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多媒体技术与网页设计

多媒体技术与网页设计. 主 编 ： 陈 新 龙. 第二章 数字音频处理. 读者学习本章应重点理解波形音频、 MIDI 等常见数字音频的含义、特点及其在计算机中的实现方法；理解音频格式的种类、音频卡的原理；了解 WAV 音频低级格式分析，能利用 GoldWave 进行简单的音频处理；理解音频编码的一般原理。 本章建议学时数： 6 学时。学时数较少时可将 WAV 音频低级格式分析不讲。纯应用专业音频编码也可不讲。. 第 1 课. 在本次课中，我们将从数字音频的概念出发结合声音的特点介绍数字音频在计算机中的实现， 音频卡的工作原理 。. 1. 上一课回顾

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  1. 多媒体技术与网页设计 主 编 ： 陈 新 龙

  2. 第二章 数字音频处理 • 读者学习本章应重点理解波形音频、MIDI等常见数字音频的含义、特点及其在计算机中的实现方法；理解音频格式的种类、音频卡的原理；了解WAV音频低级格式分析，能利用GoldWave进行简单的音频处理；理解音频编码的一般原理。 本章建议学时数：6学时。学时数较少时可将WAV音频低级格式分析不讲。纯应用专业音频编码也可不讲。

  3. 第 1 课 在本次课中，我们将从数字音频的概念出发结合声音的特点介绍数字音频在计算机中的实现，音频卡的工作原理。

  4. 1.上一课回顾 2 .授课内容 本次授课内容属于： 第二章 1、2、3节

  5. 一、声音媒体的特征 自然界的声音信号究其本质是一种机械振动，是一种在空气中随时间而变化的压力信号。 二、语音媒体 1 概述 一般认为，人的声音是由声道产生，当人说话时，在声道里会产生两种类型声音；

  6. 第一种类型声音为浊音，为准周期脉冲，各股空气之间的间隔称为音调周期；第一种类型声音为浊音，为准周期脉冲，各股空气之间的间隔称为音调周期； • 第二种类型为清音，它是由空气通过声道时，受声道某些部分的压缩而引起，具有更大的随机性

  7. 理想化的话音波形及频谱如下：

  8. 2．结论 • 音调与语音的频率有关，音强即声音的大小，取决于声波的幅度，音色则是由混入基音的泛音所决定 • 语音包含三要素：音调、音强、音色 • 人的听觉范围最低可达20Hz，最高可达20kHz

  9. 三．人的听觉感知机理特征： • 人耳对不同频段的声音的敏感程度不同； • 人的听觉具有掩蔽效应。这便是强音掩蔽弱音，包括同时掩蔽和异时掩蔽两种类型； • 人耳对语音信号的相位变化不敏感。

  10. 四、数字音频 自然界的声音信号究其本质是一种机械振动，对信号进行处理一般需进行变换，对声音信号主要有两种变换器：麦克风，将声音的压力变化信号转换成电压信号；喇叭，将电压信号转换成声音的压力变化信号。

  11. 传统电子技术采用模拟音频电子技术处理声音信号：它以模拟电压的幅度表示声音的强弱，但计算机只认识数字信号传统电子技术采用模拟音频电子技术处理声音信号：它以模拟电压的幅度表示声音的强弱，但计算机只认识数字信号 在计算机中，所有信息均以数字表示。声音信号也用一系列的数字表示，称为数字音频。 将模拟音频转换为数字音频需经采样、量化两个步骤。

  12. 五 音频数字化原理 • 把模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列，即音频数字化。 • 音频数字化需经历采样、量化、编码三个过程

  13. 1．采样 音频信号事实上是连续信号，或称连续时间函数x(t)。用计算机处理这些信号首先必须先对连续信号进行采样，即按一定的时间间隔（T）取值，得到x(nT)（n为整数）。T称为采样周期，1/T称为采样频率。称x(nT)为离散信号，其过程如图2-2-3所示。 采样过程事实上是一个抽样过程。离散信号x(nT)是从连续信号x(t)上取出一部分，那么用x(nT) 能够唯一地恢复出x(t)吗？

  14. 采样定理告诉我们，若连续信号x(t)的频谱为x(f)，按采样时间间隔T采样取值得到x(nT)，如果满足：采样定理告诉我们，若连续信号x(t)的频谱为x(f)，按采样时间间隔T采样取值得到x(nT)，如果满足： • 当|f|≤fc时，fc是截止频率 • T ≤1/（2fc） 或 fc≤1/（2T） • 则可以由离散信号x(nT)唯一地恢复出x(t)。 常用音频采样频率有：8kHz，11.025kHz，22.05kHz，16kHz，37.8kHz，44.1kHz，48kHz

  15. 2．量化 由于计算机中只能用0和1两个数值表示数据，连续信号x(t)经采样变成离散信号x(nT)仍需用有限个0和1的序列来表示x(nT)的幅度。我们把用有限个数字0和1表示某一电平范围的模拟离散电压信号称为量化。

  16. 量化过程是一个A/D转换的过程。在量化过程中，一个重要的参数便是量化位数，这不仅决定着声音数据经数字化后的失真度，更决定着声音数据数据量的大小。存储数字音频数据的比特率为：量化过程是一个A/D转换的过程。在量化过程中，一个重要的参数便是量化位数，这不仅决定着声音数据经数字化后的失真度，更决定着声音数据数据量的大小。存储数字音频数据的比特率为： • I=B·fs（比特/秒） （2-2-1） • fs是采样频率 • B是每个样值的比特数

  17. 如果量化值是均匀的，则称为均匀量化，反之，则为非均匀量化。如果量化值是均匀的，则称为均匀量化，反之，则为非均匀量化。 • 在实际使用上，常常采用均匀量化。对非均匀量化，可先均匀量化然后用软件进行变换。 • 一般而言，量化将产生一定的失真，因此，量化过程中每个样值的比特数直接决定着量化的精度。 • 声卡的位数事实上便是指量化过程中每个样值的比特位数，主要有8位、16位、32位 几个等级。

  18. 3 ．编码并格式化 有格式的数据才能表达信息的含义。 在实际使用中，主要有Microsoft公司为Windows操作系统定义的数字音频格式---Wave文件格式，Creative公司为Dos操作系统定义的数字音频格式---Voc文件格式，MIDI规范定义的MIDI标准等 由于音频数据数据量极大（MIDI音频例外），因此，在格式化前总是对其进行编码。

  19. 六、数字音频的输出 • 音频信号经数字化以后以文件形式存放于计算机中，当需要声音时计算机将其反格式化并输出。 • 在计算机中，数字音频可分为波形音频、语音和音乐。 • 何为波形音频？ • 对声音进行直接数字化处理所得到的结果称为波形音频，是对外界连续声音波形进行采样并量化的结果。

  20. 在计算机中，声音产生有两种方法：一是录音/重放，二是声音合成。在计算机中，声音产生有两种方法：一是录音/重放，二是声音合成。 • 若采用第一种方法，首先要把模拟语音信号转换成数字序列，编码后，暂存于存储设备中（录音），需要时，再经解码，重建声音信号（重放）。用这种方法处理产生的声音称为波形音频，可获得高音质的声音，并能保留特定人或乐器的特色。美中不足是所需的存储空间较大。

  21. 第二种方法是一种基于声音合成的声音产生技术，包括语音合成、音乐合成两大类。第二种方法是一种基于声音合成的声音产生技术，包括语音合成、音乐合成两大类。 语音合成亦称文-语转换，它能把计算机中的文字转换成连续自然的语音流。

  22. 若采用这种方法进行语音输出，应先建立语音参数数据库、发音规则库，需要输出语音时，系统按需求先合成语音单元，再按语音学规则或语言学规则，连接成自然的语流。若采用这种方法进行语音输出，应先建立语音参数数据库、发音规则库，需要输出语音时，系统按需求先合成语音单元，再按语音学规则或语言学规则，连接成自然的语流。 第二种方法是解决计算机声音输出的最佳方案，但第二种方法涉及多个科技领域，走向实用有很多难点。 目前普遍应用的是音乐合成

  23. 综上所述，数字音频在计算机中实现需经历音频数字化、数字音频在计算机中输出两个过程。在这个实现过程中，音频卡是完成此过程的关键。

  24. 七 音频卡工作原理简介 处理音频信号的PC插卡是音频卡（Audio Card），又称声音卡（简称声卡）。 音频卡分类有多种方法，根据数据采样量化的位数来分，通常可分为8位、16位、32位等几个等级。

  25. （一）音频卡的主要功能有： 1． 音频的录制与播放 2． 音频文件的编辑与合成 3． MIDI接口和音乐合成 4． 文语转换和语音识别

  26. （二） 音频卡的原理与组成

  27. 八．本课重点与难点 重点：数字音频在计算机中实现 难点：音频数字化原理 九 习题 2-2 4、5 2-4 1

  28. 下 课

  29. 第 2 课 本次课主要介绍计算机中的三种常见声音，WAV波形音频格式及其处理技术。 学时数较少时可不介绍WAV波形音频格式。

  30. 一 计算机中的三种常见声音 目前，计算机中主要有三种常见声音：WAVE波形音频、MIDI音频和CD音频。 波形音频是应用最广泛的一种数字音频形式，流行的格式有：WAV文件格式、VOC文件格式及MP3, WMA, OGG, MP3pro, AAC, VQF, ASF等有损压缩编码格式。

  31. WAV波形音频是Microsoft公司为Windows操作系统定义的数字音频格式，VOC文件是Creative公司为Dos操作系统定义的数字音频格式。WAV波形音频是Microsoft公司为Windows操作系统定义的数字音频格式，VOC文件是Creative公司为Dos操作系统定义的数字音频格式。 WAV文件、VOC文件均是声音录制完成后的原始音频格式，一般不压缩，因此所占存储空间较大，尤其不适合于网络传输与发布。

  32. 其数据量计算公式如下（单位：字节/秒）： 如1分钟的CD音质、16位立体声音频数据，其数据量为：

  33. MP3全称是MPEG Audio Laye-3，具有较高的压缩效率。VBR(可变编码率)和ABR(平均编码率)压缩编码方式引入后，MP3文件已具有较理想的音质。 WMA全称Windows Media Audio，相对于MP3的最大特点就是有极强的可保护性。 MP3、WMA均是目前网络上流行的声音媒体格式。

  34. CD音频具有悠久的历史和丰富的资源，以光盘为载体，按照音轨组织声音数据。CD音频记录的依旧是声音的波形，不过它不是按照文件方式存储组织。CD音频具有悠久的历史和丰富的资源，以光盘为载体，按照音轨组织声音数据。CD音频记录的依旧是声音的波形，不过它不是按照文件方式存储组织。

  35. MIDI是Musical Instrument Digitial Interface的缩写，是音乐与计算机结合的产物，是一项工业产品的产物，泛指数字音乐的国际标准。 通俗地说，MIDI文件记录的是音乐的乐谱。 MIDI给出了在计算机中得到音乐声音的另外一种方法，且这种方法极为节省空间，但关键是MIDI音乐作为一种媒体应能记录这些音乐的符号，相应的设备能够产生和解释这些符号。

  36. 必须指出的是，虽然波形音频能够实现全部的声音，但MIDI音频、CD音频亦是不可代替，这是由其本质差异所决定的。

  37. 二 WAV声音及其应用 • WAV 声音是Microsoft公司为Windows操作系统定义的数字音频格式，它是波形音频的一种； • 要理解WAV文件格式，首先应了解Windows操作系统RIFF文件格式。 • RIFF（Resource Interexchange File Format）文件格式是IBM/Microsoft公司为Windows操作系统定义的资源交换文件 格式。

  38. RIFF文件格式认为，文件的基本结构是块； • RIFF文件格式规定文件的基本结构是块，每个块的前四个字节为块名，接着四个字节为块数据区大小，块的末尾为第二个四个字节规定的数据区大小的数据。 • 在Windows操作系统中，绝大多数文件均符合RIFF文件格式，WAV文件便是其中之一。

  39. 【例2.4.1】 分析“Windows XP 登录音.wav”文件的头数十字节数据内容？ 00000000h: 52 49 46 46 F8 E6 02 00 57 41 56 45 66 6D 74 20 00000010h: 10 00 00 00 01 00 02 00 22 56 00 00 88 58 01 00 00000020h: 04 00 10 00 64 61 74 61 D4 E6 02 00 00 00 00 00 00000030h: 00 00 00 00 03 00 01 00 07 00 05 00 0F

  40. （1） 最左边的8个数字表示数据在文件中的位置，每个数据占1个字节，数据中的每个字母占4个二进制位。具体分析时，对照2.4.1小节定义的表格及C结构，逐组分析上面数据的含义。

  41. 对照表2.4.1: • 52 49 46 46表示块名，数据类型为字符，用ASCⅡ码表示为“RIFF” • F8 E6 02 00为“RIFF”块长度，数据类型为long int，用十进制表示为190,200 • （对数值型数据，计算机中的存储顺序为：低位在前，高位在后，F8 E6 02 00表示16进制数：2E6 F8），190,200+8=190,208为“Windows XP 登录音.wav”文件实际长度；紧接其后为“RIFF”块数据。

  42. （2）“RIFF”块数据前四个字节57 41 56 45用ASCⅡ码表示为“WAVE”， 紧接其后有两个RIFF格式数据块，其块名分别为：“fmt ”、“data”。 • （3）第一个块为“fmt ”块，66 6D 74 20用ASCⅡ码表示为“fmt ”，10 00 00 00为“fmt ”块长度（“fmt”块名后的4个字节许多实际WAV文件并不严格按照“fmt”块长度定义），用十进制表示为16，它表示后面16字节为“fmt ”块数据。

  43. （4）“fmt ”块数据具体含义定义见WAVEFORMAT，对照着WAVEFORMAT结构，可以看出，“Windows XP 登录音.wav”为PCM 编码格式，22.050 kHz，16 位， 立体声WAV声音格式文件。 • （5）该WAV文件没有“fact”块，“fmt ”块数据后面为“data”块，64 61 74 61用ASCⅡ码表示为“data”，D4 E6 02 00为“data”块长度，用十进制表示为190164。

  44. 必须指出的是，“data”块包含的数字化波形声音数据，其存放格式依赖于“fmt ”块指定的格式种类，单声道样本一般连续存放，多声道样本一般交替存放，存放实例如表2.4.3所示。

  45. 三 通过MCI接口使用WAV文件 有了WAV文件最低级的格式分析，便可以编程访问WAV文件的数据块并进行相应的数据处理，此处不再另举实例。 对多媒体程序开发，Windows操作系统将低级驱动与高级编程相分离，将各种常见媒体定义为多媒体设备，为其编写了低级驱动程序（或由所对应的多媒体设备厂商提供），并在低级驱动程序的基础上定义了诸如open、stop、end等类似的高级函数接口，称为MCI（Media Control Interface）多媒体控制接口。

  46. 在Windows系统中，WAV文件的多媒体设备名为waveaudio，可以通过阅读system.ini文件的mci段得到验证。在Windows系统中，WAV文件的多媒体设备名为waveaudio，可以通过阅读system.ini文件的mci段得到验证。 • 对MCI高级函数的调用，Windows系统为其定义了两种方式： • 1.多媒体设备消息方式 • 在具体实现上，通过调用Windows API • mciSendCommand函数来实现。 • 2.多媒体设备命令字符串方式 • 在具体实现上，通过调用Windows API • mciSendString函数来实现。

  47. 3. 为方便编程，Windows提供了一种更为简洁的方式，其播放SOUNDER.WAV文件的程序如下： • sndPlaySound ("sounder.wav", SND_SYNC); 4.高级控件方法

  48. 四 WAV声音的编辑与处理 • WAV文件为常用音频格式文件，得到了几乎所有音频处理软件（如MediaStudio、WaveStudio、GoldWave、CoolEdit等）的支持。 • 下面以GoldWave 5.12汉化版为例介绍数字音频编辑与处理的基本知识

  49. GoldWave是一个功能强大的专业数字音频编辑软件，支持几乎所有的数字音频格式，具有精密的过滤器、多种专业的音频效果，通过表达式求值程序，理论上可以制造任意声音，支持从简单的声调到复杂的过滤器，内置的表达式有电话拨号音的声调、波形和效果等，其工作界面如图2-4-1所示GoldWave是一个功能强大的专业数字音频编辑软件，支持几乎所有的数字音频格式，具有精密的过滤器、多种专业的音频效果，通过表达式求值程序，理论上可以制造任意声音，支持从简单的声调到复杂的过滤器，内置的表达式有电话拨号音的声调、波形和效果等，其工作界面如图2-4-1所示

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