第三章 数字音频技术基础

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3.1 音频技术及特性 3.1.3模拟音频处理设备
图 3-4调音台
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音频技术及特性 音频数字化 数字音频质量及格式 数字音频的处理技术 数字音频技术应用
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3.2 音频数字化 3.2.1数字音频的概念
• 数字音频是指用一连串二进制数据来保存的声音信号。这种声音信号在 存储和电路传输及处理过程中,不再是连续的信号,而是离散的。
图3-5 模拟与数字的区别
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3.2 音频数字化 3.2.2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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3.2 音频数字化 3.2.2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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3.2 音频数字化 3.2.2音频的数字化过程
图 3-2专业话筒
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3.1 音频技术及特性 3.1.3模拟音频处理设备
(2)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。
图 3-3音响
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3.1 音频技术及特性 3.1.3模拟音频处理设备
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音频技术及特性 音频数字化 数字音频质量及格式 数字音频的处理技术 数字音频技术应用
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3.3 数字音频质量及格式
3.3.1音频数据率及质量
• 数字音频文件存储在计算机中要占据一定的空间,然而不同的采样频率、 量化深度和录制时间生成的音频文件大小也不同。
(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。
• 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。
• 尽管这两个关于声音的理解涵义有所不同,但它们之间有一定的内在联 系。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。
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3.1 音频技术及特性 3.1.1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。
• 所谓频率即发声来自百度文库体在振动时,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。
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3.1 音频技术及特性 3.1.2模拟音频记录设备
• 声音记录技术发展史 (1)机械留声机:最早用来记录声音的是机械式留声机,1877年由美国人 爱迪生发明的。初期的留声机结构非常简单,只是在一个木盒中装上一只 铜制的大喇叭,录放音的声波都经过这只喇叭传递。 (2)钢丝录音机:世界上最早出现的钢丝录音机是在1898年,它由丹麦科 学家波尔森发明的,第一次用磁性记录的方式进行记录。 (3)磁带录音机:磁带录音机属干磁性记录技术的再发挥,是根据电磁感 应定律,提出用永久剩磁录音的可能性,把声音记录在磁带上,接着再用 磁带进行还原。
• 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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3.2 音频数字化 3.2.2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。
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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3.2 音频数字化 3.2.2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。
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3.1 音频技术及特性 3.1.2模拟音频记录设备
最初声音信息的传播是 瞬时性的,不能对声音 进行存储和回放。直到 爱迪生发明留声机声音 才可以得以记录和重放。 爱迪生的留声机记录声 音利用的是“声音是由 振动产生的”这一基本 原理。
图3-1 爱迪生留声机成品
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• 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。
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3.1 音频技术及特性 3.1.2模拟音频记录设备
• 由干音频技术的迅猛发展,不论从机型的繁衍、结构和改进、功能的扩 展、性能的提高诸多方面都取得了瞩目的进步.
• 上述材料中显示了传统音频记录技术的演变历史,从记录介质上看历经 了石蜡(锡箔)记录、钢丝记录、磁带记录;从技术手段上来看经历了 机械记录和磁性记录,从外形上面来看录音设备由原来的开放式结构变 成后来的封闭式的设备(盒式)。
模拟调音台
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3.1 音频技术及特性 3.1.3模拟音频处理设备
(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。
• 音频数字化一般经过三个阶段“采样——量化——编码”。
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3.2 音频数字化 3.2.2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
图 3-7采样频率对波形的影响
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3.2 音频数字化 3.2.2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。
• 比特率,即每秒钟音频的二进制数据量。 – 上述例题的比特率是176.4kB/s。
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3.3 数字音频质量及格式
3.3.1音频数据率及质量
• 如果要衡量一个数字音频的音质好坏的话,通常可以参考以下指标: • 采样频率:即采样点之间的时间间隔,采样间隔时间越短,音质越好。 • 量化深度(量化分辨率):是指单位电压值和电流值之间的可分等级数,
• 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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3.2 音频数字化 3.2.2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。
图 3-6采样量化
(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。
• 例如:用44.1kHz、16bit来进行立体声(即两个声道)采样(标准的 CD音质),录制(或采集)3分钟的音频,那么在该未经压缩的声音数 据文件的大小为:
• 一秒钟内采样44.1×1000次,每次的数据量是16×2=32bit(因为立 体声是两个声道),那么3分钟的总共数据量是44100×32×60×3= 254016000(bit),换算成计算机中的常用单位(Byte),总共数据量 是254016000/8/1024/1024= 30.28MByte。
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3.1 音频技术及特性 3.1.3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(Microphoe麦克风) 音箱(speaker,扬声器)
• 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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3.1 音频技术及特性 3.1.1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。
可分等级越多,音质越好。 • 音频流码率:数字化后,单位时间内音频数据的比特容量,流码率越大
音质越好。 • 以上三个方面的指标中,前面两个指标是绝对指标,而音频流码率是一
个相对指标,可以间接用来考察音频的质量。
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3.3 数字音频质量及格式
3.3.2数字音频文件格式
• 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:
• 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。
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3.2 音频数字化 3.2.1数字音频的概念
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音频技术及特性 音频数字化 数字音频质量及格式 数字音频的处理技术 数字音频技术应用
第三章 数字音频技术基础
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3.1 音频技术及特性 3.1.1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。
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