Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Звуковые возможности ПК

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет» филиал в г. Первоуральске

Реферат по информатике на тему

Выполнил студент

№ группы ПУ -111 АПР

Павлова О.В.

Проверил преподаватель

_______________________

Первоуральск

2011

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ.

Мультимедиа (Multimedia) - это современная компьютерная информационная технология, позволяющая объединить в компьютерной системе текст, звук, видеоизображение, графическое изображение и анимацию (мультипликацию).
Мультимедиа - это сумма технологий, позволяющих компьютеру вводить, обрабатывать, хранить, передавать и отображать (выводить) такие типы данных как текст, графика, анимация, оцифрованные неподвижные изображения, видео, звук и речь.

Мультимедийные данные интегрируют: образы, видео и графику (статистическую и анимационную), включая растровую и векторную, карты, фотографии; текст в различных видах, включая буквенно-цифровые базы данных; звук; в недалеком будущем - запах и вкус.

Мы все уже привыкли к тому, что современный персональный компьютер может издавать весьма разнообразные звуки. Вначале они могли только гудеть и пищать на разные лады, затем появились программы, произносящие вполне отчетливые слова и играющие отдаленное подобие музыки, слушаемой через водосточную трубу; компьютерные игры довольно быстро научились даже при помощи встроенного громкоговорителя (рис.1) издавать что-то вроде выстрелов и взрывов. А теперь повсеместное распространение недорогих звуковых карт позволило воспроизводить с их помощью любые теоретически возможные звуки. Однако в большинстве случаев мы с вами слышим только те звуки, которые были, как говорится, заложены при разработке той или иной программы, а между тем многим хочется гораздо большего. Все это вполне возможно - при наличии требуемых аппаратных средств и/или программ, а главное - знаний о способах извлечения нужных звуков из такого вроде бы немузыкального устройства, как компьютер, так как компьютер по первоначальному определению это устройство для хранения, обработки и передачи информации.

Все оборудование, отвечающее за звук, объединяются в так называемые звуковые карты. (Рис.2) Дальше рассматривается подробно и в отдельности об устройстве и характеристиках звуковых карт, стандартах сжатия звука и некотором специализированном программном обеспечении.

Компьютеры не задумывались своими создателями как устройства для занятий музыкой. Их изначальное предназначение типично для любой полезной машины - освободить человека от тяжелой и монотонной работы. В данном случае речь идет об умственной деятельности рутинного характера, связанной с громоздкими вычислениями и сортировкой большого количества данных. Просто так уж случилось, что многие профессионалы в разных сферах, любящие и хорошо понимающие то, чем они занимаются, сумели воспользоваться присущей вычислительным машинам универсальностью и использовать ее для пользы своего дела.

Целью курсовой работы является закрепление и углубление теоретических знаний. Задача данной курсовой работы – рассказать о наиболее известных программах для работы со звуком, об их преимуществах, показать простоту работы с профессиональным программным обеспечением.

1. ОБЗОР ЗВУКОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПК

1.1. Возможности встроенного динамика (PC-Speaker)

Динамик ПК англ.(PC speaker) — простейшее устройство воспроизведения звука, применявшееся в ПК. ( Рис.3) До появления недорогих звуковых плат динамик являлся основным устройством воспроизведения звука.

В компьютерах, как известно, используется цифровой принцип передачи информации: электрические сигналы могут принимать только два состояния - 0 и 1, что соответствует минимальному и максимальному уровням напряжения.
Подключив динамик к выходу цифровой схемы, мы можем привести его диффузор¹ только в одно из двух возможных положений; если теперь переключать цифровой сигнал со звуковой частотой - мы услышим знакомое гудение или писк разной высоты. Именно так и было реализовано управление встроенным динамиком в самых первых персональных компьютерах, таким же оно осталось и в их современных моделях - программа либо программирует генератор импульсов на их повторение с нужной частотой, либо сама переключает цифровой сигнал на динамике. Изменяя частоту следования импульсов, можно повышать или понижать тон звука, однако более приятных звуков таким способом извлечь невозможно. Такой способ управления называется частотной модуляцией (ЧМ/FM).

В настоящее время PC speaker остаётся штатным устройством совместимых компьютеров, и в основном используется для подачи сигналов об ошибках.

1.2. Преобразователи АЦП и ЦАП

АЦП - аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП - цифро-аналогового преобразователя.

Первый получает непрерывный аналоговый сигнал и постоянно выдает поток цифровых сигналов, второй действует наоборот. При этом говорят, что АЦП кодирует аналоговый сигнал, а ЦАП - декодирует его. В англоязычной литературе используются обозначения ADC и DAC, а также codec (coder/decoder).

Для преобразования в цифровой код аналоговый сигнал приходится подвергать дискретизации - разбиению на фиксированные участки во времени и на ряд фиксированных величин - по уровню. Каждый элементарный участок сигнала кодируется одним числом, величина которого пропорциональна среднему уровню сигнала на этом участке; такое число называется отсчетом. Числа появляются на выходе АЦП синхронно с изменением сигнала на входе; точность преобразования будет тем выше, чем выше частота следования отсчетов и чем больше используется фиксированных значений уровня. Частота следования отсчетов называется частотой дискретизации², а диапазон значений отсчета определяется разрядностью его двоичного представления.

Выбор частоты дискретизации важен в первую очередь для передачи частотного диапазона сигнала - при слишком низкой частоте звук становится глухим и неразборчивым. Чаще всего для хорошей передачи звука достаточно частоты, вдвое большей максимальной частоты исходного сигнала, хотя для достижения высокого качества используется трех - пятикратное превышение. А разрядность влияет, прежде всего, на количество искажений и шумов, вносимых в звук - при недостаточной точности отсчетов звук становится резким и неприятным, как внутри металлической трубы.

В популярных сейчас бытовых проигрывателях компакт-дисков используется частота дискретизации 44.1 кГц и отсчеты в 16 двоичных разрядов (65536 фиксированных уровней). В цифровых телефонных линиях применяется 8- разрядная (256 уровней) оцифровка на 8 кГц, а в студийных системах обработки звука - 24-разрядная (16777216 уровней) с частотой 96кГц. Понятно, что с ростом частоты дискретизации и разрядности отсчета растет и объем данных, занимаемый звуком. Например, один компакт-диск вмещает 74 минуты стереозвучания, однако при записи на нем звука в монофоническом телефонном формате время непрерывного звучания составит более суток.

Сейчас выпускается широчайший ассортимент звуковых адаптеров, или карт, для всех видов персональных компьютеров, а во многих моделях они являются компонентом системной платы. Современный звуковой адаптер содержит
16-разрядные стереофонические ЦАП и АЦП, работающие на частоте 5..48 кГц, которые передают и получают цифровой звук по каналам прямого доступа к памяти (DMA³), без прямого участия программ, которым остается только вовремя забирать готовый оцифрованный фрагмент с АЦП, или подавать очередной цифровой фрагмент на ЦАП. Многие адаптеры могут записывать и воспроизводить звук одновременно, и программа при должном быстродействии может синхронно воспроизводить записанный звук в уже обработанном виде.

1.3. Процессоры DSP (Digital Signal Processing)

Процессор DSP (Рис.4) - преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. В принципе DSP нужен, чтобы разгрузить центральный процессор (CPU) компьютера, да и вообще поменьше от него зависеть. Это делает работу платы устойчивей и позволяет избежать многих проблем совместимости с разными компьютерами.

Обработка цифрового звука - отдельная и весьма обширная область, которая, по сути, сводится к выполнению над числами-отсчетами тех же математических операций, которые в аналоговых устройствах выполняются электронными схемами.

Например, усилению или ослаблению соответствует умножение или деление отсчетов, смешиванию двух сигналов - попарное сложение их отсчетов, фазовому сдвигу - задержка одних отсчетов относительно других. Единственная проблема состоит в том, что для выполнения сложных преобразований, вроде фильтрования или модуляции, требуется очень большое число элементарных числовых операций, которое рядовой компьютер не в состоянии делать синхронно с поступающим сигналом, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. В таких случаях либо применяются специальные цифровые сигнальные процессоры (DSP), либо обработка проводится основным процессором, но после предварительной записи звука в память или на жесткий диск, с воспроизведением оттуда после окончания обработки. Эта так называемая нелинейная обработка занимает больше времени и не позволяет тут же слышать результат, однако никак не ограничена по сложности и глубине воздействия на звук.

Частным случаем обработки является простой монтаж фонограмм, с которым постоянно сталкиваются операторы самых различных звуковых студий. То, что на обычном магнитофоне делается за минуты, часы и дни путем многократной перезаписи с ленты на ленту, даже на самом простом компьютере занимает считанные секунды или часы, благодаря полному визуальному контролю и точности вплоть до одного цифрового отсчета (при 44.1 кГц - 23 мкс).

Если взять какой-либо физический процесс, приводящий к появлению звука
- разряд молнии, шум ветра или колебания скрипичных струн - то всегда можно разработать достаточно точную математическую модель этого явления, которая сведется к системе уравнений. Решая эти уравнения, можно получить график звуковых колебаний, возникающих в этом процессе, и затем воспроизвести их.
Подобным образом был получен предполагаемый звук московского Царь-колокола при помощи только его наружных измерений и структурного анализа сплава.
Этот метод физического моделирования - самый точный для имитации реальных звуков, однако он же - самый трудоемкий и длительный.

1.4. Частотная модуляция (FM)

Другой, более простой, метод синтеза состоит в генерации синусоидального сигнала, частота которого управляется другими генераторами таких же сигналов - это разновидность частотной модуляции (FM). В результате получается сигнал весьма сложной структуры, тембр которого может меняться в чрезвычайно широких пределах. При достаточном количестве управляющих друг другом генераторов (так называемых операторов) и точном подборе их параметров можно не только синтезировать необычные звуки, но и достаточно точно имитировать звуки природы и музыкальных инструментов.
Однако на практике количество операторов не превышает десяти, и разумное управление даже таким небольшим их числом сильно затруднено. В большинстве звуковых адаптеров есть аппаратный FM-синтезатор с двумя или четырьмя операторами, при помощи которого можно синтезировать различные шумы, стуки и звоны, однако для имитации музыкальных инструментов он в силу своей простоты совершенно непригоден.

1.5. Таблично-волновой метод синтеза звуков (Wave table⁴)

Таблично-волновой синтез основывается на использовании уже готовых волн записанных в память синтезатора, называемой волновой таблицей. То есть в отличие от аддитивного синтеза, где применяются синусоидальные генераторы, в таблично-волновом синтезе применяются уже готовые волны произвольной формы.
Внутри синтезатора находится память (ROM – read, memory, only), то есть волновая таблица, куда записаны (оцифрованы) различные волны или звуки, разбитые на несколько фрагментов (атака, начальное затухание, фаза и конечное затухание), что, кстати, позволяет снизить объем требуемой памяти. Все эти фразы записаны в различных частотах и при различных условиях, т.е. с разной атакой, мягкостью или резкостью удара по клавише, в результате чего мы получаем большой комплект фрагментов одного звука (инструмента). Для воспроизведения коротких звуков, такие фрагменты волн, как правило, записывают целиком, однако если нам надо воспроизвести длинный по протяжённости звук, то атака и затухание фраз используется без изменений, а средняя (нужная) часть просто циклируется (loop).
Особым достоинством таблично-волнового синтеза, конечно же, является возможность предельно реалистично имитировать звучание классических инструментов и простота получения звука. Другим же достоинством этого синтеза является возможность получения огромного количества различных необычных тембров, за счёт использования множества различных волн, количество которых лишь зависит от объема памяти синтезатора. Кстати, есть такие, которые дают возможность загружать в себя свои собственные волны (звуки), что ещё больше расширяет спектр возможностей. Управляются компьютерные синтезаторы, при помощи специального музыкального цифрового интерфейса MIDI.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗВУКА НА КОМПЬЮТЕРЕ.

2.1. Что такое MIDI – технология?

MIDI (миди) - нотно-музыкальная технология для звуков, искусственно созданных синтезатором. Информация обычно хранится в файлах с расширением MID.

Создан в 1982 году ведущими производителями электронных музыкальных инструментов - Yamaha, Roland, Korg и др. Изначально был предназначен только лишь для управления музыкальными инструментами при помощи аналоговых сигналов, при помощи информационных сообщений, передаваемых по цифровому интерфейсу.

Впоследствии стал стандартом в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза. Миди файл представляет собой список ссылок на звуки в WT⁵ синтезаторе звуковой карты, и список команд, таких как тональность, продолжительность, скорость звука и т.д. Именно с появлением MIDI музыкальным творчеством на компьютере легко могут заниматься все желающие: превращать свои мелодии в полнозвучные музыкальные произведения, исполняемые оркестром, на свой вкус аранжировать любимые песни.

Миди-технология остаётся ведущей в компьютерной и аппаратно-студийной области. Она совершенствуется, учитывает новые требования и новые технические возможности. Об этом говорит последовательное появление стандартов GM, GS и XG. Миди-технология вовлекает в сферу своего влияния все новые и новые области, для которых она и не предназначалась, — управление магнитофонами, устройствами звуковой обработки, микшерскими пультами (не говоря уже о мультимедийных продуктах и компьютерных играх).

2.1.1 Описание MIDI интерфейса.

MIDI — Musical Instrument Digital Interface — компьютерный протокол (иногда говорят — язык), предназначенный для связи одного музыкального устройства с другим.

MIDI-устройство должно иметь:

внутри — программу или микропроцессор, который понимает MIDI-информацию;

снаружи — разъемы, к которым подсоединяется MIDI-кабель.

Цель MIDI — управлять работой музыкального устройства не с его панели или клавиатуры, а на расстоянии (по MIDI-кабелю) — с другого устройства. Для этого второе устройство передает первому последовательность управляющих команд, которые называются MIDI-сообщениями.

Пример использования MIDI: (Рис.5)На синтезаторе вы можете играть ноты, выбирать новый тембр инструмента, менять громкость, но сам он сейчас не звучит. Все перечисленные действия передаются по MIDI-кабелю (красного цвета) в виде команд на звуковой модуль. Последний выполняет все эти действия (звучат сыгранные ноты, меняется тембр и громкость) и выдает звук через обычные динамики. Красная стрелка показывает направление потока MIDI-сообщений.

2.1.2. Какая информация передается с помощью MIDI.

Все, что вы делаете, управляя работой своего музыкального устройства (крутите ручки, нажимаете на кнопки, играете на клавиатуре), может передаваться в виде управляющих MIDI-сообщений на ваше устройство с другого MIDI-устройства.

MIDI-сообщение передает не сам звук (аудиоинформацию) или какие-то его характеристики, а только управляющие команды, которые выполняются устройством-получателем.

Сам процесс передачи MIDI-сообщения может осуществляться в реальном времени (во время исполнения или воспроизведения музыки), но может быть и разорванным во времени. В этом случае MIDI-сообщение записывается в виде файла на дискету или жёсткий диск компьютера, а потом считывается устройством-получателем.

2.2. Мр3- технология сжатия звуковой информации.

Само название МрЗ появилось в результате сокращения аббревиатуры MPEG-1 Layer3.

MPEG (Motion Pictures Expert Group) - это группа при Международной организации по стандартизации и Международном электрическом комитете, которая занимается разработкой стандартов для цифрового сжатия видео и аудио информации. А зачем сжимать эту информацию? Во-первых, для экономии экономических и материальных ресурсов при передаче информации на расстояние по каналам связи (в том числе и спутниковым), а во-вторых, для ее хранения.

Стандарт MPEG-1 является потоковым форматом и состоит из аудио, видео и системной частей. Последняя часть содержит информацию об объединении и синхронизации двух первых.

Передача данных происходит потоком независимых отдельных блоков данных - фреймов⁶, получаемых при "нарезке" на равные по продолжительности участки, которые кодируются независимо друг от друга.

Всего в настоящее время существует пять видов (номеров) стандартов MPEG:

1) MPEG1 – сжатие - аудио и видео с общей скоростью до 150 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц);

2) MPEG2 – сжатие - аудио и видео с общей скоростью до 300 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц), сжатие - аудио ИДЕНТИЧНО MPEG1;

3) MPEG2.5 – сжатие - аудио с пониженным разрешением (аудио 16,22.05,24 килогерц). Интересно заметить, что стандарт MPEG2.5 (еще известный как MPEG2 LSF - LOW SAMPLE FREQUENCY - низкая частота сканирования - аудио) введен фирмой IIS Fraunhofer (институт информационных технологий имени Фраунгофера из Германии). Этот стандарт является расширением "чистого" аудио MPEG2 (то есть MPEG1!) для частоты сканирования аудио в два раза меньшей, чем обычно;

4) MPEG3 - многоканальный MPEG1+MPEG2. Этот стандарт практически не используется;

5) MPEG4 - новомодный за рубежом стандарт. Его особенность: может держать до 8-и каналов аудио, то есть AC-3 - цифровое расширение системы Surround.

Чем выше индекс уровня, тем выше сложность и производительность алгоритма кодирования⁷, соответственно и увеличиваются требования к системным ресурсам.

Здесь под термином 'кодирование" понимается процесс, позволяющий получать файл в сжатом виде, который занимает меньше места на диске и соответственно быстрее передается по каналам связи. В сжатой форме файл использоваться не может, соответственно, перед использованием его необходимо декодировать. Сжатие файла происходит не всегда с положительным результатом. Результат напрямую зависит от метода компрессии и от содержимого самого файла.

Принцип кодирования сигнала в MPEG Audio основан на использовании психоакустической модели (Psycho-acoustics), суть которой в следующем: происходит передача только той звуковой информации, которая может быть адекватно воспринята подавляющим большинством слушателей, а вся остальная, увы, безвозвратно теряется.

Существуют и «комбинированные» форматы компьютерного звука. Например, можно «сконструировать» музыкальную композицию из небольших периодически повторяющихся кусочков цифрового звука – сэмплов⁸. Именно по такому принципу создаются композиции в популярном сегодня стиле – «Хаус», «Транс», « Техно» - то есть вся простая, танцевальная, ритмическая музыка. Такой тип музыки - нечто среднее между цифровой и синтезированной – называется «трэкерным» и имеет пусть ограниченную, но верную аудиторию поклонников.

2.2.1. Модели кодирования сигнала.

В рамках формата МРЗ для работы со стереозвуком существуют четыре основные модели кодирования сигнала:

1) Первая модель Dual Channel⁹ основана на том, что каждый канал получает половину потока и кодируется как моно сигнал. Отсюда и ее название. Эта модель идеально подходит в случае, когда каналы содержат абсолютно разные сигналы;

2) В модели Stereo каждый из каналов кодируется отдельно, но кодеру "позволено" самому принять решение о передаче одному из каналов большего места, чем другому. Этим достигается кодирование "тишины" (либо уровень сигнала лежит ниже порога слышимости) в одном канале, когда в другом присутствует мощный сигнал;

3) Модель MS Stereo использует разложение стерео сигнала на средний между каналами и разностный, который кодируется с меньшим битрейтом¹⁰. Данный метод не рекомендуется использовать, если каналы не совпадают по фазе (наиболее часто встречается в записях, оцифрованных с аудиоленты);

4) Модель MS/IS Stereo позволяет несколько увеличить качество кодирования сигнала при использовании низких битрейтов. Суть метода заключается в использовании на некоторых частотных диапазонах отношения мощностей сигнала в разных каналах. Однако данный метод приводит к потере фазовой информации.

2.2.2. Продолжение Mp3 - Mp3Pro.

14 июня 2001 года вышло продолжение MP3 – Mp3Pro. Создателем MP3Pro является частная компания Coding Technologies. Созданная в 1997 году, компания занимается разработкой и маркетингом кодеков на основе технологии SBR (Spectral Band Replication). За спиной у компании Coding Technologies стоят два очень солидных стратегических партнера - Fraunhofer Institute и Thomson Multimedia, а также достаточное количество инвесторов, среди которых такие люди, как профессор Heinz Gerhauser - глава института Fraunhofer. В связи с этим, следует также заметить, что Coding Technologies имеет доступ ко всем разработкам института Fraunhofer, а само название MP3Pro дала новому формату компания Thomson Multimedia, которая и занимается его продвижением совместно со своей дочерней компанией RCA.

Первый проигрыватель, поддерживающий новый формат, уже появился - это Thomson mp3PRO Audio Player 1.0.2 (Рис.6). Помимо проигрывающей части этот плеер содержит ещё и демо-версию кодера, сжимающего wav-файлы в MP3Pro (правда только на 64 кбит/c).

Достоинства и недостатки формата Mp3Pro:

Достоинства: достойное качество звука на низких битрейтах; достаточно низкие системные требования; высокая степень сжатия.

Недостатки: отсутствие поддержки высоких битрейтов; синтез высоких частот из средних.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Звуковые возможности ПК основаны на одноканальном управляемом звуковом генераторе, вырабатывающем электромагнитные колебания звуковой частоты. Колебания подаются на встроенный в ПК динамик и заставляют его звучать.

Мы уже не можем представить себе, как было бы играть в игру без звуковых эффектов или не прослушивать музыку на компьютере.

Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные
изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во
многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в
компьютерных играх и т.д.

Комплекс аппаратных и программных средств мультимедиа позволяет пользователю работать в интерактивном режиме с разнородными данными (графикой, текстом, звуком, видео), организованными в виде единой информационной среды.

Современные компьютерные обучающие программы, как правило, создаются в технологии мультимедиа. Используя одновременно зрительный и звуковой информационные каналы ученика, такие программы помогают ему лучше понять и запомнить учебный материал. Кроме того, интерактивный режим работы позволяет ученику самому влиять на темп обучения, проверять степень усвоения материала, возвращаться к повторению непонятых фрагментов урока.

Все большей популярностью пользуются электронные справочники, энциклопедии, художественные и музыкальные альбомы, созданные в технологии мультимедиа. Они содержат невиданные ранее объемы информации с цветными иллюстрациями, анимационными фильмами, видеороликами и музыкальным сопровождением. Например, мультимедийная музыкальная энциклопедия дает возможность послушать музыкальные произведения.

Представление результатов компьютерного моделирования в мультимедийной форме дает очень сильный эффект. Создается иллюзия реальности по отношению к процессам, которые недоступны человеческому глазу. Например, осуществив на компьютере астрономические расчеты, получив траекторию движения небесного тела через 100 лет, можно воспроизвести на экране его перемещение в космосе в виде анимационного ролика, да еще со звуковыми эффектами ведения и одновременно увидеть выдающихся дирижеров и исполнителей.