2.12.7. Формат midi
В 80-х годах прошлого века появились электронные музыкальные инструменты – синтезаторы, способные воспроизводить не только звуки многих существующих музыкальных инструментов, но и абсолютно новые звуки. Было разработано соглашение о системе команд универсального синтезатора, получившее название стандарта MIDI (от англ. Musical Instrument Digital Interface). Запись музыкального произведения в формате MIDI – последовательность закодированных сообщений синтезатору. Сообщение может быть командой (нажать или отпустить определенную клавишу, изменить высоту или тембр звучания), описанием параметров воспроизведения (например, силы давления на клавиатуру) или управляющим сообщением (включение полифонического режима).
MIDI-команды делают запись музыкальной информации более компактной, чем испульсное кодирование. Если сравнить способы представления графической и звуковой информации, то запись звука в виде MIDI-команд соответствует векторному представлению изображения.
Записанные звуковые файлы можно редактировать, то есть вырезать, копировать и вставлять фрагменты из других файлов. Кроме того, можно увеличивать или уменьшать громкость, применять различные звуковые эффекты (эхо, уменьшение или увеличение скорости воспроизведения, воспроизведение в обратном направлении и другое), а также накладывать файлы друг на друга (микшировать).
2.12.8. Принципы компьютерного воспроизведения звука
При воспроизведении звука на компьютере происходит обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую непрерывную форму. Сигнальный процессор рассчитывает параметры звукового сигнала, а цифро-аналоговый преобразователь преобразует электрический сигнал в аналоговый, который слышен человеческому уху.
В современной цифровой звукотехнике, например в компьютерных звуковых картах, используется несколько методов реконструкции формы аналогового сигнала (восстановление звука по его цифровой форме). Эти методы сильно отличаются друг от друга даже идеями, взятыми за их основу. Общим в методах реконструкции формы сигнала является то, что цифровой сигнал сперва подвергается передискретизации – увеличению частоты дискретизации и глубины квантования в несколько раз. Например, поток звуковых данных с Audio CD с частотой дискретизации 44,1 кГц и глубиной квантования 16 битов в звуковой карте преобразуется в поток с частотой дискретизации 192 кГц и глубиной квантования 24 бита.
Для вычисления амплитуд сигнала во вставленных новых отсчетах используются различные математические методы, например полиномиальная интерполяция. Суть этого метода состоит в том, что по известным значениям функции f(х) в дискретных моментах времени x1, x2 …, xn мы можем восстановить ее значения в других точках x, то есть по нескольким подряд идущим отсчетам можно построить интерполяционный многочлен, проходящий через заданные точки (например, интерполяционный многочлен Лагранжа). По «старым» значениям отсчетов сигнала вычисляются коэффициенты многочлена, и с их помощью вычисляется амплитуда сигнала в отсчетах, которые вставляются при передискретизации.
После передискретизации цифровой сигнал с помощью ЦАП преобразуется в ступенчатый аналоговый сигнал. Этот ступенчатый сигнал представляетс собой сумму ожидаемого выходного сигнала и так называемого паразитного сигнала дискретизации. Паразитный сигнал имеет малую амплитуду и очень высокую частоту. Выходной сигнал ЦАП пропускается через пропускающий фильтр низких частот, который подавляет высокочастотные составляющие сигнала. Такой технический прием позволяет добиться качественной реконструкции формы аналогового сигнала при простой реализации электронных схем.