Методы и средства работы со звуком и музыкой

Методы  и средства работы со звуком и музыкой 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. ОБЗОР ЗВУКОВЫХ  ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПК      3

      1.1. Возможности встроенного динамика (PC-Speaker)   3

      1.2. Преобразователи АЦП и ЦАП      3

      1.3. Процессоры DSP (Digital Signal Processing)    4

      1.4. Частотная модуляция (FM)       5

      1.5. Таблично-волновой метод синтеза  звуков (Wave table)  5

2. ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ  ЗВУКОВЫХ КАРТ     6

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  ЗВУКА НА КОМПЬЮТЕРЕ   7

      3.1. MIDI-технология        7

      3.1.1. Описание MIDI-интерфейса.     8

      3.1.2. Какая информация передается с помощью MIDI  8

      3.1.3. Музыкальные устройства принимающие 

                информацию по MIDI      9

      3.1.4. MIDI-разъемы       9

      3.1.5. Соединение MIDI-устройств между собой   9

      3.2. Mp3 - технология сжатия звуковой информации    11

4. МУЗЫКАЛЬНОЕ ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ    12

      4.1. Классификация музыкального программного  обеспечения  12

      4.2. Программы для записи и обработки  цифрового звука  12

     4.3. Программы  для создания и редактирования      

            синтезированной музыки (МIDI)      16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ          19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ      21 
1. ОБЗОР ЗВУКОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПК 
 

      1.1. Возможности встроенного  динамика (PC-Speaker) 

      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 диффузор только в одно из двух возможных положений; если теперь переключать цифровой сигнал со звуковой частотой - мы услышим знакомое гудение или писк разной высоты. 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).

      Если достаточно искусно переключать цифровые уровни на схеме управления динамиком, то в принципе из него можно получить произвольные и чистые звуки. Поэтому описанный метод получил довольно ограниченное применение - для имитации выстрелов и взрывов в играх, простейшего синтеза речи или воспроизведения очень низкокачественной музыки. 

      1.2. Преобразователи  АЦП и ЦАП 

     Наиболее  естественным способом "подружить" цифровой компьютер с его "рваной" импульсной системой передачи информации, и непрерывный реальный мир является использование преобразователей аналоговых сигналов в цифровые и обратно, которые и называются аналогово-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями - АЦП и ЦАП. 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 дискретизации, а диапазон значений отсчета определяется разрядностью его двоичного представления.

     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 96 кГц.

      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 (DMA), 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) 

      В принципе DSP (Рис.1) 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.

Рис.1.

Процессор-DSP.

      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 (англ. 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 table) 

      Наиболее  распространенный сейчас метод синтеза  музыкальных звуков - таблично-волновой (wave table - WT). Он заключается в записи характерных фрагментов звучания реальных инструментов - начального и среднего по времени всего звучания ноты - и использования их для синтеза всех прочих звуков, издаваемых этими инструментами. Записанные фрагменты образуют основной тембр инструмента, а различные приемы обработки в реальном времени - изменение частоты, амплитуды, добавление гармоник или их фильтрация - придают тембру оттенки и динамику, свойственные различным приемам игры.

      В последнее время все большее  число звуковых адаптеров оснащается таблично-волновыми синтезаторами, возможности которых приближаются к профессиональным синтезаторам, используемым на музыкальной сцене. Все они содержат заранее заданный стандартный набор звуков мелодических и ударных инструментов, что позволяет им более-менее похоже исполнять одни и те же музыкальные произведения в нотной форме, а некоторые вдобавок позволяют использовать дополнительные - готовые или самостоятельно созданные - наборы звуков. Все синтезаторы предоставляют возможности по управлению артикуляцией, амплитудной и частотной модуляцией звучания, а наиболее развитые позволяют "на ходу" в широких пределах менять спектр звука, создавать эффекты реверберации, хорового звучания, вращения звука и т.п.

      Управляются компьютерные синтезаторы, как и  их "старшие братья", при помощи специального музыкального цифрового интерфейса MIDI. Внутри компьютера он представляет собой просто расширение нотной системы записи музыки с дополнительными командами для управления ее исполнением; вдобавок к этому большинство звуковых адаптеров содержит внешний MIDI-интерфейс, к которому можно подключить любое количество клавишных или модульных музыкальных синтезаторов, блоков обработки звука, датчиков, систем освещения и т.п. Компьютер в этом случае выступает в роли "мозгового центра", управляющего всем этим электронным зверинцем - как дома или на дискотеке, так и в профессиональной музыкальной, театральной студии или в концертном зале. В этих областях персональные компьютеры обосновались так же давно и прочно, как в лабораториях математиков и физиков; но самое главное состоит в том, что многие вещи, которые еще недавно были возможны лишь на очень сложной и дорогой аппаратуре, становятся доступны каждому, у кого есть современный персональный компьютер со звуковым адаптером - даже самым простым и дешевым. Достаточно научиться его правильно применять - и для вас уже не будет ничего принципиально невозможного в мире звука.  
 

2. ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ  ЗВУКОВЫХ КАРТ 
 

       Для получения приемлемого качества записи компьютерной музыки необходимо пользоваться аппаратурой, способной  его обеспечить. Число различных моделей звуковых карт составляет несколько десятков. А если учитывать еще и различные версии одних и тех же устройств, то при покупке карты приходится выбирать почти из сотни наименований. Не всякая звуковая карта способна на большее, чем озвучивание компьютерных игр. Конечно, принадлежность звуковой карты к продукции известных фирм является веской причиной того, что именно ее следует выбрать, это скажется в дальнейшем на надежности работы. К важнейшим параметрам относятся, в первую очередь:

      > метод синтеза музыкальных звуков, реализованный в синтезаторе звуковой карты;

      > разрядность АЦП/ЦАП звуковой карты;

      > диапазон частот дискретизации;

      > отношение сигнал/шум;

      > динамический диапазон.

      В современных звуковых картах по-прежнему применяется частотный синтез звуков (FM-синтез), но это делается в основном в целях обеспечения поддержки старых игр. Основным методом синтеза в настоящее время является волновой метод, или, как его еще называют, метод волновых таблиц (WT-синтез).

      После первого же сравнения звучания MIDI-инструментов в FM и WT вариантах можно решить для себя, что FM-инструменты не стоят того, чтобы тратить на них время. Поэтому дальше речь пойдет только о WT-синтезаторах звуковых карт.

      Разрядность звуковой карты существенно влияет на качество звука. Однако перед тем как перейти к более детальному обсуждению этого вопроса, следует пояснить, что речь идет о разрядности АЦП и ЦАП.

     Некоторые высококачественные звуковые карты  оборудованы 18-битными и даже 24-битными  ЦАП/АЦП. Звуковые редакторы, работая с любыми звуковыми картами, в том числе и 16-битными, в процессе преобразований отсчетов сигнала используют арифметику с разрядностью двоичного представления числа, превышающей 16. Это позволяет уменьшить погрешность, накапливающуюся в процессе выполнения сложных алгоритмов обработки, которая в противном случае проявлялась бы как искажение звука.

      Приемлемым  считается 16-разрядное представление  сигнала, являющееся в настоящее  время стандартным для воспроизведения  звука, записанного в цифровой форме. Кроме того, 18-битное или 20-битное представление сигнала применяется только на этапе обработки звука. Конечная аудиопродукция (CD и DAT) реализуется в 16-битном формате.