Инструментальное кодирование, формат MIDI
Вы будете перенаправлены на Автор24
Человек множество столетий передает из поколения в поколение прекрасные музыкальные произведения, созданные великими композиторами, а для этого использует нотную запись, которая есть ничто иное, как способ компактного представления музыки, в котором специальными символами можно указать на то, какой высоты звук, на каком инструменте и как исполнить. Фактически нотная запись представляет собой алгоритм для музыканта, записанный на особом формальном языке. Как уже говорилось ранее, для перевода символьной информации в информацию, понятную компьютеру, достаточно иметь лишь таблицу соответствия между символами этого языка и их двоичными кодами.
В 1983 г. ведущие фирмы-производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, который описал подобную систему кодов. Он получил название MIDI.
Именно с появлением MIDI музыкальным творчеством на компьютере смогли заниматься все желающие.
Что такое MIDI?
Готовые работы на аналогичную тему
Ведущая идея MIDI-технологии очень проста и по своему гениальна: по проводам передается не сам звуковой сигнал, а лишь закодированная (в цифровой форме) команда, которую принимает синтезатор и воспроизводит в соответствии с ней определенный звук. Все действия исполнителя кодируются и превращаются в MIDI-сообщения, которые, в свою очередь, удобно хранятся в памяти, так как они не занимают много места, а также легко редактируются и воспроизводятся с помощью специальных программ, называемых секвенсорами.
Миди и звуковая карта
Звуковая карта включает в себя MIDI-интерфейс, синтезатор, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП). Звучание MIDI-файлов напрямую зависит от параметров конкретной звуковой карты. MIDI-файл не содержит непосредственного оцифрованного звука. Он содержит набор команд, при помощи которых микросхемы звуковой платы способны синтезировать звук. И от того насколько правильно и верно происходит синтез звука в конкретной звуковой карте (он, в свою очередь, зависит от многих параметров), настолько естественно будет звучать MIDI-файл.
Дешевые звуковые карты имеют встроенный FM-синтезатор, который дает довольно некачественное компьютерное звучание. В операционной системе появляется его собственный порт с именем FM Synth, OPL-3 Music Synthesizer, или подобным. Для карт с более мощным волновым синтезатором (WT-синтезатор) появляется порт с именем вроде Wavetable Synth, Advanced Wave Effects и т.п. Звук у такого синтезатора более качественный, но различается у разных звуковых карт, так они могут иметь различные банки готовых звуков. В некоторых картах эти банки можно заменять, редактировать. На данный момент наиболее качественный волновой синтезатор имеется у карты Creative Sound Blaster Live. Существуют и программные синтезаторы, позволяющие программно синтезировать качественные звуки. Например, программный синтезатор Microsoft GS в Windows 98. Если не обнаружили у себя такого программного синтезатора, то можно установить программный синтезатор Roland VSC-88. Лучшие из программных синтезаторов Roland VSC-88 или Yamaha S-YXG50 (его звуки уже несколько другие) можно скачать в Интернете.
Запись и редактирование миди-музыки
Миди-песни – это отличное пособие для начинающих музыкантов: в окне миди-редактора, представленного на рисунке, можно, например, наглядно видеть и одновременно слышать партию гитары, проигрывать ее в любом темпе, самому изменять, транспонировать, играть на любой гитаре (с нейлоновыми струнами или металлическими, джазовой и других) и т.д.
Применение MIDI
Основным применением MIDI является хранение и передача музыкальной информации. Сюда можно отнести:
Преимущества MIDI
Причина, по которой MIDI на протяжении стольких лет имеет огромный успех, достаточно проста и заключается в том, что протокол был очень тщательно разработан, прежде чем его представили пользователям. Требования в нем к аппаратной реализации и взаимодействию устройств были четко определены и трактовались однозначно. Кроме того, MIDI не была детищем одной компании, а явилась продуктом работы целой ассоциации производителей.
Конечно же, данная система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится лишь для записи инструментальной музыки.
Однако, она все же обладает рядом неоспоримых преимуществ:
Помимо того, качество звучания зависит исключительно от возможностей синтезатора или звуковой платы компьютера, с помощью которых это воспроизводится.
Урок 10
§14. Кодирование звука и видео
Содержание урока
Инструментальное кодирование звука
Инструментальное кодирование звука
Существует ещё один способ кодирования звука, который можно применить только для записи инструментальных мелодий. Он основан на стандарте MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов).
В отличие от оцифрованного звука в таком формате хранятся последовательность нот, коды инструментов, громкость, тембр, время затухания каждой ноты и т. д.
Фактически такая запись звука — это программа для звуковой карты, в памяти которой хранятся образцы звуков реальных инструментов (волновые таблицы, англ. wave tables).
Современные звуковые карты поддерживают многоканальный звук, т. е. в звуковом файле может храниться несколько дорожек, которые проигрываются одновременно.
Существуют специальные MIDI-клавиатуры, которые позволяют вводить звук и сразу сохранять его в стандарте MIDI (рис. 2.34).
Для проигрывания MIDI-файла используют синтезаторы — электронные устройства, имитирующие звук реальных инструментов.
Простейший синтезатор — звуковая карта компьютера. Главные достоинства инструментального кодирования:
• кодирование мелодии (нотной записи) происходит без потери информации;
• файлы имеют значительно меньший объём в сравнении с оцифрованным звуком той же длительности.
Однако произвольный звук (например, человеческий голос) в таком формате закодировать невозможно.
Используя дополнительные источники, найдите ответы на вопросы.
— Сколько различных музыкальных инструментов включено в стандарт MIDI?
— Что такое полифония?
— Какое расширение имеют файлы, содержащие звук, закодированный в стандарте MIDI?
Следующая страница 
Кодирование видеоинформации
Cкачать материалы урока
Содержание урока
§16. Кодирование графических изображений
§17. Кодирование звуковой и видеоинформации
Инструментальное кодирование звука
§17. Кодирование звуковой и видеоинформации
Инструментальное кодирование звука
Существует еще один, принципиально иной способ кодирования звука, который можно применить только для кодирования инструментальных мелодий. Он основан на стандарте MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов). В отличие от оцифрованного звука в таком формате хранятся последовательность нот, коды инструментов (можно использовать 128 мелодических и 47 ударных инструментов), громкость, тембр, время затухания каждой ноты и т. д. Фактически это программа, предназначенная для проигрывания звуковой картой, в памяти которой хранятся образцы звуков реальных инструментов (волновые таблицы, англ, wave tables).
Современные звуковые карты поддерживают многоканальный звук, т. е. в звуковом файле может храниться несколько «дорожек», которые проигрываются одновременно. Таким образом, получается полифония — многоголосие, возможность проигрывать одновременно несколько нот. Количество голосов для современных звуковых карт может достигать 1024.
Звук, закодированный с помощью стандарта MIDI, хранится в файлах с расширением mid. Существуют специальные клавиатуры, которые позволяют вводить звук и сразу сохранять его в формате mid.
Для проигрывания MIDI-файла используют синтезаторы — электронные устройства, имитирующие звук реальных инструментов (рис. 2.28). Простейшим синтезатором является звуковая карта компьютера.
Главные достоинства инструментального кодирования:
• кодирование мелодии (нотной записи) происходит без потери информации;
• файл имеет значительно меньший объём по сравнению с оцифрованным звуком той же длительности.
Однако произвольный звук (например, человеческий голос) в таком формате закодировать невозможно. Кроме того, производители сами выбирают образцы звуков (так называемые сэмплы, от англ, samples — образцы), которые записываются в память звуковой карты (нет единого стандарта). Поэтому звучание MIDI-файла может немного отличаться на разной аппаратуре.
Следующая страница Кодирование видеоинформации
Cкачать материалы урока
Обработка звука
Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:
1. Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала.
2. Частотные преобразования. Выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну.
3. Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука.
4. Временные преобразования. Реализуются путем наложения, растягивания/сжатия сигналов; позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.
Аналоговый и дискретный способы представления звука
Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.
При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.
При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.
Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).
Восприятие звука человеком
Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука.
Колебания барабанной перепонки в свою очередь передаются во внутреннее ухо и раздражают слуховой нерв. Так образом человек воспринимает звук.
В аналоговой форме звук представляет собой волну, которая характеризуется:
Герц (Гц или Hz) — единица измерения частоты колебаний. 1 Гц= 1/с
Человеческое ухо может воспринимать звук с частотой от 20 колебаний в секунду (20 Герц, низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (20 КГц, высокий звук).
Кодирование звуковой информации
Для того чтобы комп ьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Качество кодирования звуковой информации зависит от :
1)частотой дискретизации, т.е. количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования.
2)глубиной кодирования, т.е. количества уровней сигнала.
Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле: N = 2 i = 2 16 = 65536, где i — глубина звука.
Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.
Форматы звуковых файлов
РСМ. РСМ расшифровывается как pulse code modulation, что и является в переводе как импульсно-кодовая. Файлы именно с таким расширением встречаются довольно редко. Но РСМ является основополагающей для всех звуковых файлов.
RIFF. Resource Interchange File Format. Уникальная система хранения любых структурированных данных.
MOD. Файл хранит в себе короткий образец звука, который потом можно использовать в качестве шаблона для инструмента.
AIF или AIFF. Audio Interchange File Format. Данный формат распространен в системах Apple Macintosh и Silicon Graphics. Заключает в себе сочетание MOD и WAV.
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. 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.
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.
Инструментальное кодирование звука
Существует еще один, принципиально иной способ кодирования звука, который можно применить только для кодирования инструментальных мелодий. Он основан на стандарте MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов). В отличие от оцифрованного звука в таком формате хранятся последовательность нот, коды инструментов (можно использовать 128 мелодических и 47 ударных инструментов), громкость, тембр, время затухания каждой ноты и т. д. Фактически это программа, предназначенная для проигрывания звуковой картой, в памяти которой хранятся образцы звуков реальных инструментов (волновые таблицы, англ, wave tables).
Современные звуковые карты поддерживают многоканальный звук, т. е. в звуковом файле может храниться несколько «дорожек», которые проигрываются одновременно. Таким образом, получается полифония — многоголосие, возможность проигрывать одновременно несколько нот. Количество голосов для современных звуковых карт может достигать 1024.
Звук, закодированный с помощью стандарта MIDI, хранится в файлах с расширением mid. Существуют специальные клавиатуры, которые позволяют вводить звук и сразу сохранять его в формате mid.
Для проигрывания MIDI-файла используют синтезаторы — электронные устройства, имитирующие звук реальных инструментов (рис. 2.28). Простейшим синтезатором является звуковая карта компьютера.
Рис. 2.28
Главные достоинства инструментального кодирования:
• кодирование мелодии (нотной записи) происходит без потери информации;
• файл имеет значительно меньший объём по сравнению с оцифрованным звуком той же длительности.
Однако произвольный звук (например, человеческий голос) в таком формате закодировать невозможно. Кроме того, производители сами выбирают образцы звуков (так называемые сэмплы, от англ, samples — образцы), которые записываются в память звуковой карты (нет единого стандарта). Поэтому звучание MIDI-файла может немного отличаться на разной аппаратуре.
Кодирование видеоинформации
Для того чтобы сохранить видео в памяти компьютера, нужно закодировать звук и изменяющееся изображение, причём требуется обеспечить их синхронность (одновременность). Для кодирования звука чаще всего используют оцифровку с частотой 48 кГц. Изображение состоит из отдельных растровых рисунков, которые меняются с частотой не менее 25 кадров в секунду, так что глаз человека воспринимает смену кадров как непрерывное движение. Это значит, что для каждой секунды видео нужно хранить в памяти 25 изображений.
Если используется размер 768 х 576 точек (стандарты PAL/SECAM) и глубина цвета 24 бита на пиксель, то закодированная 1 секунда видео (без звука) будет занимать примерно 32 Мбайт, а 1 минута — около 1,85 Гбайт. Это недопустимо много, поэтому в большинстве форматов видеоизображений используется сжатие с потерями. Это значит, что некоторые незначительные детали теряются, но «обычный» человек (непрофессионал) не почувствует существенного ухудшения качества. Основная идея такого сжатия заключается в том, что за короткое время изображение изменяется очень мало, поэтому можно запомнить базовый кадр, а затем сохранять только изменения. Как только изображение существенно изменится, выбирается новый базовый кадр.
В последние годы часто используются форматы видео высокой чёткости (англ. HD — High Definition) — 1280 х 720 точек и 1920 х 1080 точек, предназначенные для просмотра на широкоформатных экранах с соотношением сторон 16:9.
Наиболее известны следующие видеоформаты:
• AVI (англ. Audio Video Interleave — чередующиеся звук и видео; файлы с расширением avi) — формат видеофайлов, разработанных фирмой Microsoft для системы Windows; может использовать разные алгоритмы сжатия;
• WMV (англ. Windows Media Video-, файлы с расширением wmv) — система кодирования видео, разработанная фирмой Microsoft; может использовать разные алгоритмы сжатия;
• MPEG (файлы с расширением mpg, mpeg) — формат кодирования видеоинформации, использующий один из лучших алгоритмов сжатия, который разработала экспертная группа по вопросам движущегося изображения (англ. Motion Picture Experts Group);
• MP4 (файлы с расширением mp4) — формат видеофайлов, позволяющий хранить несколько потоков видео высокой чёткости, а также субтитры;
• MOV (англ. Quick Time Movie; файлы с расширением mov) — формат видеофайлов, разработанный фирмой Apple;
• WebM — открытый (не требующий оплаты лицензии) видеоформат, который поддерживается в современных браузерах без установки дополнительных модулей.
Вопросы и задания
1. Что такое аналоговый сигнал?
2. Какие вы знаете аналоговые приборы?
3. Почему аналоговые компьютеры были вытеснены цифровыми?
4. Что такое оцифровка? Если ли потеря информации при оцифровке? Почему?
5. Что такое интервал дискретизации и частота дискретизации?
6. Как связаны частота дискретизации с потерей информации и объёмом файла?
7. Какие частоты дискретизации сейчас используются?
8. От чего зависит выбор частоты дискретизации?
9. Почему частоты дискретизации более 48 кГц применяются очень редко?
10. Как происходит вывод закодированного звукового сигнала на колонки или наушники?
11. Что такое дискретизация по уровню?
12. Какое устройство выполняет дискретизацию при записи звука?
13. Что такое разрядность кодирования звука? На что она влияет?
14. В чём достоинства и недостатки оцифровки?
15. Какие форматы файлов для хранения оцифрованного звука вы знаете?
16. Что такое потоковый звук?
17. Что такое инструментальное кодирование?
18. Что такое волновая таблица?
19. Что такое многоканальный звук?
20. В файлах с каким расширением хранится звук, закодированный с помощью стандарта MIDI?
21. Что такое синтезатор?
22. В чём достоинства и недостатки инструментального кодирования звука?
23. Почему MIDI-файлы могут звучать по-разному на разной аппаратуре?
24. Что такое синхронность?
25. Какая частота дискретизации звука чаще всего используется при кодировании видеофильмов?
26. Почему при кодировании видео используется частота не менее 25 кадров в секунду?
27. Почему компьютерные фильмы чаще всего хранятся в сжатом виде?
28. Что означает сжатие с потерями? В чём состоит его основная идея при кодировании видео?
29. Какие форматы видео вы знаете?
Подготовьте сообщение
а) «Как устроена звуковая карта?»
г) «Что такое медиаконтейнер?»
е) «Свободные звуковые и видеоформаты»
Задачи
1. Заполните пустые ячейки таблицы, вычислив объёмы звуковых файлов (без сжатия):
2. Заполните пустые ячейки таблицы, вычислив время звучания записи (объёмы файлов приведены без учёта сжатия):
3. Заполните пустые ячейки таблицы, вычислив глубину кодирования звука (объёмы файлов приведены без учёта сжатия):
4. Заполните пустые ячейки таблицы, вычислив частоту дискретизации звука (объёмы файлов приведены без учёта сжатия):
5. Кадры видеозаписи закодированы в режиме истинного цвета (24 бита на пиксель) и сменяются с частотой 25 кадров в секунду, запись содержит стереофонический звук. Остальные параметры для разных вариантов заданы в таблице. Оцените объём 1 минуты видеозаписи в мегабайтах (с точностью до десятых). Сколько минут такой записи поместится на стандартный CD-диск объёмом 700 Мбайт?
Дата добавления: 2019-11-16 ; просмотров: 1286 ; Мы поможем в написании вашей работы!
