Мультимедиа технологии. Часть 1. Основы Мультимедиа технологий

Нужнов Евгений

Стандарт MPC4 так и не появился, уступив инициативу компании Intel, выпустившей спецификацию Audio Codec (AC) 97 Componenet Specification (AC’97), корпорации Microsoft, выпустившей руководство по разработке аппаратных средств для ПК под названием PC 97 Hardware Design Guide (PC’97), а также компаниям Intel, Compaq и Microsoft, выпустившим рекомендации PC 98 System Design Guide (PC’98) [4-5], кратко рассмотренные в 3.5. К настоящему моменту при активном участии этих компаний был разработан и опубликован целый ряд документов (в том числе, PC'99, PC’2001 и др.), даже беглое знакомство с которыми дает

представление о том, что современный облик и состав ПК существенно изменился. ПК уверенно идет по пути качественного перерождения, что, конечно, включает и эволюцию ММ средств.

1.2.2. Состав аппаратуры мультимедиа

Чтобы реализовать на ПК даже простейшие примеры работы средств ММ, например, запись и воспроизведение музыки, следует дополнить аппаратуру специальной интерфейсной картой – акустическим адаптером (звуковой картой, sound card). Эта карта может выпускаться в виде отдельного устройства, вставляться в слот расширения материнской платы ПК или быть интегрированной с ней. Как правило, звуковые карты не имеют собственного усилителя мощности, поэтому для получения звука достаточной громкости следует пользоваться внешним усилителем или активной акустической системой (со встроенными усилителями). Типовой состав ММ аппаратуры представлен на рис. 1.6., где MIDI-секвенсор – устройство записи, воспроизведения, компоновки, редактирования MIDI-файлов.

Рис. 1.6. Типовой состав ММ аппаратуры

В состав аппаратуры ММ постоянно включаются новые накопители и носители информации все возрастающей емкости, поскольку развитие технологий DVD и других интенсивно продолжается. Например, уже используются устройства и оптические диски, выполненные по технологии Blu-ray.

В число дополнительных устройств ММ ПК могут входить разнообразные устройства ввода-вывода информации: TV-тюнер, модем, игровые приставки (геймпады), манипуляторы и указатели, аппаратура поддержки среды виртуальной реальности и т.п.

1.3. Обработка звука и звуковые карты

1.3.1. Характеристики звука

Звук – это невидимые волны, которые распространяются в воздухе, чаще всего из-за того, что где-то происходят колебания. С помощью нервных окончаний в нашем ухе мы их и слышим. При этом орган слуха (периферический отдел слухового анализатора) преобразует различные параметры звука (интенсивность, частоту, длительность) в активность периферических и центральных слуховых нейронов, на основе чего формируются субъективные характеристики звука (громкость, высота, продолжительность). Характерной чертой всех источников звука является из вибрация.

Звуковая волна – это процесс распространения в сплошной среде объемных деформаций сжатия и разряжения. При распространении звуковых волн наблюдаются явления, присущие всем волновым процессам: интерференция, дифракция, отражение, рассеивание.

Простейшая звуковая волна (чистый звук, гармонические колебания) представляется аналоговым сигналом – синусоидой (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Простейшая звуковая волна

Амплитуда синусоиды (A) определяет громкость звука, а частота – величина, обратная периоду колебания (T) –

его высоту тона (ноту). Чем выше частота, тем выше тон [3-8, 18]. Однако чисто синусоидальные звуковые колебания встречаются в природе крайне редко. Большинство звуковых сигналов имеют негармоническую форму. Они могут быть периодическими (звук скрипки при равномерном движении смычка по струне) или непериодическими (звуки речи).

Электрическое отображение реального звука, который мы слышим (аналоговый звук), имеет вид непрерывной кривой. В случае сложных негармонических колебаний высота звука оценивается ухом человека по частоте основного тона.

Реальные звуки кроме громкости и высоты характеризуются еще и тембром – своеобразной окраской или насыщенностью, поскольку они представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. Тембр обеспечивается присутствием в сигнале кроме основного тона (колебаний основной частоты) еще и дополнительных гармоник – колебаний более высоких (в 2, 3, 4 раза и т.д.) частот – обертонов. Эти звуки располагаются через октаву. Именно обертоны определяют неповторимый тембровый окрас голоса того или иного музыкального инструмента [5]. Тембр зависит от числа, состава и амплитуд обертонов, а также от скоростей нарастания разных амплитуд. Таким образом, в реальных условиях происходит интерференция (сложение) волн основного тона и обертонов, в результате чего отображающая кривая получает замысловатую форму, как на примерах реальных звуковых волн трубы и фортепиано (рис. 1.8) [18].

Рис. 1.8. Примеры реальных звуковых волн трубы и фортепиано

Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал состоит из четырех характерных фрагментов (фаз), имеющих названия: Атака (Attack), Спад (Decay), Поддержка (Sustain) и Затухание (Release) (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Четыре фазы звукового сигнала

Огибающая колебаний во время атаки, спада, поддержки и затухания называется амплитудной огибающей (envelope) (рис. 1.10). Различные музыкальные инструменты имеют разную форму амплитудной огибающей, отмеченные фазы характерны практически для всех инструментов (исключение составляют ударные). Для создания электронного аналога реального звука (синтеза звука) необходимо воссоздать огибающие гармоник, из которых состоит реальный звук.

Рис. 1.10. Амплитудная огибающая

В более совершенных синтезаторах сигнал имеет шесть фаз, включая дополнительно фазы задержки (Delay) и удержания (Hold) (рис. 1.11) [19, 20].

Ухо человека слышит сигналы в диапазоне частот от 17-20 Гц до 20 КГц, причем, логарифмически. Поэтому сила звука обычно измеряется в логарифмах отношения сравниваемых амплитуд, например, в децибелах (дБ) [5]:

1 дБ = 20 log₁₀(A/B)

Рис. 1.11. Шесть фаз звукового сигнала