数字音频处理与实践.ppt

多媒体技术与实验教程 第二章 数字音频处理技术与 Cakewalk SONAR实验 2.1 多媒体音频信息处理 2.2 Cakewalk SONAR 8的安装、配置与 界面功能介绍 2.3 Cakewalk SONAR音频处理基本实验 2.4 Cakewalk SONAR综合实验：录制数字 音频 多媒体技术与实验教程 2.1 多媒体音频信息处理 2.1.1声音信号的形式 任何声音都是物体振动产生的现象 , 物体受到敲打或激发就能产 生振动 ， 发声体的振动在介质中的传播称为 声波 。 当声波达到人 的耳膜时 ， 会感觉到这种压力的变化 ， 或者感觉到振动 ， 这就是 声音 。 在日常生活中 ， 音频 (Audio)信号可分为两类： 语音信号 和 非语音 信号 。 在物理上 ， 声音可用一条连续的曲线来表示 。 这条连续的曲线无 论多复杂 ， 都可分解成一系列正弦波的线性叠加 。 因声波是在时 间和幅度上都连续变化的量 ， 称为 模拟量 。 多媒体技术与实验教程 图 2-1 用声音录制软件记录的英文单词” Hello”语音 的实际波形体之间的关系 多媒体技术与实验教程 2.1.2 模拟音频信号的物理特征 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 。 2-2 声波的频率、周期与振幅 多媒体技术与实验教程 1.频率 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。 人们在日常说话时的语音信号：频率范围 300 3000Hz 亚音 (subsonic)：频率小于 20 Hz的信号 音频 (Audio)：频率范围为 20 20kHz的信号 超音频 (ultrasonic)：高于 20kHz的信号 多媒体技术与实验教程 2.周期 周期是指信号在两个峰点或谷底之间的相对时间 。 周期和频率之 间的关系是互为倒数 。 如果每隔 定时间波形就重复相同的形状 ， 那么就称这个时间为周期 。 3.幅度 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。声音的强度水平 (声响或 者音量 )用 dB来测量。 dB的测量值等于在对数标尺上选定的参考声 强与实际感受的声强的比值。 分贝数 10log(P1 P0) 多媒体技术与实验教程 2.1.3 与声音有关的几个术语 1.听觉、感知 2.音高 3.音色 4.语音 5.响度 多媒体技术与实验教程 6.声音的质量 声音的质量与它所占用的频带宽度有关 ， 频带越宽 ， 信号强度的 相对变化范围就越大大 ， 音响效果也就越好 。 按照带宽可将声音 质量分为 4级 图 2-3 四级声音质量的频率范围 多媒体技术与实验教程 2.1.4 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 ， 对模拟音频数字化过程涉 及音频的采样 、 量化和编码 多媒体技术基础与应用 采样和量化的过程可由 数模（ A/D）转换器 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。 1.采样 为实现 A/D转换，需要把模拟音频信号波形进行分割，以转变成 数字信号，这种方法称为采样 (Sampling)。采样的过程是 每隔一个时间 间隔在模拟声音的波形上取一个幅度值 ，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，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机 得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。 多媒体技术基础与应用 2.量化 对声波波形幅度的数字化表示称之为“量化” 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 ? 采取二进制的方式，以位 (bit)或 16位的方式来划分纵轴。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个量化等 级 (quantization levels)，用以记录其幅度大小。 在相同的采样频率之下，量化位数愈高，声音的质量越好。同理，在 相同量化位数的情况下，采样频率越高，声音效果也就越好。 多媒体技术基础与应用 3.编码 图 2-6 音频信号处理过程 音频编码的信息是声音波形，所以又称波形编码。这种方法 要求重构的声音信号的各个样本尽可能地接近于原始声音的 采样值，复原的声音质量较高。 常用的波形编码技术有 脉冲编码调制 （ Pulse Code Modulation， PCM）、 自适应差分脉冲编码调制 （ Adaptive Differential Pulse Code Modulation， ADPCM）和 自适应变换编码 （ Adaptive Transform Coding， ATC）等。 多媒体技术基础与应用 脉冲编码调制 PCM PCM是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，既把连续输入 的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为 代码形式传输或存储。 PCM的主要优点是： 抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其 是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、 纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。 多媒体技术与实验教程 2.1.5 声卡 声卡（也称为声效卡） 在多媒体计算机中是不可缺少的重 要部件，直接决定了对声音数据的处理能力与质量。 现在的声卡已不仅仅作为发声之用，还兼备了声音的采集、编辑、 语音识别、网络电话等种种功用 多媒体技术与实验教程 1.声卡的工作原理 图 2-7 声卡工作原理框图 主芯片 -数字信号处理器 承担着对声音信息处理、特殊音效过滤与处理、语音识别、 实时音频压缩、 MIDI合成等重要的任务。 声卡主芯片是一块具有强大运算能力的数字信号处理器 （ DSP），是声卡的核心部件。 DSP是一种可编程芯片，通过软 件安装新的指令后就能够升级。主芯片能将来自 ADC(数字 /模拟 转换器 )的信号加以处理，改变成所需要的形式。 DSP芯片对输 入的数字声音用 PCM、 DPCM或 ADPCM方式进行编码和压缩，并形 成 WAV格式文件送入计算机磁盘存储。声音输出时，将磁盘中的 WAV文件送入 DSP芯片，经解码后变成数字声音信号送至 D/A转换 部分。 混音芯片 -CODEC 主要承担对原始声音信号的采样、 编码和混音处理；混音的声源可以 是 MIDI信号、 CD音频、线性输入、 话筒等，可以选择输入一个声源或 将几个不同声源进行混合录音。在 对音源处理时，可编程设定采样频 率和量化位数。 音乐合成器 标准多媒体 PC可以通过声卡的内部合 成器 (Synthesizer)或主机 MIDI端口的 外部合成器播放 MIDI文件。 频率调制合成器 (FM合成器 ) 波表 (Wave table合成器 )。 总线接口和控制器 总线接口和控制器由数据总线双向驱动 器、总线接口控制逻辑、总线中断逻辑 和 DMA控制逻辑组成。目前声卡的总线接 口一般采用 PCI接口，并可设定基本 I/O 地址、中断向量 IRQ和 DMA通道三个参数。 多媒体技术与实验教程 2.声卡的输入 /输出接口 声卡的输 /入输出接口均为 3.5mm规格插口（ MIDI/Joystick除外） 图 2-8 声卡通过接口与外部音频设备的连接 多媒体技术与实验教程 2.1.6 数字音频的文件格式 目前较常用的声音文件格式 图 2-9 数字音频的常用文件格式 多媒体技术与实验教程 1 WAV格式 (.wav) WAV格式是 微软公司 专门为 Windows设计的最为古老而 流行的 波形声音文件存储格式 ，基本上是按照声波的实际 振动的波形进行存储，是 未经压缩 的格式，所需存储空间 较大。 2 CD-DA格式 (.cda) CD-DA是由 Philips和 Sony公司 结盟于 1979年联合开 发的，常见的 CD唱片是数字音频录制的，将音频数字信号 直接写在盘片上，重现时用激光读出这些信息，再通过 D/A（数 /模）转换成模拟音频。 多媒体技术与实验教程 3. MPEG音频文件 MP3 这里的音频文件格式指的是 MPEG标准中的音频部分， 即 MPEG音频层 (MPEG Audio Layer)。 MPEG音频文件的压缩 是一种 有损压缩 ，根据压缩质量和编码复杂程度的不同可 分为三层 (MPEG Audio Layer 1/2/3)，分别对应 MP1、 MP2 和 MP3这三种声音文件； MPEG音频编码 具有很高的压缩率 ， MP3的压缩率可 达 101 121 ，同时其音质基本保持不失真。 多媒体技术与实验教程 5. VOC文件 (.voc) VOC文件是 Creative公司所使用的标准音频文件 格式，也是声霸卡（ Sound Blaster）所使用的音频文 件格式 ,多用于保存 Creative Sound Blaster(创新声霸 ) 系列声卡所采集的声音数据 . 6其他格式 多媒体技术与实验教程 2.1.7 常用音频处理软件介绍 1.Cool Edit Pro 2.Sound Forge 3.Cakewalk 多媒体技术与实验教程 2.2 Cakewalk SONAR 8的安装、配置与界面功能介绍 2.2.1 SONAR 8软件的获取 2.2.2 SONAR 8软件的安装 2.2.3 SONAR 8的初始设置 多媒体技术与实验教程 2.2.4 SONAR8软件的操作主界面 图 2-25 Sonar8软件的操作主界面 多媒体技术与实验教程 1.标题栏 2.主菜单 3.主界面工具栏 4.音轨窗 5.状态栏 多媒体技术与实验教程 2.2.5 音轨窗 1.音轨窗布局 图 2-34 SONAR 8的音轨窗 多媒体技术与实验教程 2.音轨窗的工具栏 图 2-35音轨窗工具条的主要按钮 (1)插入新音轨（ Insert New Tracks） (2)选择工具 (Select Tool) (3)自由编辑工具（ Free Edit Tool） (4) 包络线工具（ Envelope） (5)包络线绘制工具 (Envelope Draw tool) (6) 网格对齐工具（ Snap To Grid） (7)启用 /禁用自动交叠淡变 (Automatic Crossfades) (8)显示 /隐藏电平 (Show/Hide All Meters) (9)分割工具 (Split Tool) (10)静音工具 (Mute Tool) (11)缩放工具 (Zoom Tool) (12)试听工具 (Scrub Tool) (13)显示 /隐藏查看器 (Show/Hide Inspector) (14)显示 /隐藏导航器 (Show/Hide Navigator) (15)显示 /隐藏视频 (Show/Hide Video) 多媒体技术与实验教程 3音轨参数面板 图 2-36 音轨参数面板 多媒体技术与实验教程 2.3 Cakewalk SONAR音频处理基本实验 实验 2 1： Cakewalk SONAR的基本操作 1.实验目的 通过本实验掌握 Cakewalk的基本操作。 2.实验内容 SONAR的文件操作、播放控制、静音与独奏、设置标记、 循环播放乐曲等。 多媒体技术与实验教程 3.实验步骤 (1)打开文件 多媒体技术与实验教程 (1)打开文件 (2)设置播放控制工具 Transport (3)播放乐曲 (4)静音和独奏 (5)当前时间 多媒体技术与实验教程 (6)设置音轨标记 (7)循环播放音乐 图 2-46 “ Loop Toolbar”工具栏 多媒体技术与实验教程 实验 2 2 Cakewalk SONAR音轨的基本编辑 操作 1.实验目的 掌握 Cakewalk SONAR音轨的基本操作。 2.实验内容 使用 SONAR导入音频文件、音轨的复制、粘贴与删除、音 轨的合并与自动淡入淡出等。 多媒体技术与实验教程 3.实验步骤 (1)打开文件 (2)音轨的复制、粘贴与删除 (3) 音轨的移动 多媒体技术与实验教程 (4)设定淡入淡出效果 多媒体技术与实验教程 (5)音轨的合并 多媒体技术与实验教程 实验 2 3：在乐曲中运用素材风格 风格素材 (Groove Clip)是指预先制作好的已知节奏速度 与音高的音频文件 , 每个风格素材恰好在一个完整小节的 时间长度内的鼓或贝司等伴奏乐器所做的采样录音。 1.实验目的 掌握 Cakewalk SONAR在乐曲中运用风格素材的操作。 2.实验内容 利用 Tutorial.cwb工程文件添加风格素材。 多媒体技术与实验教程 3.实验步骤 打开文件 添加风格素材 图 2-56 将风格素材 100beat2导入音轨 5 多媒体技术与实验教程 图 2-57 风格素材被复制为多个副本 多媒体技术与实验教程 实验 2 4： Cakewalk SONAR综合实验：录制 数字音频 (1)设置采样率与采样精度 (2)建立新的工程文件 (3)设置音频轨 (4)检查输入电平 (5)设置 Metronome（节拍器） (6)录制数字音频 图 2-63 节拍器工具栏按钮功能 多媒体技术与实验教程 (7)导出音频文件