数字音频基础

数字音视频技术
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数字音频工作站 数字音视频技术
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在进行数字音频处理时，除了用到上述几种专 用的硬件设备外，还会用到一些其它配套设备， 如麦克风、音箱等等。其实，不管是专用设备， 还是多媒体计算机，在处理数字音频时，其关 键的硬件技术内核包括： 1）模数转换器:模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）是一个硬件芯片， 一般用在带录音功能的音频处理设备之中，其 作用就是将模拟的音频电压（流）信号转成数 字脉冲电压（PCM）信号。任何ADC都包括上面 提到的三个基本功能：采样、量化和编码，用 来完成从模拟的音频信号向数字音频信号的采 集过程。
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• （2）音箱（speaker，扬声器） • 音箱的主要功能就是还原声音，将音 频电流信号变换成声音信号，可以说是 留声机中大喇叭另一功能的转化。
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• （3）模拟调音台 • 调音台在现代电台广播、舞台扩音、 音响节目制作中是一种经常使用的设备， 它具有多路输入，每路的声音信号可以 单独被处理，还可以进行各种声音的混 合，且混合比例可调；拥有多种输出。 调音台在诸多系统中起着核心作用，它 既能创作立体声、美化声音，又可抑制 噪声、控制音量，是声音艺术处理必不 可少的一种设备。
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1.1.1音频的概念及特性
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1.1.1音频的概念及特性
• 声音的分类
–按照人耳可听到的频率范围，声音可分为超声、次 声和正常声。人耳可感受声音频率的范围介于20～ 20000赫兹间。声音高于20000赫兹为超声波，低于 20赫兹为次声波。 –按照声音的来源以及作用来看，可分为人声、乐音 和响音。人声包括人物的独白、对白、旁白、歌声、 啼笑，感叹等；乐音也可成为音乐，是指人类通过 相关乐器演奏出来的声音，如影视作品中的背景声 音，一般起着渲染气氛的作用；响音是指除语言和 音乐之外电影中所有声音的统称，如动作音响 、 自然音响、 背景音响 、机械音响、特殊音响。
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1.1.1音频的概念及特性
• 声音的分类
–按照人耳可听到的频率范围，声音可分为超声、次 声和正常声。人耳可感受声音频率的范围介于20～ 20000赫兹间。声音高于20000赫兹为超声波，低于 20赫兹为次声波。 –按照声音的来源以及作用来看，可分为人声、乐音 和响音。人声包括人物的独白、对白、旁白、歌声、 啼笑，感叹等；乐音也可成为音乐，是指人类通过 相关乐器演奏出来的声音，如影视作品中的背景声 音，一般起着渲染气氛的作用；响音是指除语言和 音乐之外电影中所有声音的统称，如动作音响 、 自然音响、 背景音响 、机械音响、特殊音响。
• 音频数字化一般经过三个阶段“采样——量 化——编码”。
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1.1.2音频的数字化过程
音频数字化过程的具体步骤包括： 第一步，将麦克风转化过来的模拟电信号以某一频率进 行离散化的样本采集，这个过程就叫采样； 第二步，将采集到的样本电压或电流值进行等级量化处 理，这个过程就是量化； 第三步将等级值变换成对应的二进制表示值（0和1）， 并进行存储，这个过程就是“编码”。 通过这三个环节，连续的模拟音频信号即可转换成离散 的数字信号——二进制的0和1。
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1.1.1音频的概念及特性
• 在物理学上声音的三个基本特性：频率、振幅和波形， 对应到人耳的主观感觉就是音调、响度和音色。 • 所谓频率即发声物体在振动时，单位时间内的振动的 次数，单位为赫兹（HZ）。 • 振幅是指发声物体在振动时偏离中心位置的幅度，代 表发声物体振动时动势能的大小。振幅是由物体振动 时所产生的声音的能量或声波压力的大小所决定的。 声能或声压愈大，引起人耳主观感觉到的响度也愈大。 • 音色是指声音的纯度，它由声波的波形形状所决定。 即使某种声音它们的振动和频率都一样，也就是说它 们的音调高低，声音强弱都相同，但它们的波形不一 样，所以听起来就会有明显的区别。
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数字录音机
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（3）数字音频工作站:数字音频工作站是 一台能够完成从录音、编辑、混合、压 缩，一直到最后刻出母盘的全部音频节 目制作过程的设备。拥有这样一台设备 就相当于有了调音台、多轨录音机、编 辑机、效果器等这些录音棚的价值不菲 的全部家当。它最大的特点就是集成度 高，免去录音连线的烦恼，且便于携带。
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2）数模转换器:数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）也是一个硬件芯片， 一般用在数字音频的重放设备中，用来将数字 音频信号还原成模拟的音频信号。可以把DAC 想像成 16 个小电阻，各个电阻值是以二的倍 数增大。当 DAC 接受到来自计算机中的二进 制 PCM 信号，遇到 0 时相对应的电阻就开启， 遇到 1 相对应的电阻不作用，这样每一批 16Bits 数字信号都可以转换为相对应的电压 大小。如图中所示，还原后的电流信号看起来 就像阶梯一样，当然会跟原来平滑的信号有些 差异，但是人的耳朵没有那么灵敏，只要采样 的频率和量化深度足够的话，一般不会察觉到 差异。
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1.1.2音频的数字化过程
• 横坐标是时间轴（采样频率），纵坐标是幅度 值（量化分辨率），曲线代表的是模拟信号对 应的波动曲线，带颜色的方格是采样量化后的 所得结果。
采样量化
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1.1.2音频的数字化过程
• 由图中可以得知，当频率越小（时间间 隔越短），量化深度（量化分辨率）越 大，二者的轮廓越吻合，这也说明数字 化的信号能更好的保持模拟音频信号的 形状，有利于保持原始声音的真实情况。
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采样量化
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1.3数字音频的获取
• 1.3.1使用录音笔录音 • 1.3.2在计算机录音工作室中录音
• 1.3.3从Internet上搜索和下载
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1.4 数字音频的格式以及转换
1.4.1 常见的数字音频格式
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1.1.2音频的数字化过程
• 如图，上半部分表示原始音频的波形；下半部 分表示录制后的波形；红色的点表示采样点。
采样频率对波形的影响
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1.1.2音频的数字化过程
• 上下波形之所以不吻合，是因为采样点不够多， 或是采样频率不够高。这种情况关于合理的采 样频率这一问题在Nyquist（奈奎斯特）定理 中早已有明确的答案：要想不产生低频失真， 则采样频率至少是录制的最高频率的两倍（上 图中，采样频率只是录制频率的4/3倍）。这 个频率通常称作Nyquist极限。 ，称之为低频 失真。
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1.1.2音频的数字化过程
• 数字化过程两个指标：
–一是量化深度，也可称之为量化分辨率，是 指单位电压值和电流值之间的可分等级数； –二是采样频率，即采样点之间的时间间隔。
• 两者与音质还原的关系是：采样频率越 高，量化深度越大，声音质量越好。
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1.1.2数字音频
• 数字音频是指用一连串二进制数据来保存的声 音信号。
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1.1.2音频的数字化过程 • 数字化的音频信号两种途径：
–第一种途径就是将现场声源的模拟信号或已存储的 模拟声音信号通过某种方法转换成数字音频； –第二种途径就是在数字化设备中创作出数字音频， 比如电子作曲。
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1.2音频的处理设备
1.2.1 模拟音频处理设备
在对声音进行处理的过程中，除了对 声音进行记录之外，还需要对声音进行 一些其它方面的调整。如对声音进行音 调的调节、多声音混合、高中低音的调 整，还有诸如原始声波信号的拾取等等 问题。这就会涉及到一些其它的音频处 理设备。
话筒（ Microphone麦克风） 数字音视频技术
音箱（speaker，扬声器）
模拟调音台 2017/4/1
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• （1）话筒（Microphone麦克风） • 话筒的主要功能就是进行声音能量的 收集。当出现磁性记录技术之后，话筒 的功能就开始发生变化，除了完成声音 的收集外，还要完成声能向电能的转化 （声音信号转化成电流信号）,但是其还 原声音的功能已逐渐消失。
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调音台
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1.2.2数字音频处理设备
• 数字音频处理设备可以分为两类：一类是专 用数字音频设备，另一类是非专为处理音频而 设计的多媒体计算机。 • （1）数字调音台:前面介绍过模拟的调音台， 可以知道调音台的作用有两个：其一是将每一 路进行优化和调节；其二，对多路声音进行混 合输出。 • （2）数字录音机:如图所示是数字录音机。数 字录音机是对模拟录音方式进行了升级，采用 数字记录方式来存储音频信号。一般可用硬盘 记录方式或者光盘记录方式。
1.4 数字音频的格式以及转换
1.4.1 常见的数字音频格式 1.4.2 不同音频格式间的转换 1.4.3 音频格式转换应用实例
1.5 数字音频编辑软件
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1.1数字音频基础
2.1.1音频的概念及特性
• 物理学上，声音被看成一种波动的能量，即声 波。同时在物理学上，一般用声音的三个基本 特性来描述声音，即频率、振幅和波形。 • 生理学上，声音是指声波作用于听觉器官所引 起的一种主观感觉。如响度、音调、音色和音 长等。
其实，不同的编码方式就对应计算机中不同的文件格 式，反映在计算机中就是文件的后缀名不同。对于数 字音频的常见格式有以下几种： （1）WAV格式:WAV格式支持许多压缩算法，支持多种音 频位数、采样频率和声道，采用44.1kHz的采样频率， 16位量化位数，因此WAV的音质与CD相差无几，但WAV 格式对存储空间需求太大不便于交流和传播。 （2）MIDI格式:MIDI是Musical Instrument Digital Interface的缩写，又称作乐器数字接口，是数字音乐 /电子合成乐器的统一国际标准。它定义了计算机音乐 程序、数字合成器及其它电子设备交换音乐信号的方 式，规定了不同厂家的电子乐器与计算机连接的电缆 和硬件及设备间数据传输的协议，可以模拟多种乐器 的声音。
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1.1.2音频的数字化过程
• 在数字音频的衡量指标中，采样频率的单位是 HZ，量化深度一般用比特（Bit）来度量。例 如：某一音频的数字化指标是44.1kHZ，8个比 特位。那么这里的44.1kHZ比较容易理解，但8 比特位并不是说把某一单位的电压（电流）值 成8份，而是分成28＝256份；同理16位是把纵 坐标分成216＝65536份。 • 通常情况下，在音频数字化的过程中，设置的 采集频率可已选择三种：32kHz、44kHz、 48kHz。特别是在CD制作过程中，一般的采样 频率是44.1kHz，那么为什么会设置这三个档 次呢？
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1.1.2 音频数字化
• 模拟音频信号。一般，模拟信号在时间 或者空间维度上可以无限制的细分下去。 模拟信号最大的特点就是它是一种连续 的不间断的信号。 • 对音频模拟信号进行处理时，一般采用 模拟的技术手段。电器元件是将连续的 原始信号的变化形式原封不动的传递给 下一单元，这就是模拟的处理方式。
第1章 数字音频基础
• 1.1数字音频基础
1.1.1 音频的概念以及特征 1.1.2 音频数字化
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音频的处理设备
1.2.1 模拟音频处理设备 1.2.2 数字音频处理设备
1.3 数字音频的获取
1.3.1 使用录音笔录音 1.3.2 在计算机录音工作室中录音 1.3.3 从Internet上搜索和下载