Обработка звуковой информации

В современном компьютере звук воспроизводится  и записывается с помощью звуковой карты - подключаемой, либо встроенной в материнскую плату компьютера. Задача звуковой карты в компьютере - ввод и вывод аудио. Практически это означает, что звуковая карта является тем преобразователем, который переводит аналоговый звук в цифровой и обратно. Если описывать упрощенно, то работа звуковой карты может быть пояснена следующим образом. Предположим, что на вход звуковой карты подан аналоговый сигнал и карта включена (программно). Сначала входной аналоговый сигнал попадает в аналоговый микшер, который занимается смешением сигналов и регулировкой громкости и баланса. Микшер необходим, в частности, для предоставления возможности пользователю управлять уровнями. Затем отрегулированный и сбалансированный сигнал попадает в аналогово-цифровой преобразователь, где сигнал дискретизуется и квантуется, в результате чего в компьютер по шине данных направляется бит-поток, который и представляет собой оцифрованный аудио сигнал. Вывод аудио информации почти аналогичен вводу, только происходит в обратную сторону. Поток данных, направленный в звуковую карту, преодолевает цифро-аналоговый преобразователь, который образует из чисел, описывающих амплитуду сигнала, электрический сигнал; полученный аналоговый сигнал может быть пропущен через любые аналоговые тракты для дальнейших преобразований, в том числе и для воспроизведения. Надо отметить, что если звуковая карта оборудована интерфейсом для обмена цифровыми данными, то при работе с цифровым аудио никакие аналоговые блоки карты не задействуются.

1.3. Импульсная и частотная модуляция. Хранение оцифрованного звука

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Во-первых, блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл "как  есть", то есть последовательностью  чисел (значений амплитуды). В этом случае существуют два способа хранения информации.

Первый - PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая  модуляция) - способ цифрового кодирования  сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд (бывают знаковое или  беззнаковое представления). Именно в таком виде записаны данные на всех аудио CD.

Второй способ - ADPCM (Adaptive Delta PCM - адаптивная относительная импульсно-кодовая  модуляция) - запись значений сигнала  не в абсолютных, а в относительных  изменениях амплитуд (приращениях).

Во-вторых, можно сжать или упростить  данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели будучи записанными "как есть". Тут тоже имеются два пути.

Кодирование данных без потерь (lossless coding) - это способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных критично. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры - это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

Имеется и второй путь кодирования - кодирование данных с потерями (lossy coding). Цель такого кодирования - любыми способами добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем объеме упакованных данных. Это достигается путем использования различных алгоритмов "упрощающих" оригинальный сигнал (выкидывая из него "ненужные" слабослышимые детали), что приводит к тому, что декодированный сигнал фактически перестает быть идентичным оригиналу, а лишь похоже звучит. Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I, II, III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие. В среднем, коэффициент сжатия, обеспечиваемый такими кодерами, находится в пределах 10-14 (раз). Надо особо подчеркнуть, что в основе всех lossy-кодеров лежит использование так называемой психоакустической модели, которая как раз и занимается "упрощением" оригинального сигнала. Говоря точнее, механизм подобных кодеров выполняет анализ кодируемого сигнала, в процессе которого определяются участки сигнала, в определенных частотных областях которых имеются неслышные человеческому уху нюансы (замаскированные или неслышимые частоты), после чего происходит их удаление из оригинального сигнала. Таким образом, степень сжатия оригинального сигнала зависит от степени его "упрощения"; сильное сжатие достигается путем "агрессивного упрощения" (когда кодер "считает" ненужными множественные нюансы), такое сжатие, естественно, приводит к сильной деградации качества, поскольку удалению могут подлежать не только незаметные, но и значимые детали звучания. Говоря о способах хранения звука в цифровом виде нельзя не вспомнить и о носителях данных. Всем привычный аудио компакт-диск, появившийся в начале 80-х годов, широкое распространение получил именно в последние годы (что связано с сильным удешевлением носителя и приводов). А до этого носителями цифровых данных являлись кассеты с магнитной лентой, но не обычные, а специально предназначенные для так называемых DAT-магнитофонов. Эти магнитофоны использовались, в основном, в студиях звукозаписи. Преимущество таких магнитофонов было в том, что, не смотря на использование привычных носителей, данные на них хранились в цифровом виде и практически никаких потерь при чтении/записи на них не было (что очень важно при студийной обработке и хранении звука). Сегодня появилось большое количество различных носителей данных, кроме привычных всем компакт дисков. Носители совершенствуются и с каждым годом становятся более доступными и компактными. Это открывает большие возможности в области создания мобильных аудио проигрывателей.

1.4 Аппаратное обеспечение обработки звуковой информации

Немаловажная часть разговора о звуке связана с аппаратурой. Существует много различных устройств для обработки и ввода/вывода звука. Касательно обычного персонального компьютера следует подробнее остановиться на звуковых картах. Звуковые карты принято делить на звуковые, музыкальные и звукомузыкальные. По конструкции же все звуковые платы можно разделить на две группы: основные (устанавливаемые на материнской плате компьютера и обеспечивающие ввод и вывод аудио данных) и дочерние (имеют принципиальное конструктивное отличие от основных плат - они чаще всего подключаются к специальному разъему, расположенному на основной плате). Дочерние платы служат чаще всего для обеспечения или расширения возможностей MIDI-синтезатора.

Звукомузыкальные и звуковые платы  выполняются в виде устройств, вставляемых в слот материнской платы (либо уже встроены в нее изначально). Визуально они имеют обычно два аналоговых входа - линейный и микрофонный, и несколько аналоговых выходов: линейные выходы и выход для наушников. В последнее время карты стали оснащаться также и цифровым входом и выходом, обеспечивающим передачу аудио между цифровыми устройствами. Аналоговые входы и выходы обычно имеют разъемы, аналогичные разъемам головных наушников (1/8”). Вообще, входов у звуковой платы немного больше, чем два: аналоговые CD, MIDI и другие входы. Они, в отличие от микрофонного и линейного входов, расположены не на задней панели звуковой платы, а на самой плате; могут иметься и другие входы, например, для подключения голосового модема. Цифровые входы и выходы обычно выполнены в виде интерфейса S/PDIF (интерфейс цифровой передачи сигналов) с соответствующим разъемом (S/PDIF - сокращение от Sony/Panasonic Digital Interface - цифровой интерфейс Sony/Panasonic). S/PDIF - это "бытовой" вариант более сложного профессионального стандарта AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union). Сигнал S/PDIF используется для цифровой передачи (кодирования) 16-разрядных стерео данных с любой частотой дискретизации. Помимо перечисленного, на звукомузыкальных платах имеется MIDI-интерфейс с разъемами для подключения MIDI-устройств и джойстиков, а также для подсоединения дочерней музыкальной карты (хотя в последнее время возможность подключения последней становится редкостью). Некоторые модели звуковых карт для удобства пользователя оснащаются фронтальной панелью, устанавливаемой на лицевой стороне системного блока компьютера, на которой размещаются разъемы, соединенные с различными входами и выходами звуковой карты.

Определим несколько основных блоков, из которых состоят звуковые и звукомузыкальные платы.

1. Блок цифровой обработки  сигналов (кодек). В этом блоке  осуществляются аналого-цифровые  и цифро-аналоговые преобразования (АЦП и ЦАП). От этого блока  зависят такие характеристики  карты, как максимальная частота  дискретизации при записи и воспроизведении сигнала, максимальный уровень квантования и максимальное количество обрабатываемых каналов (моно или стерео). В немалой степени от качества и сложности составляющих этого блока зависят и шумовые характеристики.

2. Блок синтезатора. Присутствует в музыкальных картах. Выполняется на основе либо FM-, либо WT-синтеза, либо на обоих сразу. Может работать как под управлением собственного процессора, так и под управлением специального драйвера.

3. Интерфейсный блок. Обеспечивает передачу данных по различным интерфейсам (например, S/PDIF). У чисто звуковой карты этот блок чаще отсутствует.

4. Микшерный блок. В звуковых  платах микшерный блок обеспечивает  регулировку:

-уровней сигналов с линейных входов;

-уровней с MIDI входа и входа цифрового звука;

-уровня общего сигнала;

-панорамирования;

-тембра.

Что такое MIDI-синтезатор? Название этого устройства пошло от его основного предназначения - синтеза звука. Основных методов синтеза звука существует всего два: FM (Frequency modulation - частотная модуляция) и WT (Wave Table - таблично-волновой). В основе FM-синтеза лежит идея, что любое даже самое сложное колебание является по сути суммой простейших синусоидальных. Таким образом, можно наложить друг на друга сигналы от конечного числа генераторов синусоид и путем изменения частот синусоид получать звуки, похожие на настоящие. Таблично-волновой синтез основывается на другом принципе. Синтез звука при использовании такого метода достигается за счет манипуляций над заранее записанными (оцифрованными) звуками реальных музыкальных инструментов. Эти звуки (они называются сэмплами) хранятся в постоянной памяти синтезатора.

Надо отметить, что поскольку MIDI-данные - это набор команд, то музыка, которая  написана с помощью MIDI, также записывается с помощью команд синтезатора. Иными словами, MIDI-партитура - это последовательность команд: какую ноту играть, какой инструмент использовать, какова продолжительность и тональность ее звучания и так далее. Знакомые многим MIDI-файлы (. MID) есть нечто иное, как набор таких команд. Естественно, что поскольку имеется великое множество производителей MIDI-синтезаторов, то и звучать один и тот же файл может на разных синтезаторах по-разному (потому что в файле сами инструменты не хранятся, а есть лишь только указания синтезатору какими инструментами играть, в то время как разные синтезаторы могут звучать по-разному).

1.5 Запись образцов звучания и модуляционные эффекты

Сэмплирование - это запись образцов звучания (сэмплов) того или иного реального музыкального инструмента. Сэмплирование является основой волнового синтеза (WT-синтеза) музыкальных звуков. Если при частотном синтезе (FM-синтезе) новые звучания получают за счет разнообразной обработки простейших стандартных колебаний, то основой WT-синтеза являются заранее записанные звуки традиционных музыкальных инструментов или звуки, сопровождающие различные процессы в природе и технике. С сэмплами можно делать все, что угодно. Можно оставить их такими, как есть, и WT-синтезатор будет звучать голосами, почти неотличимыми от голосов инструментов-первоисточников. Можно подвергнуть сэмплы модуляции, фильтрации, воздействию эффектов и получить самые фантастические, неземные звуки.

В принципе, сэмпл - это ни что иное, как сохраненная в памяти синтезатора  последовательность цифровых отсчетов, получившихся в результате аналого-цифрового преобразования звука музыкального инструмента. Если бы не существовала проблема экономии памяти, то звучание каждой ноты можно было бы записать в исполнении каждого музыкального инструмента. А игра на таком синтезаторе представляла бы собой воспроизведение этих записей в необходимые моменты времени. Сэмплы хранятся в памяти не в том виде, в каком они получаются сразу же после прохождения АЦП. Запись подвергается хирургическому воздействию, делится на характерные части (фазы): начало, протяженный участок, завершение звука. В зависимости от применяемой фирменной технологии эти части могут делиться на еще более мелкие фрагменты. В памяти хранится не вся запись, а лишь минимально необходимая для ее восстановления информация о каждом из фрагментов. Изменение протяженности звучания производится за счет управления числом повторений отдельных фрагментов.

В целях еще большей экономии памяти был разработан способ синтеза, позволяющий хранить сэмплы не для каждой ноты, а лишь для некоторых. В этом случае изменения высоты звучания достигается путем изменения скорости воспроизведения сэмпла.

Для создания и воспроизведения  сэмплов служит синтезатор. В наши дни синтезатор конструктивно реализован в одном-двух корпусах микросхем, которые представляет собой специализированный процессор для осуществления всех необходимых преобразовании. Из закодированных и сжатых с помощью специальных алгоритмов фрагментов он собирает сэмпл, задает высоту его звучания, изменяет в соответствии с замыслом музыканта форму огибающей колебания, имитируя либо почти неощутимое касание, либо удар по клавише или струне. Кроме того, процессор добавляет различные эффекты, изменяет тембр с помощью фильтров и модуляторов.