Digitalizácia zvuku

Digitalizácia zvuku
 
Digitálny zvuk
Zvuk je pozdĺžne mechanické vlnenie s istou vlnovou dĺžkou a teda odpovedajúcou frekvenciou, s istou farbou a intenzitou (hlasitosťou). Zvuk je spojitá - analógová informácia. Harmonický zvuk (napr. komorné "a") môžeme znázorniť sinusoidou. Počítače však vedia spracovávať len digitálne informácie.
Prevod zvuku z analógovej podoby do digitálnej zabezpečuje A/D - analógovo - digitálny prevodník. Najrozšírenejšia forma kódovania je pulzná kódová modulácia - PCM. Než sa z analógového signálu stane PCM zvuk, musí najprv prejsť vzorkovaním, kvantovaním a kódovaním.
VZORKOVANIE: Vzorkovač zaznamenáva aktuálne hodnoty analógového signálu v pravidelných intervaloch s istou frekvenciou napr. pri frekvencii 10kHz sa zaznamená hodnota signálu 10 000 krát za sekundu. Vyniká signál PAM - pulzná amplitúdová modulácia.
 
Vzorkovacia frekvencia (Sampling rate)
Aby sa dal vzorkovaný signál PAM pri reprodukcii plne zrekonštruovať, musí byť splnené tzv. "Nyquistovo kritérium" : frekvencia, ktorou sa vzorkovanie prevádza, musí byť aspoň 2-krát vyššia ako frekvencia pôvodného signálu. Ak je počuteľný zvuk od 16 - 20 000Hz, tak vzorkovacia frekvencia musí byť aspoň 40kHz. V praxi sa vzorkuje s 10% navýšením, preto sa používa vzorkovacia frekvencia 44,1kHz.
KVANTOVANIE: Kvantovaním sa namerané hodnoty "zaokrúhľujú" na najbližšiu úroveň amplitúdy každej vzoky , preto má digitálny signál na rozdiel od analógového schodovitý priebeh.

KÓDOVANIE: Pri kódovaní zvuku hudobného CD sa používa 16 bitové kódovanie - t.z že každú vzorku zakódujeme 16 - ticou jednotiek a núl - všetkých možných napäťových úrovní signálu teda môže byť 216=65536 (hovor v telefóne je kódovaný 8 bitmi - rozlišuje 256 napäťových úrovní). V prípade stereofónneho signálu sa používajú 2 kanály a výstupom sú 2 prúdy digitálnych hodnôt. Pre porovnanie uvádzame nasledujúcu tabuľku:



Kvalita digitálneho záznamu
vzorkovacia frekvencia
rozlišenie, kanály

Telefónna kvalita
11 025Hz
8 bit - mono

Rozhlasová kvalita
22 050Hz
8 bit - mono

CD kvalita
44 100Hz
16 bit - stereo

DVD kvalita
192 000Hz
24 bit - 5.1 surround sound


PRÍKLAD: Ak chceme zakódovať 1 minútu stereo nahrávky s použitím vzorkovacej frekvencie CD kvality, tak takýto PCM zvuk bude zaberať 60x2x44100x16 bitov čo je asi 10MB pamäte.
Čím je vyššia vzorkovacia frekvencia, tým kvalitnejší zvuk získame. Doteraz najkvalitnejší zvuk v CD kvalite so vzorkovacou frekvenciou 44,1kHz, 16bit stereo je prekonaný formátom DVD-Audio, kde vzorkovacia frekvencia je až 192kHz s 24 bitovým rozlíšením.

ÚLOHA: Vypočítajte dĺžku zvukovej nahrávky (5+1 kanálový zvuk), ktorá na DVD zaberá 64MB a je nahraná v DVD kvalite.
 
Hlasitosť zvuku
Pri nahrávaní zvuku si musíme najprv nastaviť ovládače hlasitosti. Pri dvojkliku myši na ikonu hlasitosti na hlavnej lište si v otvorenom okne v menu Možnosti - Vlastnosti postupne otvoríme panely ovládačov pre prehrávanie a pre záznam zvuku. Ovládače umožňujú nastaviť úrovne hlasitosti, ako aj vyváženie ľavého a pravého zvukového kanála. Umožňujú vybrať spôsob nahrávania - cez mikrofón, stereo mixer, line in a pod. (Pozor, zaškrtávacie políčka v kontrol paneloch sú navzájom opačné)

 
 
 
Nahrávanie v editore AUDACITY
Jednoduché a užívateľsky príjemné prostredie pre nahrávanie a úpravu zvuku ponúka program Audacity - free verzia programu a informácie nájdete na http://audacity.sourceforge.net. Ponúka menej možností ako vyššie uvedený Cool Edit, ale pre naše potreby editácie zvuku stačí. Umožňuje nahrávanie viacerých stôp a ich následné mixovanie, strih, ponúka odstraňovanie nežiadúcich vplyvov - šumov, niekoľko efektov, t.ď. Voľbu vzorkovacej frekvencie, počet kanálov a rozlíšenie je potrebné nastaviť v ponuke File - Preferences.

Prostredie programu AUDACITY
Ovládací panel programu AUDACITY

Nahrávanie ovládame panelom so štandardným značením, zobrazenie nahraného záznamu ovládame horizontálnym a vertikálnym zoom-om.
Každú stopu môžeme zvlášť upraviť, odšumiť, orezať - to si ukážeme v nasledujúcej kapitole. Všetky stopy zmixujeme do jedného stereo záznamu voľbou Project - Quick Mix .


ÚLOHA 3: Nahrajte do prvej stopy v programe Audacity prvý hlas svojej obľúbenej piesne, druhý hlas tej istej piesne do druhej stopy. Obe stopy zmixujte a uložte.
 
Zvukový formát "wav"
Zvukové záznamy uložené vo formáte wav obsahujú všetky informácie nutné pre CD kvalitu nahrávky. Ak meranie napäťových úrovní analógového signálu prebehlo približne 44000 krát, tak na osi y vznikne nameraných okolo 65000 rôznych hodnôt. Z toho dôvodu minútová nahrávka zaberá viac ako 10MB pamäte. Tento formát preto nie je vhodný pre prenos po sieti. V tejto kapitole sa skôr zameriame na formáty vhodné na web - midi a mp3.

Čo je MIDI?
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) je medzinárodný štandard, ktorý používajú rôzne hudobné nástroje a zariadenia (syntetizátory, samplery, zvukové moduly, počítače, audio technika, videotechnika, svetelná technika) za účelom vzájomnej komunikácie. Ide vlastne o druh sériového rozhrania, po ktorom putujú informácie o hudobných dátach. Tvar týchto dát je štandardizovaný podľa normy (používa sa už skoro 2 desaťročia - štandard GM - General Midi, či novší XG). Súbor s dátami má koncovku mid.

MIDI - komunikácia prebieha pomocou digitálnych správ na 1 až 16 kanáloch. Keďže vlastnosti midi stôp sú zapísané v textovej podobe, majú midi súbory malinkú veľkosť (rádovo desiatky kB) a sú preto vhodné pre web, prezentáciu a p. Zvuková karta je kľúčové miesto celého reťazca, lebo tá určuje výstupnú kvalitu MIDI súboru (mala by mať GM).

  
Rôzne zobrazenia midi stôp
v programe Cakewalk
Midi súbor - textový zápis
vlastností zvukového záznamu

Samotný midi zápis si môžeme prezrieť v midi editoroch napr. v programe Cakewalk. V rôznych editovacích oknách môžeme vidieť MIDI stopy, ktoré sú priradené jednotlivým MIDI kanálom, banky nástrojov, notový zápis stôp ako aj môžeme zobraziť noty v podobe obdĺžníčkov o rôznej dĺžke, vyjadrujúcej dĺžku trvania noty v dobách podľa zvoleného taktu.

Na vytvorenie midi skladby ani nepotrebujeme hudobný nástroj, stačí myš, či tablet, hudobný sluch a vhodný softvér, i keď tento spôsob je pracnejší ako pomocou pripojeného MIDI syntetizátora. Hráte skladbu na pripojenom syntetizátore a program za vás píše noty - to by Mozart asi vytvoril niekoľkonásobné dielo, ako v skutočnosti. Existuje aj SW, ktorý z oskenovaných nôt vytvorí odpovedajúcu skladbu napr. aj v midi formáte..
Karaoke

Prostredie programu Karaoke
Z veľkého množstva serverov si môžeme stiahnuť už vytvorené midi súbory rôznych skladieb a piesní. Jeden z vyhľadávačov midi súborov nájdete aj na adrese www.vanbasco.com/midisearch. Stačí zadať interpréta, či názov piesne.

Existuje množstvo prehrávačov midi súborov. Šikovným free prehrávačom midi súborov, ktorý dokáže zobrazovať aj slová v rytme prehrávanej piesne, prípadne zmeniť tempo či vykonať transpozíciu piesne do inej tóniny, je program Karaoke, ktorý sa dá stiahnuť tiež na adrese www.vanbasco.com.
Obľúbené "mp3-ky"
Tento formát vznikol pred 15 rokmi a jeho spopularizovanie spôsobil nárast výkonnosti počítačov a komercializácia internetu, na internete sa objavili sharewarové aj freewarové enkodery a dekódery - tzv. grabery.

STRATOVÁ KOMPRESIA - MP3 kompresia funguje na princípe znalostí psychoakustiky, využíva nedokonalosť ľudského sluchu. Naše ucho napr. nie je schopné začuť niektoré nízke tóny, ak sú prekryté vyššími, silnejší signál prekrýva slabší signál. Zjednodušene možno povedať, že v mp3 sa zložky zvuku, ktoré by sme aj tak nepočuli, vymažú. Kompresia odstráni pri prepočte práve tieto signály. Celý proces je samozrejme zložitejší, ale toto je základ kompresie formátu mp3.

O výhodách kompresie nás presviedča hlavne veľkosť výsledného súboru. Základná veličina, ktorá ovplyvňuje kvalitu mp3 súboru je tzv. bitrate - rýchlosť dátového toku (udáva sa v jednotkách kbps - kilobit za sekundu). Čím je bitrate vyšší, tým je lepšia kvalita. U AUDIO CD je bitrate 1,4Mbps, súbor mp3 s kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate 128kbps. Porovnajte údaje v nasledujúcej tabuľke:



Forma záznamu
Dĺžka záznamu - min:s
Veľkosť záznamu
Koeficient MB/min
Pomer k originálu

wav kópia audio stopy z CD nosiča
2 : 32
26,95 MB
10,64
1 : 1

mp3 CD kvalita 128 kbps
2 : 32
2,45 MB
0,97
1 : 11

mp3 takmer CD kvalita 80 kbps
2 : 32
1,54 MB
0,61
1 : 18

mp3 rádio kvalita 64 kbps
2 : 32
1,23 MB
0,48
1 : 22

  

Uloženie súboru vo formáte mp3
v programe WaveLab
Možnosti voľby kvality nahrávky
v mp3 formáte

Editory zvuku
Okrem  programov CoolEdit resp. WaveLab na nahrávanie zvuku vo formáte wav existuje množstvo ďalšieho softvéru pre prácu so zvukom, s midi súbormi, softvér vytvárajúci zo zvukového súboru notový zápis a opačne, ďalej softvér, ktorý z oskenovaných nôt vie vytvoriť melódiu, ďalší sofvér dokáže pridávať texty piesní...
Na vytváranie a editáciu midi súborov okrem programu Cakewalk (www.cakewalk.com) za zmienku stoja programy: Anvil Studio (www.anvilstudio.com) a Cubase (www.steinberg.net). Ďalší softvér (freeware, shareware, demo) môžeme jednoducho vyhľadať pod označením "MIDI sequencer". Viac informácií nájdete na stránkach infoveku - v premete Hudobná výchova.
 
Prehrávače, grabery
Z obrovského množstva free, či shareware prehrávačov - playerov zvukových súborov vyberáme len niektoré. Líšia sa svojou ponukou možností prehrávania, formátmi prehrávaných súborov, voľbou rôznych vzhľadov masky prehrávača - tzv. "Skins" atď. Pojmom Graber sa označujú programy, ktoré dokážu konvertovať zvukové formáty.

 


Nástroj na tvorbu midi - AnvilStudio
Grabovanie mp3 prostredníctvom MusicMatch JukeBox.
 


Obľúbený player Winamp v jednej z podôb.
Windows Media Player - súčasť OS Windows - a jeho "vizualizácie".
 


Rýchle grabovanie umožňuje program Audiograbber.
Gamut má množstvo milých "skins" - viac na www.intervideo.com.

WINAMP - kráľ medzi prehrávačmi mp3 súborov okrem iného dokáže prehrávať aj súbory typu *.mod, *.mid a stopy audio cédečka. WINAMP je freeware. Zaujímavosťou sú takzvané WinAMP Skins.

V programe MusicMatch JukeBox môžete mp3 súbor ľahko a rýchlo vyrobiť. Stačí vložiť audio CD, vybrať si, ktoré pesničky chcete "grabovať", nastaviť úroveň kompresie a odštartovať nahrávanie. Ako jeden z mála grabuje rýchlosťou 5x väčšou ako je rýchlosť reálneho prehrávania. Výstupným formátom môže byť aj klasický *.wav súbor. Viac informácií nájdete na www.musicmatch.com.

AudioGrabber (shareware) - šikovný nástroj na grabovanie mp3 a vytváranie vlastných albumov, má jednoduché a intuitívne ovládanie.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta
https://www.zones.sk/studentske-prace/informatika/9137-digitalizacia-zvuku/