个国际通用的标准接口是一个国际通用的标准接口, ,是一种技术规是一种技术规范范。 20世纪世纪80年代提出来的，是数字音乐年代提出来的，是数字音乐的国际标准的国际标准整理课件整理课件25MIDIMIDI信息实际上是一段音乐的描述信息实际上是一段音乐的描述,是数是数字化的乐谱字化的乐谱,包含音符、

15、定时以及键号、通包含音符、定时以及键号、通道号、持续时间、音量和击键力度等各个道号、持续时间、音量和击键力度等各个音符的有关信息。音符的有关信息。整理课件整理课件26MIDI与与PCM原理比较原理比较PCM波形编码：把音乐的波形进行数字化波形编码：把音乐的波形进行数字化采样和编码（记录音乐本身）采样和编码（记录音乐本身）定义和产生乐曲的定义和产生乐曲的MIDI信息和数据组存放信息和数据组存放于于MIDI文件中文件中, MIDIMIDI文件本身只是一堆数文件本身只是一堆数字信号而已，不包含任何声音信息。字信号而已，不包含任何声音信息。整理课件整理课件27MIDI与与PCM原理比较原理比较MIDI

16、是将数字式电子乐器的弹奏过程以命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、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，根据记录的乐出来的），在播放的时侯，根据记录的乐谱指令，通过谱指令，通过音乐合成器音乐合成器生成音乐声波；生成音乐声波；整理课件整理课件28音乐合成器音乐合成器音乐合成器是由数字信号处理器（音乐合成器是由数字信号处理器（DSP)和其和其他集成电路芯片构成的电子设备；他集成电路芯片构成的电子设备；

17、用来产生并修改正弦波形，然后通过声音产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生器和扬声器发出特定的声音不同的合成器根据不同的合成器根据MIDI乐谱指令产生的音色乐谱指令产生的音色和音质都可不同和音质都可不同整理课件整理课件29电脑合成音乐的制作原理电脑合成音乐的制作原理MIDI电子乐器通过电子乐器通过MIDI接口与计算机相接口与计算机相连，计算机可通过连，计算机可通过音序器音序器软件采集软件采集MIDI电电子乐器发出的一系列指令；子乐器发出的一系列指令；这一系列的指令将记录到以这一系列的指令将记录到以“.MID”为扩为扩展明的展明的MIDI文件中，在计算机上音序器可文

18、件中，在计算机上音序器可对对MIDI文件进行编辑和修改；文件进行编辑和修改；整理课件整理课件30电脑合成音乐的制作原理电脑合成音乐的制作原理最后，将最后，将MIDI指令送往音乐合成器，由合指令送往音乐合成器，由合成器对成器对MIDI指令符号进行解释并产生波形，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。然后通过声音发生器送往扬声器播放出来。整理课件整理课件31MIDI音乐的产生过程音乐的产生过程 整理课件整理课件32音序器音序器音序器是一种为音序器是一种为MIDI作曲而设计的软件或设作曲而设计的软件或设备，可用来记录、播放及备，可用来记录、播放及MIDI事件，大多数事件，

19、大多数音序器可输入输出音序器可输入输出MIDI文件。当演奏文件。当演奏MIDI文件时，音序器将文件时，音序器将MIDI信息从文件中取出并信息从文件中取出并送至合成器中。送至合成器中。整理课件整理课件33 MIDI设备与计算机的连接设备与计算机的连接 整理课件整理课件34MIDI作品作品 MIDI作者可以购买现成的产品，也可以自作者可以购买现成的产品，也可以自己制作。当然，开发自己的己制作。当然，开发自己的MIDI作品，除作品，除了必须拥有计算机方面的知识与设备之外，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。还需要具备专业音乐知识和专用工具。整理课件整理课件35三、

20、三、 数字化声音数字化声音PCM和和MIDI的比较的比较与与MIDI数据相比，数字化的声音是声音的数据相比，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。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，即数据是与设备有关的，即MIDI音乐文音乐文件所产生的声音与用来播放的特定的件所产生的声音与用来播放的特定的MIDI设备有关。设备有关。整理

21、课件整理课件361. MIDI数据优点数据优点(1) 文件紧凑，所占空间小；文件紧凑，所占空间小；通常，通常，MIDI文件比文件比CD质量的数字化声音质量的数字化声音文件小文件小200到到1000倍，倍，由于由于MIDIMIDI文件体积文件体积相当小，所以很适合在网络上传播。相当小，所以很适合在网络上传播。它不它不占用较多的内存、外存空间和占用较多的内存、外存空间和CPU资源。资源。整理课件整理课件371. MIDI数据优点数据优点(2) 在某些情况下，如果所用的在某些情况下，如果所用的MIDI声源较好，声源较好，MIDI有可能发出比数字化声音更好的质量。有可能发出比数字化声音更好的质量。(3

22、) MIDI数据是完全可编辑的，我们可以用多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。字化声音时，这些方法却完全用不上。整理课件整理课件382. MIDI数据缺点数据缺点uMIDI只适用于电子乐器产生的声音只适用于电子乐器产生的声音u因因MIDI数据并不是声音，仅当数据并不是声音，仅当MIDI回放回放设备与产生时所指定设备相同时，回放的设备与产生时所指定设备相同时，回放的结果才是精确的。结果才是精确的。但是不同声卡，不同软但是不同声卡，不同软波表，不同硬件音源的音色是完全不同的，波表，不同硬件音

23、源的音色是完全不同的，所以所以相同的相同的MIDIMIDI文件在不同的设备上播放文件在不同的设备上播放结果会完全不一样。这是结果会完全不一样。这是MIDIMIDI的基本特点的基本特点, ,对硬件依赖极强对硬件依赖极强。整理课件整理课件392. MIDI数据缺点数据缺点u为了创建数字化声音所要求的准备与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编程工作，不需要掌握许多音乐理论知识，知识，MIDI则要求比较多则要求比较多整理课件整理课件403. 数字化声音和数字化声音和MIDI之间的选择之间的选择(1) 选择选择MIDI 由于没有足够的由于没有足够的RAM、硬盘空间或、硬盘空

24、间或CPU处理能力；处理能力； 具有高质量的声源；具有高质量的声源； 对回放的硬件有完全的控制；对回放的硬件有完全的控制； 没有语言对话的需要。没有语言对话的需要。整理课件整理课件41(2) 选择数字化声音选择数字化声音 对回放硬件没有完全的控制；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；有足够的计算资源处理数字文件； 有语言对话的需要。有语言对话的需要。整理课件整理课件42课堂练习课堂练习u人耳能感知的声音频率范围是多少？人耳能感知的声音频率范围是多少？u什么是采样？什么是量化？什么是编什么是采样？什么是量化？什么是编码？码？u每秒钟采集的声音样本数目，称作每秒钟采集的声音样

25、本数目，称作_,存储每个声音样本所用的二进存储每个声音样本所用的二进制位数，叫做制位数，叫做_;整理课件整理课件43课堂练习课堂练习u采样频率的高低是根据奈奎斯特理论和声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真声音的信号频率约为20kHz，采样频率，采样频率就选为就选为_; u假设目前正在使用麦克风进

26、行录音，采样假设目前正在使用麦克风进行录音，采样频率设为频率设为22kHZ,量化选为量化选为16位，在不采用位，在不采用压缩技术的情况下，计算录制压缩技术的情况下，计算录制57秒的立体秒的立体声文件大约需要多少空间？声文件大约需要多少空间？整理课件整理课件44课堂练习课堂练习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课堂练习人耳能感知的声音频率范围是多少？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？什么是采样？什么是量化？什么是编码？20HZ20kHZ采样：在特定的时刻对信号进行测量；采样：在特定的时刻对信号进行测量；量

27、化：将信号幅度取值限定在几个有限的数值中；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；些用于同步、纠错和控制的数据；课堂练习课堂练习每秒钟采集的声音样本数目，称作每秒钟采集的声音样本数目，称作_,存储存储每个声音样本所用的二进制位数，叫做每个声音样本所用的二进制位数，叫做_;采样频率采样频率采样精度采样精度/样本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采样频率的高低是根据奈奎斯特理论和声音信号

28、本身的最高频率决定的。即：采样频率不应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低于声音信号最高频率的_，这样就能把，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音，这叫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作无损数字化。因此，高保真声音信号最高频率约为频率约为20kHz，采样频率就选为，采样频率就选为_; 2倍倍44.1kHZ假设目前正在使用麦克风进行录音，采样频率设假设目前正在使用麦克风进行录音，采样频率设为为22kHZ,量化选为量化选为16位，在不采用压缩技术位，在不采用压缩技术的情况下，计算录制的情况下，计算录制57秒的立体声文件大约

29、秒的立体声文件大约需要多少空间？需要多少空间？（未经压缩的数字声音的数据率（未经压缩的数字声音的数据率(b/s) = 采样频率采样频率(Hz)*样本精度样本精度(bit)*声道数）声道数） 22100016257bit =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音频文件大小(单位单位Byte)=(量化单位数量化单位数采采样频率样频率声道数声道数持续时间持续时间)/81M=1024KB1KB=1024B16*22050*2*120/8=10584000B=10MB 写出汽车周期T与观测周期t的关系二二. 欠采样在工程实际中的应用：欠采样在工程实际中的应用：1. 采样示波器采样示波器:2. 频闪测速频闪测速: :旋转圆盘旋转圆盘0s频闪器频闪器频闪仪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