Глава 3 Стандарты и средства компьютерного представления аудиоинформации.

Содержание темы:

Программное обеспечение для работы с аудио: аналоговая звукозапись, цифровая аудиозапись, система звучания, шумы, системы улучшения звука, звуковое разрешение, частота дискретизации, кодеки, стандартные кодеки, хранение звука, Wave-формат файла, MIDI-формат файла, MIDI-интерфейс, ,MIDI-команды, MIDI-трек, MIDI-канал, MIDI-синтезатор, MIDI-клавиатура, музыкальный синтезатор, основные системы синтеза звука, аналоговый способ записи звука, цифровой способ записи звука, программы-рекордеры, редактирование и монтаж звуковых фрагментов, фильтры и эффекты, программы-секвенсоры, программы-нотаторы, однотрековая/многотрековая запись, хранение MIDI-данных, воспроизведение MIDI-данных, FM-синтез, Wave Table – синтез, сэмплеры.

Выполнили: Калугин, Худайбергенова, Старцев, Ремизова, Куликов, Федотова,

Аналоговая звукозапись Под аналоговой подразумевают запись звуков на физический носитель таким образом, чтобы устройство воспроизведения производило колебания и создавало звуковые волны аналогичные тем, что были получены при сохранении.

Механическая звукозапись:Фонограф,Патефон,Граммофон

Оптическая запись звука:Магнитная звукозапись, Магнитофон

Цифровая звукозапись Под цифровой записью понимают оцифровку и сохранение звука в виде набора бит (битовой последовательности), который описывает воспроизведение тем или иным устройством.

Магнитная звукозапись:DAT (англ. Digital audio tape), DCC (англ. Digital compact cassette, цифровая компакт-кассета),DASH (англ. Digital Audio Stationary Head)

Магнитооптическая запись: минидиск (MD), Hi-MD

Лазерная запись:Компакт-диск (CD),DTS - фонограмма к фильмокопии на отдельном компакт-диске, DVD-Audio (DVD-A), SACD (Super audio compact disc, супер аудио компакт-диск)

Оптическая запись звука:Dolby Digital, SDDS

Цифровые аудиоформаты: Нотные: MIDI

Оцифрованный звук: OGG, MP3, WAV и т.п.

Системы звучания по назначению можно разделить на 2 вида: это системы для озвучивания различного рода локальных помещений и мероприятий (небольшие магазины, кафе, рестораны, конференц-залы, учебные аудитории, залы заседаний, актовые залы и т.д.) и системы фоновой и речевой трансляции и аварийно-пожарного оповещения – Public Address (супермаркеты, учебные заведения, бизнес-центры, гостиницы, базы отдыха, санатории и другие заведения с большим количеством помещений и большой суммарной площадью).

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество).

Классификация шумов: По спектру, По характеру спектра, По частоте (Гц), По временны́м характеристикам, По природе возникновения

Улучшения качества звука Не смотря на то, что многоканальные акустические системы уже давно стали неотъемлемой частью большинства современных компьютеров, больше половины пользователей работают с 2-канальной акустикой (колонки и наушники), и только меньшая часть использует многоканальные акустические системы. Это не случайно.

Многоканальный звук нужен в играх и фильмах, а аудио-файлы, такие как MP3 и WMA все еще остаются двухканальными. Можно предположить, что звуковая карта, лучшая для игр, может не быть лучшей для музыки.

Проблема заключается в том, что большинство звуковых карт работают с частотой выборки 48 кГц. Это значит, что измерение сигнала для его преобразования происходит 48 тысяч раз в секунду. Естественно, чем чаще это делается, тем качественнее будет звук. Звуковые эффекты в играх и звук на DVD используют частоту выборки 48 кГц. С другой стороны, большинство аудиозаписей записано с частотой 44,1 кГц - использующейся на аудио компакт-дисках.

Звуковое разрешение Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Частота дискретизации Итак, преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантования по амплитуде. Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов (семплов), взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискретизации 44,1 кГц, то это значит, что сигнал измеряется 44100 раз в течении секунды (в МО обычно применяется более доходчивый термин "частота семплирования", однако "частота дискретизации" правильнее - прим. ред.).

Ко́дек (англ. codec, от coder/decoder — шифратор/дешифратор — кодировщик/декодировщик или compressor/decompressor) — устройство или программа, способная выполнять преобразование данных или сигнала.

Кодек используется для преобразования видео и аудио-потока и определяет размер, который видео будет занимать на диске. Почти во всех видеодисках, которые появятся в начале, будет использоваться кодек MPEG-2.

На данный момент в спецификацию формата BD-ROM включена поддержка трёх кодеков: MPEG-2, который также является стандартным для DVD; MPEG-4 H.264/AVC кодек и VC-1 — новый быстро развивающийся кодек, созданный на основе Microsoft Windows Media 9. При использовании первого кодека на один слой возможно записать около двух часов видео высокой чёткости, другие два более современных кодека позволяют записывать до четырёх часов видео на один слой.

Для звука BD-ROM поддерживает линейный (несжатый) PCM, Dolby Digital, Dolby Digital Plus, DTS, Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio и Dolby Lossless (формат сжатия данных без потерь, также известный как Meridian Lossless Packing (MLP).

Способы хранения цифрового звука Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Как мы говорили, оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени. Таким образом, 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.

WAV (англ. wave «волна») — формат файла-контейнера для хранения записи оцифрованного аудиопотока. Под Windows этот формат чаще всего используется в качестве оболочки для несжатого звука (PCM), когда для каждого отсчёта амплитуды сигнала выделяется определённое число бит. Однако, в контейнер WAV можно поместить звук, сжатый почти любым кодеком (но с воспроизведением таких файлов могут возникать проблемы).

В отличие от других форматов это не оцифрованный звук, а наборы команд (проигрываемые ноты, ссылки на проигрываемые инструменты, значения изменяемых параметров звука), которые могут воспроизводиться по-разному в зависимости от устройства воспроизведения. Удобство формата MIDI как формата представления данных позволяет реализовывать устройства, производящие автоматическую аранжировку по заданным аккордам, а также приложения 3D-визуализации звука. Кроме того, такие файлы, как правило, имеют на несколько порядков меньший размер, чем оцифрованный звук сравнимого качества.

Стандартный MIDI-файл (SMF — Standard MIDI File) — это специально разработанный формат файлов, предназначенный для хранения данных, записываемых и/или исполняемых секвенсором, секвенсор может быть как программой для компьютера, так и аппаратно выполненным модулем.

В этом формате хранятся стандартные MIDI-сообщения (то есть статус-байты и соответствующие им байты данных), а также временные метки или маркеры для каждого сообщения (то есть последовательности байтов, указывающие, какое количество условных единиц времени (импульсов, тиков) необходимо подождать перед тем, как исполнить следующее событие MIDI). Этот формат позволяет сохранять информацию о темпе, временном разрешении, выраженном в количестве тиков на одну четвертную длительность (или во временных единицах, приходящихся на одну секунду, в формате SMPTE), обозначения размера, информацию о музыкальных ключах, а также хранить названия треков и паттернов. Формат предусматривает возможность сохранения в одном файле нескольких паттернов и треков таким образом, что программы-приложения могут выбирать из всего набора хранимой информации ту, которая будет понятна данному приложению.

MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт цифровой звукозаписи на формат обмена данными между электронными музыкальными инструментами.

Интерфейс позволяет единообразно кодировать в цифровой форме такие данные как нажатие клавиш, настройку громкости и других акустических параметров, выбор тембра, темпа, тональности и др., с точной привязкой во времени. В системе кодировок присутствует множество свободных команд, которые производители, программисты и пользователи могут использовать по своему усмотрению. Поэтому интерфейс MIDI позволяет, помимо исполнения музыки синхронизировать управление другим оборудованием, например, осветительным, пиротехническим и т.п.

Хранение MIDI – данных Для хранения MIDI-паpтитуp на носителях данных pазpаботаны фоpматы SMF (Standard MIDI File - стандаpтный MIDI-файл) тpех типов:

0 - непосpедственно MIDI-поток в том виде, в каком он пеpедается по интеpфейсу.

1 - совокупность паpаллельных "доpожек", каждая из котоpых обычно     пpедставляет собой отдельную паpтию пpоизведения, исполняемую на одном MIDI-канале.

2 - совокупность нескольких пpоизведений, каждое из котоpых размещено на нескольких доpожках.

В основном пpименяется формат 1, позволяющий хpанить одно пpоизведение в файле.

Кpоме MIDI-событий, файл содеpжит также "фиктивные события" (Meta Events), используемые только для офоpмления файла и не пеpедаваемые по интеpфейсу. К ним относят: инфоpмацию о метpике и темпе, описание пpоизведения, названия паpтий, слова песни и т.п.

Воспроизведение MIDI Старайтесь не делать особого различия между WAV файлами и Ml 1-Х файлами. Объект Loader загружает и MIDI, и WAV файлы в сегменты, которые воспроизводятся путем передачи их методу Play воспроизведения так же, как звуковые эффекты. Как работает MIDI. MIDI - это сокращение от Musical Instrument Digital Interface (Интерфейс Музыкальных Инструментов). Исходно изобретенный в 1980-х, сегодня MIDI стал неофициальным стандартом взаимодействия между электронными музыкальными инструментами. Вы можете представлять себе MIDI как обыкновенный сетевой протокол. В сущности, вы подключаете всю свою аппаратуру (синтезаторы, барабанньге машины, компьютеры и т. д.) кабелями MID [ и приписываете каждому прибору свой ID канала. Например, ваш синтезатор может быть каналом 2, а барабан может быть каналом 4. Если вы нажмете кнопку на вашем синтезаторе, о нажатой ноте посылается по каналу 2. Когда вы ударяете по барабану, сообщение о нажатой ноте посылается по каналу 4. MIDI поддерживает до различных каналов. Программное обеспечение вашего компьютера (или вашего синтезатора, если он у вас продвинутый) может воспринимать любые из этих, или даже все, MIDI каналов и шшсыиать сообщения о нажатой ноте. После этого он может воспроизводить их. посылая по определенным каналам сообщения, или сохранить в MIDI файле эту ноту.

Синтезированные звуки можно получить разными путями и методами, с этим мы сталкиваемся постоянно и в ПО, и в аппаратной технике. Говоря о различных моделях синтезаторов/сэмплеров, программных и аппаратных, мы часто обращаем внимание на алгоритмы синтеза, вложенные в инструмент. На данный момент вы можете столкнуться с шестнадцатью основными видами синтезирования звуков, но на этом индустрия не останавливается и с каждым годом мы получаем новые методы и алгоритмы. 

• Аддитивный или суммирующий синтез (additive synthesis).

• Вычитающий синтез (substractive synthesis).

• Синтез с использованием частотной модуляции (Frequency Modulation (FM) synthesis).

• Direct Draw

• Таблично-волновой синтез (wavetable или PCM-synthesis).

• Гранулированный синтез (Granular synthesis

• Сэмплинг (Sample playback).

• Ресинтезированный PCM (Resynthesized(RS)-PCM).

• Линейно-арифметический синтез (Linear/Arithmetic (L/A) synthesis).

• Передовое интегрирование (Advanced Integrated synthesis).

• Синтез переменной архитектуры (VAST — Variable Architecture Synthesis Technology). Z-Plane synthesis.

• Синтез физического моделирования (Physical modeling synthesis).

• Формантный синтез (Formant synthesis).

• Синтез по математической функции (Mathematical function synthesis).

• Спектральный синтез (Spectral synthesis).

Рекордер — устройство, предназначенное для записи входящего сигнала на физический носитель.

Звукоза́пись — процесс сохранения колебаний в диапазоне 20—20 000 Гц (музыки, речи или иных звуков) на каком-либо носителе (грампластинки, магнитная лента, компакт-диск и т. д.) с помощью специальных приборов (микрофон, микшерный пульт, магнитофон и т. д.).

Сохранённая в результате этого процесса на каком-либо носителе звуковая запись называется фонограммой. Необходимое оборудование: прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические (микрофон) или генератор тона (напр. звуковой синтезатор, семплер), устройство для преобразования электрических колебаний в последовательность цифр (в цифровой записи), устройство для сохранения (магнитофон, жесткий диск компьютера или иное устройство для сохранения полученной информации на носитель). Самая старая из известных звукозаписей была сделана 9 апреля 1860 года парижским изобретателем Эдуардом-Леоном Скоттом де Мартенвилем с помощью устройства, называемого «фоноавтограф». В зависимости от метода сохранения, выделяют два основных вида записи звуков: аналоговый и цифровой.

Запись, обработка и редактирование звука Наиболее распространенный тип звуковых программ – аудиоредакторы. Большинство подобных программ работает со звуковыми файлами того или иного формата (в основном, WAV), но некоторые из них позволяют обрабатывать звуковой поток в режиме реального времени. В этом случае вы можете подсоединить к входу звуковой карты микрофон или гитару и получать на выходе обработанный программой сигнал – с эффектом реверберации, задержки или компрессии. Большинство производителей специализируются на программах одного типа, хотя есть фирмы (Power Technology), которые выпускают продукты двойного назначения.Кроме того, как и, например, графические редакторы, звуковые и музыкальные программы можно разбить на две непересекающиеся группы – программы, работающие самостоятельно, и подключаемые модули – плагины (plug-in). Появилось достаточно много производителей, которые выпускают только плагины, тем более что технология DirectX позволяет встраивать их в неограниченное число основных программ.

Далее, здесь необходимо отметить, что современные мощные звуковые редакторы обладают множеством сопутствующих функций: запись аудио CD, спектральный анализ звукового потока и файла, синтез звука, конвертирование файлов в различные форматы и т.д. Да и уже упомянутые плагины значительно расширяют сферу их деятельности.

И, последнее, некоторые производители “железа” – звуковых карт, MIDI-интерфейсов, систем записи звука на хард-диск – поставляют свое оборудование со специально написанными для него программами. В последнем случае, некоторые из этих программ отказываются “играть с ребятами не из нашего двора”.

Однотрековая и многотрековая запись

Однотрековая запись в программах-секвенсорах

Один из способов создания MIDI-файла – это запись в реальном времени MIDI-последовательностей, воспроизводимых при помощи музыкального синтезатора или MIDI-клавиатуры. Такая запись может быть произведена однотрековым способом. Под однотрековым способом понимается возможность записи в реальном времени только одного MIDI-канала за

один сеанс записи. Практически все MIDI-редакторы имеют эту возможность.

При однотрековой записи музыкального произведения используется следующая технология. Сначала записывается первый MIDI-канал, затем следующий и так далее, до тех пор, пока не будут записаны все MIDI-каналы музыкального произведения. Главная проблема при таком способе записи заключается в том, что требуется синхронизация записанных MIDI- каналов.

Многотрековая запись в программах-секвенсорах

В профессиональных программах-секвенсорах обычно не используется однотрековый способ записи музыкальных произведений. Этот способ достаточно медленный и неприемлем для профессиональной работы. Для более быстрой записи используют многотрековый способ записи.

Команда MIDI позволяет проиграть одну midi ноту. Можно указать несколько нот в одной команде.

Необязательный параметр reset или drumkit.

Если reset, то проигрывание любой ноты прекратится.

Если drumkit, то будут играть ударные инструменты, номер ноты note= - номер ударного инструмента, instr= и time= - игнорируются.

Обязательный параметр instr= - Номер инструмента, от 1 до 128, по умолчанию - 1. Список инструментов тут.

Обязательный параметр note= - Номер ноты, от 0 до 127. Но для некоторых инструментов некоторые номера не будут звучать. Нота "Middle C" или центральная нота стандартного фортепьяно - "60".

Обязательный параметр vol= - уровень громкости, от 0 до 100, по умолчанию - 100.

Необязательный параметр time= - время звучания ноты, от 0 до 10000 миллисекунд, по умолчанию - 2000.

Необязательный параметр global позволяет услышать работу команды всем.

Необязательный параметр omni - проигрывает ноту, остановив все остальные ноты данного инструмента.

Необязательные параметры reverb, chorus и mod - эффекты данного инструмента. Эффекты действуют от момента включения(on) и до выключения(off), или до срабатывания параметра reset.

Примечание: Во время проигрывания midi ноты, блокируется проигрывание midi файлов при помощи команд sound и noise. Проигрывание возобновится через 60 секунд или после применения параметра reset.

MIDI интерфейс

Вы, вероятно, знаете, что различные синтезаторы, семплеры и звуковые платы связываются между собой при помощи MIDI интерфейса. Если вы заглянете на заднюю панель любого синтезатора, то, скорее всего, найдете там 5-контактные гнезда MIDI входов и выходов, которые маркируются как MIDI In, MIDI Out и MIDI Thru.

MIDI интерфейс – это единый стандарт передачи управляющей информации между цифровыми музыкальными инструментами и другим студийным оборудованием.

Благодаря MIDI интерфейсу, во-первых, все цифровые синтезаторы теперь имеют очень похожие системы управления, и если музыкант или звукорежиссер знает основные принципы работы MIDI, то без труда может разобраться с любым из них. Во-вторых, музыкальные инструменты разных фирм могут работать вместе и. В третьих, секвенсер может управлять не только подключенными синтезаторами, но и любыми другими устройствами, имеющими MIDI-входы и выходы.

Канал MIDI

Это необязательное мета-событие обычно располагается в начале MTrk сообщения перед первой ненулевой временной меткой и перед первым мета-событием, исключая мета-событие номера последовательности. Мета-событие «канал MIDI» устанавливает значение MIDI-канала с которым будут связаны все последующие мета-события и события SYSEX. Байт данных cc — это номер MIDI-канала, величине 0 соответствует первый канал.

Спецификация MIDI не предусматривает указание номера канала для SYSEX событий и мета-событий. Если создается файл типа 0, то все SYSEX события и мета-события находятся на одном треке и затруднительно распределить эти события между соответствующими канальными (голосовыми) сообщениями (например, если вы хотите обозначить партию канала 1 как «Флейта соло», а партию канала 2 как «Труба соло», то вам придется использовать два мета-события «Имя трека» для введения этих названий, но поскольку оба этих трека расположены на одном канале, то перед первым мета-сообщением имени трека необходимо поместить мета-сообщение «канал MIDI», в котором указать номер соответствующего канала, а перед вторым мета-сообщением имени трека поместить мета-сообщение канала MIDI с указанием номера второго канала.

На одном MIDI-треке можно использовать более одного мета-сообщения «канал MIDI», если события этого трека нужно распределить между несколькими каналами MIDI.

Формат файла MIDI.

Стандарт, известный как General MIDI, определяет способ хранения MIDI-сообщений в файле. Этот формат файла стал стандартным способом хранения и обмена аудиоданными. Преимущество обмена файлами MIDI по сравнению с файлами оцифрованного звука состоит в том, что файлы MIDI намного меньше по размеру, так как они хранят только ноты, а не детальную запись звука. Для воспроизведения MIDI-файлов на компьютере требуется звуковая карта, поддерживающая MIDI-интерфейс. Файлы MIDI не определяют в явном виде всех тонкостей воспроизведения звука.

MIDI Клавиатуры

На сегодняшний день трудно представить себе студию без MIDI-клавиатуры. Даже в домашних студиях начального уровня MIDI-клавиатура является важным звеном. Безусловно, многое зависит от того, в каком жанре и направлении осуществляется создание музыки и каковы приоритеты аранжировки. С MIDI-клавиатурой написание музыки сделать будет гораздо удобнее и, самое главное, быстрее.

Существует достаточно много видов и моделей MIDI-клавиатур, начиная от недорогих комбинированных с компьютерной клавиатурой миниатюрных моделей (Creative ProdiKeys), и до полноценных самодостаточных электро-пиано с рояльной механикой, мощным синтезатором тембров и встроенными динамиками.

Клавиатуры различаются механикой, размерами и количеством клавиш. Модели с простой синтезаторной клавиатурой, регистрирующие лишь нажатие клавиши, были распространены в прошлом. Сейчас производители предлагают нам клавиатуры более высокого качества и функциональности. Основную массу клавиатур составляют так называемые "активные" модели c чувствительностью к скорости нажатия (velocity-sensitive). Главное отличие между ними в особенностях механики. Невзвешенная клавиатура используются в бюджетных моделях. Представляет собой синтезаторную клавиатуру, с легко и быстро нажимаемыми клавишами с очень слабым сопротивлением нажатию. Такой тип клавиатур имеет ограниченную область применения. Но у них есть и достоинства, прежде всего - низкая цена!

MIDI синтезатор

Методы синтеза звука , предназначенный обычно для синтеза звука и музыки, а также удовлетворяющий спецификации MIDI, называют MIDI-синтезатором. Примечание. MIDI (Musical Instruments Digital Interface) — общепринятая спецификация для цифрового интерфейса музыкальных устройств, включающая в себя стандарт на аппаратную и программную части. Аппаратная часть звуковой карты — это синтезатор звуков и музыкаль­ных инструментов, микропроцессор, контролирующий работу MIDI-устройств и управляющий ею, а также разъемы и шнуры для подключения различных устройств. Программная часть — это протокол MIDI с набором команд, которые описывают различные функции и обеспечивают обмен информацией между устройствами MIDI (смотрите подробней о MIDI в главе Ремонт ноутбуков).

Так как MIDI-данные — это набор команд, то музыка также записывается с помощью команд, указывающих: какую ноту играть, какой инструмент использовать, а также какую продолжительность и тональность звучания выбирать. Эти команды храп MIDI-файлах (расширение mid). Поскольку производителей М синтезаторов имеется много, то и звучать один и тот же файл на разных синтезаторах по-разному.

Музыкальный синтезатор

Синтезатор – это музыкальный инструмент, ставший уже таким привычным в мире музыкального творчества. Но каким бы высокотехнологичным он ни казался, изобрели его в позапрошлом веке.

Секве́нсор или секвенсер (от англ. sequence, последовательность) — аппаратное или программное устройство для записи и воспроизведения MIDI-сообщений. Принцип работы секвенсера заключается в том, что записываются MIDI-сообщения от устройств (например, от клавишного синтезатора, MIDI-клавиатуры, драм-машины) во внутреннюю память для последующего воспроизведения. Таким образом, секвенсор по своим функциям аналогичен магнитофону (и чаще всего оборудуется управлением магнитофонного типа), за исключением того, что он записывает не звуковые данные, а команды для различных MIDI-устройств.