[其它考試]第五章音頻的采樣和數(shù)字化1

1、第五章第五章 音頻的數(shù)字化音頻的數(shù)字化學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容一、聲音一、聲音二、模擬音頻與數(shù)字音頻二、模擬音頻與數(shù)字音頻三、音頻的采樣、量化和數(shù)字化三、音頻的采樣、量化和數(shù)字化（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）四、數(shù)字音頻的格式四、數(shù)字音頻的格式五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀?。ㄖ攸c(diǎn)）（重點(diǎn)）六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1 1、了解聲音相關(guān)概念及、了解聲音相關(guān)概念及要素要素2 2、掌握音頻采樣、量化和、掌握音頻采樣、量化和數(shù)字化數(shù)字化原理原理3 3、了解數(shù)字音頻的文件格式、了解數(shù)字音頻的文件格式 4 4、理解、理解wavwav文件的文件的文件結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu)一、聲音一、聲音聲音是通過空氣傳播的

2、一種連續(xù)的波，叫聲波。聲音是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波，叫聲波。聲音的強(qiáng)弱體現(xiàn)在聲波壓力的大小上聲音的強(qiáng)弱體現(xiàn)在聲波壓力的大小上音調(diào)的高低體現(xiàn)在聲音的頻率上音調(diào)的高低體現(xiàn)在聲音的頻率上一、聲音一、聲音有關(guān)概念有關(guān)概念復(fù)合信號(hào)復(fù)合信號(hào)：聲音信號(hào)由許多頻率不同的信號(hào)組成：聲音信號(hào)由許多頻率不同的信號(hào)組成分量信號(hào)分量信號(hào)：?jiǎn)我活l率的信號(hào)：?jiǎn)我活l率的信號(hào)帶寬帶寬：描述組成復(fù)合信號(hào)的頻率范圍。如：描述組成復(fù)合信號(hào)的頻率范圍。如：高保真聲音的頻率范圍為高保真聲音的頻率范圍為10 hz20k hz，它的帶寬，它的帶寬約為約為20k hz。一、聲音一、聲音三要素三要素v 音強(qiáng)音強(qiáng)(volume)v 音調(diào)音調(diào)(

3、pitch)v 音色音色 響度，由振幅決定響度，由振幅決定 由頻率決定由頻率決定 指聲音頻率組成成分指聲音頻率組成成分一、聲音一、聲音分類分類v 次音頻信號(hào)次音頻信號(hào)20khz(人聽不到人聽不到,有很強(qiáng)的方向有很強(qiáng)的方向性性,可以形成波束可以形成波束)二、模擬音頻與數(shù)字音頻二、模擬音頻與數(shù)字音頻模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)二、模擬音頻與數(shù)字音頻二、模擬音頻與數(shù)字音頻模擬模擬音頻：在時(shí)間和幅度上都是音頻：在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)連續(xù)變化的變化的數(shù)字?jǐn)?shù)字音頻：在時(shí)間和幅度上都是音頻：在時(shí)間和幅度上都是離散、不連續(xù)離散、不連續(xù)的的三、音頻的數(shù)字化三、音頻的數(shù)字化 模擬音頻模擬音頻數(shù)字音頻數(shù)字音頻

4、采樣、量化、編碼采樣、量化、編碼三、音頻的數(shù)字化（采樣）三、音頻的數(shù)字化（采樣）音頻采樣：音頻采樣：當(dāng)把模擬聲音變成數(shù)字聲音時(shí)，需要每當(dāng)把模擬聲音變成數(shù)字聲音時(shí)，需要每隔一個(gè)時(shí)間間隔在模擬聲音波形上取一個(gè)幅度值。隔一個(gè)時(shí)間間隔在模擬聲音波形上取一個(gè)幅度值。 信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖三、音頻的數(shù)字化（采樣）三、音頻的數(shù)字化（采樣）采樣：采樣：將將時(shí)間時(shí)間上連續(xù)的取值變?yōu)橛邢迋€(gè)離散取值的過程上連續(xù)的取值變?yōu)橛邢迋€(gè)離散取值的過程 三、音頻的數(shù)字化（采樣）三、音頻的數(shù)字化（采樣）奈奎斯特采樣定理：奈奎斯特采樣定理： 設(shè)連續(xù)信號(hào)設(shè)連續(xù)信號(hào)x(t)的最高頻率分量為的最高頻率分量為fm，以等間隔，以等間

5、隔ts（ts稱采樣間隔，稱采樣間隔，fs=1/ts稱為稱為采樣頻率采樣頻率）對(duì)）對(duì)x(t)進(jìn)行采進(jìn)行采樣，得到樣，得到xs(t)。如果。如果fs=2fm，則，則xs(t)保留了保留了x(t )的全部信息（從的全部信息（從xs(t)可以不失真地恢復(fù)出可以不失真地恢復(fù)出x(t)）。）。 只要采樣頻率高于信號(hào)中最高頻率的只要采樣頻率高于信號(hào)中最高頻率的2倍，就可倍，就可以從采樣中完全恢復(fù)原始信號(hào)的波形。以從采樣中完全恢復(fù)原始信號(hào)的波形。三、音頻的數(shù)字化（量化）三、音頻的數(shù)字化（量化）音頻量化：音頻量化：將經(jīng)采樣后將經(jīng)采樣后幅度幅度上無限多個(gè)連續(xù)的樣值上無限多個(gè)連續(xù)的樣值變?yōu)橛邢迋€(gè)離散值的過程變?yōu)橛邢?/p>

6、個(gè)離散值的過程三、音頻的數(shù)字化（量化）三、音頻的數(shù)字化（量化）量化過程：量化過程：先將整個(gè)幅度劃分成為有限個(gè)幅度（量化階距）先將整個(gè)幅度劃分成為有限個(gè)幅度（量化階距）的集合，把落入某個(gè)階距內(nèi)的樣值歸為一類，并賦予相同的的集合，把落入某個(gè)階距內(nèi)的樣值歸為一類，并賦予相同的量化值。量化值。量化等級(jí)的劃分量化等級(jí)的劃分三、音頻的數(shù)字化三、音頻的數(shù)字化模擬信號(hào)模擬信號(hào)采樣采樣量化量化編碼編碼a/d轉(zhuǎn)換中，影響質(zhì)量及數(shù)據(jù)量的主要因素：轉(zhuǎn)換中，影響質(zhì)量及數(shù)據(jù)量的主要因素：每秒鐘需要采集多少個(gè)聲音樣本即每秒鐘需要采集多少個(gè)聲音樣本即采樣頻率采樣頻率每個(gè)聲音樣本的位數(shù)每個(gè)聲音樣本的位數(shù)(bps)應(yīng)該是多少即應(yīng)

7、該是多少即量化位數(shù)量化位數(shù)三、音頻的數(shù)字化三、音頻的數(shù)字化例子例子:每個(gè)聲音樣本用每個(gè)聲音樣本用16位表示位表示,測(cè)得聲音樣本值測(cè)得聲音樣本值是在是在065536的范圍里的范圍里,它的精度就是輸入信號(hào)的它的精度就是輸入信號(hào)的1/65536聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率三、音頻的數(shù)字化三、音頻的數(shù)字化質(zhì)量質(zhì)量采樣頻率采樣頻率khz樣本精度樣本精度(b/s)單單/立體立體聲聲數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率(kb/s)頻率范圍頻率范圍電話電話88單道聲單道聲82003400am11.0258單道聲單道聲112015000fm22.05016立體聲立體聲88.2507000cd44.116立體聲立體聲176.4202

8、000dat4816立體聲立體聲192.0202000四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式1、wav文件文件 聲音是隨著時(shí)間連續(xù)變化的物理量，并且是聲音是隨著時(shí)間連續(xù)變化的物理量，并且是一種能借助介質(zhì)傳播的波。一種能借助介質(zhì)傳播的波。四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式1、wav文件文件字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)/秒秒=采樣頻率（采樣頻率（hz） * * 量化位數(shù)（量化位數(shù)（bit）* * 聲道數(shù)聲道數(shù)/ /8特點(diǎn)：特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大數(shù)據(jù)量大 音質(zhì)好音質(zhì)好 不適合網(wǎng)絡(luò)傳播或播放不適合網(wǎng)絡(luò)傳播或播放文件數(shù)據(jù)量計(jì)算：文件數(shù)據(jù)量計(jì)算：? ? 1分鐘單聲道，采樣頻率為分鐘單聲道，采樣頻率為11.025k

9、hz，8位采樣位數(shù)位采樣位數(shù)四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式2、mp3文件文件mpeg audio layer-3特點(diǎn)：特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量較小，壓縮率數(shù)據(jù)量較小，壓縮率10：120：1 音質(zhì)較好音質(zhì)較好 是目前最為流行的音頻格式文件是目前最為流行的音頻格式文件四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式3、midi文件文件數(shù)字樂器接口標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字樂器接口標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)：特點(diǎn)：midi文件中存儲(chǔ)的是產(chǎn)生聲音指令文件中存儲(chǔ)的是產(chǎn)生聲音指令 數(shù)據(jù)量小數(shù)據(jù)量小適用于：適用于：需要播放長(zhǎng)時(shí)間高質(zhì)量音樂需要播放長(zhǎng)時(shí)間高質(zhì)量音樂四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式3、midi文件文件四、數(shù)字音頻的文件格

10、式四、數(shù)字音頻的文件格式3、midi文件文件四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式4、asf、wma文件文件微軟開發(fā)的微軟開發(fā)的網(wǎng)上流式網(wǎng)上流式數(shù)字音頻文件格式數(shù)字音頻文件格式特點(diǎn)：特點(diǎn)：音質(zhì)好音質(zhì)好 數(shù)據(jù)量小數(shù)據(jù)量小 適合適合網(wǎng)絡(luò)流式傳輸網(wǎng)絡(luò)流式傳輸四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式5、ram、ra文件文件realnetworks開發(fā)的開發(fā)的網(wǎng)上流式網(wǎng)上流式數(shù)字音頻文件格式數(shù)字音頻文件格式特點(diǎn)：特點(diǎn)：能隨帶寬的不同而改變音質(zhì)，在保證大多能隨帶寬的不同而改變音質(zhì)，在保證大多數(shù)人聽到流暢聲音的前提下，帶寬寬裕的聽眾獲數(shù)人聽到流暢聲音的前提下，帶寬寬裕的聽眾獲得較好的音質(zhì)得較好的音

11、質(zhì) 適合適合低網(wǎng)速的實(shí)時(shí)傳輸?shù)途W(wǎng)速的實(shí)時(shí)傳輸四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式6、aif、au文件文件apple公司開發(fā)的音頻文件格式公司開發(fā)的音頻文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式7、cd-da數(shù)字音頻光盤數(shù)字音頻光盤44.1khz、16bit量化位數(shù)、雙聲道量化位數(shù)、雙聲道四、數(shù)字音頻的文件格式四、數(shù)字音頻的文件格式8、mdmini discsony推出的便攜式音樂格式推出的便攜式音樂格式md汽車音響、隨身聽汽車音響、隨身聽五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取工具工具： ultraedit debug 其他反匯編軟件其他反匯編軟件wavewave文件作為多媒體中

12、使用的聲波文件格式之一，它文件作為多媒體中使用的聲波文件格式之一，它是以是以riffriff格式為標(biāo)準(zhǔn)的。格式為標(biāo)準(zhǔn)的。riffriff是英文是英文resource interchange file formatresource interchange file format（資資源互換文件格式源互換文件格式 ）的縮寫，每個(gè)）的縮寫，每個(gè)wavewave文件的頭四個(gè)字文件的頭四個(gè)字節(jié)便是節(jié)便是“riff”riff”。對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制是。對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制是52 49 46 4652 49 46 46。五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取文件頭文件頭數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)體wavewave文件文件riffriff

13、wavwav文件標(biāo)識(shí)段文件標(biāo)識(shí)段聲音數(shù)據(jù)格式說明段聲音數(shù)據(jù)格式說明段標(biāo)志符（riff）數(shù)據(jù)大小格式類型（wave）fmtsizeof(pcmwaveformat)pcmwaveformatdata聲音數(shù)據(jù)大小聲音數(shù)據(jù)五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取wav文件結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu)文件頭文件頭數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)體五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取例：例：sound.wav44.1khz 16位位 雙聲道雙聲道12.68秒秒 2236752字節(jié)數(shù)據(jù)量字節(jié)數(shù)據(jù)量00h：52 49 46 46 82 21 22 00 57 41 56 45 66 6d 74 20 riff標(biāo)志

14、標(biāo)志 總數(shù)據(jù)塊大小總數(shù)據(jù)塊大小 格式類型格式類型 fmt標(biāo)志標(biāo)志 22368022236802字節(jié)字節(jié) wavewave 10h：12 00 00 00 01 00 02 00 44 ac 00 00 10 b1 02 00 音頻格式數(shù)據(jù)塊大小音頻格式數(shù)據(jù)塊大小 編碼格式編碼格式 雙聲道雙聲道 采樣頻率采樣頻率 每秒數(shù)據(jù)量每秒數(shù)據(jù)量 18 waveformatpcm 44.1khz 17640020h：04 00 10 00 00 00 66 61 63 74 04 00 00 00 54 88 區(qū)塊對(duì)齊單位區(qū)塊對(duì)齊單位 量化位數(shù)量化位數(shù) 4 16位位30h：08 00 64 61 74 61

15、 50 21 22 00 00 00 00 00 ff ff data標(biāo)志標(biāo)志 聲音裸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度聲音裸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 聲音數(shù)據(jù)內(nèi)容聲音數(shù)據(jù)內(nèi)容 2236752字節(jié)字節(jié)40h：00 00 fe ff fe ff 00 00 00 00 fe ff fe ff 01 00五、音頻文件的讀取五、音頻文件的讀取六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量1、客觀質(zhì)量度量：、客觀質(zhì)量度量：信噪比信噪比 信噪比信噪比snr（signal to noise ratio）是有用信）是有用信號(hào)與噪聲之比的簡(jiǎn)稱。號(hào)與噪聲之比的簡(jiǎn)稱。 噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好。噪音。信噪比越大

16、，聲音質(zhì)量越好。2、客觀質(zhì)量度量：、客觀質(zhì)量度量：帶寬帶寬2003.4khz電話聲音范圍電話聲音范圍507khz調(diào)幅廣播聲音范圍調(diào)幅廣播聲音范圍2015khz調(diào)頻廣播聲音范圍調(diào)頻廣播聲音范圍1020khz高保真立體聲音范圍高保真立體聲音范圍六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量2、客觀質(zhì)量度量：、客觀質(zhì)量度量：帶寬帶寬六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量音頻信號(hào)的頻帶越寬，所包含的音頻信號(hào)分音頻信號(hào)的頻帶越寬，所包含的音頻信號(hào)分量越豐富，音質(zhì)越好量越豐富，音質(zhì)越好六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量3、客觀質(zhì)量度量：、客觀質(zhì)量度量：動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 聲音的動(dòng)態(tài)范圍即聲音從最弱變到最強(qiáng)的范圍。聲音

17、的動(dòng)態(tài)范圍即聲音從最弱變到最強(qiáng)的范圍。聲音的動(dòng)態(tài)范圍還與頻率有關(guān)。動(dòng)態(tài)范圍最大的頻聲音的動(dòng)態(tài)范圍還與頻率有關(guān)。動(dòng)態(tài)范圍最大的頻率區(qū)間是率區(qū)間是1000-6000hz，計(jì)量單位是分貝，計(jì)量單位是分貝(db)。 動(dòng)態(tài)范圍越大，信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，動(dòng)態(tài)范圍越大，信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，音響效果越好音響效果越好六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量3、客觀質(zhì)量度量：、客觀質(zhì)量度量：動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍20log(信號(hào)的最大強(qiáng)度信號(hào)的最大強(qiáng)度/信號(hào)的最小強(qiáng)信號(hào)的最小強(qiáng)度度)(db)六、聲音質(zhì)量的度量六、聲音質(zhì)量的度量4、主觀質(zhì)量度量：、主觀質(zhì)量度量：mos分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)mean opinian score分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)質(zhì)量級(jí)別質(zhì)量級(jí)別失真級(jí)別失真級(jí)別5優(yōu)優(yōu)不覺察不