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多媒体音频技术多媒体音频技术第二章数字音频技术2.1数字音频基础2.2数字音频压缩标准2.3声卡与电声设备2.4MIDI与音乐合成2.5音频编辑软件2.6语音识别技术本章小结多媒体音频技术2-3一、声音的基本概念声音是通过一定介质传播的连续的波。t振幅周期A声波振幅：音量的大小周期：重复出现的时间间隔频率：指信号每秒钟变化的次数重要指标2.1数字音频基础多媒体音频技术2-4声音按频率分类：次声波可听声波超声波20Hz20kHzf(Hz)语音信号频率范围：300Hz-3kHz2.1数字音频基础1020502003.4k7k15k20kCD-DAFM广播AM广播电话f(Hz)频带声音质量的频率范围：多媒体音频技术2-5声音的传播携带了信息，它是人类传播信息的一种主要媒体。声音的三种类型：波形声音：包含了所有声音形式语音：不仅是波形声音，而且还有丰富的语言内涵(抽象→提取特征→意义理解)音乐：与语音相比，形式更规范。音乐是符号化的声音。2.1数字音频基础多媒体音频技术2-6二、声音的数字化1.声音信号的类型模拟信号(自然界、物理)数字信号(计算机)2.声音数字化过程采样量化编码模拟信号数字信号模拟信号数字信号A/DADCD/ADAC2.1数字音频基础多媒体音频技术2-73.声音数字化过程连续的模拟声音信号声音信号的采样离散的音频信号示意2.1数字音频基础多媒体音频技术2-84.声音数字化三要素采样频率量化位数声道数每秒钟抽取声波幅度样本的次数每个采样点用多少二进制位表示数据范围使用声音通道的个数采样频率越高声音质量越好数据量也越大量化位数越多音质越好数据量也越大立体声比单声道的表现力丰富，但数据量翻倍11.025kHz22.05kHz44.1kHz8位＝25616位＝65536单声道立体声2.1数字音频基础多媒体音频技术2-95.声音数字化的数据量音频数据量＝采样频率×量化位数×声道数/8(字节/秒)采样频率(kHz)量化位数(bit)数据量(KB/s)单声道立体声11.025810.7721.531621.5343.0722.05821.5343.071643.0786.1344.1843.0786.131686.13172.272.1数字音频基础多媒体音频技术2-10三、音频的文件格式1.WAV文件WAV是Microsoft/IBM共同开发的PC波形文件。因未经压缩，文件数据量很大。特点：声音层次丰富，还原音质好2.1数字音频基础2.MP3文件MP3(MPEGAudiolayer3)是一种按MPEG标准的音频压缩技术制作的音频文件。特点：高压缩比(11:1)，优美音质多媒体音频技术2-113.RA文件RA(RealAudio，即时播音系统）新型流式音频，RA、RM、RMX。特点：在低速的广域网上实时传输音频4.WMA文件WMA(WindowsMediaAudio)是WindowsMedia格式中的一个子集(音频格式)。特点：压缩到MP3一半2.1数字音频基础多媒体音频技术2-125.MIDI和RMI文件MIDI(乐器数字接口)是由一组音乐、乐谱或乐器符号的数字集合。特点：播放效果与硬件相关，数据量很小，音质不高、音色单调等6.VOC文件创新公司开发的声音文件格式，由文件头块和音频数据块组成。2.1数字音频基础多媒体音频技术2-13四、音频的采集与处理1.声音的采集录音软件专业录音棚唱盘活录音带转录数字音频库2.1数字音频基础2.声音的处理剪接、降噪、均衡、效果、动态处理、格式转换。多媒体音频技术2-142.2数字音频压缩标准一、音频压缩方法概述编码器传输/存储解码器输入音频信号输出音频信号压缩编码技术是指用某种方法使数字化信息的编码率降低的技术音频信号能压缩的基本依据：①声音信号中存在大量的冗余度；②人的听觉具有强音抑制弱音的现象；③低频段敏感、高频段不敏感。多媒体音频技术2-15音频信号压缩编码的分类：①无损压缩(熵编码)霍夫曼编码、算术编码、行程编码②有损压缩波形编码--PCM、DPCM、ADPCM子带编码、矢量量化参数编码--LPC混合编码--MPLPC、CELP2.2数字音频压缩标准多媒体音频技术2-162.2数字音频压缩标准二、音频压缩技术标准分类标准说明电话语音质量G.711采样8kHz，量化8bit，码率64kbpsG.721采用ADPCM编码，码率32kbpsG.723采用ADPCM有损压缩，码率24kbpsG.728采用LD-CELP压缩技术，码率16kbps调幅广播质量G.722采样16kHz，量化14bit，码率224(64)kbps高保真立体声MPEG音频采样44.1kHz，量化16bit，码率705kbps(MPEG三个压缩层次，384-64kbps)多媒体音频技术2-172.2数字音频压缩标准三、音频压缩工具音频文件转换：AudioConverter、另存为MP3压缩工具：MP3Resizer多媒体音频技术2-182.3声卡与音箱一、声卡(声音卡、音频卡)1.声卡的主要功能声卡是负责录音、播音和声音合成的一种多媒体板卡。其功能包括：①录制、编辑和回放数字音频文件②控制和混合各声源的音量③记录和回放时进行压缩和解压缩④语音合成技术(朗读文本)⑤语音识别技术⑥具有MIDI接口(乐器数字接口)多媒体音频技术2-192.声卡的组成原理线性输出总线接口芯片数字音频处理芯片音乐合成器A/D和D/AMIDI接口混音器CD接口计算机总线话筒输入线性输入扬声器输出A/D数据处理D/A声波喇叭2.3声卡与音箱多媒体音频技术2-203.声卡的性能指标⑴采样和量化能力衡量音响器材音质好坏。采样频率：11.025kHz(语音效果)22.05kHz(音乐效果)44.1kHz(高保真效果)量化等级：8位/256级(语音质量)16位/65536级(高保真质量)2.3声卡与音箱多媒体音频技术2-21⑵芯片类型CODEC芯片(依赖CPU，价格便宜)数字信号处理器DSP(不依赖CPU)⑶总线类型ISA总线、PCI总线、USB接口⑷输出声道数2声道(立体声)、2.1/4.1/5.1声道多通道声卡(营造杜比环绕立体声)2.3声卡与音箱多媒体音频技术2-224.声卡的外部接口2.3声卡与音箱多媒体音频技术2-232.3声卡与音箱线性输入接口LineIn用来连接外部音频设备以便进行录音，如录音机、CD唱机和音响等话筒输入接口MicIn用来连接话筒，直接输入现场的声音信号线性输出接口LineOut用来连接外部音频设备的输入口，也可连接大功率有源音响等扬声器输入接口/SpkOut用来连接扬声器，从声卡的内置功率放大器向扬声器输出声音游戏杆MIDI接口用来连接游戏杆或MIDI设备。CD音频连接器用来连接CD-ROM驱动器，可以直接播放CD音乐，而不占用CPU时间多媒体音频技术2-24二、电声设备1.传声器传声器是一种将声信号转换成相应电信号的能量转换器件（话筒、麦克风）。传声器的分类：换能原理、声学原理、指向性、用途、使用方式、有线无线2.3声卡与音箱多媒体音频技术2.3声卡与音箱传声器的工作原理：声能（1）电动式传声器，包括动圈式传声器和带式传声器两种，电磁换能原理。优点：简单方便、无需放大器、性能稳定、价格低廉（2）电容式传声器，振膜震动引起电容量变化实现换能。优点：灵敏度高、动态范围大、瞬态特性好、失真度低缺点：振膜受潮会导致变形多媒体音频技术2.3声卡与音箱（3）驻极体式传声器，利用驻极体材料制作的电容传声器。优点：简单、体积小、耐振动、价格低（4）无线传声器，声音信号转变为电信号，形成超高频信号。无线传声器不是指传声器的结构原理，而是指信号的传输方法。优点：可随身携带、无需电缆缺点：时远时近，影响拾音效果多媒体音频技术2.3声卡与音箱传声器的性能指标：（1）灵敏度，传声器的声电转换效率。动圈式：-60~-70dB；电容式：-40~-50dB（2）频率响应，输出电平与频率的关系。（3）指向性，某频率下声波入射方向对应灵敏度的变化特性。（4）输出阻抗，两根输出线之间在1kHZ时的阻抗。（5）动态阈，规定谐波失真条件下，传声器承受最大压级与安静时等效噪声级之差。多媒体音频技术2-282.扬声器将电信号转换成声音信号的电声器件。（1）磁路系统，磁铁、导磁板、心柱（2）振动系统，纸盆、音圈（3）辅助系统，纸架、铁架、防尘盖电流→音圈→磁力振动→纸盆振动→声音2.3声卡与音箱多媒体音频技术2.3声卡与音箱扬声器的分类：（1）按工作原理分类，电动式、电磁式、静电式、压电式等。（2）按放声频率分类，低音、中音、高音、全频带等。性能指标：输出功率、频率特性、信噪比、谐波失真、灵敏度和额定阻抗。多媒体音频技术2-303.音箱音箱是一种电声转换的发音设备。将高、中、低音扬声器组装在专门设计的箱体内，经过分频网络将高、中、低频信号分别送至相应的扬声器进行重放。2.3声卡与音箱音箱是扬声器系统多媒体音频技术2-31音箱的分类：使用场合：家用音箱、专用音箱功率放大器：有源音箱、无源音箱声道：2.0→双声道立体声2.1→双声道＋超重低音声道4.1/5.1/7.15.1→五声道＋超重低音声道2.3声卡与音箱多媒体音频技术2-32音箱的性能指标：（1）输出功率：额定、最大峰值。（2）频率范围：指音箱最低有效回放频率和最高有效回放频率之间的范围。（3）信噪比：音箱回放的有效信号与噪声信号的比值。信噪比较低时，噪声严重。信噪比＝70-80dB→普通音箱信噪比＝80-90dB→高档音箱信噪比＞95dB→专业音箱2.3声卡与音箱多媒体音频技术2.3声卡与音箱（4）失真度：谐波失真、互调失真、瞬态失真。其中，瞬态失真直接影响到音质音色还原程度。（5）灵敏度：指音箱产生全功率输出时的输入信号。输入信号越低，灵敏度越高，性能越好（6）阻抗：扬声器输入信号的电压与电流比值。高阻抗、低阻抗。多媒体音频技术2-342.4MIDI与音乐合成一、MIDI技术概述1.什么是MIDIMIDI(MusicalInstrumentDigitalInterface，乐器数字接口)是一种利用合成器产生的音乐技术。采用数字信号处理技术合成的音效：①模仿钢琴、小提琴、吉他等音色②超越时空的太空音乐多媒体音频技术2-352.MIDI标准MIDI是各种电子音乐设备之间以及与计算机之间交换信息的国际标准。MIDI硬件规范：硬件接口标准和信号传输机制(I/O通道、连接电缆和插座形式)。MIDI软件规范：音乐信息数字化编码方式(音符、音符长短、音调和音量等)。原声钢琴8分音符的C3音：000060音色Piano编号音符C3编号8分音符编号2.4MIDI与音乐合成多媒体音频技术2-36二、MIDI合成方式1.调频合成法--FM原理：MIDI合成器接收到MIDI音乐信息后，利用傅立叶级数原理将其分解为若干个不同频率的正弦波，然后生成MIDI音乐信息中指定乐器的各个正弦波分量，最后将这些分量合成起来送至扬声器播放。特点：①系统开销小，声音清脆②声音音色少，音质较差2.4MIDI与音乐合成多媒体音频技术2-372.波形表合成法--WT原理：在MIDI合成器的ROM中预先存放各种实际乐器的声音样本，在进行音乐合成时以查表的方式调用这些样本，使其与MIDI音乐信息的要求完全相配，然后合成器将这些分段合成的样本送至扬声器播放。特点：①音乐真实感强，音色自然②硬波形表，软波形表。2.4MIDI与音乐合成多媒体音频技术2-38三、MIDI的工作过程MIDI输入设备MIDI接口MIDI文件音序器合成器扬声器音频卡PC机音序器是MIDI音乐创作的核心控制部件。2.4MIDI与音乐合成多媒体音频技术2-39四、音乐制作系统1.基本设备音源：声卡(模拟乐器发声的设备)音序器：硬件音序器、软件音序器Cakewalk,LogicAudio输入设备：电子琴(MIDIIn,MIDIOut)MIDI键盘(省去音源)Cakewalk虚拟键盘2.4MIDI与音乐合成多媒体音频技术2-402.音乐软件分类音序软件：Cakewalk、Musi