Transcript 数字音频技术 - 计算机与软件学院

数字音频
处理技术
2.1 数字音频基础知识
一、声音的基本概念
声音是通过一定介质传播的连续的波。
声波 A
周期
振幅
t
重要 振幅：音量的大小
指标 周期：重复出现的时间间隔
频率：指信号每秒钟变化的次数
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2.1 数字音频基础知识
数字音频
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声音按频率分类：
次声波
可听声波
20 Hz
超声波
20 kHz
f(Hz)
语音信号频率范围：300 Hz～3 kHz
声音质量的频率范围：
CD-DA
FM广播
AM广播
电话
频带
10 20 50
200
3.4 k
7 k 15 k 20 k
f(Hz)
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2.1 数字音频基础知识
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。
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2.1 数字音频基础知识
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
模拟信号
采样
模拟信号
量化
A/D ADC
D/A DAC
编码
数字信号
数字信号
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2.1 数字音频基础知识
3.声音数字化过程
连续的模拟声音信号
声音信号的采样
示意
离散的音频信号
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2.1 数字音频基础知识
4.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 每个采样点用 使用声音通道的
波幅度样本的 多少二进制位 个数
表示数据范围
次数
采样频率越高
声音质量越好
数据量也越大
11.025 kHz
22.05 kHz
44.1 kHz
量化位数越多 立体声比单声道
音质越好
的表现力丰富，
数据量也越大 但数据量翻倍
8位＝256
16位＝65 536
单声道
立体声
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2.1 数字音频基础知识
5.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(KB/s)
采样频率
(kHz)
11.025
22.05
44.1
数据量(KB/s)
量化位数
(bit)
单声道
立体声
8
10.77
21.53
16
21.53
43.07
8
21.53
43.07
16
43.07
86.13
8
43.07
86.13
16
86.13
172.27
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2.1 数字音频基础知识
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.MP3文件
MP3(MPEG Audio layer3)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。
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2.1 数字音频基础知识
3.WMA文件
WMA(Windows Media Audio)是Windows
Media格式中的一个子集(音频格式)。
特点：压缩到MP3一半。
4.MIDI文件
MIDI(乐器数字接口)是由一组声音或乐
器符号的集合。
特点：数据量很小，缺乏重现自然音。
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2.1 数字音频基础知识
四、音频的采集与处理
1.声音的采集或获取
①利用录音软件直接录制
②使用专业录音棚录制
③从唱片或录音带中进行转录
④购买数字音频库
2.音频编辑或处理
①删除无用部分，将需要合并的音轨拼贴起来
②降噪，去除录音时的背景噪音
③调节均衡，使得高中低几个频段听起来更加悦耳
④添加混响、延迟和变速等效果
2-11
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2.2 数字音频压缩标准
一、音频压缩方法概述
输入音频信号
编码器
传输/存储
解码器
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人的听觉具有强音能抑制同时存在的
弱音现象。
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2.2 数字音频压缩标准
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、CELP
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2.2 数字音频压缩标准
二、音频压缩技术标准
分类
电话语
音质量
调幅广
播质量
高保真
立体声
标准
说明
G.711 采样8 kHz，量化8 bit，码率64 kb/s
G.721 采用ADPCM编码，码率32 kb/s
G.723 采用ADPCM有损压缩，码率24 kb/s
G.728 采用LD-CELP压缩技术，码率16 kb/s
G.722 采样16 kHz，量化14 bit，码率224(64) kb/s
MPEG
音频
采样44.1 kHz，量化16 bit，码率705 kb/s
(MPEG三个压缩层次，384～64 kb/s)
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数字音频
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2.2 数字音频压缩标准
三、音频压缩工具软件
音频编辑软件、MP3Resizer
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2.3 声卡与电声设备
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具有MIDI接口(乐器数字接口)。
2-16
2.3 声卡与电声设备
数字音频
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2.声卡的组成原理
声波
A/D
话筒输入
数据处理
D/A
扬声器输出
混音器
线性输入
喇叭
线性输出
A/D和D/A
MIDI接口
CD接口
数字音频处理芯片
音乐合成器
总线接口芯片
计算机总线
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2.3 声卡与电声设备
3.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：11.025 kHz
(语音效果)
22.05 kHz
(音乐效果)
44.1 kHz
(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)
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2.3 声卡与电声设备
⑵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)
2-19
数字音频
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2.3 声卡与电声设备
4.声卡的外部接口
2-20
数字音频
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2.3 声卡与电声设备
线性输入接口 用来连接外部音频设备以便进行录音，如
Line In
录音机、CD唱机和音响等
话筒输入接口 用来连接话筒，直接输入现场的声音信号
Mic In
线性输出接口 用来连接外部音频设备的输入口，也可连
Line Out
接大功率有源音响等
扬声器输入接 用来连接扬声器，从声卡的内置功率放大
口/Spk Out 器向扬声器输出声音
游戏杆
用来连接游戏杆或MIDI设备
MIDI接口
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
2-21
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2.3 声卡与电声设备
二、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，俗称话筒或麦克风。
1.传声器的分类
①按换能原理分类：电动式、电容式、电磁式、
压电式、炭粒式和光纤式。
②按指向性分类：全指向型(O型)、单向型、双
向型(8字型)、超指向型、半球型、半心型。
③按用途分类：会议传声器、演唱传声器、录音
传声器、测量传声器。
④按有线无线分类：有线传声器、无线传声器。
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2.3 声卡与电声设备
2.传声器的工作原理
工作原理：一种声与能的转换过程，目
前通用的传声器有电动式传声器、电容式传
声器、驻极体式传声器和无线传声器。
3.传声器的性能指标
①灵敏度
②频率响应
③指向性
④输出阻抗
2-23
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2.3 声卡与电声设备
三、扬声器
扬声器俗称喇叭，它是一种将电信号转
换成声音信号的电声器件。
1.扬声器的工作原理
当音圈中通入按声音
变化的电流时，音圈
会在磁场中磁力的作
用下产生相应的振动。
于是就带动纸盆与之
振动。纸盆将振动通
过空气传播出去，于
是就产生了声音。
2-24
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2.3 声卡与电声设备
2.扬声器的分类
按工作原理分类：电动式扬声器、电磁
式扬声器、静电式扬声器、压电式扬声器。
按放声频率分类：低音扬声器、中音扬
声器、高音扬声器、全频带扬声器。
3.扬声器的性能指标
输出功率、频率特性、信噪比、谐波失
真、灵敏度和额定阻抗等。
2-25
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2.3 声卡与电声设备
四、音箱
1.音箱的工作原理
音箱是一种电声转换的发音设备。
发音过程：声卡输出模拟信号→功率放
大器→电流经音箱中的金属线圈产生磁场→
与永久磁铁相互作用产生吸
引和排斥→带动线圈和簿
膜振动→声波。
2-26
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2.3 声卡与电声设备
2.音箱的分类
功放：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
4.1/5.1/7.1
5.1→五声道＋超重低音声道
2-27
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2.3 声卡与电声设备
3.音箱的性能指标
输出功率：额定功能、最大峰值功率。
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。
信噪比：指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＝70～80 dB→普通音箱
信噪比＝80～90 dB→高档音箱
信噪比＞95 dB
→专业音箱
2-28
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2.3 声卡与电声设备
杜比环绕
立体声技术
2-29
数字音频
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2.4 电子音乐与MIDI
一、电子音乐的发展
最早出现的电子音乐应是电声音乐，它
是指经过电子设备处理后传达给听众的原声
音乐。
人们并不满足电声乐器对物理声波的简
单放大和处理，于是开始研制电子乐器，随
后产生了电子音乐。电子音乐不以物理振动
为基本发音原理，而是完全通过电子设备和
电子手段生成或处理加工的音乐。
2-30
数字音频
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2.4 电子音乐与MIDI
二、MIDI音乐技术
1.什么是MIDI
乐器数字接口 (Musical Instrument
Digital Interface，MIDI)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。
2-31
数字音频
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2.4 电子音乐与MIDI
2.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：00
音色Piano编号
00
60
音符C3编号
8分音符编号
2-32
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2.4 电子音乐与MIDI
3.MIDI合成方式
⑴调频合成法——FM
原理：MIDI合成器接收到MIDI音乐信息
后，利用傅里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。
2-33
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2.4 电子音乐与MIDI
⑵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。
2-34
2.4 电子音乐与MIDI
数字音频
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4.MIDI工作过程
音频卡
MIDI乐器
MIDI接口
合成器
音序器
MIDI文件
扬声器
PC机
音序器是MIDI音乐创作
的核心控制部件。
2-35
数字音频
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2.4 电子音乐与MIDI
三、计算机音乐系统
系统组成：输入设备、音源、音序器
输入设备：电子琴(MIDI In,MIDI Out)
MIDI键盘(省去音源)
Cakewalk虚拟键盘
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, Logic Audio
2-36
数字音频
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2.4 电子音乐与MIDI
四、音乐软件的分类
Cakewalk 1.0-9.0→Sonar 1.0-4.x
音乐编曲软件 Cubase VSI 5.x→Cubase SX 2.1
(音序器)
合成器软件 Logic Audio(PC版、Apple版)
(MIDI/音频/合成器一体化)
CoolEdit
录音、混音、
Audition
音频编辑软件
GoldWare
效果器软件
效果器插件
(Syntrillium)
(Adobe)
(GoldWare Inc.)
Waves Native Gold Bundle(20以上)
TC Native Bundle(4)
Ultrafunk Sonltus fx(7)
2-37
数字音频
处理技术
2.5 音频编辑软件
一、Audition概述
1.发展历史和基本功能
Cool Edit Pro 1.1/1.2/2.0/2.1
Adobe Audition 1/2/3：集声音录制、
音频混合和编辑于一身的音频处理软件。
主要功能：
①录音、混音、音频压缩和刻录音乐CD。
②音频编辑：插入、叠加、替换、调制等。
③音效处理：降噪、回音、延迟、杂音等。
④与其他音频软件或视频软件协同工作。
2-38
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2.5 音频编辑软件
2.Audition的启动和退出
开始/所有程序→Adobe Audition 3.0
3.Audition的窗口组成
标题栏
文件/效果列表框
菜单栏
波形显示区
工具栏
控制面板
状态栏
电平指示条
2-39
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2.5 音频编辑软件
二、音频的基本操作
1.导入音频
2.录音
选项/Windows录音控制台
从麦克风中输入
文件/新建→“新建波形”对话框
语音：11 025 Hz、单声道、 8-bit
音乐：44 100 Hz、立体声、16-bit
3.播放音频
2-40
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2.5 音频编辑软件
三、音频的剪辑技术
1.选择波形
2.删除波形
3.复制波形
4.剪切波形
5.粘贴波形
6.混合粘贴
2-41
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2.5 音频编辑软件
四、音频的特殊效果
1.改变波形的振幅
如果一个声音的音量太小或者太大，可
以利用Audition的波形振幅效果器调整音量
的大小，使音量适中。
使用方法是：效果/振幅和压限/放大。
淡入效果：指音频选区的起始音量很小甚至无声，
而最终音量相对效大。
淡出效果：指音频选区的起始音量相对较大，而最
终音量很小甚至无声。
2-42
数字音频
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2.5 音频编辑软件
2.降低噪音
环境噪音是在语音停顿之处有一种振幅
变化不大的声音，它贯穿于整个录制声音。
消除环境噪音的方法是在语音停顿之处
选择一段环境噪音，让CE记录噪音的特征，
然后自动消除所有的环境噪音。
操作步骤： ①选取噪音样本。
②效果/修复/降噪器。
③获取特性。
④波形全选→确定。
2-43
数字音频
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2.5 音频编辑软件
3.延迟效果
延迟和回声效果可以将输出信号的一部
分反馈回输入端，使之再进入到延时的循环
中去，得到一种重复的回声效果。
镶边效果器是为原来的声音镶上一种奇
特的声音边缘，让人感到一种回旋，游移的
声音效果。
延迟在现代音乐制作中，可以用于营造空间感和增
加现场感。例如模拟各种房间效果、空中回声以及模拟
科幻、水下等声音感觉。
2-44
数字音频
处理技术
2.5 音频编辑软件
五、多轨音频的制作
1.多轨录音
多轨录音是利用音频软件同时在多个音
轨中录制不同的音频信号。多轨录音可以将
先录制好的部分音频保存在一些音轨中，再
进行其他音轨的录制，最终将它们混合制作
成一个完整的音频作品。
2-45
数字音频
处理技术
2.5 音频编辑软件
2.多轨音频波形处理
在多轨视图模式下，可以对音频剪辑进
行非破坏性的整体编辑与处理，而不会破坏
原音频文件，如音轨的导入导出、音频剪辑
的复制、裁剪、合并等。此外，在该视图模
式下，还可以同时处理MIDI音轨、音频轨和
视频轨等多轨操作。
2-46
数字音频
处理技术
2.5 音频编辑软件
3.多轨混缩工程
在多轨视图中的混音器面板，可以对每
个音轨的音量调整其大小，通过动态EQ处理
目标频率范围。单击“EQ”按钮，打开相应
轨道的“EQ”对话框，以图表的形式设置调
节。EQ可以营造不同乐器的层次感，使得声
音在整体上更加平衡。
多轨视图的添加效果与编辑视图有所不
同，可以在主群组面板、混音器面板和效果
框架中添加、排序或删除效果。
2-47
数字音频
处理技术
2.5 音频编辑软件
六、CD音乐的刻录
Audition除了输出音频文件外，还可以
将音频文件直接输出到CD中，这是音像出版
行业中经常会涉及的流程。
CD视图为整合CD轨道、设置轨道属性和
刻录CD等相关工作提供了友好的界面。可以
一次性整合CD轨道或将编辑完成的音频文件
插入到不同的音频轨道中，还可以对各个轨
道进行排序。
2-48
数字音频
处理技术
2.6 语音识别技术
语音识别：利用计算机自动识别语音的
技术。如①将语音转换成其所对应的文字，
②利用语音信号中所包含的特定人的信息进
行说话人身份辨认的说话人识别技术。
一、语音识别的发展历史
1952年：Bell实验室研制出可识别10个
英文数字的语音识别器(Audry系统)。
1988年：卡内基·梅隆大学研制SPHINX
识别系统(非特定人、大词汇量、连续语音)。
2-49
数字音频
处理技术
2.6 语音识别技术
二、语音识别基本原理
语音识别本质上是一种模式识别过程，
主要包括语音信号预处理、特征提取、特征
建模(建立参考模式库)、相似性度量(模式
匹配)和后处理等几个功能模块。
2-50
数字音频
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2.6 语音识别技术
三、语音识别系统的分类
1.根据词汇量大小
小词汇量：<100词
中词汇量：100～1 000词
大词汇量：1 000词以上
2.根据对说话人依赖程度
特定人：针对某个用户进行识别工作。
非特定人：针对任何人进行识别工作。
2-51
数字音频
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2.6 语音识别技术
3.根据对说话人说话方式
孤立词识别：每次只含词汇表中的一个
词条，如一个词、一个词组或一条命令。
连接词识别：每次说词汇表中若干个词
条来进行识别，该若干词条以慢速连续的方
式连续说出，一般指十个数字连接而成的多
位数字的识别。
连续语音识别：指说话人以日常自然的
方式讲述并进行识别。
2-52
数字音频
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2.6 语音识别技术
四、语音识别软件
中文听写
语音识别软件 语音命令
语音合成
IBM ViaVoice 8.0中文语音识别系统
2-53
数字音频
处理技术
本章小结
☆声音数字化，音乐符号化
☆数字音频三要素，音频的文件格式
☆数字音频压缩标准
音频压缩工具软件的使用
☆声卡和电声设备的工作原理及指标
☆电子音乐合成技术及其规范
☆音频编辑软件，Audition的使用
☆语音识别技术，ViaVoice的使用
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