Современные информационные технологии работы со звуком

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ГОУВПО  «Славянский-на-Кубани государственный  педагогический институт» 
 
 
 

Кафедра информатики и МПИ 
 
 
 
 
 

Современные информационные технологии работы со звуком 
 

Курсовая  работа

по курсу: “Теоретические основы информатики  ” 
 
 
 
 

                                                       Выполнил студент 4-го курса

факультета  математики и

информатики, группы 2007-ИН

Волченко  Олег Владимирович.

Научный руководитель- 
 
 
 

Славянск-на-Кубани

2010 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Актуальность  работы:

      Взаимодействие  человека с ЭВМ должно быть, прежде всего, взаимным. Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Сама взаимодействия крайне проста: 

 
 

      input devices - устройства, с помощью которых ЭВМ получает информацию от человека;

      output devices - устройства, с помощью которых ЭВМ передает информацию человеку.

    Обычно, при традиционном подходе input devices = keborad & mouse, а output devices = monitor & printer. В ряде случаев возможно добавление других устройств, таких как сканеры, дигитайзеры, плоттеры, графические планшеты, но при всем своем разнообразии до последнего времени все output devices были спроектированы для использования в качестве информационного канала зрительную систему человека. Другим чувствам отводилась в лучшем случае роль сигнализаторов (принтер пищал, когда кончалась бумага, а блок питания неприятно пах, когда горел). Конечно, более 90% информации из окружающей среды человек получает из зрительного канала, но он не должен получать информацию только этим путем. Глухонемой человек - это инвалид, глухонемая ЭВМ - неполноценный компьютер. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту сомневаюсь, что Вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Характерно и то, что мы уже достигли того времени, когда даже самые ортодоксально настроенные программисты и проектировщики до недавнего времени не хотевшие признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения или нежелания не использовавшие в своих проектах возможность не визуального общения человека с ЭВМ, осознали свою ошибку и всячески стремятся исправить свое положение, внедряя в свои творения все новые и новые средства multimedia. Ведь сейчас любой крупный проект, не оснащенный этими технологиями, обречен на провал.

    Именно  поэтому данная работа весьма актуальна  в наше время. Ведь современные информационные технологии работы со звуком значительно расширяют мультимедийные возможности ЭВМ. 

      Объектом  исследования являются современные мультимедиа технологии. 

      Предметом исследования являются современные компьютерные технологии обработки звука. 

      Цель  исследования – изучение современных компьютерных технологии обработки звука. 

      Задачи  исследования:

      1. изучить исторический аспект  работы со звуком;

      2. рассмотреть функциональные возможности  звуковых карт;

      3. рассмотреть способы представления  звуковой информации в ЭВМ;

      4. рассмотреть форматы звуковых  файлов;

      5. изучить принцип работы программных средств для работы со звуком. 

      Методы  исследования:

1. анализ литературных и других источников по теме исследования;
2. работа с современными аудио редакторами.

 

      

      1. История обработки  звука

     Первоначально человек создал устройства, с помощью  которых он пытался воспроизвести природные звуки для своих практических целей, в частности для охоты. Потом звуки в его голове стали складываться в некую последовательность, которую хотелось сохранить. Появились музыкальные инструменты. Постепенно шел процесс формирования языка, на котором можно было бы записывать и надолго сохранить мелодии. Первые попытки разработки "музыкального алфавита" были предприняты еще в Древнем Египте и Месопотамии. Пифагор пытался "проверить гармонией чисел гармонию небесных сфер". В виде нотной записи система фиксации музыки сложилась к XVII веку. Ее основы были заложены Гвидо д'Ареццо.

      В настоящее же время звук широко применяется  в ЭВМ. Но далеко не сразу он воспроизводился через динамики PC с высоким качеством. Когда-то из динамика РС доносилось только малоприятное скрипение. А понятие компьютерной музыки ассоциировалось лишь с компьютером Atari Macintosh. Такое положение изменилось с появлением звуковой карты, впервые выпущенной фирмой Creative Labs. А еще и с внедрением операционной системы MS Windows 95 стало возможно пользование звуковой платой любой программой. Для этого достаточна лишь совместимость карты с так называемой звуковой системой Windows (Windows Sound System):  

       Любая программа 

       Windows Sound System

Sound Card

 

      Изначально, звуковые карты разрабатывались лишь для озвучивания компьютерных игр, хотя этим они занимаются и по сей день. Однако, теперь работы у звуковых плат прибавилось гораздо больше: это озвучивание презентаций, звуковые письма, звук и музыка в студии и дома… 

      2. Звуковая карта

      Сейчас  есть множество типов звуковых карт: универсальные, карты-синтезаторы, оцифровщики звука, многоканальные аудио-интерфейсы, MIDI-интерфейсы, самплеры и др. Мы займемся именно универсальными мультимедийными платами, так как они наиболее распространены среди музыкантов-любителей и небогатых профессионалов. "Прародителями" таких плат были Sound Blaster и Ad Lib, поэтому "в народе" их нередко называют "саунд бластерами" (на самом деле, это справедливо ровно настолько, насколько любой копировальный аппарат справедливо называть "ксероксом").  

Рис.1. Схема  мультимедийной звуковой карты 

     Итак, звуковая карта "начинается" со входов (Рис.1), которые расположены на металлической  панели, выходящей на заднюю стенку системного блока. Ко входам подключаются внешние аудиоустройства - микрофоны, магнитофоны, электрогитары и т.д. На нашем рисунке показаны 4 входа. Начнем наше знакомство с Line In и Mic In - линейных и микрофонных входов. Они обычно выполнены на разъемах типа "мини-Джек" (такие разъемы используются для подключения наушников в портативных плеерах). Отдельный вход Mic In предусмотрен из-за того, что у микрофонов сигнал имеет низкий уровень и его нужно усиливать до нормального уровня (0 дБ), перед тем, как направлять на преобразователь. Поэтому на микрофонных входах звуковой карты всегда установлен предусилитель - небольшая схема, повышающая уровень сигнала до нормального (линейного) уровня.

      На  некоторых типах звуковых плат установлен дополнительный вход Aux In. Если мы посмотрим  на рисунок 1, то увидим, что сигнал с этого входа минует основные устройства звуковой платы и поступает на выходной микшер, а оттуда - сразу на выход. Этот вход позволяет упростить коммутацию внешних устройств и использовать внутренний микшер звуковой платы для смешивания сигналов со внешнего и внутренних источников. Например, если у нас есть автономный синтезатор, то можно его выход подключить в Aux In и все, что мы играем будет слышно в колонках, подключенных к звуковой карте. Aux In тоже обычно делается на разъеме типа "мини джек".

      Вход  проигрывателя компакт-дисков как  правило расположен не на задней панели звуковой платы, а прямо на ней, среди микросхем и других радиодеталей. Если у нас есть привод CD-ROM, то можно связать его выход с этим входом звуковой карты. Такое соединение позволит слушать аудио компакт-диски и оцифровывать звук прямо с привода. Чтобы обнаружить на звуковой карте вход CD-ROM надо всего лишь прочитать руководство пользователя.

      Кроме всех перечисленных входов, на задней панели звуковой карты обычно есть 15-пиновый разъем MIDI/джойстик порта, который служит для подключения любых внешних MIDI-устройств (синтезаторов, MIDI-клавиатур и т.д.) или джойстика, если карта используется для игр. На специализированных звуковых картах MIDI-порт может иметь не стандартный 15-пиновый разъем, а любой другой. Но в этих случаях всегда прилагается особый переходник. А для подключения внешних MIDI-устройств к стандартному порту практически во всех магазинах, торгующих мультимедийной техникой продается стандартный-же переходник.

      Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы (Рис. 1). Он работает точно так же, как и обычные пульты, с той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект служебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки Windows 95 и 98.

      Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. Следует помнить, что цифровая техника очень чувствительна к превышению уровня 0 дБ - при этом возникают неприятные искажения. А слишком же низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента. То есть любая работа по записи "живого" звука в домашней студии будет начинаться именно с регулировки уровня сигнала при помощи входного микшера звуковой карты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Способы представления звуковой информации в ЭВМ 

    Любой звуковой файл можно представить как базу данных. Она имеет свою структуру, о параметрах которой указывается обычно в начале файла. Потом идет структурированный список значений по определенным полям. Иногда вместо значений стоят формулы, позволяющие уменьшать размер файла. В качестве пояснения, должен сказать, что запись файла на жесткий диск подобна тому, как Вы набиваете таблицы в Microsoft Excel. Естественно данные файлы могут читать только специализированные программы, в которые заложен блок чтения.

     Фразу "передача и запись звука" вам, наверное, приходилось слышать не раз, но вряд ли вы задумывались над тем, что она не совсем точно соответствует действительности. Пожалуй, единственным устройством, в котором запись звука осуществлялась в буквальном смысле, был фонограф Эдисона. Во всех остальных случаях, когда речь заходит о "записи звука", фактически записывается или передается не сам звук, а информация о том, какими были колебания воздуха в момент записи. В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются два принципиально различных способа - аналоговый и цифровой. В первом случае изменениям звукового давления соответствуют пропорциональные изменения другой физической величины, например, электрического напряжения. В этом случае изменения электрического напряжения являются новым "носителем" информация о звуке. Такой способ сохранения звуковой информации является аналоговым, и еще совсем недавно в звукозаписи и радиовещании он был единственным. В аналоговой электронике важно, чтобы изменение напряжения точно соответствовало изменению звукового давления. Напомним, что амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, следовательно, для достоверного сохранения звуковой информации амплитуда электрического напряжения должна быть пропорционально амплитуде звуковых колебаний. Частота напряжения, в свою очередь, должна соответствовать частоте звуковых колебаний. Таким образом, нетрудно заметить, что форма электрического сигнала является полной копией формы звукового колебания и несет практически полную информацию о звуке. Преобразовать звуковые колебания в колебания электрического напряжения можно с помощью обычного микрофона. Изменению электрического напряжения можно поставить в соответствии изменение магнитного поля ленты в магнитофоне или звукового потока от звуковой дорожки кинопленки при оптической записи. Но каким бы ни был новый "носитель" информации, изменение его свойств всегда должно быть пропорционально изменению давления воздуха в исходной звуковой волне.

     Второй  способ получения информации о звуке  предполагает измерение значения давления в звуковой волне. Возникающая при этом последовательность чисел - цифровой сигнал - есть не что иное, как новое выражение исходных звуковых колебаний. Естественно, чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить достаточно часто - не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала. Цифровая система записи (передачи) звука в самом общем виде состоит из цифрового микрофона (измерители звукового давления), цифрового магнитофона или передатчика (для записи или передачи большого массива чисел) и цифрового громкоговорителя (преобразователя последовательности чисел и изменение звукового давления). В реальных цифровых системах записи (передачи) звука пока используют аналоговые электроакустические преобразователи - микрофоны и громкоговорители (динамики), а цифровой обработке подвергают электрические сигналы звуковой частоты. В общем случае цифровые сигналы представляют собой импульсы прямоугольной формы, которые с помощью логических элементов включают и выключают в электрической схеме различные цепи. В отличие от аналоговой электроники, оперирующей формой и напряжением сигнала, цифровая электроника использует двоичные сигналы - сигналы с дискретными уровнями напряжения, соответствующими "0" и "1". К амплитуде импульса (уровню напряжения) цифрового сигнала обычно не предъявляется жестких требований при условии, что напряжение надежно перекрывает уровни "0" и "1", которые обычно находятся в диапазоне от 0 до +5 В. Например, за уровень сигнала, соответствующий "1", может быть принято напряжение в интервале от 2,4 до 5,2 В, а за уровень "0" - напряжение в интервале от 0 до 0,8 В. Для подсчета двоичных сигналов наиболее удобно пользоваться двоичной системой счисления, которая также оперирует только двумя цифрами - 0 и 1. В любой системе счисления, в том случае и двоичной, важное место занимает понятие разряда. Разряд представляет собой степень (число), в которую возводится основание системы счисления. Номера разрядов в числе отсчитываются справа налево, а нумерация начинается с нуля. Наибольшее число, которое может быть записано в двоичной системе счисления (впрочем, как и в любой другой), зависит от количества используемых разрядов. Так, при использовании одного разряда можно записывать лишь два числа 0 и 1. Если использовать 2 разряда, можно записывать числа в интервале от 0 до 3. В случае если используется 8 разрядов, можно оперировать числами от 0 до 255, а при 16 разрядах диапазон возможных значений числа будет иметь границы от 0 до 65 535. Преобразование аналогового сигнала в цифровой практически в любой системе практической записи звука протекает в несколько этапов. Сначала аналоговый звуковой сигнал падает на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала и устраняет помехи и шумы сигнала. Затем из аналогового сигнала с помощью схемы выборки/хранения выделяются отсчеты: с определенной периодичностью осуществляется запоминание мгновенного уровня аналогового сигнала. Далее отсчеты поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует мгновенное значение каждого отсчета в цифровой код, или числа. Полученная последовательность бит цифрового кода, собственно, и является звуковым сигналом в цифровой форме. Таким образом, в результате преобразования непрерывный аналоговый звуковой сигнал превращается в цифровой - дискретный по времени и величине.