MULTIMEDIÁLNÍ A HYPERMEDIÁLNÍ SYSTÉMY

MULTIMEDIÁLNÍ A HYPERMEDIÁLNÍ SYSTÉMY 1. Úvod Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku Petr Lobaz, 13. 2. 2018 MHS OBSAH P EDM TU jednotlivá média (zvuk, obraz, video) po ízení, zpracování, záznam, reprodukce um lecké, technické, algoritmické aspekty práce s n kolika médii sou asn technické standardy technický p edm t pro informatiky informace o sou asných i zastaralých technologiích d raz na po íta ové aspekty multimédií informace z nepo íta ových technologií um lecká stránka v ci v mí e nezbytn nutné, problematika obchodní v podstat opomenuta MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 2 / 77 OBSAH P EDNÁŠEK teorie zpracování signálu v multimédiích záznam a reprodukce zvuku úprava nahraného zvuku uložení a komprese zvuku snímání obrazu a videa, jejich zobrazení digitalizace a zpracování obrazu a videa uložení a komprese obrazu a videa multimediální kontejnery, distribuce multimédií multimédia v opera ních systémech p ípadová studie p íprava videa multimediální standardy, autorský zákon MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 3 / 77

ORGANIZACE P EDM TU POŽADAVKY KE ZKOUŠCE vypracování semestrální práce (až 40 bod ) ešení úloh z cvi ení (až 10 bod ) zkouškový test (až 50, minimáln 25 bod ) HODNOCENÍ 61 70 dob e 71 85 velmi dob e 86 100 výborn MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 4 / 77 ZVUK podélné kmitání molekul vzduchu p(x, t 0 ) p(x 0, t) p AT p AK pat p(x, t) p AT x T = 1 / f [Pa] lokální okamžitý atmosférický tlak [Pa] pr m rný atmosférický tlak t p AK (x, t) [Pa] lokální okamžitý akustický tlak: p(x, t) p AT p AK [Pa] amplituda akustického tlaku [m] vlnová délka f [Hz] ( asová) frekvence T [s] perioda vln ní MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 5 / 77 ZVUK rychlost zvuku c 340 m s 1 prakti t ji 1 stopa ms 1 ( 30 cm za milisekundu) zpožd né odrazy zvuku od st n umož ují odhadnout velikost místnosti vlnová délka = c T = c / f pro 1000 Hz asi 1 stopa ( 30 cm) protože akustický stín vrhají pouze p ekážky výrazn v tší než vlnová délka zvuku, rozlišíme p ímý zvuk od zvuku za rohem podle p ítomnosti vyšších frekvencí MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 6 / 77

(ZVUKOVÝ) SIGNÁL záznam signálu ani jeho reprodukce nejsou dokonalé teoretický signál s(t), reálný signál s (t) typicky uvažujeme aditivní šum: s (t) = s(t) + n(t) p i hodnocení kvality reálného signálu porovnáváme výkon (energii) šumu a výkon (energii) teoretického signálu výkon(šum) odstup signál šum = výkon(t. signál) typicky 0,0001; 0,00001; 0,000001; prakti t jší ísla ur ena logaritmickou škálou: decibely (db) výkon(šum) odstup signál šum [db] = 10 log 10 výkon(t. signál) typicky 40 db, 50 db, 60 db, MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 7 / 77 (ZVUKOVÝ) SIGNÁL DYNAMICKÝ ROZSAH odstup nejtiššího od nehlasit jšího zaznamenatelného (reprodukovatelného) signálu nejtišší signál omezen úrovní šumu dynamický rozsah signálu: odstup mezi nejhlasit jším signálem a šumem MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 8 / 77 (ZVUKOVÝ) SIGNÁL je t eba zaznamenat akustický signál p AK (x 0, t) = p AK (t) v konkrétním bodu prostoru x 0 kvalitní záznam r zn rychlé zm ny p AK (t) záznam frekven ního rozsahu f min až f max kvalitní záznam hodnot p AK (t) v rozsahu p AK min až p AK max záznam p AK (t) se liší jen minimáln od p AK (t) velký odstup signál šum, resp. dynamický rozsah význam kvalitní, velký apod. musí být odvozen z vlastností lidského sluchu MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 9 / 77

UCHO st ední ucho sluchový nerv polokruhové kanálky boltec zvukovod bubínek hlemýž orig. kresba L. Chittka, A. Brockmann, licence CC 2.5 vnit ní ucho MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 10 / 77 UCHO vn jší ucho boltec: rozlišení lokace zvuku p ed a za zvukovod: rezonátor, zlepšení citlivosti p i 3 4 khz bubínek kmitá vlivem zm ny akustického tlaku odd lení tlak vn jšího a st edního ucha st ední ucho sluchové k stky p enos kmitání bubínku do vnit ního ucha zesilova kmitání okolní svaly mohou stupe zesílení m nit MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 11 / 77 UCHO vnit ní ucho polokruhové kanálky pro systém držení rovnováhy (pro sluch nepodstatné) hlemýž (cochlea) s membránami vlastní detekce zvuku p i dopadu zvuku se rozkmitá bazilární membrána v jistém míst rozkmit (rezonance) nejv tší tam zareagují nervová zakon ení frekven ní analýza zvuku sluchový (kochleární) nerv p enos zvukové informace do mozku p i dalším zpracování zvukové informace pracuje mozek s informacemi z obou uší (binaurální sluch) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 12 / 77

HLASITOST ZVUKU OBJEKTIVNÍ KRITÉRIA hlasitost závisí na efektivní hodnot akustického tlaku p AK-E energie (výkon) zvukové vlny nezávisí na amplitud (maximální hodnot ) akustického tlaku p AK, ale na jeho efektivní hodnot p AK-E p íklad: tyto dva pr b hy ur it nevykonávají stejnou práci, a koliv mají stejnou amplitudu p AK (t) p AK 10 ms t 10 ms t pro sinový pr b h platí p AK-E = 0,707 p AK obecn pro zvuk délky T : p AK-E = ( 1 T T (p AK (t)) dt)1/2 2 0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 13 / 77 HLASITOST ZVUKU minimální slyšitelný p AK-E : p 0 = 2 10 5 Pa (ideální podmínky poslechu, stá í poslucha e 15 let, frekvence cca 2 khz, ) p i p AK-E 50 Pa vnímáme chv ní vzduchu mimosluchov velká hlasitost, práh bolestivosti vjem hlasitosti tém logaritmický zajímá nás, kolikrát je m ený zvuk výkonn jší než minimální slyšitelný úrove akustického tlaku (sound pressure level) je vhodn jší uvád t v db intenzita (výkon) I zvukové vlny konst. (p AK-E ) 2 SPL [db] = 10 log 10 konst. (p AK-E ) 2 konst. (p 0 ) 2 = 20 log 10 p AK-E p 0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 14 / 77 HLASITOST ZVUKU rozsah SPL cca 120 db extrémní SPL v praxi nepoužitelné užite ný rozsah 100 db rozlišitelnost jednoduchých zvuk cca 1 db rozlišitelnost složitých zvuku cca 3 db SPL [db] p AK [Pa] práh slyšitelnosti (1 khz) 0 2,0 10 5 tikot hodin (1 m) 30 6,3 10 4 b žná e (1 m) 50 6,3 10 3 hluk na ulici 80 2,0 10 1 hlasitý zp v (1 m) 100 2,0 práh bolesti 130 63,0 start tryská e (1 m, zm ený p AK ) 180 20000,0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 15 / 77

HLASITOST ZVUKU intenzita (výkon) zvuku klesá se vzdáleností ve vzdálenosti x intenzita zvuku I ve vzdálenosti kx intenzita zvuku I / k 2 I / k 2 rozdíl SPL = 10 log 10 = 20 log I 10 k ve dvojnásobné vzdálenosti (k = 2) rozdíl SPL: 6,02 db v polovi ní vzdálenosti (k = 0,5) rozdíl SPL: +6,02 db v praxi m že být pokles nižší (odrazy od st n, ) nekorelované zvuky intenzit I 1, I 2 celková intenzita I = I 1 + I 2 nekorelované zvuky úrovní SPL 1, SPL 2 [db] I 1 = konst. 10 0,1 SPL 1 I 2 = konst. 10 0,1 SPL 2 celková úrove SPL = 10 log 10 (10 0,1 SPL 1 + 10 0,1 SPL 2 ) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 16 / 77 HLASITOST ZVUKU SUBJEKTIVNÍ KRITÉRIA 2 v tší hlasitost rozdíl SPL 10 db (n kdy, p ibližn ) vjem hlasitosti závisí nejvyšší citlivost: 1 4 khz na frekvenci SPL [db] m ení závislosti 120 Fletcher a Munson 100 (1933), Robinson a Dadson (1956), 80 ISO 226 60 k ivky konstantní 40 hlasitosti: nap íklad 20 tyto dva zvuky se zdají stejn hlasité 0 50 100 300 1k 3k 10k f [Hz] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 17 / 77 HLASITOST ZVUKU jednotka stejné vnímané hlasitosti: fon (Ph) odpovídá SPL [db] pro 1 khz pro jiné frekvence SPL [db] p evod na db SPL 120 podle k ivek konstantní hlasitosti 100 zm na SPL 50 db: 80 50 Hz 80 ph 60 1 khz 50 ph 40 zavádí se další jednotky, které 20 hlasitost ur ují lépe 0 110 Ph 90 Ph 70 Ph 50 Ph 30 Ph 10 Ph 50 100 300 1k 3k 10k f [Hz] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 18 / 77

HLASITOST ZVUKU ozna ení hlasitosti jedním íslem kompenzace A cca 40 fon, v podstat ignoruje první oktávy B cca 70 fon SPL [db] C cca 100 fon 0 C nap. 60 db SPL p i B 100 Hz odpovídá 20 A 40 dba (úrovni SPL 40 podle kompenzace A) 50 m ení hlu nosti nej ast ji podle kompenzace A 100 300 1k 3k 10k f [Hz] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 19 / 77 HLASITOST ZVUKU ŠPI KOVÁ HLASITOST / ÚROVE pro krátké zvuky (<< 1 s) detektor: peak power meter (PPM) d ležité v technických aplikacích signál nesmí nikdy p ekro it maximální povolenou úrove pro technické ú ely je vhodné definovat úrove jinak P úrove signálu výkonu P: dbm = 10 log 10 1 mw (zavedeno pro první telefony) U úrove signálu nap tí U: dbu = 20 log 10 0,775 V (hifi, odvozeno z historické telefonie) U p i max. povoleném nap tí U max : dbfs = 20 log 10 U (FS = full scale; musí platit dbfs < 0) max MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 20 / 77 HLASITOST ZVUKU PR M RNÁ HLASITOST / ÚROVE lépe odpovídá pojm m tichý vs hlasitý klasický detektor: volume unit meter (VU meter) v podstat velmi líný PPM býval kalibrován, aby 0 dbvu = +4 dbu rozsah vhodný pro m ení hudby 20 až +3 dbvu (kladné hodnoty reprezentují velmi hlasité ) m l by brát z etel na frekven ní citlivost ucha p i sledování hlasitosti zvuku (nap. TV) d ležité špi ky (nap. výst el) i pr m r (nap. hlas) norma definující íselnou hodnotu hlasitosti nap. ITU-R BS.1770 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 21 / 77

HLASITOST ZVUKU HLASITOST ZVUKU V MULTIMEDIÁLNÍ PRAXI špi ková úrove : pokud nep ekro í 0 db FS (tj. má zápornou hodnotu), jsme schopni signál zpracovávat korektn pr m rná úrove by proto m la být menší než 0 db FS nap. standard K-14 doporu uje pr m rnou úrove (nap. dialogy) 14 db FS nastavení takové, aby rozumn hlasité zvuky < 0 db FS úrove slyšitelného zvuku v SPL záleží na vzdálenosti od reproduktoru, nastavení zesilova e, asto se kalibruje tak, aby se pr m rná úrove (nap. 14 db FS) reprodukovala p i 83 db SPL pokud je úrove slyšitelného zvuku menší než cca 20 db SPL, zvuk nejspíš zanikne v okolním ruchu MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 22 / 77 VÝŠKA ZVUKU OBJEKTIVNÍ KRITÉRIA nízké frekvence hluboké tóny vysoké frekvence vysoké tóny p i f < 20 Hz nevnímáme spojitý tón, ale odd lené pulsy p i f > 20 khz se p i rozumných SPL zvuk nevnímá horní hranice klesá s v kem (cca 1 Hz / den) ve v ku kolem 70 let cca 2 4 khz standardní frekven ní pásmo slyšitelnosti: 20 Hz 20 khz logaritmické vnímání 1 oktáva = rozsah od f do 2 f standardní rozsah slyšitelnosti 10 oktáv dv frekvence < 2 khz rozlišitelné, pokud se liší o cca 1 Hz p i 1 khz to odpovídá cca 0,1 %; u vyšších frekvencí horší MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 23 / 77 VÝŠKA ZVUKU komorní A 440 Hz (jedna z definic) hlas bas 82 329 Hz (2 oktávy) (základní frekvence) baryton 110 370 Hz (2 oktávy) tenor 131 523 Hz (2 oktávy) alt 175 698 Hz (2 oktávy) mezzosoprán 247 880 Hz (2 oktávy) soprán 262 1397 Hz (2,5 oktávy) housle 196 1975 Hz (3,3 oktávy) flétna 262 2349 Hz (3,1 oktávy) klavír 27 4186 Hz (7,3 oktávy) varhany 16 8372 Hz (9,0 oktávy) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 24 / 77

VÝŠKA ZVUKU SUBJEKTIVNÍ KRITÉRIA typický zvuk se skládá ze základní frekvence f a harmonických frekvencí n f (celo íselné násobky) rozeznávání výšky tónu podle základní frekvence a struktury harmonických frekvencí nap. vnímané komorní A m že obsahovat jen minimum energie pro 440 Hz! pokud reproduktor zvládne zvuky jen nap. od 70 Hz a p ehrává zvuk 100 Hz + 150 Hz + 200 Hz + 250 Hz +, uslyšíme tón výšky 50 Hz ve zvuku houslí asto chybí základní frekvence, rozpoznání cca po 30 ms od za átku zvuku detekuje se místy rezonance membrány vnit ního ucha MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 25 / 77 VÝŠKA ZVUKU KRITICKÉ PÁSMO rozsah kmitání bazilární membrány pro danou frekvenci ší ka cca 100 Hz pro frekvenci do 500 Hz, cca 2 khz pro frekvenci okolo 10 khz rozsah sluchu odpovídá 24 nep ekrývajícím se kritickým pásm m z existence kritických pásem plyne jev maskování velmi d ležitý pojem ve ztrátové kompresi zvuku MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 26 / 77 SOUZVUK dva sou asn zn jící tóny frekvencí f 1, f 2 : s(t) = sin(2 f 1 t) + sin(2 f 2 t) = = 2 sin ( 2 f 1 + f 2 2 t ) cos ( 2 f f 1 2 t 2 ) s s f 2 = 1,1 f 1 f 2 = 1,5 f 1 t f 1, f 2 pat í do stejného kritického pásma: jsou-li f 1, f 2 blízké (f 1 f 2 < 10 Hz) vjem tónu pr m rné frekvence a kolísání hlasitosti jsou-li f 1, f 2 vzdálené (f 1 f 2 < ší ka kritického pásma) vjem hrubého tónu f 1, f 2 nepat í do stejného kritického pásma: vjem souzvuku dvou odlišných tón t MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 27 / 77

BARVA ZVUKU (TÉMBR) subjektivní pojem; nap. odlišení zvuku hudebních nástroj dána p edevším pom rem energií (prvních) harmonických frekvencí (p íliš nezávisí na jejich vzájemné fázi) po áte ním p echodovým (tranzientním) zvukem typicky v délce n kolika (10) vln základní frekvence, nap. pro f Z = 500 Hz jde o prvních 20 ms zvuku p íklad: tón C5 (f Z = 523,25 Hz ~ 5,2 periody za 10 ms) u u u u 10 ms 10 ms 10 ms 10 ms u u u u flétna 1 s klavír 1 s trubka 1 s housle 1 s MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 28 / 77 BARVA ZVUKU (TÉMBR) dbfs 24 36 48 60 72 84 92 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] flétna, C5 (523,25 Hz) dbfs 24 36 48 60 72 84 92 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] klavír, C5 (523,25 Hz) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 29 / 77 BARVA ZVUKU (TÉMBR) dbfs 24 36 48 60 72 84 92 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] housle, C5 (523,25 Hz) dbfs 24 36 48 60 72 84 92 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] trubka, C5 (523,25 Hz) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 30 / 77

MASKOVÁNÍ FREKVEN NÍ MASKOVÁNÍ zn jí-li sou asn dva nekorelované zvuky, slabší m že být zamaskován (není slyšet) závisí na rozdílu frekvencí a rozdílu úrovní p íklad: maskovací zvuk šum, frekvence 365 455 Hz, úrove ur ená grafem; tón 1 khz úrovn 35 db SPL db SPL 80 db SPL (a slabší) je maskován šumem 80 db SPL (Egan a Hake, 1950) aplikace: ztrátová komprese zvuku co není slyšet, nemusí se kódovat 60 50 40 30 20 10 60 40 20 0 100 500 1k 2k 3k f [Hz] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 31 / 77 MASKOVÁNÍ ASOVÉ MASKOVÁNÍ k frekven nímu maskování dochází také chvíli p ed i po zapnutí maskovacího zvuku p íklad: maskovací zvuk schopný frekven n maskovat zvuk úrovn 50 db SPL má 10 ms po skon ení schopnost zamaskovat zvuk úrovn 17 db SPL db SPL 50 40 30 20 10 0 0 5 10 20 50 100 200 500 t [ms] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 32 / 77 FREKVEN NÍ ANALÝZA obecný periodický signál s(t) periody T Z m žeme vyjád it sou tem mnoha sinových pr b h : s(t) = a 0 + a k sin(2 kf Z t + k ) k=1 f Z a k základní frekvence, f Z = 1 / T Z amplituda sinu frekvence kf Z (a 0 je stejnosm rný len ) k fázový posun sinu frekvence kf Z p íklad: obdélníková vlna s(t) = sin(2 f Z t) + 1 3 sin(2 3 f t) + + Z 1 + 2k + 1 sin(2 (2k + 1) f t) + Z s(t) +1 1 T Z t MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 33 / 77

FREKVEN NÍ ANALÝZA obecn jší vyjád ení pro neperiodické signály: s(t) = a(f) sin(2 f t + (f)) d f 0 alternativn po rozkladu a(f) sin(2 f t + (f)) = a(f) cos( (f)) sin(2 f t) + a(f) sin( (f)) cos(2 f t) = a s (f) sin(2 f t) + a c (f) cos(2 f t) s(t) = a s (f) sin(2 f t) + a c (f) cos(2 f t) d f 0 jak pro daný s(t) zjistit a s (f) a a c (f)? MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 34 / 77 FREKVEN NÍ ANALÝZA FOURIEROVA TRANSFORMACE a s (f) = 2 s(t) sin(2 f t) d t a C (f) = 2 s(t) cos(2 f t) d t pro to funguje? sin(2 f 1 t) cos(2 f 2 t) d t = 0 sin(2 f 1 t) sin(2 f 2 t) d t = (f 1 f 2 ) = 0 f 1 f 2 f 1 = f 2 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 35 / 77 FREKVEN NÍ ANALÝZA celková amplituda a(f) pr b hu frekvence f, f > 0: a(f) = a s (f) 2 + a c (f) 2 funkci a(f) íkáme (amplitudové) spektrum signálu s(t) výkon signálu frekvence f ~ a(f) 2 Fourierova transformace se ast ji po ítá v komplexním oboru potom se uvažují frekvence f kladné i záporné, amplitudy a(f), a( f) na sob (jednoduše) závisí podrobnosti pozd ji MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 36 / 77

IDENTIFIKACE ZDROJE IDENTIFIKACE SM RU ZDROJE ZVUKU dobrá, rozlišovací schopnost asi 1 rozeznání sm ru cca po 1 ms vysoké frekvence hlava vrhá akustický stín musi být menší než hlava, tj. pro f > 2 khz uši vnímají r znou intenzitu vysokých frekvencí zm na barvy zvuku nízké frekvence zvuk u uší fázov posunutý musi být v tší než hlava, jinak je posuv p íliš složitý impulsní zvuky uši vnímají impuls v r zných okamžicích MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 37 / 77 IDENTIFIKACE ZDROJE Haas v efekt pokud uši slyší tentýž zvuk a asový rozdíl je mezi 0,7 ms a 50 ms, lokalizujeme jej podle prvního dojmu dozvuk místnosti neovliv uje lokalizaci navíc vnímáme zvuk jako celek p i prodlev > 50 ms vnímáme druhý zvuk jako ozv nu p i prodlev < 0,7 ms závisí lokalizace na asovém rozdílu teoretický základ stereofonní reprodukce MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 38 / 77 IDENTIFIKACE ZDROJE IDENTIFIKACE VZDÁLENOSTI ZDROJE ZVUKU špatná ve v tší vzdálenosti menší obsah vysokých frekvencí (vliv útlumu) relativn dobrý odhad velikosti prost edí Haas v efekt MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 39 / 77

IDENTIFIKACE ZDROJE odlišné chování, vnímají-li uši tentýž zvuk asov (fázov ) posunutý, nebo zvuky výrazn odlišn jší efekt koktejlového ve írku jsme schopni soust edit se na konverzaci, i když je zvuk v podstat maskovaný ruchem okolí schopnost se ztrácí p i poslechu záznamu MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 40 / 77 H EBENOVÝ FILTR obecné pojmenování zpracování signálu: sou et signálu se svou asov zpožd nou kopií out (t) = in (t) + in (t t) in(t T) in(t) t zvuky ve fázi out(t) 2 v tší amplituda t in(t T 2 ) T t t out(t) zvuky v protifázi potla ení signálu t MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 41 / 77 H EBENOVÝ FILTR ve zpracování zvuku efekt h ebenového filtru nap. zvuk je nahrán spole n se svou zpožd nou kopií typicky p ímý zvuk + odraz od st ny p íklad: L 1 = 3 ft, L 2 = 4 ft rozdíl zpožd ní L zvuk 1 a 2 cca 1 ms 2 pro frekvenci 1 khz (T = 1 ms) L 1 2 vyšší akustický tlak (+6 db) pro frekcenci 500 Hz (T = 2 ms) akustický tlak 0 n které frekvence zd razn ny, jiné potla eny zm na barvy zvuku typický problém p i mixu stereo mono MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 42 / 77

H EBENOVÝ FILTR dbfs +10 10 30 50 70 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] flétna, C5 (523,25 Hz), p vodní zvuk dbfs amplitudy prvních harmonických frekvencí p vodního zvuku +10 10 30 50 70 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [khz] flétna, C5 (523,25 Hz), sou et se zvukem zpožd ným o cca 0,5/523 s MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 43 / 77 NAHRÁVACÍ ET ZEC za átek et zce: zdroj zvuku konec et zce: poslucha reprodukovaného zvuku Chceme dokonalou kopii p vodnho zvuku? v etn pokašlávání hudebník? v etn zvuku letadla, které náhodou prolétlo kolem? v etn ruchu klimatizace v místnosti? zvuk nástroje je jiný ze vzdáleností 10 cm a 10 m; jak má znít na nahrávce? obvykle chceme uv itelnou kopii zvuku MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 44 / 77 NAHRÁVACÍ ET ZEC zdroj zvuku (hlas, hudební nástroj, prost edí, ) ne každý hlas (apod.) zní na nahrávce dob e d ležitá volba akustického prost edí mikrofon / mikrofony d ležitá volba typu, umíst ní, sm rování, zpracování záznamu jednoho zdroje zvuku odstran ní šumu, potla ení sykavek, mixáž n kolika zdroj do jednoho složeného zvuku volba pom r intenzit, tvorba prostorovosti, uložení zvuku do distribu ní podoby dekódování distribu ní podoby reprodukce velká variabilita nahrávka má znít dob e všude MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 45 / 77

REPRODUKTORY POSLECHOVÉ REPRODUKTORY musí dob e znít (zna n subjektivní vlastnost) velká variabilita typ hifi, výkonové koncertní, do automobil, do telefon, vyjma high-end mají jejich uvád né parametry st ží jakoukoliv informa ní hodnotu p íklad: frekven ní rozsah 20 20 000 Hz Co to znamená? Jak vypadá frekven ní charakteristika? útlum [db] útlum? [db]? 0 0 10 10 20 20 30 30 2 20 200 2k 20k f [khz] 2 20 200 2k 20k f [khz] MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 46 / 77 REPRODUKTORY STUDIOVÉ REPRODUKTORY plochá frekven ní charakteristika nap. 60 20000 Hz tolerance ±3 db; 35 Hz pokles 6 db vyrovnaná fázová charakteristika všechny frekvence se zpracují se stejným zpožd ním na vstupu obdélníkový pr b h na výstupu také rovnom rná sm rová charakteristika zvuk je ve všech sm rech stejn kvalitní velká dynamika umí bez zkreslení p ejít od tichého k hlasitému malé harmonické zkreslení (< 1%) reprodukce sinového pr b hu není dokonale sinová zkreslení je sou et harmonických frekvencí omezit! MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 47 / 77 REPRODUKTORY KONSTRUKCE reprobox obsahuje jeden reproduktor minimální konstruk ní problémy nehodí se pro v tší akustické výkony reprobox obsahuje více reproduktor typicky tweeter (vysoké tóny), woofer (hluboké tóny) kvalitní rozd lení zvuku mezi reproduktory obtížné subwoofer reproduktor specializovaný na velmi hluboké tóny (cca do 100 Hz) do reproduktorové soustavy obvykle sta í jeden cenov výhodné (ostatní reproboxy nemusí basy um t) další konstruk ní problémy p i d lení zvuku MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 48 / 77

REPRODUKCE MONOFONNÍ 1.0 jeden zdroj zvuku typický výstup mikrofonu množství starých nahrávek, zvukových stop film p edpokládaný zp sob reprodukce u rádia, mobilních za ízení STEREOFONNÍ 2.0 dva zdroje zvuku (L, R) stereofonní obraz virtuální zdroje zvuku poslucha a zdroje rovnostranný trojúhelník, ve stejné výšce sluchátka rychlejší únava, zvuk p ed poslucha em asto vnímán jako uvnit hlavy MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 49 / 77 REPRODUKCE STEREOFONNÍ OBRAZ L+R stejný zvuk vjem, jako by byl zdroj zvuku v bodu C L+R stejný zvuk jiné hlasitosti nejasný posun virtuálního zdroje (vyjma extrém, viz graf dole) L+R stejný, asov posunutý zvuk p esný posun virtuálního zdroje zvuku potíž s kompatibilitou monofonní reprodukce (efekt h ebenového filtru) domn lá pozice zvuku C 0,7 ms: Haas v efekt asový posuv L R L C R L L 0 0,2 0,6 0,6 0,8 1,0 t [ms] 0 2 4 6 8 10 db C mírná zm na? nejasná identifikace rozdíl úrovní L R MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 50 / 77 REPRODUKCE LOW FREQUENCY EFFECT (LFE) hluboké tóny málo slyšitelné musí mít velkou amplitudu (v nahrávce nap. 1,0) užite n jší zvuky mají amplitudu nižší (nap. 0,1) amplituda šumu záznamu je po ád stejná (nap. 0,001) užite n jší zvuky mají horší odstup signál šum ešení nízké tóny ve zvláštní mono stop (LFE), zvláštní ízení hlasitosti studiový zvuk rozd lení na normální kanály a LFE p i reprodukci dekódování normálních kanál a LFE slou ení do zvuku obsahujícího basy i výšky p ípadné rozd lení zvuku do b žných reproduktor a subwooferu (tzv. bass management) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 51 / 77

REPRODUKCE 2.1 je t eba rozlišovat, jestli se ozna ení 2.1 vztahuje ke zp sobu záznamu zvuku, nebo k reproduktorové konfiguraci 2.1 zvuk (L+R+LFE) m žeme p ehrávat na libovolné konfiguraci (mono / stereo / sluchátka / s nebo bez subwooferu /...) 2.1 konfiguraci reproduktor (L+R+subwoofer) m žeme použít k p ehrání libovolného zvuku (1.0, 2.0, 5.1, ) vyžaduje bass management asto vyžaduje um lé zvýšení / snížení po tu kanál (upmixing / downmixing) umíst ní subwooferu prakticky libovolné umíme špatn identifikovat sm r zdroje hlubokých tón MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 52 / 77 REPRODUKCE VÍCEKANÁLOVÁ REPRODUKCE p vodn ur ena k ozvu ení kinosál reproduktory jen u plátna zvuk pro diváky vp edu hlasitý, pro diváky vzadu tichý více reproduktor po st nách kinosálu když už jsou k dispozici, pro jim nep i adit vlastní stopy? problém stereofonní reprodukce L+R reproduktory stejný zvuk A vnímá zdroj zvuku v míst, kde je figura na plátn Haas v efekt: B vnímá zdroj zvuku u reproduktoru R mimo figuru L A plátno B R MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 53 / 77 REPRODUKCE ešení st edový kanál stereofonní obraz funk ní ve v tšin promítacího sálu typická soustava ozvu ení kinosálu vp edu center (C), left (L), right (R) po stranách surround (S), p ípadn left surround (LS), right surround (RS) p ípadn dále back (B), left center (LC), L C R L LC C RC right center (RC), plátno plátno S S LS S S LS S S S S S LS B B B R RS RS RS MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 54 / 77

REPRODUKCE KVADROFONNÍ (4.0) dva alternativní systémy: hudební 45, 135 jen pro 1 poslucha e filmový (reproduktory jako u 5.1,oba zadní reproduktory stejný zvuk) SURROUND (5.1) nahrávka L, R, C (center), LS, RS (left/right surround), LFE rozmíst ní 0, 30, 110 mnoho dalších systém (6.1, 7.1, ) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 55 / 77 REPRODUKCE REPRODUKTOROVÉ POLE cca 40 malých reproduktor + 2 woofer v daném bodu je intenzita zvuku maximální, když se všechny díl í zvuky potkávají ve fázi díl í zvuky asov posunuté, aby se kompenzovaly rozdíly vzdáleností L1, L2, je-li reproduktor hodn, je jinde intenzita zvuku malá tvorba zvukových paprsk surround efekt odrazem od st n simulace sterea, sm rování zvuku k jednomu poslucha i, L1 L2 L3 L4 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 56 / 77 REPRODUKCE ZVUKOVÉ OBJEKTY nahrávka obsahuje monofonní zvuky + informaci, kde se v prostoru zdroj zvuku nachází až b hem p ehrávání se ur í, jak zvuk co nejlépe napodobit s momentální reproduktorovou konfigurací m že využívat reproduktory umíst né v prostoru, p ípadn odrazy zvukových paprsk od stropu nap. konfigurace 7.1.4 = standardní 7.1 + 4 stropní Dolby Atmos až 118 zvukových objekt + p edmíchaný 9.1 zvuk (až 128 zvukových stop v nahrávce) výstup pomocí 24 základních + 10 stropních reproduktor (p ípadn mén ) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 57 / 77

REPRODUKCE DOWNMIXING po et reproduktor menší než po et zvukových kanál typicky 2.0 1.0 (rádio, mobilní telefon, ) asto 5.1 2.0, 5.1 Dolby Surround stereo maticový zápis (I m = vstup. amplituda, O n = výst. amp.) O 1 = a 11 I 1 + a 12 I 2 + + a 1M I M O 2 = a 21 I 1 + a 22 I 2 + + a 2M I M O N = a N1 I 1 + a N2 I 2 + + a NM I M O = A I p íklad: 5.0 2.0 L out = (1 L in + 0,707 C in + 0 R in + 1 LS in + 0 RS in ) / 2,707 C in musí polovinu energie p edat do L out, polovinu do R out ½ energie = 3 db amplitudu C in násobit 1/ 2 = 0,707 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 58 / 77 REPRODUKCE normaliza ní faktor 2,707 v p edchozím p íkladu amplituda L out nep ekro í povolené maximum p i downmixingu problém s efektem h ebenového filtru stereofonní obraz vzniká mj. asovými (fázovými) posuvy po slou ení asov posunutých zvuk zm na barvy nejv tší problém, vznikl-li výchozí zvuk upmixem UPMIXING typicky 2.0 5.1 výstupní kanály r zné lineární kombinace vstupních kanál r zn frekven n pozm nených (zvuk ze zadu má mít mén vysokých frekvencí) r zn asov (fázov ) posunutých MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 59 / 77 MIKROFON mikrofon jedna nebo n kolik mikrofonních kapslí mikrofonní kapsle p evod akustického tlaku na elektrické nap tí základní mikrofonní kapsle monofonní kombinací kapslí se dosahují r zné efekty p i výb ru mikrofonu musíme zvolit sm rovou charakteristiku mikrofonu princip p evodu akustické energie na elektrickou (dynamické mikrofony, kapacitní mikrofony) kolik mikrofon použít (zdroj zvuku je složit jší, pro stereofonní záznam, ) typ mikrofonu (klopový, do ruky, bezdrátový, ) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 60 / 77

PRINCIP MIKROFONU DYNAMICKÝ MIKROFON pružná membrána (1) s cívkou (2) na zadní stran, permanentní magnet (3) pohyb membrány pohyb cívky 1 2 3 v magnetickém poli indukce nap tí malá membrána cívka musí být malá malé indukované nap tí náchylnost k šumu velká membrána má velkou setrva nost špatn reaguje na vysoké frekvence horší frekven ní rozsah typicky h e snímá zvuk nad 10 khz, výborný pro 1 4 khz umí snímat velký akustický tlak nevyžaduje externí napájení mechanicky odolný vhodný pro exteriér MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 61 / 77 PRINCIP MIKROFONU KAPACITNÍ MIKROFON pohyblivá vodivá deska (1) a nepohyblivá 5 vodivá deska (2) tvo í kondenzátor nabíjený nap. baterií (3) p i pohybu (1) se m ní jeho kapacita zm nu kapacity lze p evést (viz odpor (4)) na malou zm nu nap tí nutno zesílit (5) vynikající frekven ní rozsah 1 2 3 4 výborná citlivost ( hlasit jší výstup oproti dynamickému) vyžaduje napájení zesilova e (baterie nebo p ipojení 48 V na výstupní svorky tzv. fantomové napájení) velmi citlivý na zacházení, vlhkost, MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 62 / 77 PRINCIP MIKROFONU ELEKTRETOVÝ MIKROFON stejný princip jako kondenzátorový desky kondenzátoru nabité stabilním nábojem levn jší než p vodní kapacitní m že být velmi malý a velmi levný pro klopové mikrofony, interní mikrofony kamer apod. dražší typy obsahují p edzesilova signálu vyžadují napájení MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 63 / 77

SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA M ENÍ 0 0 0 zvuk 0 40 40 80 80 120 120 160 160 kardioidní superkardioidní hyperkardioidní 0 db 10 db 20 db 0 0 0 nam ená úrove (oproti úrovni pro 0 ) všesm rová osmi ková puška (lobar) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 64 / 77 SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA membrána VŠESM ROVÝ MIKROFON uzav ená mikrofonní kapsle, reaguje na akustický tlak asto jako klopový, ale i ru ní nebo studiový mikrofon pro rozhovory lepší než sm rový mikrofon díky všesm rovosti nic nep eslechne vynikající zvuk v prost edí s dozvukem netrpí proximity efektem snímá veškerý zvuk, i ten, který nechceme (ruchy z okolí) 0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 65 / 77 SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA OSMI KOVÝ MIKROFON otev ená mikrofonní kapsle, reaguje na rozdíl akustických tlak zp edu a zezadu kapsle trpí proximity efektem zvuk p ichází z úhlu 90 stejné akustické tlaky z obou stran tém dokonalý útlum využití, pokud pot ebujeme silný útlum ze strany pokud zvuk p ichází zp edu nebo zezadu, je výstup stejný, ale s opa nou polaritou využití p i M/S stereofonním nahrávání membrána 0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 66 / 77

SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA PROXIMITY EFEKT u mikrofon reagujících na rozdíl akustických tlak (s otev enou / polouzav enou kapslí) zvuk z velké vzdálenosti akustický tlak z obou stran membrány srovnatelný, ale kapsle stíní a zvuky jsou asov posunuté detekce zm ny akustického tlaku zvuk z blízka díky útlumu akustický tlak z jedné strany mnohem v tší zd razn ní nízkých frekvencí nap. hlas zní hlubší, než skute n je dá se kompenzovat ekvalizací, pak ale nejsou slyšet nízké frekvence z dálky zvuk z dálky zvuk z blízka MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 67 / 77 SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA KARDIOIDNÍ MIKROFON polouzav ená mikrofonní kapsle, reaguje na rozdíl akustických tlak zp edu a zezadu kapsle zvuk zezadu dopadá na membránu z obou stran perforace taková, aby se akustické tlaky kompenzovaly trpí proximity efektem typický konferen ní, jevištní mikrofon (nesnímá hluk ze sálu, zabra uje zp tné vazb vznikající, je-li mikrofon p ipojen na sálové reproduktory) membrána perforace 0 potenciální hluk MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 68 / 77 SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA SUPERKARDIOIDNÍ M. HYPERKARDIOIDNÍ M. stejný princip jako kardioidní mikrofon, konstrukcí daná úzká sm rovost dobrý reportážní mikrofon (snímá jen reportér v hlas) alternativn má mikrofonní kapsle dv kapacitní membrány jejich r zným nabitím se m ní sm rová charakteristika membrána 1 nepohyblivá deska membrána 2 0 0 potenciální hluk sm uje k zemi nevadí zvýšená citlivost pro 180 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 69 / 77

SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA PUŠKOVÝ MIKROFON též shotgun / lobar trubka s otvory + kardioidní mikrofon zvuk zp edu proniká sou asn otvory rozmíst nými s vhodnou rozte í na membránu vše dopadá ve fázi silný zvuk zvuk z jiné strany není fázová shoda silný útlum extrémní sm rovost špatná frek. charakteristika natá ení hlasu pro film otvory perforace membrána 0 MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 70 / 77 SM ROVÁ CHARAKTERISTIKA SPECIÁLNÍ SM ROVÝ MIKROFON v mikrofonu n kolik kapslí zvuk z jednoho sm ru výstup z kapslí ve fázi výsledný sou et velký pom rem signál z kapslí lze m nit sm rovou charakteristiku mikrofonové pole kapsle rozmíst ny v ploše stejný princip jako pole reproduktor elektronicky lze mikrofon zam it na daný bod v prostoru MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 71 / 77 NAHRÁVÁNÍ ZVUKU SNÍMÁNÍ HLASU nevyžaduje velký frekven ní rozsah mikrofonu specifické problémy: explozivní hlásky (b, p, d, t) velký nár st akustického tlaku omezení sí kou p ed mikrofonem (pop filtr) sykavky (c, s, z) velký akustický tlak omezení zpracováním signálu (de-esser) malá vzdálenost mikrofonu od úst proximity efekt, nežádoucí ruchy (mlaskání, ) velká vzdálenost mikrofonu od úst vyžaduje citlivý mikrofon bude snímat i ruchy z okolí typicky 15 60 cm MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 72 / 77

NAHRÁVÁNÍ ZVUKU SNÍMÁNÍ HUDEBNÍCH NÁSTROJ volba vhodného typu mikrofonu volba vhodné nahrávací vzdálenosti volba po tu mikrofon a sou tu jejich signál volba prost edí, kde se bude nahrávat, umíst ní mikrofon vzhledem k podlaze a zdem p ípadná úprava nástroje (obalení strun, p elad ní, ) neexistují univerzální recepty, vyžaduje zkušenost a dobrý sluch zvuk se dále elektronicky upravuje (komprese, gate, ekvalizace, ) žádoucí podoba zvuku závisí na použití v mixu MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 73 / 77 STEREOFONNÍ NAHRÁVKA UM LÝ STEREOFONNÍ OBRAZ jednotlivé nástroje (stopy) monofonní um lé umíst ní stop do prostoru zm na hlasitosti a zpožd ní Left/Right p i upmixu stopy 1.0 stopa 2.0 mixáž stereofonních stop je t eba dávat pozor na monofonní kompatibilitu (barva zvuku se nesmí výrazn zm nit p i downmixu na 1.0) MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 74 / 77 STEREOFONNÍ NAHRÁVKA P IROZENÝ STEREOFONNÍ OBRAZ zdroj zvuku systém X/Y dva kardioidní mikrofony kapslemi t sn u sebe v úhlu 90 (lze i osmi kové) výstup X Right, Y Left mezi zvuky X, Y není prakticky asový posuv dobrá monofonní kompatibilita 0 X 0 Y systém M/S (mid/side) všesm rový (M) a osmi kový (S) mikrofon kapslemi t sn u sebe, osa osmi kového zdroj zvuku 0 S 0 rovnob žn se zdrojem zvuku M výstup M + S Right, M S Left funguje díky závislosti polarity S na umíst ní zdroje zvuku MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 75 / 77

STEREOFONNÍ NAHRÁVKA systém A/B dva všesm rové mikrofony ve vzdálenosti m typicky m = d / 3 až d / 2 (dobré stereo) typicky m > 3v (kv li mono kompatibilit ) výstup A Left, B Right kvalitní stereofonní obraz problematická monofonní kompatibilita v d zdroj zvuku 0 0 m A B vylepšení monofonní kompatibility: m = 17 cm (cca vzdálenost uší) dobrý stereofonní obraz p i downmixu na mono jsou maximální útlumy vlivem efektu h ebenového filtru od sebe vzdáleny > 2 khz efekt h ebenového filtru není tolik slyšet MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 76 / 77 BINAURÁLNÍ NAHRÁVKA nahrávka dv ma mikrofony umíst nými v modelu lidské hlavy velká pozornost se v nuje simulaci boltce a zvukovodu p edpokládá se reprodukce sluchátky mimo ádn v rný zvuk, ale p evzato z http://berkeleybside.com/ nekompatibilní sound-dimensions-of-binaural-recording/ s b žnými metodami reprodukce zvuku vhodné pro virtuální realitu MHS Zvuk, sluch, záznam a reprodukce zvuku 77 / 77