3. ZVUK Vlastnosti zvuku

Transkript

1 3. ZVUK Vlastnosti zvuku Zvuk se skládá z vln (kmit) o nestejném tlaku. Tlak vytváejí ve vzduchu naše hlasivky, hudební nástroje nebo pírodní síly. Chcete-li porozumt zvukm, musíte se nauitinco málo o signálech. Rozmry tohoto signálu jsou amplituda a frekvence. Amplituda by ml býtdvrn známý pojem, jelikož o amplitud mluvíme skoro poád nazýváme ji ovšem hlasitost nebo síla zvuku. Pi komunikaci lidským hlasem je síla zvuku nositelem významu, mže napíklad signalizovat naléhavost. Použijeme ji také, potebujeme-li, aby se zvuk daleko rozléhal. U grafického znázornní sinusové vlny znamená amplituda výšku. U signál amplituda odpovídá také výkonu použitému pro penos. Pi penášení dat se musí telekomunikaní technici vyrovnat se skuteností, že pi penosu dat na uritou vzdálenost se snižuje amplituda signálu a dochází k jeho zeslabení neboli útlumu. Signál se dá ásten obnovit zesílením; celá práce zesilovaespoívávezvtšování amplitudy signálu. U komunikaních systém udává výkon neboli amplituda dv následující vci: Penosový výkon komunikaního média. A co je možná dležitjší, istotu komunikaního média pomr výkonu šumu k výkonu signálu nazývaný jako odstup signálu od šumu. Další charakteristikou sinusové vlny je frekvence ili kmitoet. Frekvence udává, kolikrát kmitne vlna nahoru a dol bhem daného asového intervalu. Frekvenci míme v cyklech za sekundu, astji se však používá jednotka hertz. Tato jednotka znaí opt poet cykl za sekundu. Jméno dostala po Gustavu Hertzovi, nmeckém fyzikovi, který za práci zabývající se vlastnostmi elektron získal Nobelovu cenu. Hertz se obvykle zkracuje na Hz. Mluvíme-li o zvuku, mluvíme o frekvencích; eknete-li o nkom, že má vysoký hlas, naznaujete tím, že jeho hlas vytváí frekvence, jejichž rozsah je v prmruonco vyšší, než je u lidských hlas zvykem. 24

2 3.0.2 Zvuková syntéza Úkolem zvukových karet je záznam a pehrávání zvuku. Zpsob, jakým to dlají, se však znan liší. Existují ti hlavní zpsoby reprodukce zvuku. Vzorkování (Sampling), Syntéza FM, tabulková syntéza (Wavetable) Pevod signál na bity: vzorkování Aby mohla vaše zvuková karta se zvukem pracovat, je nutné ho pevést z jeho analogové podoby do formátu píznivjšího pro bitové zpracování. Hlavní metoda pevodu analogového zvuku na digitální se nazývá vzorkování. Provádí se metodou nazývanou PCM neboli impulsová kódová modulace. Pedpokládejme, že se pokousíme pevést jednoduchý analogový signál na digitální. U PCM se mnohokrát za sekundu odebere vzorek signálu a zaznamená se výška ili amplituda vlny. (Ve skutenosti se zaznamenává logaritmus výšky sílu zvuku vnímáme logaritmicky.) Není možné zmit výšku signálu v každém okamžiku, mžeme zmit pouze omezené množství vzork odtud výraz vzorkování. Vyšší poet vzork znamená vyšší kvalitu reprodukovaného signálu. Pi vtší etnosti vzork se získá vtší poet hodnot a rekonstruovaný signál bude kvalitnjší. Kolik vzork za sekundu potebujeme? Odpov nám poskytne Nyquistvteorém. Ten íká, že pro úplné zachycení signálu je poteba N vzork, kde N = 2 * šíka pásma signálu. Šíka pásma lidského sluchu se bohat vejde do rozsahu Hz. Dvojnásobek bude vzork za sekundu, což je vzorkovací frekvence hudebních CD. Vyšší vzorkovací frekvence znamená, že se musí uchovávat vtší množství dat za sekundu. To ale o vzorkování pomocí impulsové kódovací modulace (PCM) není vše. Pedpokládejme, že zaznamenané hodnoty se mohou pohybovat v rozmezí -127 až +127, a že to mohou být pouze celá ísla. Protože celkový možný poet hodnot je pouze 256, bude zde k zakódování každé hodnoty signálu použito 8 bit. Pro ne 16 bit 25

3 pro každý vzorek? Použití 16 bit by umožnilo mnohem vtší množství zvukových nuancí hodnot u 16 bit v porovnání s 256 z 8 bit, ale zdvojnásobilo by se tím také množství dat, které je nutné uchovávat pro daný audiosignál. Hudební CD používají 16 bit na vzorek, celkem vzork za sekundu. Bžné zvukové karty mohou používat pro vzorkování 8 nebo 16 bit na vzorek, profesionální karty mohou používat bitovou hloubku vyšší, nap. 24, nkdy i 32 bit na vzorek. Pro vtšinu záznam hlasu nebo hudby staí 16bit Syntéza FM Vzorkování se výborn hodí pro záznam zvuk. Chcete-li však vytvoit úpln nové zvuky, musí mít autoi program pro PC po ruce zpsob, jak pikázat zvukové kart, zahraj 'A', jak by znlo na cembalu. Jednou z metod, která to umožuje, je FM syntéza. Obvykle je realizována obvodem MIDI (Digitální rozhraní pro hudební nástroje). Trochu zjednodušen je základem FM syntézy myšlenka, že hudební zvuky mají podobu cyklu, který se skládá ze ty ástí. Nástup, pokles, trvání zvuku a doznívání. Podstatou syntézy je urit vlnový prbh daného hudebního nástroje zadáním hodnot píslušných tyástí cyklu Tabulky vlnového prbhu Výše uvedený zpsob se pomrn snadno kóduje a umožuje vytváet velmi kompaktní soubory, ádov menší než jsou soubory vzorkované. Ale zjednodušující povaha modelu ADSR (Attac-Decay-Sustain-Release) je na úkor hudební vrnosti. Nkteré zvukové karty problém obcházejí tím, že celý vlnový prbh hudebních nástroj uchovávají v pamti ROM pímo na kart. Tentozpsob se nazývá tabulková syntéza (wavetable) a není levný. Chcete-li však hudební syntézu v nejvyšší kvalit, je to zpsob pro vás. 26

4 3.0.6 Digitalizace zvuku Digitalizovaný zvuk svými objemovými nároky stojí nkde mezi obrázky a filmy. Musí zachycovat prbh zvukového signálu v reálném ase. Velikost výsledného souboru závisí samozejm na dob trvání zvuku a ad dalších parametr. Digitalizovaná tíminutová písnika však typicky spotebuje nco mezi jedním advma megabajty, což je akceptovatelné. U krátkých efektových zvuk se pak dostaneme do velmi píjemných mezí jednotek až desítek kilobajt. Takové objemy jsou dnešními prostedky snadno pepravitelné a proto se zvuk na stránky tlaí pomrn intenzivn. Tento digitální záznam zvuku je s námi již delší dobu. Používají jej hudební CD disky i digitální telefonní technika. V pípad jeho poítaového zpracování je teba navrhnout vhodný formát, v nmž jej lze uložit, a to pokud možno co nejefektivnji. Za nejbžnjší lze považovat ti: AU je staešinou Internetu. Navrhla jej firma Sun Microsystems pro své pracovní stanice. Vzhledem k jejich významu pi vytváení a rozvoji Internetu se formát.au velmi rozšíil. Dokonce i dnes mžeme na Internetu potkat mnoho zvuk, které tento formát používají. Podporuje jej drtivá vtšina program pro práci se zvukem. WAV pišel spolen s Microsoft Windows. Vzhledem k rozšíení tohoto operaního systému pedstavuje nástupce formátu.au. MPEG byl pvodn uren pro ukládání pohyblivého obrazu. V novjších verzích jej však lze použít i pro zvukové informace. Mže nabídnout vysokou kvalitu zvuku a jeho radikální kompresi. Výroba však zpravidla vyžaduje dodatené technické prostedky. Zvukovou kartu zpravidla doprovází pouze reprodukní programové vybavení. Umožuje pehrávat existující zvuky i hudební CD. Možnosti pro záznam však bývají velmi prostinké a úpravy zpravidla neumožuje vbec. Jednoduchý nástroj pro záznam zvuku bývá souástí vtšiny operaních systém. Programy umožující 27

5 pokroilejší úpravy si musíte poídit samostatn. Znané popularit se tší napíklad GoldWave, o nmž se zmíním ješt vprbhu této kapitoly. 3.1 WAV Krátký popis Soubory WAV (waveform audio formát) jsou pravdpodobn nejjednodušším zformát pro ukládání audia. Na rozdíl od MPEGu a ostatních komprimovaných formát ukládá WAV vzorkovaný zvuk v surové podob. WAV byl vytvoen ve spolupráci mezi Microsoftem a IBM Parametry pro web Tento formát je pro Web nevhodný. Na Webu se nepoužívá pro jeho objemnost Klady a zápory formátu Wav Pro A Proti Lze pehrát na jakémkoliv poítai se zvukovou kartou (PC XT a lepší). Uchovává veškerou zvukovou informaci. Pouze nekomprimovaný zvuk. Píliš velké soubory. Tabulka 4: Klady a zápory formátu Wav Programové vybavení Souástí prodejního kompletu zvukových karet bývá asto i základní software, který obvykle umožuje vzorkování a nejjednodušší formu úpravy zvukového záznamu, jakožto i jeho uložení práv ve formátu Wav. Pokud vám z njakého dvodu tento firemní software nestaí, nebo jej nemáte k dispozici, lze samozejm sehnat celou adu samostatných program, které umožují vzorkování, úpravy a následné 28

6 uložení nejen v tomto formátu. Jako jeden píklad za všechny uvádím jednoduchý, uživatelsky píjemný program GoldWave. GoldWave Autor/Výrobce: Chris S. Craig Program GoldWave umožuje nahrávat, Platforma: MS Windows pehrávat, stíhat, míchat a upravovat Zdroj: Statut: shareware zvuk. Jediné co v nm chybí je možnost vytváení a ukládání projekt, které by popisovaly, jak vlastn zvuk vznikl. Podobným zpsobem pracuje teba Adobe Premiere pi výrob filmových klip. Velkou výhodou je, že se mžete pozdji k projektu vrátit a pepracovat jej zmnit parametry filtru, posunout vi sob navazující zvuky apod.. V programu bohužel mžete ukládat jen výsledky, nikoli postupy, kterými jsme k nim dospli. 3.2 MP Krátký popis Formát MP3 je specializovaný na zpracování zvukových soubor. Je založen na kompresním algoritmu odvozeném z algoritmu MPEG pro kompresi videa. Vlastní oznaení MP3 vzniklo zkrácením MPEG1-Layer 3, což je oznaení tohoto kompresního algoritmu Popis formátu MP3 Kompresní algoritmus zkoumá po blocích vstupní data a inteligentní metodou vynechává neslyšitelné frekvence, které by lidské ucho mezi jinými tóny nerozlišilo. Výsledný "zjednodušený" signál se následn pevede na parametricku kivku, podobn jako obrázek ve formátu JPEG. Zredukuje se tím množství dat, které je teba uložit. Zajímavou možností tohoto formátu je, stejn jako u obrazového formátu JPEG, volba stupn komprese. U MP3 formátu se nastaví hodnota bitrate, oznaující datový prtok potebný pro pehrávání takto kódované skladby. ím menší je hodnota 29

7 bitrate, tím více se data redukují a výsledný soubor, ovšem i jeho kvalita, se zmenší. Parametry vstupního zvukového souboru urí, zda se komprese provede na monofonní nebo stereofonní. Poté se vybere nejnižší bitrate podle požadavku na kvalitu výsledného souboru. Oproti tradinímu zvukovému formátu WAV, mže MP3 skladba obsahovat tzv. ID3 TAG (v pekladu etiketa i visaka). Což je blok dat pipojený na konec souboru, do kterého se mimo jiné ukládá plný název skladby, jméno interpreta nebo název alba, ze kterého skladba pochází. Pehrávae umístmito TAGy pracovat, což usnaduje orientaci v rozsáhlých zvukových knihovnách Parametry pro web Pro srozumitelné mluvené slovo totiž dostauje datový prtok 8 kilobit za sekundu s výslednou kompresí tém 100:1. Poslech hudby na úrovni dobrého radiopijímae poskytuje bitrate 64 kilobit, pro kvalitu tém shodnou s CD je pak s kompresí 12:1 použit datový prtok 128 kilobit za sekundu. Používá se i bitrate vyšší, 256 až 320 kilobit za sekundu. To má smysl pouze v pípad, žejstepipojeni k Internetu pomocí pevné linky nebo soubory MP3 posloucháte na místní síti (intranetu). Typ pipojení 8 kb/s 32 kb/s 64 kb/s 128 kb/s 256 kb/s (a více) modem 33,6 modem 57,2 ISDN 64kb/s bezdrátové 96kb/s pevná linka - funguje perfektn, - funguje velmi dobe, - to by nemuselo fungovat, - tohle nepjde Tabulka 5: Bitrate vs. rychlost pipojení 30

8 3.2.4 Výroba soubor MP3 Zdroje pro tvorbu soubor MP3 zvukové CD zvuková stopa videonahrávky digitalizovaná nahrávka rozhovoru, koncertu atd. Tvrce Webu vtšinou nemusí sám tyto zdroje poizovat, ale jsou mu již dodány v digitálním provedení. Pi použití nekvalitní analogové nahrávky, jako základu pro digitální pedlohu MP3 souboru, algoritmus kvalitn zachová šum, takže nezbude prostor pro uložení žádoucích zvukových dat. Ve výsledném souboru pak šum vynikne ješt onco více než u pvodní nahrávky. Proto je tudíž dobré poizovat nahrávky pímo digitální technologií, nebo nevhodné analogové nahrávky upravit pomocí software urenému k práci se zvukovým záznamem (nap. GoldWave, Audio MP3 Maker) Klady a zápory formátu MP3 Pro A Proti Vysoká kvalita zvuku i pi nízkém datovém prtoku. Použití pro jakýkoliv zvukový záznam. Velmi rozšíený formát digitální zvukový záznam. Technologie kodeku MP3 je patentovaná. Tabulka 6: Pro a proti formátu MP3 31

9 3.2.6 Programové vybavení Winamp Autor/Výrobce: Nullsoft Platforma: MS Windows 9x/2000/NT4 WINE pod X-Window Winamp je audio pehráva, kterýhraje hudbu nebo njaký jiný záznam zvuku na vašem poítai. Má také množství Zdroj: populárních plug-in. Pro pedstavu Statut: freeware bych uvedla nap. skvlé efekty, které synchronizují hudbu, vstup, výstup a plug-iny další úely. To také pipouští pohled na jeho rozhraní, které se dá pizpsobit a každý uživatel mže použít rznou masku. Akoli je Winamp nejpopulárnjším pehrávaem pro MP3 (soubory MPEG audio Layer 3), podporuje také ostatní formáty. Winamp má vestavnou podporu následujících formát: MP3/MP2 (MPEG audio layers 1, 2 a 3); MOD/S3M/XM/IT (formáty digitální syntetizované hudby); MIDI/MID (hudební nástroj digitálního rozhraní); WAV/VOC (digitální audio soubory); CDA (Audio CD); WMA (Windows Media Audio); AS/ASFS (Audiosoft bezpený MP3 soubor). Existuje mnoho dalších vstupních plugin Winampu, které podporují rzné další formáty. Windows Media Player Autor/Výrobce: Microsoft Platforma: MS Windows 9x/2000/NT Citace z nápovdy systému Windows: Program Windows Media Player je Zdroj: univerzální pehráva mediálních Statut: souást operaního systému soubor, který lze použít k pehrávání zvukových soubor, videosoubor a soubor s kombinovaným multimediálním obsahem. Pomocí programu Windows Media Player mžete poslouchat nebo prohlížet živ nejnovjší zprávy i pímé sportovní penosy ze zápasu vašeho oblíbeného týmu, prohlédnout si hudební videoklip na serveru WWW, navštívit koncert i seminá nebo si prohlédnout ukázky z nového filmu. 32

10 AudioGrabber v1.62 AudioGrabber je software pro grabování Autor/Výrobce: digitálního audia z CD. Kopíruje audio Platforma: MS Windows 9x/NT digitáln, nikoli skrz zvuk, a tudíž Zdroj: umožuje dlat dokonalé kopie originál. Mže dokonce testovat kvalitu Statut: shareware kopií. Pracuje se všemi mechanikami CD-ROM, které petou digitální audio. AudioGrabber také automaticky normalizuje hudbu, odmazává ticho na zaátku nebo konci stopy. Získaná zvuková data potom posílá externímu MP3 kóderu. Pro automatické vytvoení MP3 nahrávek používá kóder MP3/WMA. Pomocí programu AudioGrabber mžete stahovat a ukládat na disk informace z databází kompaktních disk uvedených na Internetu, které jsou voln dostupné. Pomocí tohoto programu mžete také z nahrávek na vašem LP nebo kazet vyrobit hudbu ve formátu WAV i MP3. AudioGrabber má mnoho užitených funkcí a vlastností, hezké rozhraní a jednoduché ovládání, je konfigurovatelný a pizpsobivý. Nevyžaduje žádné další knihovny DLL, OCX nebo ovladae zaízení. Nezapisuje žádné záznamy do registru nebo souboru win.ini. Pokud vymažete adresá AudioGrabber, je celý pry. 3.3 MIDI Krátký popis Midi (Musical Instrument Digital Interface) je souhrn norem pro uložení hudební informace a její penos. Popsáno je fyzické propojení a systém kódování informace. Toto slouží ke komunikaci mezi rznými hudebními zaízeními (samplery, syntetizéry, sekvencery, rytmery, poítai,...) Historie formátu MIDI V roce 1981 se sešli zástupci nkolika firem vyrábjící elektronické hudební nástroje, aby se pedbžn dohodli na univerzálním propojení tchto hudebních 33

11 nástroj. V srpnu roku 1983 vznikla první norma MIDI 1.0. Standard však nebyl ve všech oblastech zcela upesnn, a tak byly po dvou letech uveejnny podrobné specifikace. V dalších letech byly uveejovány dodatky. Nyní je základní normou pro penos mezi rznými zaízeními norma zvaná General MIDI. Ta napíklad zajišuje, aby pod stejným íslem hudebního programu vždy zaznl ten samý hudební nástroj. Dležitý byl také vznik formátu standardních MIDI soubor (SMFF Standard MIDI File Format). Ten definoval soubor pro penos MIDI informací (nap. pes disketu nebo modem) Popis formátu MIDI Soubory MIDI penášejí pouze ídící informace. To znamená, že nepenáší ani vzorky nebo tvary vln (píkladem takových formát jsou WAV a AU). To má jak výhody, tak samozejm iurité nevýhody, které jsou uvedeny níže. Každá MIDI informace se musí zakódovat. Kvalita kódování informace je u formátu MIDI velice dležitá, nebo norma definuje penosovou rychlost pouze jako 31,25 Kbps Parametry pro web Vzhledem k rozšíenosti formátu MIDI, pi použití na WWW stránce, mžeme pedpokládat, že (tém) každý moderní operaní systém obsahuje ve standardní výbav program schopný pehrát soubor MIDI. Soubory obsahující hudbu zaznamenanou v tomto formátu mají obvykle velikost v ádu desítek kb. To znamená, že ivpípad pomalého pipojení, se soubor k uživateli dostane bhem nkolika sekund (nap. soubor MIDI o velikosti 30 kb se penese pes modem 33,6 Kbps pipojený k telefonní lince bhem10 15vtein) Výroba soubor MIDI Pi výrob souboru MIDI existují snad jen dv možnosti. Amatérská a profesionální. Napíklad si mžete pomocí programu, který vám umožní zapisovat pímo noty do notové osnovy, pepsat notový part do digitální podoby. Tolik k tvorb 34

12 amatérské. Ta sice mže pinést uspokojivé výsledky, ale bývá obvykle lepší pokusit se soubor nkde na Internetu nalézt, nebo najít hudebníka, který je schopen nahrát skladbu pímo ve formátu MIDI pomocí speciálního hardware (klávesy, apod.) Klady a zápory formátu MIDI Pro A Proti Malá velikost soubory s normáln dlouhou skladbou mají velikost v ádu desítek KB (Na rozdíl od Wav, jejich velikost pro stejný hudební útvar je v ádu MB). Možnost provádt zmny v tomto formátu se dají (pomocí mnoha již vytvoených program, vetn sharewarových) provádt úpravy hudebních informaci Programové vybavení Nelze používat libovolné zvuky protože se penáší pouze ídící informace, lze reprodukovat pouze zvuky tmito informacemi. To znamená, že nelze používat rzná houkání apod.. Horší kvalita reprodukce na levnjších zaízeních protože informace nenese vzorek nebo tvar vlny, je nutno zvuk vytvoit. Toto se dj bu pomocí FM syntézy, nebo pomocí vlnové tabulky. Tabulka 7: Klady a zápory formátu MIDI Cakewalk Express Cakewalk pracuje s vaším poítaem Autor/Výrobce: Twelve Tone Systems a zvukovou kartou. V jednu chvíli z vás Platforma: MS Windows 9x/NT/2000 mže být skladatel, hudební vydavatel Zdroj: iumlec. To všechno pomocí tohoto Statut: komerní verze programu, s kterým mžete snadno vytvoit hudbu s jakýmkoliv nástrojem, dokonce nahrát i váš hlas. Pak svá díla mžete editovat, upravovat, tisknout a znovu pehrávat. Vše z vašeho PC! Cakewalk Music Software pehraje jakoukoliv hudbu, MIDI a je používán jako digitální audio software pro Windows. 35

13 Sonar Autor/Výrobce: Cakewalk Platforma: MS Windows ME/2000/XP Zdroj: Program Sonar v sob spojuje možnost vícestopého záznamu, editace, mixování apehrávání audia a dále i MIDI. Statut: komerní verze Podporuje audio hardware až do 24 bit /96kHz. Umožuje simultánní vícestopý záznam (pokud to podporuje hardware). Umí importovat etné soubory formátu: AIF, ASF, AU, AVI, BUN, MID, MP2, MP3, MPEG, MPG, SND, WAV, WRK. Exportuje formát WAV pro pálení na CD, audio formát ACID pro použití v dalších projektech a aplikacích a exportuje formáty audia a videa do formátu AVI. Kóduje audio do MP3, RealAudio G2 a Windows Media ASF. Podporuje dva monitory najednou. Cubase VST 5.1 Autor/Výrobce: Steinberg Platforma: MS Windows Zdroj: VST Edition je kompletní vzorkovací a nahrávací systém, který spluje nejpísnjší kritéria. Toto kompletní audio Statut: komerní ešení kombinuje vlastnosti Cubase VST 5.1 s high end vzorkovacím systémem HALion. Program Cubase VST 5.1 podporuje až 72 stop audio/midi studiové nahrávky s 24 bit/48 khz zvukovou kvalitou a vnitními efekty. HALion kombinuje 32 bitové vzorkování s drag and drop operacemi. Cubase umí importovat adu formát, napíklad: WAV, AIF, AKAI, EMU, GIGA, SF2, LM 4, LM 4 Mark II, SD II (pouze pro Macintoshe). Další pedností programu Cubase VST 5.1 je píjemné uživatelské rozhraní. 36