第2章 数字声音及MIDI简介
这些声音有许多共同的特性，也有它们各自的特性。在用计算机处理这些声音时，既要考虑它们的共性，又要利用它们的各自的特性。 声音是携带信息的极其重要的媒体，是多媒体技术研究中的一个重要内容。声音的种类繁多，如人的话音、乐器声、动物发出的声音、机器产生的声音以及自然界的声音等。 这些声音有许多共同的特性，也有它们各自的特性。在用计算机处理这些声音时，既要考虑它们的共性，又要利用它们的各自的特性。 我们将研究声音的基础知识；掌握声音数字化的两个最基本的概念；介绍声音存储格式和声音工具 多媒体技术 第3讲
声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。 2.1 声音与听觉器官 声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。 多媒体技术 第3讲
声音与听觉器官 声音的强弱——声波压力的大小 声波的特性——反射 (reflection)、折射 (refraction)和衍射 (diffraction) 多媒体技术 第3讲
声音与听觉器官 音调的高低——声音的频率 音频是指声音信号的频率 音高则是指音调的高低。 人对于声音频率的感觉表现为音调的高低。音高与声音频率的关系也大体上呈对数关系。 多媒体技术 第3讲
音阶与频率的对应关系
音色 由声音的频谱决定 响度 对声音强度的衡量
带宽：它用来描述组成复合信号的频率范围。 声音信号由许多频率不同的信号组成。 带宽：它用来描述组成复合信号的频率范围。 20Hz～20KHz——音频信号 0～120 dB——声音幅度 多媒体技术 第3讲
2.2 声音信号数字化 2.2.1 从模拟过渡到数字 数字信号处理器（DSP） 2.2.2 模拟信号与数字信号 2.2 声音信号数字化 2.2.1 从模拟过渡到数字 数字信号处理器（DSP） 2.2.2 模拟信号与数字信号 采样离散时间信号离散幅度信号
2.2.3 声音信号数字化 ①采样：以适当的时间间隔观测模拟信号波形幅值的过程叫采样。 ②量化：将采样时刻的信号幅值归整（四舍五入）到与其最接近的整数标度叫做量化。 ③编码：将量化后的整数,用一个二进制数码序列来表示叫做编码。 多媒体技术 第3讲
2.2.3 声音信号数字化 模拟电压、量化和编码 电压范围 量化(dec) 编码(bin) 0.5 ~ 0.7 3 011 0.5 ~ 0.7 3 011 0.3 ~ 0.5 2 010 0.1 ~ 0.3 1 001 -0.1 ~ 0.1 0 000 -0.3 ~ -0.1 -1 111 -0.5 ~ -0.3 -2 110 -0.7 ~ -0.5 -3 101 -0.9 ~ -0.7 -4 100 多媒体技术 第3讲
线性量化 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1001 1010 1011 1100 1101 声音的采样和量化
2.2.4 采样频率 采样定理 fs≥2f 或 Ts≤T/2 采样周期 两次采样的时间间隔大小叫做采样周期, 用Ts表示 采样频率 被采样信号的最高频率 多媒体技术 第3讲
2.2.5 采样精度 样本位数的大小 信噪比(signal-to-noise ratio，SNR) SNR＝ 10 log [(Vsignal)2 / (Vnoise)2] ＝20 log (Vsignal / Vnoise) 单位为分贝（dB） 多媒体技术 第3讲
2.2.6 声音质量与数据率 声音质量的度量 多媒体技术 第3讲
2.3 声音文件的存储格式 .wav .au .aiff .snd .mid
2.5 声音质量的度量 客观质量度量 SNR 主观质量度量 主观平均判分法
2.6 电子乐器数字接口 （MIDI）系统 MIDI是Musical Instrument Digital Interface的首写字母组合词，可译成“电子乐器数字接口”。用于在音乐合成器(music synthesizers)、乐器(musical instruments)和计算机之间交换音乐信息的一种标准协议。 多媒体技术 第3讲
乐音样本合成法，Wavetable Synthesis，波表合成法 产生MIDI乐音的方法： 调频合成法，FM Synthesis 乐音样本合成法，Wavetable Synthesis，波表合成法 多媒体技术 第3讲
FM Synthesis FM英文全名为Frequency Modulation（调频），这是早期所使用的技术。使用简单的硬件电路，利用几个乐器所产生不同的波型，定出取样频率、振幅，通过封装波形产生器和累加器，组合而成所需要的声音。 不过由于取样的频率较少，加上乐器的数量有限制，所产生的声音效果并不好，以播放的感觉来说，仅有乐器发出的乐声间频率和音调上不同，很难去分辨之间的差别。 多媒体技术 第3讲
FM Synthesis 由以下五部分组成： 数字载波器 调制器 声音包络发生器 数字运算器 模数转换器 FM声音合成器的工作原理 多媒体技术 第3讲
Yamaha OPL-III数字式FM合成器采用的波形
改变参数 数字载波频率 音调 幅度 音量
Wavetable Wavetable的技术，是将每种乐器的声音录制取样一个或多个循环，加以适当的处理后存储成音色文件，记录在合成器的内存当中，当需要播出某个乐器的声音时，合成器就从内存中找出音色，同时播放出来。 Wavetable的声音播放会比较真实，而且可以做比较多的音效变化。 多媒体技术 第3讲
Wavetable合成器所需要的输入控制参数比较少，可控的数字音效也不多，大多数采用这种合成方法的声音设备都可以控制声音包络的ADSR参数，产生的声音质量比FM合成方法产生的声音质量要高。 多媒体技术 第3讲
2.6.4 MIDI系统 MIDI是Musical Instrument Digital Interface的简称，意为音乐设备数字接口。它是一种电子乐器之间以及电子乐器与电脑之间的统一交流协议。现已成为电脑音乐的代名词。 可以从广义上将其理解为电子合成器、电脑音乐的统称，包括协议、设备等等相关的含义。 多媒体技术 第3讲
MIDI的形成 1982年，国际乐器制造者协会通过了美国Sequential Circuits公司的大卫.史密斯提出的“通用合成器接口”的方案，并改名为“音乐设备数字接口”，即“ Musical Instrument Digital Interface”,缩写为“ MIDI”，公布于世。 1985年11月，国际乐器制造者协会公布了《MIDI 1.0版的细节规定》。 多媒体技术 第3讲
MIDI的物理接口标准 各个MIDI设备通过专用的串行电缆(MIDI线)连接， 并以 31.25 KBPS 的速度传送着数字音乐信息。 Thru Out In 多媒体技术 第3讲
MIDI设备的连接 简单连接
MIDI的通道概念 多媒体技术 第3讲
MIDI设备的连接 复杂连接
MIDI的数据标准 MIDI消息 多媒体技术 第3讲