第3章音频信息的获取与处理

音序器 音序器 MIDI 指令 MIDI 指令 音序器：你可以理解 为一个MIDI数据的录 音机，它是以软件形 式安装在电脑上，如 Cakewalk软件。你可 以录制MIDI数据，并 很容易的进行修改、 编辑、打印乐谱等处 理
MIDI 文件 MIDI 文件
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课
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（44.1×1000×16×2×60/8）B=10 584 000B
采样频率是8KHZ，量化位数是16位，双声道声音，一分钟的数据量是多少？
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2.1.3 数字音频的文件格式
在多媒体技术中，存储音频信息的文件格式主要有： WAV文件、VOC文件、MIDI文件、AIF文件、SNO文件和 RMI文件等。 1. WAV文件 WAV文件又称波形文件，来源于对声音模拟波形的 采样，并以不同的量化位数把这些采样点的值转换 成二进制数，然后存入磁盘，这就产生了波形文件。 WAV文件用于保存Windows平台的音频信息资源，被 Windows平台及其应用程序所广泛支持。
100101100011101
模拟信号的数字化过程
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2.1.2音频的数字化
多媒体计算机产生声音的方式主要有3种：
由外部声音源进行录制与重放的波形音频、MIDI音 乐的MIDI音频
http://www.tudou.com/programs/view/AB0N4boBhFY/
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电源
CD-ROM 跳接线 IDE接口 音频输出
外部音频设备 7、CD-ROM音频信号接口 6、CD-ROM的接口
8、跳接器 1、Line in（线性输入） 麦克风
2、Microphone（麦克风输入） 5、Volume Control（音量调节旋钮）
3、Speaker（扬声器输出） 4、MIDI/Game Port （MIDI/操纵杆端口） 操纵杆 MIDI声音装置
ຫໍສະໝຸດ Baidu
4、数字音频的存储
可用下面的公式估算声音数字化后每秒所需的存储 量（假定不经压缩）：
存储量（B）=（采样频率HZ×量化位数bit×声道数）/8 例：数字激光唱盘（CD-DA，红皮书标准）的标准采样频 率为44.1KHZ，量化位数为16位，立体声（这就是所谓的 CD音质—CD-quality sound），可以几乎无失真地播出频 率高达22KHZ的声音，这也是人耳所能听到的最高声音频 率。1分钟CD-DA音乐所需的存储量为
本章主要介绍音频的相关知识。
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2.1.1模拟音频和数字音频
规则音频是一种连续变化的模拟信号,可用一条连续的曲线来表示， 称为声波。因声波是在时间和幅度上都连续变化的量，我们称之为 模拟量。 用声音录制软件记录的英文单词“Hello”的语音实际波形
一、模拟音频
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2.2声卡的组成与工作原理
处理音频信号的PC插卡是声卡 （Audio Card），又称音频卡，声卡 处理的音频媒体有数字化声音 （Wave）、合成音乐（MIDI）、 CD音频。
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2.2.1声卡的功能、技术指标与分类
1.声卡的功能
（1）采集来自话筒、收音机等音源的信号，并将其数字化形成数字 音频 （2）将数字音频回原位模拟音频信号，待放大后送到扬声器还原为 声音信号 （3）对数字化的声音进行编辑加工，已达到特殊的效果 （4）控制音源的音量，对各种音源进行混合 （5）采集数据时，对数字化声音信号进行压缩，一边存储；播放时， 对压缩的数字化声音文件进行解压 （6）接受来自MIDI控制器的MIDI信号，使计算机可以控制多台具 有MIDI接口的乐器
周期 幅度限
基线
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二、数字音频
声音的A/D与D/A转换
A/D转换就是把模拟信号转换成数字信号的过程，模拟电信 号变为了由“0”和“1”组成的Bit信号。这样做的好处是显而 易见的，声音存储质量得到了加强，数字化的声音信息使计 算机能够进行识别、处理和压缩 。 A/D转换的一个关键步骤是声音的采样和量化，得到数字音 频信号，它在时间上是不连续的离散信号。 借助于A/D或D/A转换器，模拟信号和数字信号可以互相转 换。
失真在采样过程中是不可避免的，如何减少失真呢？ 可以直观地看出，我们可以把上图中的波形划分成更为细 小的区间，即采用更高的采样频率。同时，增加量化精度， 以得到更高的量化等级，即可减少失真的程度。在下图（左）中， 采样率和量化等级均提高了一倍，分别为2000次/秒和20个量化等 级。在下图（右）中，采样率和量化等级再提高了一倍，分别达 到4000次/秒和40个量化等级。从图中可以看出，当用D/A转换器 重构原来信号时（图中的轮廓线），信号的失真明显减少，信号 质量得到了提高。
第2章音频信息的获取和处理
2.1 数字音频基础 2.2 声卡的组成与工作原理
2.3 音频编码基础和标准
2.4 音乐合成和MIDI标准
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2.1数字音频基础
随着多媒体信息处理技术的发展，计算 机数据处理能力的增强，音频处理技术受到 重视，并得到了广泛的应用，如：视频图像 配以娓娓动听的音乐和语音 ；静态或动态图 像配以解说和背景音乐 ；立体声音乐可增加 空间感 ；游戏中的音响效果等。
模拟音频信号的两个重要参数
模拟音频信号有两个重要参数：频率和幅度。声音的频率体现音调的高 低，声波幅度的大小体现声音的强弱。 一个声源每秒钟可产生成百上千个波，我们把每秒钟波峰所发生的数 目称之为信号的频率，单位用赫兹(Hz)或千赫兹(kHz)表示。信号的幅 度是从信号的基线到当前波峰的距离。幅度决定了信号音量的强弱程度。 幅度越大，声音越强。对音频信号，声音的强度用分贝(dB)表示，分贝 的幅度就是音量。
声音数字化分为采样和量化两个步骤：
• 采样就是每隔一段时间就读一次声音信号的幅度，记录下 来的原始模拟声波在某一时刻的状态，称之为样本；每秒 钟抽取声波幅度样本的次数，称为采样频率； • 量化：把采样得到的声波幅度转化为数字值，也就是把某 一幅度范围内的电压用一个数字表示。
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以下图所示的原始模拟波形为例进行采样和量化。 假设采样频率为1000次/秒，即每1/1000秒A/D转换器采 样一次，其幅度被划分成0到9共10个量化等级，并将其采样的 幅度值取最接近0~ 9之间的一个数来表示，如下图所示。图中每 个正方形表示一次采样。
0
1
2
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4
5
6
7
8
9
10
ms
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模拟音频的数字化过程
数字化的声音易于用计算机软件处理，现在几乎所有 的专业化声音录制、编辑器都是数字方式。对模拟音频数字 化过程涉及到音频的采样和量化。 采样和量化的过程可由A/D转换器实现。A/D转换器以固定的 频率去采样，即每个周期测量和量化信号一次。经采样和量化 后声音信号经编码后就成为数字音频信号，可以将其以文件形 式保存在计算机的存储介质中，这样的文件一般称为数字声波 文件。
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2. 量化数据位数（也称量化级、样本尺寸等）
采样只解决了音频波形信号在时间坐标(即横轴)上把一个波形 切成若干个等分的数字化问题，但是还需要用某种数字化的方法来 反映某一瞬间声波幅度的电压值大小。该值的大小影响音量的高低。 我们把对声波波形幅度的数字化表示称之为“量化”。量化位数 是 每个采样点能够表示的数据范围，有8/12/16/32位。量化级 的大 小决定了声音的动态范围，即被记录和重放的声音最高与最低之间 的差值。量化的过程是先将采样后的信号按整个声波的幅度划分成 有限个区段的集合，把落入某个区段内的样值归为一类，并赋于相 同的量化值。如何分割采样信号的幅度呢? 我们还是采取二进制的方 式，以８位(bit)或16位(bit)的方式来划分纵轴。也就是说在一个以8 位为记录模式的音效中，其纵轴将会被划分为一个量化等级，用以 记录其幅度大小。量化位数越高音质越好，数据量也越大。
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3、单声道与双声道
反映音频数字化质量的另一个因素是通道（或 声道）个数。记录声音时，
如果每次生成1个声波数据，称为单声道； 如果每次生成2个声波数据，称为立体声（双声道）。 立体声更能反映人的听觉感受，数字音频还受其他一 些因素（如扬声器质量）的影响。
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二、MIDI系统的组成
基于计算机的MIDI音乐创作系统
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三、MIDI的工作过程
MIDI 接口 MIDI 接口 MIDI 乐器 MIDI 乐器
信息转换为真实的声音，音源 质量的好坏对于最终音质有很 重要的影响。目前使用的音源 主要分为软、硬两种。软音源 运行在电脑平台上，一般对电 脑性能要求较高，对声卡也有 需求。硬音源可以是电子琴、 电钢琴、合成器或是专业的音 源模块。价格和音色品质成正 音源 合成器 合成器 比。
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1. 采样频率
信息论的奠基者香农（Shannon）为实现A/D转换，需要把 模拟音频信号波形进行分割，这种方法就是采样(Sampling)。 采样的过程是把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。该 时间间隔称为采样周期，其倒数为采样频率。采样频率是指计 算机每秒钟采集多少个声音样本。采样频率越高，声音失真越 小，存储音频的数据量也越大。常用的有8kHz , 11.025kHz, 22.05, kHz 16kHz, 44.1kHz, 48kHz等。
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音箱
2.4.2MIDI规范
一、什么是MIDI
– MIDI 是数字音乐接口（Musical Instrument Digital Interface)的缩写。或 者说，MIDI是用来將电子乐器相互连接， 或将MIDI设备与电脑连接成系统的一种通 讯协议。 通过它，各种MIDI设备都可以准 确传送MIDI信息。