Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
19
БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра «ИНЖЕНЕРНАЯ МАТЕМАТИКА»
Подготовил студент: Бескаровайный А. Л.
Группа 113039
Руководитель работы: Анисимов В. Я.
Минск 2000
СОДЕРЖАНИЕ:
|
[1] Что же такое мультимедиа? [2] Мультимедиа и Windows 95/98(SE)/МЕ/NT/2k/XP. [3] Системы мультимедиа [4] Типы и стандарты мультимедиа [5] О звуковой мультимедиа [6] Цифровая запись [7] Звук и типы звуковых файлов [8] Компрессия аудиоданных [9] Программное обеспечение по преобразованию цифровой записи [9.1] Voice [9.2] Mpeg Encoder [9.3] LameBatch [10] Заключение [11] Литература |
МУЛЬТИМЕДИА. ФОРМАТЫ ЗВУКОВЫХ ФАЙЛОВ.
Multimedia – это подхваченный всеми термин, обозначающий интерактивный инструмент для работы с графикой, анимацией, звуком и видео. Мультимедиа привносит блеск в презентации, живопись и игры, и, кроме того, доставляет удовольствие при обучении. Она превращает компьютер из настольной системы с клавиатурой и монитором в некий «космический аппарат», укомплектованный динамиками, микрофоном, наушниками, джойстиками и компакт-дисками.
Мультимедиа позволяет работать на компьютере со всеми видами информации, а не только с текстом или обычными рисунками. Мультимедиа – это цифровая информация, имеющая более широкие возможности, чем другие ее виды.
Если вы покупаете компьютер со встроенными средствами мультимедиа или устанавливаете на свой компьютер, то вам необходимо разобраться в многообразии средств мультимедиа, а также познакомиться с существующими способами записи и воспроизведения. Существуют два основных вида систем мультимедиа:
В 80-х годах персональный компьютер состоял из микропроцессора (CPU), клавиатуры, монитора, дисковода и принтера. Все, что вы могли сделать на компьютере, – это работать с текстом. Люди тратили очень много времени, оформляя письма, производя финансовые расчеты и просматривая базы данных.
Но теперь, когда появились такие графические пользовательские интерфейсы, как Windows95/98(SE)/МЕ/NT/2k., и значительно более мощные персональные компьютеры, начали появляться приложения, предоставляющие возможность использовать анимационные эффекты, звук и видео. В конце 1980г. люди начали сочинять музыку на компьютере, комбинируя анимацию и звук, создавая захватывающие мультимедиа-презентации со звуком и движущимися картинками. Оборудование, однако, было дорогим, а результаты часто не оправдывали ожиданий. Windows3.1 и DOS не имели достаточно ресурсов для поддержки систем мультимедиа, поэтому картинки на экране двигались очень медленно.
Благодаря Windows все преобразовалось. Она поддерживает средства значительно улучшающие работу с мультимедиа.
Наиболее важным средством мультимедиа в последние несколько лет стало видео. Видео вмещает невероятное количество информации, которая может быть сжата перед перенесением ее с одного устройства на другое, например, из видеокамеры на жесткий диск через шину компьютера. Применение технологии сжатия аудио- и видеоинформации позволяет расширить рынок средств мультимедиа.
Дополнительными периферийными устройствами к компьютеру в середине 80-х годов были дисководы, сканеры, принтеры и коммуникационные средства типа модем. В 90-х годах появляется звуковые карты, видео-карты, дисководы CD-ROM и высокоскоростные коммуникационные средства, благодаря которым теперь вы можете связаться с информационной службой, передающей вам мультимедиа по проводам.
Ниже перечислены минимальные требования для запуска мультимедиа под Windows.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface – интерфейс цифровых музыкальных инструментов) является стандартом для записи нот и сопутствующей информации, связанной с проигрыванием музыки на электронном музыкальном устройстве. Реальный звук при этом не записывается.
Вышеперечисленные компоненты необходимы для воспроизведения и записи средствами мультимедиа. Однако, если вы хотите сами создавать мультимедиа-клипы, то вам могут потребоваться дополнительная аппаратура.
Мультимедиа-информация храниться в виде файлов специального формата, содержащих звук, видеоизображения, или в файлах формата MIDI.
Аудиомедиа (звуковая медиа) хранится, в основном, в двух форматах, WAV и MIDI. Большинство WAV-файлов требует много дискового пространства, но они могут воспроизводиться с помощью любой звуковой карты. MIDI-файлы занимают значительно меньше места на диске, но могут проигрываться только на MIDI-совместимых устройствах. В настоящее время почти все карты способны воспроизводить MIDI-файлы.
Визуальное медиа – это анимационные файлы и видеофайлы.
Анимация. В Windows, если у вас есть соответствующее приложение, вы можете создавать изображения, перемещающиеся по экрану. Не существует стандартного формата анимационного файла, однако многие разработчики одновременно развивают производство как анимационных средств, так и воспроизводящей аппаратуры. Анимация может сопровождаться звуковыми файлами разных форматов.
Видео. Video for Windows – это видеостандарт для Windows. Вы можете записать фильм с видеокамеры или лазерного диска на жесткий диск компьютера и сохранить его как файл в формате AVI либо MPG. Сжатие требуется лишь для высококачественного видео и его эффективного хранения.
Приложения для записи и воспроизведения звука были одними из первых известных приложений мультимедиа для персонального компьютера. Добавив звуковую карту, вы сможете записывать сообщение, переданное голосом, сохранять его как файл на диске, переносить его на другой компьютер, где оно также может быть воспроизведено. Вы также можете записывать музыку и звук для компьютерных презентаций.
Существует два способа звукозаписи:
Звуковая плата преобразует звук на выходе в цифровую информацию путем измерения звука тысячи раз в секунду. Цифровой звук хранится в файлах с расширением WAV. При записи звука аналого-цифровой преобразователь конвертирует звук в цифровые данные. При воспроизведении звука цифроаналоговый преобразователь конвертирует цифровые данные в аналог звуковой волны.
Звук представляет собой вибрации, которые формируют волну с соответствующими амплитудой и периодом, как это показано на рис.1. Амплитуда выражает высоту волны, или громкость звука. Период – это расстояние между двумя звуковыми волнами. Наконец, частота показывает количество периодов в секунду и измеряется в герцах. Например, сто периодов в секунду – это 100 Гц. Человек может воспринимать звук с частотой от 20 до 20000 Гц, и вся выпускаемая звуковоспроизводящая и звукозаписывающая аппаратура рассчитана на этот диапазон частот.
Рис. 1. Измерение звуковой волны
Для того чтобы записать звук и хранить его на цифровом устройстве типа вашего компьютера, производится квантование звука, т.е. разбиение звуковой волны на определенные интервалы по времени. Звуковая волна, показанная на рис.2, была разбита на 16 интервалов. Если предположить, что продолжительность звуковой волны равна одной секунде, то ее частота квантования – 16 Гц.
Рис. 2. Квантование волны при частоте квантования 16 Гц
Как правило, такая низкая частота квантования не используется. Даже цифровой звук с частотой квантования 100 или 1000 Гц не будет распознаваться при воспроизведении. Это происходит потому, что цифровое представление волны в данном случае не сглажено. Фильтрующая аппаратура сглаживает волну, однако наилучшим способом получения качественной цифровой записи является повышение частоты квантования. Следует учесть, что при этом увеличивается объем хранящихся данных, что потребует больше памяти на диске.
Стандартам мультимедиа соответствуют три типа частоты квантования: 11,025; 22,05; 44,1 кГц. Частота квантования зависит от записываемого звука: 11,025 кГц подходит для записи голоса, но для получения высококачественной записи требуется частота квантования 44,1 или 48 кГц. Однако повышение частоты квантования приводит к увеличению размера файла и требуемого пространства на диске для его хранения. Формула для расчета дискового пространства будет приведена ниже, но прежде необходимо разобраться с одной переменной – числом разрядов (бит), используемым для хранения информации о квантовании.
Каждый интервал содержит информацию о малом временном сегменте звука. Количество разрядов для записи каждого интервала определяет точность аппроксимации звуковой волны, однако увеличивает размер файла, в котором хранится цифровой звук. 4-разрядное разбиение на интервалы обеспечивает деление амплитуды звуковой волны по вертикали на 16 уровней, а 8-разрядное разбиение – на 256 уровней. Для высококачественной записи требуется 16-разрядное разбиение на интервалы по амплитуде, которое определяет 65536 уровней амплитуды.
Предшествующее обсуждение касалось сглаженной звуковой волны, но реальная волна не сглажена – она состоит из многих различных частот, которые вместе создают тембр звука. Тембр – это уникальный звук, присущий инструменту. Например, колебания струны и резонатор определяют звучание скрипки (уникальное звучание скрипки Страдивари является результатом добавления ценных веществ в ее полировку). Скрипка производит целый комплекс звуковых волн, как это показано на рис. 3.
Теперь вы видите важность повышения частоты квантования и разрядности звуковой платы при записи звука. Вам необходимо знать не только амплитуду каждого выбранного интервала, но и все, что происходит с волной за единицу времени. Повышение частоты квантования и разрядности звуковой платы обеспечивает качественную запись звука, однако, следует помнить, что это приводит к значительному увеличению дискового пространства, необходимого для хранения записываемого звука. К счастью, если вы записываете голос, то нет необходимости использовать большую частоту квантования и разрядность звуковой платы.
Рис. 3. реальные звуковые волны имеют весьма сложную форму и для получения их высококачественного цифрового представления требуется высокая частота квантования
Ниже приводится формула расчета требуемого дискового пространства для хранения цифрового звука:
на секунду
В табл. 1. приведено требуемое пространство на диске для хранения записи звука продолжительностью одна минута для каждой частоты квантования при разрядности 8 бит. Первая строка в таблице соответствует низкокачественной записи голоса, а последняя строка – стандартам, установленным для цифровых аудиокомпакт-дисков.
Таблица 1. Требования по хранению звуковых файлов
|
Разрядность |
Частота квантования |
Байт для хранения |
|
8 бит |
11,025 кГц |
0,66 Мбайт/мин |
|
8 бит |
22,05 кГц |
1,32 Мбайт/мин |
|
8 бит |
44,1 кГц |
2,646 Мбайт/мин |
|
16 бит |
44,1 кГц |
5,292 Мбайт/мин |
Заметим, что высокая частота квантования и разрядность не требуются, если звук был записан и проигрывается на оборудовании более низкого качества. Например, карманный микрофон записывает звук гораздо более низкого качества, чем запись при частоте квантования 44 кГц. Если у вас высококачественная запись, то для ее воспроизведения соответственно требуется аппаратура высокого качетва.
Звук – это физическое природное явление, распространяющееся посредством колебаний воздуха и, следовательно, можно сказать, что мы имеем дело только с волновыми характеристиками. Задачей преобразования звука в электронный вид является повторение всех его этих самых волновых характеристик. Но электронный сигнал не является аналоговым, и может записываться посредством коротких дискретных значений. Пусть они имеют малый интервал между собой и практически неощутимы, на первый взгляд для человеческого уха, но мы должны всегда иметь в виду, что имеем дело только с эмуляцией природного явления именуемого звуком.
Такая запись именуется импульсно-кодовой модуляцией и являет собой последовательную запись дискретных значений. Разрядность устройства, исчисляемая в битах, говорит о том сколькими значениями одновременно в одном записанном дискрете, берется звук. Чем больше разрядность, тем больше звук соответствует оригиналу.
Любой звуковой файл можно представить, чтобы Вам было наиболее понятно, как базу данных. Она имеет свою структуру, о параметрах которой указывается обычно вначале файла. Потом идет структурированный список значений по определенным полям. Иногда вместо значений стоят формулы, позволяющие уменьшать размер файла. Данные файлы могут читать только специализированные программы, в которые заложен блок чтения.
РСМ
РСМ расшифровывается как pulse code modulation, что и является в переводе как импульсно-кодовая. Файлы именно с таким расширением встречаются довольно редко (я встречал только в программе 3D Audio). Но РСМ является основополагающей для всех звуковых файлов. Я бы не сказал, что это очень экономный метод для хранения данных на диске, но думаю, что от этого уже никогда точно не уйдешь, причем объемы современных винчестеров уже позволяют не обращать внимания на пару десятков мегабайт.
DPCM
Изыскания по поводу экономного хранения звуковых данных на диске. Если Вы встречаете данную аббревиатуру, то знайте, что имеете дело с разностным РСМ. В основе данного метода лежит та вполне оправданная идея, что вычисления гораздо более громоздки по сравнению с тем, что можно просто указать значения разности.
ADPCM
Адаптивный DPCM. Согласитесь, что при указании просто значений разности может возникнуть проблема с тем, что есть очень маленькие и очень большие значения. В результате, какие бы супер-точные измерения не были все равно имеет место искажение действительности. Поэтому в адаптивном методе добавлен коэффициэнт масштабируемости.
WAV
Самое простое хранилище дискретных даннных. Я бы сказал прямое. Один из типов файлов семейства RIFF. Помимо обычных дискретных значений, битности, количества каналов и значений уровней громкости в wav может быть указано еще множество параметров, о которых Вы, скорее всего, и не подозревали – это: метки позиций для синхронизации, общее количество дискретных значений, порядок воспроизведения различных частей звукового файла, а также есть место для того, чтобы Вы смогли разместить там текстовую информацию.
RIFF
Resource Interchange File Format. Уникальная система хранения любых структурированных данных.
IFF
Эта технология хранения данных проистекает от Amiga-систем. Interchange File Format. Почти то же, что и RIFF, только имеются некоторые нюансы. Начнем с того, что система Amiga – одна из первых, в которой стали задумываться о программно-сэмплерной эмуляции музыкальных инструментов. В результате, в данном файле звук делится на две части: то, что должно звучать вначале и элемент того, что идет за началом. В результате, звучит начало один раз, за тем повторяется второй кусок столько раз, сколько Вам нужно и нота может звучать бесконечно долго.
MOD
Файл хранит в себе короткий образец звука, который потом можно использовать в качестве шаблона для инструмента. Проще говоря, прошитый в синтезатор сэмпл.
AIF или AIFF
Audio Interchange File Format. Данный формат распространен в системах Apple Macintosh и Silicon Graphics. Заключает в себе сочетание MOD и WAV.
AIFC или AIFF-С
Тот же AIFF, только с заданными параметрами сжатия (компрессии).
AU
Опять же та же гонка за экономией места. Структура файла намного проще, чем в wav, но там указан метод кодирования данных. Файлы очень мало "весят", за счет чего получили довольно широкое распространение в Интернете. Чаще всего Вы можете встретить параметры m-Law 8 кГц – моно. Но есть и 16-битные стерео-файлы с частотами 22050 и 44100 Гц. Это звуковой формат предназначен для работы со звуком в рабочих системах SUN, Linux и FreeBCD.
MID
Файл, хранящий в себе сообщения MIDI-системе, установленной на Вашем компьютере или в устройстве.
МР3
Самый скандальный формат за последнее время. Многие для объяснения параметров сжатия, которые в нем применяют, сравнивают его с jpeg для изображений. Там очень много наворотов в вычислениях, чего и не перечислишь, но коэффициент сжатия в 10-12 раз сказали о себе сами. Если говорят, что там есть качество, то могу сказать, что там его немного. Специалисты говорят о контурности звука как о самом большом недостатке данного формата. Действительно, если сравнивать музыку с изображением, то смысл остался, а мелкие нюансы ушли. Качество МР3 до сих пор вызывает много споров, но для "обычных немузыкальных" людей потери не ощутимы явно.
VQF
Хорошая альтернатива МР3, разве что менее распространенная. Есть и свои недостатки. Закодировать файл в VQF – процесс гораздо более долгий. К тому же, очень мало бесплатных программ, позволяющих работать с данным форматом файлов, что, собственно, и сказалось на его распространении.
VOC
Восьмибитный моно-формат от семейства SoundBlaster. Можно встретить в большом количестве старых программ, использующих звук (не музыкальных).
НСОМ
То же самое, что и VOC (восемь бит, моно), но только для Apple Macintosh.
UL
Стандартный формат U-Law. 8 кГц, 8 бит, моно.
RA
Real Audio или потоковая передача аудиоданных. Довольно распространенная система передачи звука в реальном времени через Интернет. Скорость передачи порядка 1 Кб в секунду. Полученный звук обладает следующими параметрами: 8 или 16 бит и 8 или 11 кГц.
SND
Бывает двух видов. Один – это тот же AU для SUN и NeXT. Другой – это 8-мибитный моно-файл для РС и Маков с различной частотой дискретизации.
Существуют и другие типы звуковых файлов, но это, скорее всего, файлы различных программ для создания и обработки музыки. В основном, такие файлы читаются только той программой, в которой они были созданы.
Мультимедиа-информация состоит из огромного количества цифровых данных, которые необходимо хранить в сжатом виде. Windows включает в себя средства управления компрессией аудио- и видеоизображений, которые работают с одним или более модулями декомпрессии и называются кодеками (от Компрессия и ДЕКомпрессия). Большое количество программных кодеков поставляются с Windows. Когда вы записываете или воспроизводите звук или видеофайл, Windows автоматически использует кодек.
Многие звуковые и видеокарты имеют встроенные аппаратные кодеки. Windows сначала использует аппаратный кодек, поскольку он быстрее и не очень нагружает процессор. Если аппаратный кодек отсутствует, то Windows применяет программные кодеки. Если она не смогла найти кодек, на экране появится сообщение об ошибке, поскольку сжатый файл невозможно распаковать.
Программа управления компрессией аудиоданных (Audio Compression Manager, ACM) в Windows использует следующие кодеки для компрессии/декомпрессии аудиоданных.
Существует множество программ-кодеков, разработанных специально для преобразований файлов с цифровой записью. Цель каждой такой программы одна – сжатие звукового файла с наименьшей потерей качества и наибольшей степенью сжатия. У каждой из них свои плюсы и минусы: у одних качество сжатия высоко, однако скорость этого сжатия желает лучшего, другие моментально кодируют но с потерей качества, кто же захочет слушать файл с любимой музыкальной композицией, которая кряхтит, свистит и шуршит как старая дедова пластинка.
Наиболее популярные программы-кодеки приведены ниже.
Программное обеспечение состоит из четырёх модулей, которые могут работать как на одном компьютере, так и на разных.
Первый модуль, работающий в среде Windows, отвечает за работу с внешней аппаратурой, производит непосредственно запись с телефонной (радио) линии и воспроизведение в телефонную (радио) линию звуковых файлов.
Рис. 4. Диалоговое окно программы Voice
Второй программный модуль, отвечающий за сжатие звуковых файлов, использует в свой работе стандартные алгоритмы сжатия Wav-файлов. Используемые алгоритмы сжатия позволяют упаковывать поступающие сообщения до уровня 4Кбайт - 600байт за секунду. Алгоритмы сжатия можно оперативно изменять в зависимости от требуемой степени сжатия и качества звучания.
Третий программный модуль отвечает за ведение базы данных (добавление разговоров в базу данных и автоматическое удаление из неё по мере их старения). В базе данных информация хранится в течение заданного отрезка времени, после чего она либо архивируется, либо автоматически удаляется.
Последний, четвёртый программный модуль предназначен для работы с базой данных: поиск разговоров, их прослушивание, перезапись и ручное удаление.
Все модули работают в 32х разрядных средах Windows. Всё программное обеспечение одновременно может работать как друг с другом, так и с другими Windows-приложениями.
Одна из лучших программ-кодеков уходящего столетия.
Рис.5. Диалоговое окно программы mpeg Encoder
Один недостаток mpeg Encoder – уходит много времени на сжатие файла с цифровой записью. На обработку звукового файла продолжительностью около 3-5 минут уходит порядка 25-40 минут. Но ожидания стоят того – качество не отличается от оригинала.
Программа состоит только из одного диалогового окна, что упрощает работу. Не требуется каких-либо дополнительных знаний в области преобразований цифровой информации и т.п., вы указываете путь к исходящему файлу в поле SOURCE и в поле TARGET конечную папку, в которой будет находиться сжатый файл в формате mp3 (по умолчанию). Задаете частоту квантования, параметры качества – стерео или моно и… вперед! Смело жмем кнопку Encode.
LameBatch - это незатейливая оболочка, написанная с целью упрощения работы с командными строками mp3-кодеров, называющегося LAME от Mark Taylor и компании. Оболочки основана на простом ядре.
Рис. 6. Диалоговое окно с параметрами программы LameBatch
Содержит всего две вкладки «Files» и «Settings», в последней вы указываете все нужные вам параметры сжатия.
Основные фишки:
Последняя версия на сегодня это LameBatch 0.99c и выпущена 25 октября. При тестировании использовались LAME 3.35. LameBatch распространяется как халява, поэтому - никаких гарантий.
Список программ и их достоинства, и недостатки можно перечислять очень долго. Программ-кодеков в последнее время разработано много, стоит подключиться к сети Internet, набрать в строке поискового портала «programs&encode&multimedia» как сразу получишь список программ для обработки звуковых и не только файлов.
Порассуждаем немного о сжатии звуковых файлов. Для чего это нужно, особо говорить не стоит, упомяну лишь то, что широко распространенные способы сжатия цифровых музыкальных данных в 11–14 раз позволили неимоверно толкнуть вперед программную и «железную» музыкальную индустрию, не говоря уже о том, что с качественной музыкой теперь в Internet проблем, в общем-то, нет. Найти можно практически любую композицию. (На самом деле, конечно же, далеко не любую. Попробуйте поискать что-нибудь нетривиальное — Билли Маккензи, например, или Берни Марсдена, вряд ли у вас что-нибудь получится. Найти можно преимущественно популярную музыку или классику жанра, да и то далеко не всю.
С момента начала своего бурного развития (около двух лет назад) открытая технология сжатия музыкальной (звуковой) информации качественных изменений технологии сжатия не претерпела. Другими словами, многочисленным поклонникам музыки приходится мириться с достаточно емкими файлами, т. к. никаких сдвигов на этом фронте не намечается. Сегодняшние пределы для сжатия без значительной потери качества составляют около 11–12 раз от оригинального размера музыкального файла. Как известно, на компакт-диске со стандартной частотой оцифровки 44 100 Гц (стерео, два байта на одно амплитудное значение) может уместиться до 74 минут звука — примерно по 10 Мбайт на минуту.
При средней длительности музыкальной композиции 4 минуты имеем чистого (несжатого) звука 40 Мбайт. Много. Очень много для Internet. Имея модем со скоростью 33,6 Кбайт/с и полный канал для скачивания (т. е. в идеале — 3,5 Кбайт/с) 40 Мбайт мы получим только через 4–5 часов (обычно эта цифра в 1,5–2 раза больше).
Применяя сжатие музыкального файла без потери его основных характеристик (стерео, частота дискретизации при оцифровке 44 100 Гц, 2 байта на выборку амплитуды), можно добиться уменьшения размера в 11–12 раз. Так что вместо 40 Мбайт получится всего 3,8–3,9 Мбайт. Это уже вполне приемлемо. Можно сжимать еще больше, но тогда ощутимо проигрываем в качестве: отличия от оригинала становятся слышимыми даже не меломану. Называемые здесь пределы — 11 или 12 раз — это уже подобранные и проверенные критерии качество/размер за всю недолгую историю использования программ-сжимателей звуковых файлов.
Диалектика. Киев. 1996г.
Фантазия. 1999-2000г.
Поиск материала осуществлялся поисковыми системами: