Reprezentacija i obrada zvuka

1. Reprezentacija iobradazvuka Profesor: Milorad K.Banjanin Student: Milica Radmilovic

2. •priroda zvuka –mehaničko kretanje vazduha u prostoru tj. promena vazdušnog pritiska Karakteristike zvuka

3. Karakteristikezvuka •Konverzija fizičkih signala –Promena vazdušnog pritiska →električni signal Izvor zvuka (mehaničke vibracije) Talasanje vazduha (promene vazdušnog pritiska) Senzor promene pritiska (mikrofon) Električni signal (promenljivi napon)

4. Karakteristike zvuka •Konverzija fizičkih signala –električni signal →promena vazdušnog pritiska

5. Skladištenje zvuka •analogno –zvučni signal →električni signal →magnetni medijum / gramofonska ploča •digitalno –zvučni signal →električni signal →digitalizacija →podaci →fajl

6. Digitalizacija zvuka •Digitalizacija predstavlja konverziju analognog signala... •...u digitalnu reprezentaciju 124 85161 160 135 76138 113 147165 103 136 184 155

7. Digitalizacija zvuka • •Dve vrste aproksimacije • –kontinualno vreme →diskretno vreme • –kontinualne vrednosti →diskretne vrednosti

8. Digitalizacija Merenje vrednosti signala u tačno određenim vremenskim trenucima Aproksimacija izmerenih vrednosti najbližim vrednostima iz konačnog skupa

9. Digitalizacija •Rezultat digitalizacije –niz kvantizovanih veličina izmerenih u pojedinim vremenskim trenucima 124 85 161 160 135 76 138 113 147 165 103 136 184 155 •Rekonstrukcija polaznog signala na osnovu digitalne reprezentacije –rezultat se razlikuje od originala

10. Digitalizacija •PCM modulacija (pulse code modulation) 1.uzorkovanje 2.kvantizacija 3.kodovanje: reprezentacija pojedinih kvantizacionih nivoa binarnim brojevima 001010101110110110101100100100100101110111

11. Digitalizacija •DPCM modulacija (differential PCM) –kodira vrednost kao razliku u odnosu na prethodnu

12. Digitalizacija • •Kada je rekonstruisani signal dovoljno dobar? • –Nyquist-Shannon teorema odabiranja: • •frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dva puta većaod najviše frekvencije koju je potrebno očuvati • –primer 1: telefonska linija • •namenjena za prenos ljudskog glasa • •ljudski glas: 300 –3400 Hz • •minimalna frekvencija bi bila: 6800 Hz • •u praksi se koristi: 8000 Hz • –primer 2: CD audio • •namenjen za skladištenje muzike • •opseg koji ljudsko uho čuje: 20 –20000 Hz • •minimalna frekvencija bi bila: 40000 Hz • •u praksi se koristi: 44100 Hz

13. Digitalizacija • •Kada je rekonstruisani signal dovoljno dobar? • –gustina kvantizacionih nivoa • •maksimalna greška kvantizacije za nivo kvantizacije širine aiznosi a/2

14. •Kada je rekonstruisani signal dovoljno dobar? • –gustina kvantizacionih nivoa • •u praksi se ukupan broj kvantizacionih nivoa najčešće predstavlja kao stepen dvojke, tipično 28ili 216 • •28= 256 nivoa • –za skladištenje jednog uzorka potrebno je 8 bita • •216= 65536 nivoa • –za skladištenje jednog uzorka potrebno je 16 bita • –primer 1: telefonska linija • •frekvencija uzorkovanja: 8 kHz • •256 kvantizacionih nivoa →8 bita po uzorku • •za kodiranje jedne sekunde signala potrebno je: 8000 (Hz) x 8 bita • •brzina prenosa: 64 kbit/s Digitalizacija

15. Digitalizacija • –primer 2: CD audio • •frekvencija uzorkovanja: 44.1 kHz • •65536 kvantizacionih nivoa →16 bita po uzorku • •za kodiranje jedne sekunde signala potrebno je: 44100 x 16 bita • •brzina prenosa: 705.6 kbit/s(CD audio je stereo –ima dva kanala, dakle sve ovo x2)

16. Obrada signala • •Izvođenje operacija nad signalom u cilju poboljšanja njegovih karakteristika • –npr. editovanje zvučnih zapisa, uklanjanje šuma • •Obrada signala u vremenskom domenu • –koristi se “sirovim” PCM podacima • •Obrada signala u frekventnom domenu • –koristi se reprezentacijom signala u frekventnom domenu

17. Obrada signala u vremenskom domenu •zvučni zapis se posmatra kao niz brojeva –svaki broj u nizu predstavlja kvantizovanu vrednost x[i] = 124 85 161 160 135 76 138 113 147 165 103 126 122 136 184 155 •sabiranje signala (miksovanje) z[i] = x[i] + y[i] •množenje signala konstantom (utišavanje / pojačavanje) y[i] = A· x[i] •množenje signala signalom –modulacija (izdvajanje fragmenata) z[i] = x[i] · y[i] •pomeranje signala u vremenu(montaža) y[i] = x[i-N]

18. Obrada signala u vremenskom domenu •Kombinacije osnovnih operacija –crossfade –echo –replicate –fade in/out

19. Obrada signala u vremenskom domenu

20. Frekventni domen •Furijeova transformacija –za dati signal u vremenskom domenu izračunava njegovu reprezentaciju u frekventnom domenu

21. Frekventni domen •Inverzna Furijeova transformacija –za datu reprezentaciju u frekventnom domenu izračunava odgovarajući signal u vremenskom domenu

22. Frekventni domen • •Furijeova transformacija • –značenje parametara: • •t –vreme • •s –frekvencija signal f(t)se može predstaviti kao zbir sinusnih signala čije su amplitudedate sa F(s)

23. Frekventni domen

24. Frekventni domen • •Furijeova transformacija • –rezultat Furijeove transformacije za dati signal može biti i beskonačno mnogo sinusnih komponenti • –ako zanemarimo neke sabirke, rezultat IFT će se razlikovati od originala

25. Frekventni domen •boja zvuka –karakteristika muzičkih instrumenata –određena oblikom funkcije u frekventnom domenu

26. Obrada signala u frekventnom domenu • •Filteri • –pojačavanje / utišavanje pojedinih frekvencija (equalizer) • •množenje signala u frekventnom domenu sa funkcijom koja definišepojačavanje

27. Kompresija • •Lossless kompresija –bez gubitaka • –iste metode kompresije kao i za rasterske slike • •Lossy kompresija –sa gubicima • –mp3 • –Ogg Vorbis

28. Kompresija • •mp3 • –mogućnosti za uvođenje “nečujnih” gubitaka: • karakteristike ljudskog čula sluha • •zvukovi koje čovek ne čuje • •zvukovi koje čovek čuje bolje nego druge • •ako se dva zvuka čuju istovremeno, glasniji se čuje a tiši se nečuje • –delovi zvučnog zapisa se mogu eliminisati bez čujnih razlika • –faktor kompresije ~ 12

29. MIDI • •Musical Instrument Digital Interface • –protokol za digitalnu komunikaciju muzičkih uređaja • •putem MIDI protokola ne prenosi se snimljeni zvuk, nego note koje će instrument odsvirati • •instrumenti imaju karakteristične boje zvuka • •izuzetno mali fajlovi ~ 50 KB za 5 minuta muzike

30. HVALA NA PAZNJI!!