1、音頻基礎（一）向輝山東大學計算機學院2003年秋季2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎2本章內容n音頻的聲學基礎n聲音的數字化n聲音的存儲格式nMIDI音樂n語音信號、非語音信號2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎3音頻媒體n音頻（audio）或聲音（sound）n攜帶信息的極其重要的媒體n多媒體技術研究中的一個重要內容n與視覺媒體相比具有特殊性n不同場合下的重要性不同nPassive viewing (e.g. film, video, etc.)nVideo conferencing2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎4聲音的概念n聲音是一種機械振動狀態的傳播現象，

2、它表現為一種機械被即聲波。n產生聲波的條件n有作機械振動的物體：聲源n有能傳播機械振功的彈性介質n聲波在介質中傳播有一定速度，稱之為聲波的傳播速度（聲速）2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎5聲波示意（L. A. Rowe ）壓縮稀薄時間幅度正弦波2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎6聲波頻率n聲壓變化可以是周期性的和非周期性n頻率概念n循環（cycle）- 壓縮/稀薄過程n頻率（frequency）：每秒cycle數，單位 hertz (Hz)n周期 cycle的持續時間 (1/frequency)n聲音信號一般由許多頻率不同的信號組成，稱為復合信號；而單一頻率的信號稱為分量

3、信號2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎7頻率范圍n頻率小于20Hz 一般稱為次聲波（subsonic)n人的聽覺器官能感知的聲音頻率范圍約為20Hz20kHz的信號稱為音頻(Audio)信號n人發音器官發聲頻率約是803400Hz，但人說話的信號頻率約為3003000Hz，即話音(speech)信號n高于20kHz的信號稱為超聲波 (ultrasonic)n超聲波及次聲波一般不能引起人聽覺器官的感覺，但可借助一些儀器設備進行觀察和測量2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎8樂音與噪音n一般樂音指具有確定的基頻以及與該基頻有較小整數倍關系的各階諧頻（harmonic tone）n

4、頻率比基音高的所有分音統稱泛音(over tone)，泛音的頻率不必與基音成整數倍關系n在主觀上把令人不愉快或不需要的聲音定義為噪音n噪音的頻譜較為復雜， 具有無規則的振幅和波形的連續頻譜2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎9聲音要素（一）n響度（音響）loudnessn到達人耳的聲擾動振幅所產生的聽覺的大小n聲振動能量是物理特性，可用聲強（sound pressure）定義，單位:帕斯卡 (Pa)n實用上通常都以對數方式的聲壓級 (sound pressure level)表示，單位:分貝(db)n響度是主觀量，不能用任何儀器正確地測量n聲音響度使用了以兩個聲強之比的對數為基礎的相對

5、標度，單位：宋（sone）2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎10聲音要素（二）n音調（音高）pitch或tonen人對聲音刺激頻率的主觀判斷與估量，稱之為音調 (Pitch)，單位：美（Mel）nFrequency是物理量，而音調是人的感覺n聽覺經驗n一般女生的聲音比男生高n較大物體振動的音調較低2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎11聲音要素（三）n音色（音質）timbern由其頻譜決定n不同樂器發出同一音高的樂音，仍然可以分辨n可以把音色描述為音的瞬時橫截面，即用諧音（泛音）的數目、強度、分布和相位來描述。n泛音的強度可使音色發生變化，音色的主觀特性比響度或音調的主觀特性

6、復雜得多。2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎12模擬信號與數字信號n在時間和幅度上連續的信號為模擬（analog）信號。n巴時間和幅度都用離散的數字表示的信號就稱為數字（digital）信號n采樣（sampling）時間n量化（quantization）幅度n數字化實際上就是采樣和量化2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎13聲音的采樣和量化兩個關鍵參數：采樣頻率與量化精度2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎14采樣頻率n每秒鐘需要采集多少個聲音樣本n根據奈奎斯特理論(Nyquist theory)和聲音信號本身的最高頻率決定的nfs = 2f 或者 Ts = T/2n

7、如果一個信號中的最高頻率為fmax，采樣頻率最低要選擇2fmax2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎15量化精度 反映度量聲音波形幅度的精度，一般用每個聲音樣本的位數(bit per sample，bps)表示 常見的量化精度有：8與16 聲音的質量越高，需要的存儲空間越多2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎16聲音質量等級質量采樣頻率(kHz)樣本精度(bit/s)單道聲/立體聲數據率(未壓縮)(kb/s)頻率范圍電話88單道聲642003400 HzAM11.0258單道聲88.22015000HzFM22.05016立體聲705.6507000HzCD44.116立體聲1

8、411.22020000 HzDAT4816立體聲1536.02020000 Hz2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎17聲音質量的度量 聲音質量的評價目前仍然是一個很困難的問題，需要繼續研究 聲音質量的度量有兩種基本的方法 客觀質量度量：主要用信噪比(signal to niose ratio，SNR) 主觀質量度量：主觀平均判分法 對于圖象等其它媒體數據的處理同樣存在兩種質量度量 主客觀結合？2022年3月23日星期三多媒體技術音頻基礎18存儲格式（一） 用.wav為擴展名的文件格式稱為波形文件格式(WAVE File Format) RIFF：Resource Interchange File Format IBM和微軟公司于1991年8月聯合開發 支持存儲各種采樣頻率和樣本精度的聲音數據，并支持一定的聲音數據的壓縮