波形聲音和MIDI聲音數(shù)字化過程有何異同

【專家解說】：一、數(shù)字音頻 數(shù)字化音頻 由物理學(xué)可知，復(fù)雜的聲波由許許多多具有不同振幅和頻率的正弦波組成。代表聲音的模擬信息是個連續(xù)的量，不能由計算機(jī)直接處理，必須將其數(shù)字化。聲音信息的計算機(jī)獲取過程就是聲音信號的數(shù)字化處理的過程。經(jīng)過數(shù)字化處理之后的數(shù)字聲音信息能夠像文字和圖形信息一樣進(jìn)行存儲、檢索、編輯和其它處理。具體流程見下圖所示。 聲音模擬信號數(shù)字化示意圖 用數(shù)字方式記錄聲音，首先需對聲波采樣，下圖為聲波數(shù)字化表示的示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示振幅。 聲波數(shù)字化表示的示意圖 通過觀察上圖可知，如果提高采樣頻率，時間單位所得到的振幅值就會更多，即采樣頻率越高，對于原聲音曲線的模擬就越精確。然后再把足夠多的振幅值以同樣的采樣頻率轉(zhuǎn)換為電壓值去驅(qū)動揚(yáng)聲器，則可聽到和原波形一樣的聲音。這種技術(shù)叫做脈沖編碼調(diào)制技術(shù)(PCM)。上述的第一個過程，為模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，即將普通的模擬聲音信號轉(zhuǎn)化成計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，第二個過程，為數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)，即由數(shù)字變成波形。通過這樣的技術(shù)，就可以將從聲卡的話筒輸入端送入的模擬音頻信號經(jīng)ADC變成數(shù)字信號存儲在計算機(jī)內(nèi)，然后再經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為波形重放。影響數(shù)字化聲音質(zhì)量的因素主要有三個，即采樣頻率，采樣精度和通道個數(shù)。 數(shù)字音頻的壓縮 采用數(shù)字音頻獲取聲音文件的方法最突出的問題是信息量大，它的數(shù)據(jù)量計算公式為: 存儲容量(字節(jié))=采樣頻率×采樣精度/8×聲道數(shù)×?xí)r間 有了如上的計算公式，我們可以計算一下一段持續(xù)1分鐘的雙聲道聲音，若采樣頻率為44.1kHz，量化精度為16位，數(shù)字化后需要的存貯容量為: 44.1×1000×16/8×2×60=10.584MB 可見，數(shù)字音頻的編碼必須具有壓縮聲音信息的能力，最常用的壓縮方法為自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)法。ADPCM壓縮編碼方案信噪比高，數(shù)據(jù)壓縮倍率可達(dá)2~5倍而不會明顯失真，因此數(shù)字化聲音信息大多利用此種壓縮方法。例如，Yamaha公司的ADPCM算法可以達(dá)到3∶1壓縮比。 二、MIDI音效 MIDI為Musical Instrument Digital Interface的縮寫，譯作樂器數(shù)字化接口，是為了把電子樂器與計算機(jī)相連而制定的一個規(guī)范，是數(shù)字音樂的國際標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)字式電子樂器的出現(xiàn)，為計算機(jī)處理音樂創(chuàng)造了極為有利的條件。MIDI聲音與數(shù)字化波形聲音完全不同，它不是對聲波進(jìn)行采樣、量化和編碼，而是將電子樂器鍵盤的彈奏信息記錄下來，包括鍵名、力度、時值長短等，這些信息稱之為MIDI消息，是樂譜的一種數(shù)字式描述。當(dāng)需要播放時，只需從相應(yīng)的MIDI文件中讀出MIDI消息，生成所需要的樂器聲音波形，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器輸出。下圖是多媒體計算機(jī)中MIDI聲音的處理過程。 多媒體計算機(jī)中MIDI聲音的處理過程 MIDI聲音有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它對存貯容量的需求遠(yuǎn)比波形聲音小得多。使用CD-DA格式的波形存貯時，播放半個小時的立體聲音樂，需要300MB存貯量，而用MIDI記錄時只需200KB左右，兩者相差1000多倍，就是與采用ADPCM壓縮編碼的波形聲音信息相比，MIDI聲音的數(shù)據(jù)量也要小兩個數(shù)量級以上。另外，與波形聲音相比，MIDI聲音在編輯修改方面也是十分方便靈活的，例如可任意修改曲子的速度、音調(diào)，也可改換不同的樂器等。 多媒體計算機(jī)中的MIDI與音效 多媒體PC機(jī)要求聲音卡上包含MIDI合成器和MIDI輸入/輸出端口。MIDI合成器分為基本型和擴(kuò)展型，它們能演奏的樂器數(shù)目及復(fù)音數(shù)見下表。多媒體PC機(jī)要求至少提供一個基本型的合成器。 音效是集成電路工業(yè)中數(shù)字聲音信號處理技術(shù)進(jìn)步的結(jié)晶，在聲卡技術(shù)的推動下，有不少聲卡安裝了音效芯片，從而在硬件上實(shí)現(xiàn)了回聲、混響、和聲等，使聲卡發(fā)出的聲音更生動。 音樂合成器 多媒體微機(jī)通過內(nèi)部合成器或通過外接到計算機(jī)MIDI端口的外部合成器播放MIDI文件。MIDI合成器類型目前有兩種:頻率調(diào)制FM合成和波形表(Wave table)合成。FM方式最早應(yīng)用于聲卡上，它是通過硬件產(chǎn)生正弦信號，再經(jīng)過處理產(chǎn)生音樂。而波形表的原理是在ROM中已存儲著各種實(shí)際樂器的聲音采樣，合成時以查表方式調(diào)用這種實(shí)際樂器的聲音采樣，合成該樂器的樂音。因此，利用波形表方式合成音樂的效果更加逼真，它的效果優(yōu)于FM合成。