多媒体课程讲学 (4)

1、周期脉冲序周期脉冲序列发生器列发生器伪随机噪声伪随机噪声产生器产生器周期周期时变数字滤时变数字滤波器波器音量控制音量控制声道参数声道参数语音语音输出输出浊浊/清选择清选择 一般来说，波形编译一般来说，波形编译码器的话音质量高，但数码器的话音质量高，但数据率也很高；音源编译码据率也很高；音源编译码器的数据率很低，产生的器的数据率很低，产生的合成话音的音质有待提高；合成话音的音质有待提高；混合编译码器使用音源编混合编译码器使用音源编译码技术和波形编译码技译码技术和波形编译码技术，数据率和音质介于它术，数据率和音质介于它们之间。们之间。行程编码0 |x| 1/A 1/A |x| 1 DPCM:DPC

2、M:利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行编码的一种数据压缩技术。编码的一种数据压缩技术。主要思想：根据过去的样本去估算主要思想：根据过去的样本去估算(estimate)(estimate)下一下一个样本信号的幅度大小，这个值称为预测值，然后对实个样本信号的幅度大小，这个值称为预测值，然后对实际信号值与预测值之差进行量化编码，从而就减少了表际信号值与预测值之差进行量化编码，从而就减少了表示每个样本信号的位数。示每个样本信号的位数。与脉冲编码调制与脉冲编码调制(PCM)(PCM)不同不同:PCM:PCM是直接对采样信号进是直接对采样信号进行量化编码，而行

3、量化编码，而DPCMDPCM是对实际信号值与预测值之差进行是对实际信号值与预测值之差进行量化编码，存储或者传送的是差值而不是幅度绝对值，量化编码，存储或者传送的是差值而不是幅度绝对值，这就降低了传送或存储的数据量。此外，它还能适应大这就降低了传送或存储的数据量。此外，它还能适应大范围变化的输入信号。范围变化的输入信号。利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值；差值；使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实使用过去的样本值估

4、算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。际样本值和预测值之间的差值总是最小。 采用自适应技术和差分编码技术相结合。采用自适应技术和差分编码技术相结合。将将64kb/s的的PCM信号压缩为信号压缩为32kb/s的脉冲编码信号，广的脉冲编码信号，广泛应用于电话通信网。泛应用于电话通信网。LPC是通过分析话音波形来产是通过分析话音波形来产生声道激励和转移函数的参数，生声道激励和转移函数的参数，对声音波形的编码实际就转化对声音波形的编码实际就转化为对这些参数的编码，这就使为对这些参数的编码，这就使声音的数据量大大减少。声音的数据量大大减少。在接收端使用在接收端使用LPC分析得

5、到的分析得到的参数，通过话音合成器重构话参数，通过话音合成器重构话音。音。合成器实际上是一个离散的随合成器实际上是一个离散的随时间变化的时变线性滤波器，时间变化的时变线性滤波器，它代表人的话音生成系统模型。它代表人的话音生成系统模型。周期脉周期脉冲序列冲序列发生器发生器伪随机伪随机噪声产噪声产生器生器周期周期时变数时变数字滤波字滤波器器音量控制音量控制声道参数声道参数语音语音输出输出浊浊/清选择清选择=线性预测器是使用过去的线性预测器是使用过去的P P个样本值来预测现时刻的采样值个样本值来预测现时刻的采样值x(n)x(n)，预测值可以用过去，预测值可以用过去P P个样本值的线性组合来表示：个样

6、本值的线性组合来表示： 残差误差残差误差(residual error)(residual error)即线性预测误差为即线性预测误差为 =在给定的时间范围里，如 ，使 的平方和即 为最小 通过求解偏微分方程，可找到系数通过求解偏微分方程，可找到系数a ai i的值。的值。如果把发音器官等效成滤波器，这些系数值就可以如果把发音器官等效成滤波器，这些系数值就可以理解成滤波器的系数。这些参数不再是声音波形本身理解成滤波器的系数。这些参数不再是声音波形本身的值，而是发音器官的激励参数。的值，而是发音器官的激励参数。 线性预测编码线性预测编码 (LPC)(LPC)上图表示的是一个简单的上图表示的是一个

7、简单的MIDIMIDI系统，它由一个系统，它由一个MIDIMIDI键盘控制器键盘控制器和一个和一个MIDIMIDI声音模块组成。声音模块组成。许多许多MIDIMIDI键盘乐器在其内部既包含键盘控制器，又包含键盘乐器在其内部既包含键盘控制器，又包含MIDIMIDI声声音模块功能。在这些单元中，键盘控制器和声音模块之间已经有内音模块功能。在这些单元中，键盘控制器和声音模块之间已经有内部链接，这个链接可以通过该设备中的控制功能部链接，这个链接可以通过该设备中的控制功能(local control)(local control)对对链接打开链接打开(ON)(ON)或者关闭或者关闭(OFF)(OFF)。

8、它由它由5 5个基本模块组成：个基本模块组成：数字载波器、调制器、声音数字载波器、调制器、声音包络发生器、数字运算器和包络发生器、数字运算器和模数转换器。模数转换器。声音包络发生器用来调声音包络发生器用来调制声音的电平，这个过程也制声音的电平，这个过程也称为幅度调制称为幅度调制(amplitude (amplitude modulation)modulation)，并且作为数字，并且作为数字式音量控制旋钮，它的式音量控制旋钮，它的4 4个参个参数写成数写成ADSRADSR，这条包络线也，这条包络线也称为音量升降维持静音包络称为音量升降维持静音包络线线(Attack(Attack，decayde

9、cay，sustainsustain，releaserelease，ADSR)ADSR) 。在乐音合成器中，数字载波波形和调制波形有很多种，不同型号的在乐音合成器中，数字载波波形和调制波形有很多种，不同型号的FMFM合成器所选用的波形也不同。下图是合成器所选用的波形也不同。下图是Yamaha OPL-IIIYamaha OPL-III数字式数字式FMFM合成器采用合成器采用的波形。的波形。各种不同乐音的产生是通过组合各种波形和各种波形参数并采用各种各种不同乐音的产生是通过组合各种波形和各种波形参数并采用各种不同的方法实现的。用什么样的波形作为数字载波波形、用什么样的波形不同的方法实现的。用什么

10、样的波形作为数字载波波形、用什么样的波形作为调制波形、用什么样的波形参数去组合才能产生所希望的乐音，这就作为调制波形、用什么样的波形参数去组合才能产生所希望的乐音，这就是是FMFM合成器的算法。合成器的算法。n这种方法就是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，播这种方法就是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，播放时改变播放速度，从而改变音调周期，生成各种音阶的音符。放时改变播放速度，从而改变音调周期，生成各种音阶的音符。n乐音样本的采集相对比较直观。音乐家在真实乐器上演奏不同的乐音样本的采集相对比较直观。音乐家在真实乐器上演奏不同的音符，选择音符，选择44.1 kHz44.1 kHz

11、的采样频率、的采样频率、1616位的乐音样本，这相当于位的乐音样本，这相当于CD-CD-DADA的质量，把不同音符的真实声音记录下来，这就完成了乐音样本的质量，把不同音符的真实声音记录下来，这就完成了乐音样本的采集。的采集。n乐音样本通常放在乐音样本通常放在ROMROM芯片上。芯片上。n乐音样本合成器所需要的输入控制参数比较少，可控的数字音效乐音样本合成器所需要的输入控制参数比较少，可控的数字音效也不多，大多数采用这种合成方法的声音设备都可以控制声音包络也不多，大多数采用这种合成方法的声音设备都可以控制声音包络的的ADSRADSR参数，产生的声音质量比参数，产生的声音质量比FMFM合成方法产生

12、的声音质量要高。合成方法产生的声音质量要高。用用.wav.wav为扩展名的文件格式称为波形文件格式为扩展名的文件格式称为波形文件格式(WAVE File (WAVE File Format)Format)，它在多媒体编程接口和数据规范，它在多媒体编程接口和数据规范1.0(Multimedia 1.0(Multimedia Programming Interface and Data Specifications 1.0)Programming Interface and Data Specifications 1.0)文档中有文档中有详细的描述。该文档是由详细的描述。该文档是由IBMIBM和微

13、软公司于和微软公司于19911991年年8 8月联合开发的，它月联合开发的，它是一种为交换多媒体资源而开发的资源交换文件格式是一种为交换多媒体资源而开发的资源交换文件格式(Resource (Resource Interchange File FormatInterchange File Format，RIFF)RIFF)。波形文件格式支持存储各种采样频率和样本精度的声音数据，并波形文件格式支持存储各种采样频率和样本精度的声音数据，并支持声音数据的压缩。支持声音数据的压缩。n Cakewalk Pro Audio、Cakewalk Sonarn 功能强大的专业编辑、创作、调试功能强大的专业编辑

14、、创作、调试 MIDI 音音乐的软件乐的软件n 可以快速的编曲、录音、混音、以及弹奏可以快速的编曲、录音、混音、以及弹奏MIDIn 自带有一系列完备的音频效果器，像均衡、自带有一系列完备的音频效果器，像均衡、混响、合唱、动态等，支持第三方的混响、合唱、动态等，支持第三方的DirectX插件式效果器。插件式效果器。1. 什么是声音？什么是声音？2. 声音的三要素是什么？声音的三要素是什么？3. 什么是采样频率？什么是采样频率？4. 采样频率与声音还原频率存在什么关系？采样频率与声音还原频率存在什么关系？5. 音频文件的数据量与哪些因素有关？音频文件的数据量与哪些因素有关？6. 回声效果是怎样产生的