Реферат: Автоматизированные системы обработки информации и управления

Мультимедиа представляет большие возможности для создания виртуальной реальности, интерактивного режима, когда пользователь становится не пассивным наблюдателем событий, а их активным участником. Это касается не только компьютерных игр, но и другого специального программного обеспечения. Кроме того, на РС, оборудованных средствами мультимедиа, можно создавать и обрабатывать динамические изображения в реальном масштабе времени. Мультимедийный продукт должен обеспечивать:

¨  Акустические эффекты качества Hi-Fi;

¨  Визуальные динамические и 3D- эффекты;

¨  Взаимодействие с пользователем таким образом, чтобы акустические и визуальные эффекты комбинировались друг с другом по его желанию.

Для реализации этих возможностей необходимы специальные аппаратные средства.

Мультимедийный РС

Чтобы можно было характеризовать РС как мультимедийный необходимо:

n иметь привод CD-ROM, наличие которого обязательно для считывания графических и звуковых файлов;

n РС должен иметь соответствующую производительность.

Однако этого еще не достаточно он должен удовлетворять ещё ряду требований;

Стандарт МРС.

Созданный стандарт МРС создан для совместимости мультимедийных компонентов, изготовленных различными фирмами. Кроме перечня обязательных мультимедиа-компонентов и их характеристик, он содержит набор рекомендаций, определяющих дальнейшего развития не только аппаратных средств, но и мультимедиа-приложений. Таким образом, разработчики программного обеспечения получили возможность ориентироваться на определенный (минимальный) набор аппаратных средств, с которым должна работать мультимедиа - программа.

В соответствии со стандартом МРС мультимедийный РС должен иметь пять основных компонентов:

n Базовую конфигурацию системы (совокупность стандартных устройств и систем обычного РС);

n Привод CD-ROM;

n Звуковую карту;

n ОС Microsoft Windows 3.1(Windows 95|98);

n Акустическую систему или головные телефоны;

Новая версия стандарта МРС декларирует следующую минимальную конфигурацию системы:

n Процессор 80486SX с тактовой частотой не менее 25 МГц;

n 4 Мб RAM (1 Мб стандартной памяти и 3 Мб XMS);

n Винчестер емкостью не менее 160 Мб;

n Клавиатура 101/102 с разъемом стандарта DIN;

n Мышь, совместимая с Microsoft Mouse;

n Графическая карта VGA с разрешением не ниже 640х480 пикселов, поддерживающая 65536 цветов;

n По крайней мере, 1 последовательный и 1 параллельный порт;

n Привод CD-ROM, обеспечивающий скорость передачи данных не менее 300 Кб/с, время доступа не менее 400 мс, поддержку стандарта CD-AD, CD-ROM, Multisession и т.п.;

n Звуковая карта с разрядностью 8 или 16 бит и частотой дискретизации 11,22 или 44 Кгц.

n Аналоговый порт ввода/вывода MIDI;

n Совместимость с Microsoft Windows Multimedia Extension.

Вывод: для обеспечения высокой производительности системы такой конфигурации нужен более быстродействующий процессор и винчестер большой емкостью:

n Процессор класса не ниже Celeron 266;

n Не менее 32 Мб RAM;

n Винчестер емкостью не менее 2 Гб;

n Графическая карта с 3D-ускорителем и видеопамятью не менее 4 Мб.

 Аудио

С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись новые возможности РС. Появилась новая (звуковая) подсистема РС - комплекс программно-аппаратных средств, предназначенных для:

n Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона. В процессе записи входной аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере;

n Воспроизведение записанных ранее звуковых данных с помощью внешней системы или головных телефонов (наушников) (звуковой сигнал считывается с винчестера, преобразуется из цифрового в аналоговый и направляется к акустической системы);

n Микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;

n Одновременной записи и воспроизведение звуковых сигналов;

n Обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигналов, фильтрация его уровня и т.п.

n Управление панорамой стереофонического звукового сигнала;

n Обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3D Sound) звучания, что позволяет получить объемное звуковое поле даже при использовании обычной стереофонической акустической системы.

n Генерация с помощью синтезатора звучание музыкальных инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков;

n Управление работой внешних электронных музыкальных инструментов (ЭМИ) через специальный интерфейс MIDI;

n Воспроизведение звуковых компакт-дисков;

Рис. 4.1.1. Звуковая система РС

В классическую звуковую систему (Рис. 4.1.1.) входят;

n Модуль записи и воспроизведения звука;

n Модуль синтезатора;

n Модуль интерфейсов;

n Модуль микшера;

n Акустическая система.

Каждый из модулей может выполняться в виде отдельной микросхемы или входит в состав многофункциональной микросхемы.

4.1.2. Звуковая карта. Назначение, состав и принцип работы

Модуль записи и воспроизведения

Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны сжатия и разряжения, свободно распространяющихся в воздухе или иной среде, поэтому звуковое давление (звуковой сигнал) непрерывно изменяется во времени и в пространстве.

Запись звука - это сохранение информации о колебаниях звукового давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются аналоговые и цифровые сигналы. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме.

Чтобы получить звуковой сигнал в аналоговой форме, достаточно воспользоваться микрофоном (Рис. 4.1.2.).

Рис. 4.1.2

Напомним, что амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а её частота - высоту звукового тона, поэтому для сохранения достоверной информации о звуке амплитуда электрического напряжения должна быть пропорциональна амплитуде звукового сигнала, а его частота должна точно соответствовать частоте колебаний звукового давления.

Чтобы получить звуковой сигнал в цифровой форме, необходимо в дискретные моменты времени измерять значения звукового давления, причем чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить достаточно часто - не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала.

В настоящее время на вход звуковой карты РС в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. А поскольку РС оперирует только цифровыми сигналами, исходный аналоговый сигнал перед использованием должен быть преобразован в цифровой. В свою очередь, акустическая система воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому на выход звуковой карты РС должен выдать звуковой сигнал в аналоговой форме.

Таким образом, модуль записи и воспроизведения звуковой системы как раз и осуществляет аналого-цифровой и цифро-аналоговое преобразование в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

4.1.3. Аналого-цифровое преобразование

Преобразование звукового сигнала из аналогового в цифровой происходит в несколько этапов (Рис. 4.1.3.):

Рис. 4.1.3. Схема преобразования звукового сигнала из аналогового в цифровой

Сначала аналоговый звуковой сигнал источника подается на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала;

Далее осуществляется дискретизация, т.е. выборка отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов определяется частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники исходного звукового сигнала. В противном случае оцифрованный звуковой сигнал нельзя преобразовать в аналоговый, точно соответствующий исходному сигналу.

Так как человек способен слышать звуки, частота которых находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, следовательно, максимальная частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц., т.е. отсчеты требуется проводить 40000 раз в секунду. В большинстве современных звуковых подсистем РС максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

Одновременно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по амплитуде - мгновенные значения амплитуды измеряются и преобразуются в цифровой код. При этом точность измерения зависит от количества разрядов кодового слова. Таким образом, чем выше разрядность, тем ближе к реальному.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электронным устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором дискретные отсчеты преобразуются в последовательность чисел, причем поток цифровых данных, представляющий сигнал, включает как полезный, так и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех, полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с высокой крутизной амплитудно-частотной характеристики и малыми фазовыми искажениями.

Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)

Цифро-аналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа (Рис. 4.1.4.).

Рис. 4.1.4. Схема цифро-аналогового преобразования

На первом этапе из потока данных с помощью ЦАП выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой дискретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглаживания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сигнал. Это делает фильтр низкой частоты, который подавляет периодические составляющие спектра дискретного сигнала.

4.1.4. Кодирование звуковых данных. Характеристики модулей записи и воспроизведения.

Кодирование звуковых данных

Чем выше требования к качеству записываемого звука, тем больше должна емкость носителя. Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 кГц, при 16-разрядном квантовании для хранения потребует на винчестере около 10 Мб. Кроме этого повышается требования к производительность (пропускной способности) канала звукозаписи. Таким образом, все это требует существенно снизить объем цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, можно с помощью компрессии, т.е. путем уменьшения количества отсчетов и уровня квантования или числа бит, приходящих на один отсчет.

Выбор метода кодирования при записи звукового фрагмента зависит от набора программ сжатия, установленных в операционной системе РС. Программы аудиосжатия поставляются вместе с программным обеспечением звуковой карты или могут входить в состав операционной системы. Программы аудиосжатия реализуют, например, следующие методы:

n Импульсно-кодовая модуляция;

n Дельта - импульсно-кодовая модуляция;

n Адаптивно разностная дельта-модуляция.

Способ кодирования задается непосредственно перед записью.

Характеристики модуля записи и воспроизведения

Основными характеристиками модуля записи и воспроизведения являются:

n Частота дискретизации;

n Тип и разрядность АЦП и ЦАП;

n Способ кодирования аудиоданных;

n Возможность работы в режиме Full Duplex (возможность осуществлять одновременно запись и воспроизведение звукового сигнала).

4.1.5. Модуль синтезатора. Синтез звука на основе частотной модуляции, таблицы волн, физического моделирования и их характеристики.

Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор (далее - синтезатор) звуковой подсистемы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов.

Принцип синтезирования заключается в воссоздании структуры музыкального тона (ноты) созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал, как правило, имеет несколько временных фаз: атака, поддержка и затухание (Рис. 4.1.5.).

Форма амплитудной огибающей зависит от типа музыкального инструмента. Однако, выделенные фазы характерны для звуков практически всех музыкальных инструментов (за исключением ударных).

Рис. 4.1.5. Фазы звукового сигнала

В общем случае технология создания звука (голоса инструмента) в современных синтезаторах заключается примерно в следующем (Рис. 4.1.6.).

Рис. 4.1.6. Создание голоса инструмента в современных синтезаторах

В настоящее время на звуковых картах устанавливаются синтезаторы, генерирующие звук с использованием:

n Частотной модуляции - FM- синтеза;

n Таблицы волн - WT- синтеза;

n Физического моделирования.

Синтез звука на основе частотной модуляции

Высота звука зависит от частоты основного тона. Обертоны, даже если их сила велика, на ощущение высоты звука влияют мало, но придают ему своеобразную окраску. Способность человеческого уха разложить сложный звук на гармонические составляющие (основной тон и обертоны) позволяет различать звуки, например, отличить ноту до, взятую на кларнете, от той же ноты, взятой на рояле.

Таким образом, если синтезировать сигналы основного тона и обертонов, присущих звучанию конкретного инструмента, можно имитировать звук практически любой ноты этого инструмент.

Как уже отмечалось, высота созданного с помощью музыкального инструмента звукового сигнала характеризуется частотой и формой амплитудной огибающей. От формы амплитудной огибающей зависит также и спектральный состав обертонов. Обычно в фазе атаки количество высокочастотных составляющих максимально и постепенно уменьшается на стадиях поддержки и затухания. Особенно это свойственно звуку смычковых и клавишных инструментов. Следовательно, в простейшем случае для генерации голоса музыкального инструмента достаточно двух генераторов сигналов сложной формы: генератора несущей частоты и модулирующего генератора (Рис. 4.1.7.).

Рис. 4.1.7. Синтез звука на основе частотной модуляции

Генератор несущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-модулированный сигналом обертонов. Модулирующий генератор (генератор огибающей) управляет индексом модуляции сигнала основного тона и амплитудой результирующего сигнала. Управление генераторами (настройка частоты, выбор формы амплитудной огибающей, режим работы и т. п.) осуществляется путем подачи на его вход цифрового кода. Эти генераторы называются операторами.

Такой способ не позволяет подучить много спектральных составляющих звукового сигнала, поэтому в реальных FM-синтезаторах используется не два, а шесть и более операторов, модулирующих друг друга. При этом создание новых звуков осуществляется на основе эмпирических методов путем выбора определенных соотношений частот и схем соединения операторов. Варианты соединения операторов называют FM-алгоритмами. В первых звуковых картах использовался двухоператорный синтез, т. е. в создании голоса одного инструмента (тембра) участвовало только два генератора. FM-синте-заторы современных звуковых карт могут работать в двух-, четырех- и т. д. операторных режимах.

Каждый оператор может формировать сигнал одной из определенных форм (waveform). В соответствии с FM-алгоритмом операторы могут соединяться по-разному. Например, выходные сигналы операторов могут суммироваться (аддитивный синтез). При последовательном соединении с петлей обратной связи второй оператор будет задавать основной тон сигнала (являться генератором несущей), а первый – определять обертона (является модулятором). В этом случае сигнал с выхода первого оператора поступает на вход второго, а с выхода второго – на вход первого.

Звуковые карты с FM-синтезаторами обеспечивают повторяемость тембров, Например, партия скрипки, записанная с использованием FM-синтезатора одной модели, будет звучать практически без искажений на FM-синтезаторах других моделей. К настоящему времени накоплено большое количество FM-алгоритмов синтеза оригинальных звучаний (тембров).

Однако, поскольку процесс синтеза во времени совмещен с процессом исполнения музыки, значительно возрастают требования к суммарной производительности PC и собственно FM-синтезатора. Действительно, чем выше требования к точности воспроизведения звучания музыкального инструмента, тем большее количество генераторов должно быть задействовано. При этом алгоритм управления генераторами окажется достаточно сложным – ведь необходимо учитывать малейшие оттенки звучания, присущие конкретному инструменту. Для уменьшения объема вычислений в звуковых картах используются упрощенные алгоритмы, при этом голос инструмента формируется минимальным количеством генераторов. Это приводит к тому, что звуковые карты с FM-синтезом формируют мало благозвучных тембров. Вследствие этого имитация звучания реальных музыкальных инструментов оказывается очень грубой.

Синтез звука на основе таблицы волн

При использовании синтеза звука на основе таблицы волн (WТ- синтез) можно получить более реалистичное и качественное звучание, чем при использовании FM- синтеза. В WT- синтезаторе используются предварительно оцифрованные образы звучания реальных музыкальных инструментов, и других звуков. Каждый образ звучания, называемый патчем, или инструмент, включает в себя один или несколько сэмплов, организованных определенным образом. Сэмпл – это оцифрованный фрагмент реального звука, определенный тон музыкального инструмента или, например, звук выстрела.

Как известно, с помощью специальных алгоритмов даже по одному тону музыкального инструмента можно воспроизвести все остальные и таким образом полностью восстановить звучание инструмента во всем рабочем диапазоне частот (Рис. 4.1.8).

Рис. 4.1.8. Синтез звука с помощью WT - синтезатора

Например, если сэмпл, оцифрованный с частотой 44,1 кГц, воспроизвести с удвоенной частотой 88,2 кГц (вдвое быстрее), то высота звука возрастет на октаву. Если же воспроизводить сигнал с пониженной частотой, то высота звука уменьшится. Таким образом, путем воспроизведения сэмпла с разной скоростью, в принципе, можно получить звук любой высоты.

Такой принцип генерации звука реализован в так называемых сэмплерах – прообразах WT-синтезаторов. Сэмплер представляет собой устройство, с помощью которого можно записывать звуки реального инструмента с микрофона и затем воспроизводить с разной скоростью. Однако при генерации звука таким способом одновременно с изменением скорости воспроизведения и, соответственно, высоты звука будет изменяться длительность атаки и затухания сигнала, что приведет к искажению тембра синтезируемого инструмента.

Поэтому в WT-синтезаторах применяется другой способ изменения высоты звука. Оцифровке подвергаются несколько разных по высоте звуков реального музыкального инструмента, перекрывающих весь его рабочий частотный диапазон. Шаг по частоте должен быть достаточно мал, чтобы изменения тембра не были слышны. Для недорогих WT-синтезаторов достаточной считается оцифровка звучания музыкального инструмента с интервалом пол-октавы.

После оцифровки все сэмплы (или их часть) объединяются в патч, т. е. набор фрагментов звучания реального инструмента во всем рабочем диапазоне частот. Именно поэтому термины патч и инструмент являются синонимами.

При генерации звука определенной высоты WT-синтезатор определяет, в каком частотном диапазоне находится звук, выбирает сэмплы, частота которых наиболее близка к частоте генерируемого звука, и изменяет частоту основного тона этих сэмплов на конкретную величину.

Кроме того, звучание некоторых музыкальных инструментов становится более реалистичным и выразительным при одновременном воспроизведении нескольких сэмплов, т. е. звучание инструмента (голос) может формироваться путем наложения нескольких сэмплов.

В свою очередь, инструменты объединяются в банки. Банки с инструментами обычно хранятся в специальной ROM, выполненной в виде отдельной микросхемы памяти или интегрированной в микросхему WT-синтезатора. Кроме того, банки инструментов могут храниться на винчестере PC и перед работой загружаться в оперативную память (обычно располагается на звуковой карте) WT-синтезатора или RAM PC (технология Downloadable Sample, DLS).

Поскольку качество звука, синтезируемого WT- синтезатором звуковой карты, непосредственно зависит от качества патчей, желательно иметь сэмплы высокого качества (с высоким разрешением записи), что в свою очередь приводит к росту объема банка инструментов. Однако WT-синтезаторы обычных звуковых карт имеют небольшой объем памяти. Это достигается путем увеличения шага по частоте основного тона при оцифровке звука, уменьшения длительности сэмплов и, наконец, за счет компрессии сэмплов.

Минимальный набор банка инструментов для WT-синтезатора в соответствии со спецификацией General MIDI включает 128 инструментов.

Синтез звука на основе физического моделирования

В отличие от синтеза звука на основе таблицы волн, где источником сигнала является оцифрованные образы звуков реальных музыкальных инструментов, хранящихся в памяти синтезатора, физическое моделирование предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответствующих волновым форм, которые затем преобразуются в звуковой сигнал при помощи ЦАП.

Рассмотрим принцип синтеза звука путем физического моделирования на примере синтеза звука саксофона. Допустим, существует точное математическое описание явлений, происходящих в саксофоне. В качестве источника колебаний выступает трость. Звук усиливается и окрашивается в резонаторе, в качестве которого выступает изогнутая металлическая труба. Синтезатор рассчитывает изменения колебаний воздуха, которые возникают под влиянием движения трости саксофона. На основе полученных данных создается цифровой образ этих колебаний. Затем рассчитываются все изменения, происходящие со звуком в резонаторе и, в соответствии с результатами расчетов формируется цифровая модель звукового сигнала саксофона. Смоделированный цифровой звуковой сигнал преобразуется в электрические колебания с помощью ЦАП звуковой карты.

Фирма Yamaha (пионер в области физического моделирования) производит в настоящее время синтезаторы, имитирующие звучание духовых и струнных инструментов. С помощью этих синтезаторов можно экспериментировать в области формирования звука, комбинируя различные источники колебаний с различными резонаторами и обрабатывая получившийся звук все возможными фильтрами.

По принципу физического моделирования звука работают так называемые программные (виртуальные) синтезаторы. Необходимые расчеты звучания инструментов вместо аппаратного синтезатора звуковой карты выполняет CPU PC. Результат математического моделирования, т. е. поток цифровых данных – от виртуального синтезатора направляется в ЦАП звуковой карты.

Звуковые карты, использующие синтез звука на основе физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требуется мощный PC.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15