Принципы обработки звуковой информации, звуковоспроизводящие системы, средства распознавания речи

Принципы обработки звуковой информации, звуковоспроизводящие системы, средства распознавания речи

 

Звуковые устройства становятся неотъемлемой частью каждого персонального компьютера. В процессе конкурентной борьбы был выработан универсальный, широко поддерживаемый стандарт звукового программного и аппаратного обеспечения. Звуковые устройства превратились из дорогих экзотических дополнений в привычную часть системы практически любой конфигурации.

В современных компьютерах аппаратная поддержка звука может быть реализована в одной из следующих форм:

· аудиоадаптер, помещаемый в разъем шины PCI или ISA;

· микросхема на системной плате, выпускаемая компаниями Crystal, Analog Devices, Sigmatel, ESS и др.;

· звуковые устройства, интегрированные в основной набор микросхем системной платы, к которым относятся наиболее современные наборы микросхем компаний Intel, SiS и VIA Technologies, созданные для недорогих компьютеров.

Независимо от места расположения основного устройства, существует еще множество дополнительных аудиоустройств: акустические системы, микрофон и др. В данной главе речь пойдет обо всех компонентах аудиосистемы компьютера, а также о том, как они устанавливаются и работают.

 

Разработка звуковых плат

 

Сначала звуковые платы использовались только для игр. В конце 80-х годов несколько компаний (AdLib, Roland и Creative Labs) представили свои продукты. В 1989 году компания Creative Labs выпустила стереозвуковую плату Game Blaster, предназначенную для использования с некоторыми играми. Но у многих покупателей возникал вопрос: “Зачем платить 100 долларов за устройство, которое озвучивает 50-долларовую игру?”. Кроме того, из-за отсутствия стандартов приобретенная плата могла оказаться совершенно бесполезной для других игр.

 

Ограничения совместимости Sound Blaster Pro

 

В те времена, когда MS DOS была стандартом операционных систем, наибольшее распространение получили звуковые платы, совместимые с Sound Blaster Pro. Фактически Sound Blaster Pro-совместимая плата должна использовать те же IRQ, DMA и адреса порта вводавывода, а также работать с теми же приложениями, что и звуковая плата Sound Blaster Pro компании Creative Labs.

В этом и заключалась цель совместимости, но многие звуковые платы сторонних производителей по разным причинам потерпели неудачу. Некоторые платы требовали двух отдельных конфигураций аппаратных ресурсов (IRQ, DMA и адреса порта ввода-вывода), причем одна из них использовалась для работы в собственном режиме, а вторая — для совместимости с Sound Blaster Pro. Другие же достаточно хорошо работали в среде Windows или во время сеанса MS DOS, осуществляемого при работе Windows в фоновом режиме, но требовали от пользователя инсталляции драйвера резидентной программы (Terminate and Stay Resident — TSR), позволяющей работать непосредственно в MS DOS. В результате создателям игр под MS DOS приходилось учитывать конфигурации всех наиболее распространенных звуковых плат, огорчая тем самым пользователей, не находящих свою звуковую плату в прилагаемом перечне, или вынуждая их выбирать низкокачественную эмуляцию.

В декабре 1995 года была представлена новая разработка Microsoft, получившая название DirectX, которая значительно облегчила жизнь разработчикам игр и различных мультимедийных приложений, особенно при переходе от MS DOS к 32-разрядной операционной системой Windows (начиная с Windows 95).

 

DirectX и звуковые адаптеры

 

Microsoft DirectX представляет собой целую серию программируемых интерфейсов приложения (Application Program Interfaces — API), которые внедряются между мультимедийными приложениями и аппаратными средствами. В отличие от программ MS DOS, разработчикам которых приходилось обеспечивать аппаратную поддержку с многочисленными моделями и марками звуковых плат, видеоадаптеров и игровых контроллеров, в Windows используется интерфейс DirectX, взаимодействующий непосредственно с устройствами аппаратного обеспечения. Это повышает эффективность программ и освобождает разработчиков от необходимости изменять параметры приложений при работе с различными устройствами, так как можно использовать различные подпрограммы универсального интерфейса DirectX.

DirectX служит гарантией того, что новые звуковые платы и наборы микросхем системной логики будут должным образом работать с различными версиями Windows. Если вы все еще увлекаетесь играми, созданными на базе MS DOS, то возникающие проблемы несовместимости могут быть связаны в первую очередь с принципиальными конструктивными различиями разъемов расширения ISA (которые использовались классическими звуковыми платами Creative Labs) и разъемов, наборов микросхем и интегрированных звуковых устройств версии PCI.

 

Компоненты аудиосистемы

 

При выборе аудиосистемы необходимо учитывать параметры ее компонентов. О них и пойдет речь в этом разделе.

 

Разъемы звуковых плат

 

Большинство звуковых плат имеют одинаковые разъемы. Через эти миниатюрные (1/8 дюйма) разъемы сигналы подаются с платы на акустические системы, наушники и входы стереосистемы; к аналогичным разъемам подключается микрофон, проигрыватель компактдисков и магнитофон. На рис. 1 показаны четыре типа разъемов, которые, как минимум, должны быть установлены на вашей звуковой плате. Цветовые обозначения разъемов каждого типа определены в руководстве PC99 Design Guide и могут варьироваться для различных звуковых адаптеров.

 

Рис. 1. Основные разъема ввода и вывода большинства звуковых адаптеров

 

· Линейный выход платы. Сигнал с этого разъема можно подать на внешние устройства — акустические системы, наушники или на вход стереоусилителя, с помощью которого сигнал можно усилить до определенного уровня.

· Линейный вход платы. Этот входной разъем используется при микшировании или записи звукового сигнала, поступающего от внешней аудиосистемы на жесткий диск.

· Разъем для акустической системы и наушников. Этот разъем присутствует не во всех платах. Сигналы на акустические системы подаются с того же разъема (линейного выхода), что и на вход стереоусилителя.

· Микрофонный вход, или вход монофонического сигнала. К этому разъему подключается микрофон для записи на диск голоса или других звуков. Запись с микрофона является монофонической. Уровень входного сигнала при этом поддерживается постоянным и оптимальным для преобразования. Для записи лучше всего использовать электродинамический или конденсаторный микрофон, рассчитанный на сопротивление нагрузки от 600 Ом до 10 кОм. В некоторых дешевых звуковых платах микрофон подключается к линейному входу.

· Разъем для джойстика/MIDI. Для подключения джойстика используется 15-контактный D-образный разъем. Два его контакта можно использовать для управления устройством MIDI, например клавишным синтезатором. (В этом случае необходимо приобрести Y-образный кабель.)

· Разъем MIDI. Аудиоадаптеры обычно используют тот же порт джойстика, что и разъем MIDI. Два контакта в разъеме предназначены для передачи сигналов к устройству MIDI (например, клавишному синтезатору) и от него. В большинстве случаев лучше приобрести отдельный разъем MIDI у изготовителя аудиоадаптера, который включается в порт джойстика. Такой разъем имеет два круглых 5-контактных разъема DIN, используемых для подключения устройств MIDI, а также разъем для джойстика.

· Внутренний контактный разъем. На многих звуковых платах есть специальный разъем для подключения к внутреннему накопителю CD-ROM. Это позволяет воспроизводить звук с компакт-дисков через акустические системы, подключенные к звуковой плате. Обратите внимание, что этот разъем отличается от разъема для подключения контроллера CD-ROM к звуковой плате, так как данные по этому внутреннему разъему не передаются на шину компьютера.

 

Дополнительные разъемы

 

Большинство современных звуковых адаптеров поддерживают возможности воспроизведения DVD, обработки звука и т.д., а следовательно, имеют несколько дополнительных разъемов.

· Вход и выход MIDI. Такой разъем, не совмещенный с игровым портом, позволяет одновременно использовать как джойстик, так и внешние устройства MIDI.

· Вход и выход SPDIF (SP/DIF). Этот разъем (Sony/Philips Digital Interface) используется для передачи цифровых аудиосигналов между устройствами без их преобразования к аналоговому виду. Некоторые производители интерфейс SPDIF называют Dolby Digital.

· CD SPDIF. Этот разъем предназначен для подключения накопителя CD-ROM к звуковой плате с помощью интерфейса SPDIF.

· Вход TAD. Разъем для подключения модемов с поддержкой автоответчика (Telephone Answering Device) к звуковой плате.

· Цифровой выход DIN. Этот разъем предназначен для подключения многоканальных цифровых акустических систем.

· Вход Aux. Обеспечивает подключение к звуковой карте других источников сигнала, например телетюнера.

· Вход I2S. Позволяет подключать к звуковой карте цифровой выход внешних источников, например DVD.

 

Дополнительные разъемы обычно располагаются непосредственно на звуковой плате или подсоединяются к внешнему блоку или дочерней плате. Например, Sound Blaster Live! Platinum 5.1 представляет собой устройство, состоящее из двух частей. Сам звуковой адаптер подключается в разъем PCI, а дополнительные соединители подсоединяются к внешнему коммутационному блоку LiveDrive IR (рис. 2), который устанавливается в неиспользуемый отсек дисковода.

Рис. 2. Звуковая плата Sound Blaster Live! Platinum 5.1, поставляемая с коммуникационным блоком LiveDrive IR

 

Управление громкостью

 

В некоторых звуковых платах предусмотрено ручное регулирование громкости, но на более сложных платах такой регулятор отсутствует (в этом случае управление громкостью осуществляется программно с помощью комбинаций клавиш, причем делать это можно, находясь непосредственно в игре, в Windows или в каком-либо приложении).

 

Синтезаторы

Рассмотрим различия между стерео- и монозвуком. Монофонические платы могут работать только с одним источником сигнала. Но воспроизводят звук они намного лучше стандартного встроенного динамика. Поэтому в настоящее время все выпускаемые платы являются стереофоническими, поддерживающими стандарт MIDI.

Стереофонические звуковые платы одновременно воспроизводят (и записывают) несколько сигналов от двух различных источников. Чем больше сигналов предусмотрено в адаптере, тем натуральнее оказывается его звучание. Каждая расположенная на плате микросхема синтезатора, чаще всего компании Yamaha, позволяет получить 11 (микросхема YM3812 или OPL2) или более сигналов. Для имитации более 20 сигналов (микросхема YMF262 или OPL3) устанавливается одна либо две микросхемы частотных синтезаторов.

 

Сжатие данных

 

В большинстве плат качество звучания соответствует качеству компакт-дисков с частотой дискретизации 44,1 кГц. При такой частоте на каждую минуту звучания при записи даже обычного голоса расходуется около 11 Мбайт дискового пространства. Чтобы уменьшить размеры звуковых файлов, во многих платах используется сжатие данных. Например, в плате Sound Blaster ASP 16 сжатие звука осуществляется в реальном времени (непосредственно при записи) со степенью сжатия 2:1, 3:1 или 4:1.

Поскольку для хранения звукового сигнала необходим большой объем дискового пространства, в большинстве звуковых плат выполняется его сжатие методом адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — ADPCM), что позволяет сократить размер файла примерно на 50%. Правда, при этом ухудшается качество звука.

 

Драйверы звуковых плат

 

Для большинства плат предусматриваются универсальные драйверы для DOS- и Windows-приложений. В операционных системах Windows 9х и Windows NT уже существуют драйверы для большинства популярных звуковых плат. Драйверы для других плат можно приобрести отдельно. В большинстве случаев драйверы создаются разработчиками плат, а распространяются компанией Microsoft.

Приложения DOS обычно не имеют широкого выбора драйверов, но большинство игр и других программ поддерживают адаптеры Sound Blaster. Если купить адаптер, совместимый с платой Sound Blaster, то не должно быть никаких затруднений с выбором подходящего драйвера практически для всех приложений.

 

Фильмы DVD на мониторе

 

Вам не понадобится специальный DVD-плейер для того, чтобы прямо на рабочем месте насладиться четкостью изображения, буйством красок и волнующей атмосферой кинофильмов DVD. Дисководы DVD-ROM позволяют перенести действие фильма непосредственно на дисплей компьютера, однако сам накопитель DVD-ROM и программы воспроизведения цифровых записей являются только частью того, что потребуется.

Итак, для просмотра фильмов DVD на компьютере необходимы описанные ниже элементы.

· Программное обеспечение для воспроизведения цифровых дисков, поддерживающее выход Dolby Digital 5.1. Одним из наиболее приемлемых вариантов является программа PowerDVD.

· Аудиоадаптер, поддерживающий входной сигнал Dolby Digital дисковода DVD и выводящий данные на Dolby Digital 5.1-совместимые звуковые аппаратные устройства. При отсутствии соответствующего аппаратного обеспечения, вход Dolby 5.1 может быть настроен для работы с четырьмя колонками; кроме того, можно добавить вход S/PDIF ACS (Dolby Surround), предназначенный для четырехколоночных акустических систем.

· Dolby Digital 5.1-совместимые приемник и колонки. Большинство высококачественных звуковых плат, поддерживающих Dolby Digital 5.1, соединены со специальным аналого-входным приемником, но ряд других, например звуковые платы серии Creative Labs Sound Blaster Live! Platinum, поддерживают и акустические системы с цифровым входом, добавляя к плате дополнительный разъем Digital DIN.

 

Более подробно об используемой терминологии и способах конфигурирования акустической системы речь пойдет в конце главы, в разделе “Система объемного звучания”.

Распознавание речи

 

С некоторыми звуковыми платами поставляется программное обеспечение для распознавания речи. Заставить распознавать речь вы можете и свою плату, но для этого понадобится дополнительное программное обеспечение. Хотя технология распознавания речи пока несовершенна, уже сегодня существуют программы, позволяющие отдавать компьютеру команды голосом и даже диктовать ему тексты, которые раньше пришлось бы набирать.

Звуковые файлы

 

Для хранения аудиозаписей на персональном компьютере используются файлы двух основных типов. В файлах первого типа, называемых обычными звуковыми файлами, используются форматы.wav,.voc,.au и.aiff. Звуковой файл содержит данные о форме волны, т.е. такой файл представляет собой запись аналоговых аудиосигналов в цифровой форме, пригодной для хранения на компьютере. Подобно графическим изображениям с различными разрешающими способностями, можно хранить и звуковые файлы, которые представляют собой записи различного качества. По умолчанию определены три уровня качества записи звуков, используемые в Windows 9x и Windows Me (табл. 16.2).

В операционной системе Windows Me используется еще один уровень качества записи звука — 48 000 Гц, 16-разрядный стерео и 188 Кбайт/с. Этот уровень предназначен для поддержки воспроизведения звука из таких источников, как DVD и Dolby AC-3.

Для достижения компромисса между высоким качеством звука и малым размером файла можно преобразовать файлы.wav в.mp3. Более подробно эти файлы описываются далее.

 

 

Сжатие аудиоданных

 

Существует две основные области, в которых используется сжатие звука:

· использование звуковых фрагментов на Web-узлах;

· уменьшение объема высококачественных музыкальных файлов.

 

Специальные программы редактирования звуковых файлов, например RealProducer компании Real или Microsoft Windows Media Encoder 7, позволяют уменьшать объем звуковых фрагментов при минимальной потере качества, что необходимо для их использования в глобальной сети.

Самый популярный формат звуковых файлов —.mp3. Качество этих файлов приближается к качеству компакт-диска, по размеру они намного меньше обычных файлов.wav. Сравните сами: пятиминутный звуковой файл формата.wav с качеством компакт-диска имеет размер около 50 Мбайт, в то время как такой же звуковой файл формата.mp3 — около 4 Мбайт.

Единственным недостатком файлов.mp3 является отсутствие защиты от несанкционированного использования, т.е. любой желающий может свободно загрузить такой файл из Internet (благо Web-узлов, предлагающих эти “пиратские” записи, существует великое множество). Описываемый формат файлов, несмотря на свои недостатки, получил довольно широкое распространение, и его можно смело назвать следующим шагом после компакт-дисков в мире звукозаписи. Многие фирмы уже приступили к выпуску проигрывателей файлов.mp3.

 

Файлы MIDI

 

Второй тип аудиофайла — файл MIDI, который настолько же отличается от.wav, как векторный рисунок от растра. Файлы MIDI имеют расширение.mid или.rmi и являются полностью цифровыми, содержащими не запись звука, а команды, используемые аудиооборудованием для его создания. Подобно тому как по командам видеоадаптеры создают изображения трехмерных объектов, звуковые платы MIDI используют файлы MIDI, чтобы синтезировать музыку.

MIDI — мощный язык программирования, который получил распространение в 80-е годы и был разработан специально для электронных музыкальных инструментов. Стандарт MIDI стал новым словом в области электронной музыки. С помощью MIDI можно создавать, записывать, редактировать и воспроизводить музыкальные файлы на персональном компьютере или на MIDI-совместимом электронном музыкальном инструменте, подключенном к компьютеру.

Файлы MIDI, в отличие от других типов звуковых файлов, требуют относительно небольшого объема дискового пространства. Для записи часа стереомузыки, хранимой в формате MIDI, требуется менее 500 Кбайт. Во многих играх используется запись звуков в формате MIDI, а не записи дискретизированного аналогового сигнала.

Файл MIDI — фактически цифровое представление музыкальной партитуры. Оно составлено из нескольких выделенных каналов, каждый из которых представляет различный музыкальный документ или тип звука. В каждом канале определяются частоты и продолжительность звучания нот, которые будут проиграны инструментом точно так же, как нотная запись.

Таким образом, файл MIDI для струнного квартета содержит четыре канала, которые представляют две скрипки, альт и виолончель.

Все три спецификации MPC, а также PC9x, предусматривают поддержку MIDI во всех звуковых платах. Стандарт General MIDI, поддерживаемый большинством звуковых плат, предусматривает до 16 каналов в единственном файле MIDI, но это не обязательно ограничивает вас 16 инструментами. Один канал может представлять звук группы инструментов; таким образом, можно синтезировать полный оркестр.

Поскольку файл MIDI состоит из цифровых команд, его редактировать намного легче, чем звуковой файл типа.wav. Соответствующее программное обеспечение позволяет выбирать любой канал MIDI, записывать ноты, а также добавлять эффекты.

Некоторые пакеты программ могут даже производить запись музыки в файле MIDI, используя стандартную музыкальную систему обозначений. Композитор может записать музыку непосредственно на компьютере, отредактировать ее при необходимости, а затем распечатать ноты для исполнителей. Это очень удобно для профессиональных музыкантов, которые вынуждены тратить много времени на переписывание нот.

 

Проигрывание файлов MIDI

 

Когда вы запускаете файл MIDI на персональном компьютере, вы не воспроизводите запись. Компьютер фактически создает музыку по записанным командам. Для этого в нем должен быть установлен синтезатор, а каждая звуковая плата MIDI его имеет. Поскольку система читает файл MIDI, синтезатор генерирует соответствующий звук для каждого канала, используя команды в файле, чтобы придать нужный тон и длительность звучанию нот. Для моделирования звука определенного музыкального инструмента синтезатор использует предопределенный образец, т.е. набор команд, с помощью которых синтезатор создает звук, подобный воспроизводимому конкретным инструментом. Вы можете задать темп проигрывания музыки и установить громкость в программном обеспечении MIDI-проигрывателя.

Синтезатор на звуковой плате подобен электронному клавишному синтезатору, но его возможности более ограниченны. В соответствии со спецификацией MPC звуковая плата должна иметь частотный синтезатор, который может одновременно проиграть по крайней мере шесть мелодичных нот и две ударные (перкуссивные).

 

Частотный синтез

 

Большинство звуковых плат генерируют звуки, используя частотный синтезатор; эта технология была разработана еще в 1976 году. Используя одну синусоидальную волну для изменения другой, частотный синтезатор создает искусственный звук, который напоминает звучание определенного инструмента. В стандарте MIDI определен набор предварительно запрограммированных звуков, которые можно проиграть с помощью большинства инструментов.

В настоящее время в некоторых частотных синтезаторах используется четыре волны и воспроизводимые звуки имеют вполне нормальное, хотя и несколько искусственное звучание. Например, синтезируемый звук трубы, несомненно, подобен ее звучанию, но его никто и никогда не признает звуком настоящей трубы.

 

Таблично-волновой синтез

 

В настоящее время все меньше устройств используют частотный синтез, потому что даже в лучшем случае воспроизводимый звук не полностью совпадает с реальным звучанием музыкального инструмента. Недорогая технология более естественного звучания была разработана корпорацией Ensoniq в 1984 году.

Технология компании Ensoniq предусматривает запись звучания любого инструмента (включая фортепьяно, скрипки, гитары, флейты, трубы и барабаны) и сохранение оцифрованного звука в специальной таблице. Эта таблица записывается или в микросхемы ROM или на диск, а звуковая плата при необходимости может из таблицы извлекать оцифрованный звук нужного инструмента. Вскоре после создания этой технологии и другие изготовители вместо частотных синтезаторов стали применять таблично-волновые.

Таблично-волновой синтезатор может выбрать инструмент, заставить звучать единственную нужную ноту и при необходимости изменить ее частоту (т.е. воспроизвести заданную ноту из нужной октавы). В некоторых адаптерах для улучшения воспроизведения звука используется несколько образцов звучания одного и того же инструмента. Самая высокая нота на фортепьяно отличается от самой низкой не только высотой тона, поэтому для более естественного звучания нужно выбрать образец, наиболее близкий (по высоте тона) к синтезируемой ноте.

Таким образом, от размера таблицы в значительной степени зависит качество и разнообразие звуков, которые может воспроизводить синтезатор. Лучшие качественные таблично-волновые адаптеры обычно имеют на плате память объемом в несколько мегабайт для хранения образцов. В некоторых из них предусмотрена возможность подключения дополнительных плат для установки дополнительной памяти и записи образцов звуков в таблицу в соответствии с вашим вкусом.

 

Запись

 

Практически на всех звуковых платах устанавливается входной разъем. Подключив к нему микрофон, вы можете записать свой голос. С помощью программы Звукозапись (Sound Recorder) в Windows можно воспроизвести, отредактировать и записать звуковой файл в специальном формате.wav.

Ниже перечислены основные способы использования созданных вами файлов формата.wav.

· Назначение определенных файлов. wav для сопровождения тех или иных событий Windows. Для этого следует воспользоваться опцией Звук (Sounds) панели управления Windows.

· Добавление речевых комментариев с помощью элементов управления Windows OLE и ActiveX к документам различного типа.

· Ввод сопроводительного текста в презентации, создаваемые с помощью PowerPoint, Freelance Graphics, Corel Presentations или других программ.

 

С целью уменьшения объема и дальнейшего использования в Internet файлы.wav могут быть преобразованы в файлы формата.mp3 или.wma.

Аудиокомпакт-диски

 

Если у вас есть накопитель CD-ROM, то вы можете прослушивать аудиокомпакт-диски, параллельно работая с другими программами. Музыку можно слушать не только через акустические системы, но и через наушники, подключенные к разъему на передней панели накопителя CD-ROM. Ко многим звуковым платам прилагаются программы для проигрывания компакт-дисков, а через Internet такие программы можно получить бесплатно. В этих программах обычно присутствует визуальный дисплей, имитирующий переднюю панель проигрывателя компакт-дисков, для управления с помощью клавиатуры или мыши.

Звуковой смеситель (микшер)

 

Если у вас есть несколько источников звука и вы хотите их проиграть через одну акустическую систему, то вам необходимо воспользоваться звуковым смесителем. Вы, наверное, видели такие устройства в музыкальных магазинах.

Большинство звуковых плат имеют встроенный смеситель звука (микшер), позволяющий смешивать звук от аудио-, MIDI- и WAV-источников, линейного входа и CD-проигрывателя, воспроизводя его на едином линейном выходе. Обычно интерфейсы программ для смешивания звука на экране выглядит так же, как панель стандартного звукового смесителя. Это позволяет легко управлять громкостью звука каждого источника.

 

Звуковые платы: основные понятия и термины

 

Чтобы понять, что такое звуковые платы, сначала необходимо разобраться в некоторых терминах, например 16-разрядный, качество компакт-диска, порт MIDI и др. В описаниях новых технологий звукозаписи постоянно встречаются такие туманные понятия, как дискретизация и цифроаналоговый преобразователь — ЦАП (Digital-to-Analog Conversion — DAC).

 

Природа звука

 

Для начала выясним, что такое звук. Звук — это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают вашего уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают эту вибрацию и вы слышите звук.

Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).

Частота — это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Один цикл (период) — это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон.

Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20 кГц (1 кГц = 1 000 Гц). Частота звука самой низкой ноты на рояле равна 27 Гц, а самой высокой — чуть больше 4 кГц. Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-станции, — 15 кГц.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Амплитуда звуковых колебаний зависит в первую очередь от мощности источника звука. Например, струна пианино при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее колебаний невелик. Если же ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум — около 70 дБ, а близкий удар грома — 120 дБ.

Дискретизация

 

Если в компьютере установлена звуковая плата, то он может записывать звук в цифровой (называемой также дискретной) форме, в этом случае компьютер используется в качестве записывающего устройства. В состав звуковой платы входит небольшая микросхема — аналогоцифровой преобразователь, или АЦП (Analog-to-Digital Converter — ADC), который при записи преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, понятную компьютеру. Аналогично при воспроизведении цифроаналоговый преобразователь (Digital-to-Analog Converter — DAC) преобразует аудиозапись в звук, который способны воспринимать наши уши.

Дискретизацией называется процесс превращения исходного звукового сигнала в цифровую форму (рис. 4), в которой он и хранится для последующего воспроизведения. (Процесс преобразования в цифровую форму называется также оцифровыванием.) При этом сохраняются мгновенные значения звукового сигнала в определенные моменты времени, называемые выборками. Чем чаще берутся выборки, тем точнее цифровая копия звука соответствует оригиналу.

 

Рис. 4. Преобразование звукового сигнала в цифровую форму

Трехмерный звук

 

Одним из наиболее сложных испытаний для звуковых плат, входящих в состав игровых систем, является выполнение задач, связанных с обработкой трехмерного звука. Существует несколько факторов, усложняющих решение задач подобного рода:

· разные стандарты позиционирования звука;

· аппаратное и программное обеспечение, используемое для обработки трехмерного звука;

· проблемы, связанные с поддержкой DirectX.

 

Позиционный звук

 

Позиционирование звука является общей технологией для всех 3D-звуковых плат и включает в себя настройку определенных параметров, таких, как реверберация или отражение звука, выравнивание (баланс) и указание на “расположение” источника звука. Все эти компоненты создают иллюзию звуков, раздающихся впереди, справа, слева от пользователя или даже за его спиной. Наиболее важным элементом позиционного звука является функция преобразования HRTF (Head Related Transfer Function), определяющая изменение восприятия звука в зависимости от формы уха и угла поворота головы слушателя. Параметры этой функции определяют условия, при которых “реалистичный” звук может восприниматься совершенно иначе при повороте головы слушателя в ту или другую сторону. Использование акустических систем с несколькими колонками, “окружающими” пользователя со всех сторон, а также сложные звуковые алгоритмы, дополняющие воспроизводимый звук управляемой реверберацией, позволяют сделать синтезированный компьютером звук еще более реалистичным.

 

Обработка трехмерного звука

 

Вторым по важности фактором качественного звучания являются различные способы реализации обработки трехмерного звука в звуковых платах. Существуют следующие основные методы обработки звука:

· централизованная обработка (для обработки трехмерного звука используется центральный процессор, что приводит к снижению общего быстродействия системы);

· обработка звуковой платы (которая называется также 3D-ускорением).

Обработка трехмерного звука в аудиоадаптерах происходит либо с использованием центрального процессора системы, либо с помощью мощного цифрового обработчика сигналов (DSP), выполняющего обработку непосредственно в звуковой плате. Звуковые платы, осуществляющие централизованную обработку трехмерного звука, могут стать основной причиной снижения частоты смены кадров (числа анимированных кадров, выводимых на экран за каждую секунду) при использовании функции трехмерного звука. В звуковых платах со встроенным аудиопроцессором частота смены кадров при включении или отключении трехмерного звука почти не изменяется.

Как показывает практика, средняя частота смены кадров реалистичной компьютерной игры должна быть не меньше 30 кадр/с (кадров в секунду). При использовании быстродействующего процессора, например Pentium III 800 МГц, и какой-либо современной 3D-звуковой платы такая частота достигается достаточно легко. Но любители компьютерных игр, использующие более медленный процессор, скажем Celeron 300A с рабочей частотой 300 МГц, и плату с централизованной обработкой трехмерного звука, обнаружат, что частота смены кадров будет намного ниже 30 кадр/с. Чтобы увидеть, как влияет обработка трехмерного звука на скорость компьютерных игр, воспользуйтесь функцией отслеживания частоты кадров, встроенной в большинство игр, или обратитесь к источникам, проводящим обзоры игрового аппаратного обеспечения. Частота смены кадров связана непосредственно с коэффициентом использования процессора; повышение ресурсных требований к процессору приведет к уменьшению частоты смены кадров.

Технологии трехмерного звука и трехмерного видеоизображения представляют наибольший интерес прежде всего для разработчиков компьютерных игр. Однако использование трехмерных технологий в коммерческой среде также не за горами.

 

Акустические системы

 

Для успешных коммерческих презентаций, работы с мультимедиа и MIDI нужна высококачественная стереофоническая акустическая система. Стандартные акустические системы слишком велики для рабочего стола, поэтому придется приобрести меньшие по размеру.

Часто звуковые платы не обеспечивают достаточной для акустической системы мощности. Даже 4 Вт (как у большинства звуковых плат) бывает мало для того, чтобы “раскачать” акустическую систему высокого класса. Кроме того, обычная акустическая система создает магнитные поля и, будучи установленной рядом с монитором, может искажать изображение на экране. Эти же поля могут испортить записанную на дискетах информацию.

Чтобы разрешить эти проблемы, компьютерная акустическая система должна быть небольшой и с высоким КПД. В ней должна быть предусмотрена магнитная защита, например в виде ферромагнитных экранов в корпусе или электрической компенсации магнитных полей.

Качество звука зависит от качества громкоговорителей, установленных в акустической системе. Конечно, выходной сигнал 16-разрядной платы сам по себе не вызывает нареканий, но и 8-разрядная плата через хорошую акустическую систему “звучит” неплохо. Но дешевая акустическая система может испортить звук, воспроизводимый и той и другой.

На сегодняшний день выпускаются десятки моделей акустических систем: от дешевых миниатюрных устройств компаний Sony, Koss и LabTech до больших агрегатов с автономным питанием, например компаний Bose и Altec Lansing. Для оценки качества акустической системы нужно иметь представление о ее параметрах.

· Частотная характеристика. Определяет полосу частот, воспроизводимых акустической системой. Наиболее логичным был бы диапазон от 20 Гц до 20 кГц — он соответствует частотам, которые воспринимает человеческое ухо, но ни одна акустическая система не может идеально воспроизводить звуки всего этого диапазона. Очень немногие слышат звуки выше 18 кГц. Самая высококачественная акустическая система воспроизводит звуки в диапазоне частот от 30 Гц до 23 кГц, а у дешевых моделей звук ограничивается диапазоном от 100 Гц до 20 кГц. Частотная характеристика является самым субъективным параметром, так как одинаковые с этой точки зрения акустические системы могут звучать совершенно по-разному.

· Нелинейные искажения. Определяют уровень искажений и шумов, возникающих в процессе усиления сигнала. Попросту говоря, искажения представляют собой разность между подаваемым звуковым сигналом и слышимым звуком. Величина искажений измеряется в процентах, и допустимым считается уровень искажений менее 0,1%. Для высококачественной аппаратуры стандартом считается уровень искажений 0,05%. У некоторых акустических систем искажения достигают 10%, а у наушников — 2%.

· Мощность. Обычно выражается в ваттах на канал и обозначает выходную электрическую мощность, подводимую к акустической системе. Во многих звуковых п