多媒體音頻技術(shù)

多媒體音頻技術(shù)第一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二章聲音信號(hào)數(shù)字化聲音的基本概念通過(guò)空氣傳播的一種連續(xù)的機(jī)械波。強(qiáng)弱:聲壓，音調(diào):頻率聲音信號(hào)的兩大參數(shù) 振幅 頻率第二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

分貝是聲壓級(jí)單位，記為dB。分貝表示聲音的強(qiáng)度或響度，也就是音量。零分貝的設(shè)定，是根據(jù)聽(tīng)力正常的年輕人所能聽(tīng)到的最小聲音所得到的。1分貝大約是人剛剛能感覺(jué)到的聲音。適宜的生活環(huán)境不應(yīng)超過(guò)45分貝，不應(yīng)低于15分貝。按普通人的聽(tīng)覺(jué)0－20分貝很靜、幾乎感覺(jué)不到。20－40分貝安靜、猶如輕聲絮語(yǔ)。40－60分貝一般、普通室內(nèi)談話60－70分貝吵鬧、有損神經(jīng)70－90分貝很吵、神經(jīng)細(xì)胞受到破壞90－100分貝吵鬧加劇、聽(tīng)力受損100－120分貝難以忍受、呆一分鐘即暫時(shí)致聾。

第三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日一般的耳語(yǔ)大約是20分貝超靜音冷氣機(jī)的音量是33分貝極安靜的住宅區(qū)40分貝一般公共場(chǎng)所50分貝交談約60分貝(所以若兩耳的聽(tīng)力皆超過(guò)60分貝，交談便會(huì)產(chǎn)生困難，會(huì)出現(xiàn)說(shuō)話像吵架的情形)交通繁忙地區(qū)85分貝飛機(jī)場(chǎng)跑道120分貝。第四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）頻率（音頻周期）<20HZ 次音信號(hào)&亞音信號(hào)(subsonic)20hz~20khz 音頻信號(hào)(audio)>20khz 超聲波(ultrasonic)各種音頻的帶寬人的發(fā)音：80hz~3.4khz人的說(shuō)話：300hz~3khz人的聽(tīng)覺(jué)：20hz~20khz第五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日從模擬過(guò)渡到數(shù)字音頻信號(hào)的產(chǎn)生與還原模擬處理方法 音源—機(jī)電轉(zhuǎn)換—濾波放大—存儲(chǔ)電磁（光）轉(zhuǎn)換（磁帶、唱盤(pán)等）—濾波放大—電機(jī)轉(zhuǎn)換—聲音數(shù)字處理方法 音源--信號(hào)轉(zhuǎn)換（電信號(hào)）--模數(shù)轉(zhuǎn)換--壓縮、編碼--存儲(chǔ)介質(zhì)（磁盤(pán)、光盤(pán)等）--數(shù)模轉(zhuǎn)換—電機(jī)轉(zhuǎn)換—聲音模擬域處理的特點(diǎn)：速度快、受環(huán)境變化影響大、成本高。數(shù)字域處理的特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)、精確處理、不受時(shí)間和環(huán)境變化的影響、可編程成本低、可智能化。第六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)話音信號(hào)是典型的連續(xù)信號(hào)，不僅在時(shí)間上是連續(xù)的，而且在幅度上也是連續(xù)的。在時(shí)間上“連續(xù)”是指在一個(gè)指定的時(shí)間范圍里聲音信號(hào)的幅值有無(wú)窮多個(gè)，在幅度上“連續(xù)”是指幅度的數(shù)值有無(wú)窮多個(gè)。我們把在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的信號(hào)稱為模擬信號(hào)。第七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)我們把時(shí)間和幅度都用離散的數(shù)字表示的信號(hào)就稱為數(shù)字信號(hào)。采樣—在某些特定的時(shí)刻對(duì)這種模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量叫做采樣(sampling)，由這些特定時(shí)刻采樣得到的信號(hào)稱為離散時(shí)間信號(hào)。量化—采樣得到的幅值是無(wú)窮多個(gè)實(shí)數(shù)值中的一個(gè)，因此幅度還是連續(xù)的。如果把信號(hào)幅度取值的數(shù)目加以限定，這種由有限個(gè)數(shù)值組成的信號(hào)就稱為離散幅度信號(hào)。第八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聲音信號(hào)數(shù)字化聲音進(jìn)入計(jì)算機(jī)的第一步就是數(shù)字化，數(shù)字化實(shí)際上就是采樣和量化。如前所述，連續(xù)時(shí)間的離散化通過(guò)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是每隔相等的一小段時(shí)間采樣一次，這種采樣稱為均勻采樣(uniformsampling)；連續(xù)幅度的離散化通過(guò)量化(quantization)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是把信號(hào)的強(qiáng)度劃分成一小段一小段，如果幅度的劃分是等間隔的，就稱為線性量化，否則就稱為非線性量化。

第九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聲音信號(hào)數(shù)字化音頻數(shù)字化（時(shí)間上的離散：采樣；幅度上的離散：量化）第十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聲音信號(hào)數(shù)字化聲音數(shù)字化需要回答兩個(gè)問(wèn)題：①每秒鐘需要采集多少個(gè)聲音樣本，也就是采樣頻率(fs)是多少，②每個(gè)聲音樣本的位數(shù)(bitpersample，bps)應(yīng)該是多少，也就是量化精度。第十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日采樣頻率的高低是根據(jù)奈奎斯特理論(Nyquisttheory)和聲音信號(hào)本身的最高頻率決定的。奈奎斯特理論指出，采樣頻率不應(yīng)低于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍，這樣就能把以數(shù)字表達(dá)的聲音還原成原來(lái)的聲音，這叫做無(wú)損數(shù)字化(losslessdigitization)。采樣定律用公式表示為fs>=2fmax或者Ts<=T/2其中fmax為被采樣信號(hào)的最高頻率。

采樣頻率第十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日采樣頻率可以這樣來(lái)理解奈奎斯特理論：聲音信號(hào)可以看成由許許多多正弦波組成的，一個(gè)振幅為A、頻率為f的正弦波至少需要兩個(gè)采樣樣本表示，因此，如果一個(gè)信號(hào)中的最高頻率為fmax

,采樣頻率最低要選擇2fmax

。例如，電話話音的信號(hào)頻率約為3.4kHz，采樣頻率就選為8kHz。第十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日采樣精度樣本大小是用每個(gè)聲音樣本的位數(shù)bit/sample表示的，它反映度量聲音波形幅度的精度。例如，每個(gè)聲音樣本用16位(2字節(jié))表示，測(cè)得的聲音樣本值是在0～65536的范圍里，它的精度就是輸入信號(hào)的1/65536。樣本位數(shù)的大小影響到聲音的質(zhì)量，位數(shù)越多，聲音的質(zhì)量越高，而需要的存儲(chǔ)空間也越多；位數(shù)越少，聲音的質(zhì)量越低，需要的存儲(chǔ)空間越少。第十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日采樣精度采樣精度的另一種表示方法是信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱為信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)，并用下式計(jì)算：SNR＝10log[(Vsignal)2/(Vnoise)2]＝20log(Vsignal/Vnoise)

其中，Vsignal表示信號(hào)電壓，Vnoise表示噪聲電壓；SNR的單位為分貝(db)例1：假設(shè)Vnoise＝1，采樣精度為1位表示Vsignal＝21，它的信噪比SNR＝6分貝。

例2：假設(shè)Vnoise＝1，采樣精度為16位表示Vsignal＝216，它的信噪比SNR＝96分貝。第十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率根據(jù)聲音的頻帶，通常把聲音的質(zhì)量分成5個(gè)等級(jí)，由低到高分別是電話(telephone)、調(diào)幅(amplitudemodulation，AM)廣播、調(diào)頻(frequencymodulation，F(xiàn)M)廣播、激光唱盤(pán)(CD-Audio)和數(shù)字錄音帶(digitalaudiotape，DAT)的聲音。在這5個(gè)等級(jí)中，使用的采樣頻率、樣本精度、通道數(shù)和數(shù)據(jù)率列于表2–01。第十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率第十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日非線性量化均勻量化：線性，按比例得量化值非均勻量化它們的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)數(shù)式壓縮A率壓擴(kuò)（P73）U率壓擴(kuò)（P75）第十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日μ率壓擴(kuò)原理第二十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日μ率壓擴(kuò)原理第二十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日A率壓擴(kuò)原理第二十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日多媒體音頻技術(shù)音頻信號(hào)的頻譜分析（P65圖）基頻、取樣頻率的確定取樣頻率過(guò)高或過(guò)低的缺點(diǎn)第二十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3聲音文件的存儲(chǔ)格式第二十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日音頻文件的格式如同存儲(chǔ)文本文件一樣，存儲(chǔ)聲音數(shù)據(jù)也需要有存儲(chǔ)格式。在因特網(wǎng)上和各種機(jī)器上運(yùn)行的聲音文件格式很多，但目前比較流行的有以.wav(waveform)，.au(audio)，.aiff(AudioInterchangeableFileFormat)和.snd(sound)為擴(kuò)展名的文件格式。.wav格式主要用在PC上，.au主要用在Unix工作站上，.aiff和snd主要用在蘋(píng)果機(jī)和美國(guó)視算科技有限公司(SiliconGraphics，Inc.，SGI)的工作站上。第二十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4聲音工具聲音工具(audiotools)用來(lái)錄放、編輯和分析聲音文件。聲音工具使用得相當(dāng)普遍，但它們的功能相差很大。下面列出了比較常見(jiàn)的幾種工具。Soundrecordwavestudiocooledit示例（編輯處理）第二十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.5聲音質(zhì)量的度量聲音質(zhì)量的評(píng)價(jià)是一個(gè)很困難的問(wèn)題，目前還在繼續(xù)研究的課題。前面介紹了用聲音信號(hào)的帶寬來(lái)衡量聲音的質(zhì)量，等級(jí)由高到低依次是DAT，CD，F(xiàn)M，AM和數(shù)字電話。是客觀質(zhì)量度量，客觀標(biāo)準(zhǔn)：5個(gè)等級(jí)及參數(shù)、信噪比SNR。另一種是主觀質(zhì)量度量。第二十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.5主觀聲音質(zhì)量的度量聲音客觀質(zhì)量的度量主要用信噪比(signaltonioseratio，SNR)，詳細(xì)計(jì)算可參看[2][3]。與用SNR客觀質(zhì)量度量相比較，應(yīng)該可以說(shuō)人的感覺(jué)(如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等)更具有決定意義，感覺(jué)上的、主觀上的測(cè)試應(yīng)該成為評(píng)價(jià)聲音質(zhì)量和圖像質(zhì)量不可缺少的部分。而有的學(xué)者則認(rèn)為，在語(yǔ)音和圖像信號(hào)編碼中使用主觀質(zhì)量度量比使用客觀質(zhì)量度量更加恰當(dāng)，更有意義?？墒且话銇?lái)說(shuō)，可靠的主觀度量值也是比較難獲得的，所獲得的值也是一個(gè)相對(duì)值。第二十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.5聲音質(zhì)量的度量主觀度量聲音質(zhì)量的方法類似于電視節(jié)目中的歌手比賽，由評(píng)委對(duì)每個(gè)歌手的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分，然后求出平均值。對(duì)聲音質(zhì)量的度量也可以使用類似的方法，召集若干實(shí)驗(yàn)者，由他們對(duì)聲音質(zhì)量的好壞進(jìn)行評(píng)分，求出平均值作為對(duì)聲音質(zhì)量的評(píng)價(jià)。這種方法稱為主觀平均判分法，所得的分?jǐn)?shù)稱為主觀平均(meanopinionscore，MOS)分。對(duì)聲音主觀質(zhì)量度量比較通用的標(biāo)準(zhǔn)是5分制。第二十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日主觀標(biāo)準(zhǔn)MOS(meanopinionscore)一般再現(xiàn)語(yǔ)音頻率若達(dá)7kHz以上，MOS可評(píng)5分第三十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.樂(lè)音音質(zhì)

樂(lè)音音質(zhì)的優(yōu)劣取決于多種因素，如聲源特性（聲壓、頻率、頻譜等）、音響器材的信號(hào)特性（如失真度、頻響、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、瞬態(tài)特性、立體聲分離度等）、聲場(chǎng)特性（如直達(dá)聲、前期反射聲、混響聲、兩耳間互相關(guān)系數(shù)、基準(zhǔn)振動(dòng)、吸聲率等）、聽(tīng)覺(jué)特性（如響度曲線、可聽(tīng)范圍、各種聽(tīng)感）等。所以，對(duì)音響設(shè)備再現(xiàn)音質(zhì)的評(píng)價(jià)難度較大。通常用下列兩種方法：一是使用儀器測(cè)試技術(shù)指標(biāo)；二是憑主觀聆聽(tīng)各種音效。由于樂(lè)音音質(zhì)屬性復(fù)雜，主觀評(píng)價(jià)的個(gè)人色彩較濃，而現(xiàn)有的音響測(cè)試技術(shù)又只能從某些側(cè)面反映其保真度。所以，迄今為止，還沒(méi)有一個(gè)能真正定量反映樂(lè)音音質(zhì)保真度的國(guó)際公認(rèn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但也有報(bào)道，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-T）近期已批準(zhǔn)一種客觀評(píng)價(jià)音質(zhì)的被稱之為電子耳的新型測(cè)量方法，可對(duì)任何音響器材的音質(zhì)進(jìn)行客觀聽(tīng)音評(píng)價(jià)，也可用于檢測(cè)電話通訊語(yǔ)音編碼系統(tǒng)的缺陷。

第三十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.6電子樂(lè)器數(shù)字接口(MIDI)系統(tǒng)MIDI是MusicalInstrumentDigitalInterface的首寫(xiě)字母組合詞，可譯成“電子樂(lè)器數(shù)字接口”。用于在音樂(lè)合成器(musicsynthesizers)、樂(lè)器(musicalinstruments)和計(jì)算機(jī)之間交換音樂(lè)信息的一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始，MIDI已經(jīng)逐步被音樂(lè)家和作曲家廣泛接受和使用。MIDI是樂(lè)器和計(jì)算機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，是一套指令(即命令的約定)，它指示樂(lè)器即MIDI設(shè)備要做什么，怎么做，如演奏音符、加大音量、生成音響效果等。MIDI不是聲音信號(hào)，而是發(fā)給MIDI設(shè)備或其它裝置讓它產(chǎn)生聲音或執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作的指令。特點(diǎn)：文件小、易于編輯、可以與其它媒體同時(shí)播放。RobertMoog第三十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日MIDI標(biāo)準(zhǔn)之所以受到歡迎，主要是它有下列幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：生成的文件比較小，因?yàn)镸IDI文件存儲(chǔ)的是命令，而不是聲音波形；容易編輯，因?yàn)榫庉嬅畋染庉嬄曇舨ㄐ我菀椎枚啵豢梢宰鞅尘耙魳?lè)，因?yàn)镸IDI音樂(lè)可以和其它的媒體，如數(shù)字電視、圖形、動(dòng)畫(huà)、話音等一起播放，這樣可以加強(qiáng)演示效果。第三十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日產(chǎn)生MIDI樂(lè)音的方法很多，現(xiàn)在用得較多的方法有兩種：頻率調(diào)制(frequencymodulation，F(xiàn)M)合成法樂(lè)音樣本合成法，也稱為波形表(Wavetable)合成法。這兩種方法目前主要用來(lái)生成音樂(lè)。第三十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日FM合成聲音FM合成聲音音樂(lè)合成器的先驅(qū)RobertMoog采用了模擬電子器件生成了復(fù)雜的樂(lè)音。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)斯坦福大學(xué)的JohnChowning研究生發(fā)明了一種產(chǎn)生樂(lè)音的新方法，這種方法稱為數(shù)字式頻率調(diào)制合成法，簡(jiǎn)稱為FM合成器。他把幾種樂(lè)音的波形用數(shù)字來(lái)表達(dá)，并且用數(shù)字計(jì)算機(jī)而不是用模擬電子器件把它們組合起來(lái)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)生成樂(lè)音。斯坦福大學(xué)得到了發(fā)明專利，并且把專利權(quán)授給Yamaha公司，該公司把這種技術(shù)做在集成電路芯片里，成了世界市場(chǎng)上的熱門(mén)產(chǎn)品。FM合成法的發(fā)明使合成音樂(lè)工業(yè)發(fā)生了一次革命。第三十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日FM合成器生成樂(lè)音的基本原理FM合成器生由5個(gè)基本模塊組成：數(shù)字載波器、調(diào)制器、聲音包絡(luò)發(fā)生器、數(shù)字運(yùn)算器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字載波器用了3個(gè)參數(shù)：音調(diào)(pitch)、音量(volume)和各種波形(wave)；調(diào)制器用了6個(gè)參數(shù)：頻率(frequency)、調(diào)制深度(depth)、波形的類型(type)、反饋量(feedback)、顫音(vibrato)和音效(effect)；樂(lè)器聲音除了有它自己的波形參數(shù)外，還有它自己的比較典型的聲音包絡(luò)線，聲音包絡(luò)發(fā)生器用來(lái)調(diào)制聲音的電平，這個(gè)過(guò)程也稱為幅度調(diào)制(amplitudemodulation)，并且作為數(shù)字式音量控制旋鈕，它的4個(gè)參數(shù)寫(xiě)成ADSR，這條包絡(luò)線也稱為音量升降維持靜音包絡(luò)線(Attack，decay，sustain，release，ADSR)包絡(luò)線。第三十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日在樂(lè)音合成器中，數(shù)字載波波形和調(diào)制波形有很多種，不同型號(hào)的FM合成器所選用的波形也不同。圖是YamahaOPL-III數(shù)字式FM合成器采用的波形。各種不同樂(lè)音的產(chǎn)生是通過(guò)組合各種波形和各種波形參數(shù)并采用各種不同的方法實(shí)現(xiàn)的。用什么樣的波形作為數(shù)字載波波形、用什么樣的波形作為調(diào)制波形、用什么樣的波形參數(shù)去組合才能產(chǎn)生所希望的樂(lè)音，這就是FM合成器的算法。第三十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日通過(guò)改變圖中所示的參數(shù)，可以生成不同的樂(lè)音，例如：改變數(shù)字載波頻率可以改變樂(lè)音的音調(diào)，改變它的幅度可以改變它的音量。改變波形的類型，如用正弦波、半正弦波或其它波形，會(huì)影響基本音調(diào)的完整性?？焖俑淖冋{(diào)制波形的頻率(即音調(diào)周期)可以改變顫音的特性。改變反饋量，就會(huì)改變正常的音調(diào)，產(chǎn)生刺耳的聲音。選擇的算法不同，載波器和調(diào)制器的相互作用也不同，生成的音色也不同。在多媒體計(jì)算機(jī)中，圖2-07中的13個(gè)聲音參數(shù)和算法共14個(gè)控制參數(shù)以字節(jié)的形式存儲(chǔ)在聲音卡的ROM中。播放某種樂(lè)音時(shí)，計(jì)算機(jī)就發(fā)送一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成ROM的地址，從該地址中取出的數(shù)據(jù)就是用于產(chǎn)生樂(lè)音的數(shù)據(jù)。FM合成器利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生的樂(lè)音是否真實(shí)，它的真實(shí)程度有多高，這就取決于可用的波形源的數(shù)目、算法和波形的類型。第三十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.6.3樂(lè)音樣本合成聲音使用FM合成法來(lái)產(chǎn)生各種逼真的樂(lè)音是相當(dāng)困難的，有些樂(lè)音幾乎不能產(chǎn)生，因此很自然地就轉(zhuǎn)向樂(lè)音樣本合成法。這種方法就是把真實(shí)樂(lè)器發(fā)出的聲音以數(shù)字的形式記錄下來(lái)，播放時(shí)改變播放速度，從而改變音調(diào)周期，生成各種音階的音符。樂(lè)音樣本的采集相對(duì)比較直觀。音樂(lè)家在真實(shí)樂(lè)器上演奏不同的音符，選擇44.1kHz的采樣頻率、16位的樂(lè)音樣本，這相當(dāng)于CD-DA的質(zhì)量，把不同音符的真實(shí)聲音記錄下來(lái)，這就完成了樂(lè)音樣本的采集。第四十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日使用樂(lè)音樣本合成器的原理框圖第四十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日樂(lè)音樣本合成器所需要的輸入控制參數(shù)比較少，可控的數(shù)字音效也不多，大多數(shù)采用這種合成方法的聲音設(shè)備都可以控制聲音包絡(luò)的ADSR參數(shù)，產(chǎn)生的聲音質(zhì)量比FM合成方法產(chǎn)生的聲音質(zhì)量要高。第四十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日電子樂(lè)器數(shù)字接口(MIDI)系統(tǒng)MIDI協(xié)議提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的和有效的方法，用來(lái)把演奏信息轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)。MIDI信息是以“MIDImessages”傳輸?shù)?，它可以被認(rèn)為是告訴音樂(lè)合成器(musicsynthesizer)如何演奏一小段音樂(lè)的一種指令，而合成器把接收到的MIDI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲音。國(guó)際MIDI協(xié)會(huì)(InternationalMIDIAssociation)出版的MIDI1.0規(guī)范對(duì)MIDI協(xié)議作了完整的說(shuō)明。第四十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日MIDI數(shù)據(jù)流是單向異步的數(shù)據(jù)位流(bitstream)，其速率為31.25kbps，每個(gè)字節(jié)為10位(1位開(kāi)始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位)。MIDI樂(lè)器上的MIDI接口通常包含3種不同的MIDI連接器，用IN(輸入),OUT(輸出)和THRU(穿越)。MIDI數(shù)據(jù)流通常由MIDI控制器(MIDIcontroller)產(chǎn)生，如樂(lè)器鍵盤(pán)(musicalinstrumentkeyboard)，或者由MIDI音序器(MIDIsequencer)產(chǎn)生。MIDI控制器是當(dāng)作樂(lè)器使用的一種設(shè)備，在播放時(shí)把演奏轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)的MIDI數(shù)據(jù)流，MIDI音序器是一種裝置，允許MIDI數(shù)據(jù)被捕獲、存儲(chǔ)、編輯、組合和重奏。來(lái)自MIDI控制器或者音序器的MIDI數(shù)據(jù)輸出通過(guò)該裝置的MIDIOUT連接器傳輸。第四十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日通常，MIDI數(shù)據(jù)流的接收設(shè)備是MIDI聲音發(fā)生器(MIDIsoundgenerator)或者M(jìn)IDI聲音模塊(MIDIsoundmodule)，它們?cè)贛IDIIN端口接收MIDI信息(MIDImessages)，然后播放聲音。圖2-10表示的是一個(gè)簡(jiǎn)單的MIDI系統(tǒng)，它由一個(gè)MIDI鍵盤(pán)控制器和一個(gè)MIDI聲音模塊組成。許多MIDI鍵盤(pán)樂(lè)器在其內(nèi)部既包含鍵盤(pán)控制器，又包含MIDI聲音模塊功能。在這些單元中，鍵盤(pán)控制器和聲音模塊之間已經(jīng)有內(nèi)部鏈接，這個(gè)鏈接可以通過(guò)該設(shè)備中的控制功能(localcontrol)對(duì)鏈接打開(kāi)(ON)或者關(guān)閉(OFF)。第四十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日單個(gè)物理MIDI通道(MIDIchannel)分成16個(gè)邏輯通道，每個(gè)邏輯通道可指定一種樂(lè)器，如圖2-11所示。在MIDI信息(MIDImessages)中，用4個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示這16個(gè)邏輯通道。音樂(lè)鍵盤(pán)可設(shè)置在這16個(gè)通道之中的任何一個(gè)，而MIDI聲源或者聲音模塊可被設(shè)置在指定的MIDI通道上接收。第四十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日在一個(gè)MIDI設(shè)備上的MIDIIN連接器接收到的信息可通過(guò)MIDITHRU連接器輸出到另一個(gè)MIDI設(shè)備，并可以菊花鏈的方式連接多個(gè)MIDI設(shè)備，這樣就組成了一個(gè)復(fù)雜的MIDI系統(tǒng)，如圖所示。在這個(gè)例子中，MIDI鍵盤(pán)控制器對(duì)MIDI音序器(MIDIsequencer)來(lái)說(shuō)是一個(gè)輸入設(shè)備，而音序器的MIDIOUT端口連接了幾個(gè)聲音模塊。作曲家可使用這樣的系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)作幾種不同樂(lè)音組成的曲子，每次在鍵盤(pán)上演奏單獨(dú)的曲子。這些單獨(dú)曲子由音序器記錄下來(lái)，然后音序器通過(guò)幾個(gè)聲音模塊一起播放。每一曲子在不同的MIDI通道上播放，而聲音模塊可分別設(shè)置成接收不同的曲子。例如，聲音模塊＃1可設(shè)置成播放鋼琴聲并在通道1接收信息，模塊2設(shè)置成播放低音并在通道5接收信息，而模塊2設(shè)置成播放鼓樂(lè)器并在通道10上接收消息等。在圖2-12中使用了多個(gè)聲音模塊同時(shí)分別播放不同的聲音信息。這些模塊也可以做在一起構(gòu)成一個(gè)叫做多音色(multitimbral)的聲音模塊，它同樣可以起到同時(shí)接收和播放多種聲音的作用。第四十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日復(fù)雜MIDI系統(tǒng)第四十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2-13是用PC機(jī)構(gòu)造的MIDI系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的聲音模塊就是這樣一種單獨(dú)的多音色聲音模塊。在這個(gè)系統(tǒng)中，PC機(jī)使用內(nèi)置的MIDI接口卡，用來(lái)把MIDI數(shù)據(jù)發(fā)送到外部的多音色MIDI合成器模塊。像多媒體演示程序、教育軟件或者游戲等應(yīng)用軟件，它們把信息通過(guò)PC總線發(fā)送到MIDI接口卡。MIDI接口卡把信息轉(zhuǎn)換成MIDI消息，然后送到多音色聲音模塊同時(shí)播放出許多不同的樂(lè)音，例如鋼琴聲、低音和鼓聲。使用安裝在PC機(jī)上的高級(jí)的MIDI音序器軟件，用戶可把MIDI鍵盤(pán)控制器MIDI接口卡的MIDIIN端口，也可以有相同的音樂(lè)創(chuàng)作功能。第五十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日使用PC機(jī)構(gòu)成的MIDI系統(tǒng)第五十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日MPC(MultimediaPC)規(guī)格需要聲音卡的合成器是多音色(muti-timbral)和多音調(diào)(polyphonic)的合成器。多音色是指合成器能夠同時(shí)播放幾種不同樂(lè)器的聲音，在英文文獻(xiàn)里?？吹接胿oices和patches來(lái)表示，音色就是把一個(gè)人說(shuō)話(或一種樂(lè)器)的聲音與另一個(gè)人說(shuō)話(或另一種樂(lè)器)的聲音區(qū)分開(kāi)來(lái)的音品；多音調(diào)是指合成器一次能夠播放的音符(note)數(shù)。MPC規(guī)格定義了兩種音樂(lè)合成器：基本合成器(Base-levelsynthesizer)和擴(kuò)展合成器(Extendedsynthesizer)，基本合成器和擴(kuò)展合成器之間的差別如表01所示。第五十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日基本合成器必須具有同時(shí)播放3種旋律音色和3種打擊音色(鼓樂(lè))的能力，而且還必須具有同時(shí)播放6個(gè)旋律音符和3個(gè)打擊音符的能力，因此，基本合成器具有9種音調(diào)；擴(kuò)展合成器要能夠同時(shí)播放9種旋律音色和8種打擊音色。第五十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.6.5MIDI消息MIDI設(shè)備使用的一系列MIDI音符，可被認(rèn)為是告訴音樂(lè)合成器如何播放一小段音樂(lè)的指令。因?yàn)镸IDI數(shù)據(jù)是一套音樂(lè)符號(hào)的定義，而不是實(shí)際的音樂(lè)聲音，因此MIDI文件的內(nèi)容被稱為MIDI消息(MIDImessages)。一個(gè)MIDI消息由1個(gè)8位的狀態(tài)字節(jié)并通常跟著2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成。在狀態(tài)字節(jié)中，最高有效位設(shè)置成“1”，低4位用來(lái)表示這個(gè)MIDI消息是屬于哪個(gè)通道，4位可表示16個(gè)可能的通道，其余3位的設(shè)置表示這個(gè)MIDI消息是什么類型的消息。MIDI消息可分成通道消息(ChannelMessages)和系統(tǒng)消息(SystemMessages)兩大類，第五十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日MIDI通道消息可分成通道聲源消息(VoiceMessages)—攜帶的演奏數(shù)據(jù)通道方式消息(ModeMessages)—表示合成器響應(yīng)MIDI數(shù)據(jù)的方式；MIDI系統(tǒng)消息分成公共消息(CommonMessages)—標(biāo)識(shí)在系統(tǒng)中的所有接收器實(shí)時(shí)消息(RealTimeMessages)—用于MIDI部件之間的同步獨(dú)占消息(ExclusiveMessages)—廠商的標(biāo)識(shí)代碼。第五十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第六十頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.6.6MIDI音序器和標(biāo)準(zhǔn)MIDI文件MIDI合成器實(shí)時(shí)接收和處理MIDI消息(MIDImessages)。當(dāng)合成器接收到一個(gè)“noteon(樂(lè)音開(kāi))”MIDI消息時(shí)就演奏相應(yīng)的聲音，當(dāng)接收到一個(gè)“noteoff(樂(lè)音關(guān))”MIDI消息時(shí)就停止演奏。如果MIDI數(shù)據(jù)源是樂(lè)器鍵盤(pán)，“noteon”消息就實(shí)時(shí)產(chǎn)生，在像這樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用中，就無(wú)需與MIDI消息一起發(fā)送一個(gè)定時(shí)信息。如果MIDI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成數(shù)據(jù)文件，或者使用音序器編輯的數(shù)據(jù)文件，MIDI消息就需要某種形式的定時(shí)標(biāo)記(time-stamping)。MIDIEDIT,MIDIMAKER.DUOTE第六十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日國(guó)際MIDI協(xié)會(huì)出版了標(biāo)準(zhǔn)MIDI文件規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明了處理定時(shí)標(biāo)記MIDI數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)化方法。這種方法適合各種應(yīng)用軟件共享MIDI數(shù)據(jù)文件，這些軟件包括音序器、樂(lè)譜軟件包和多媒體演示軟件。標(biāo)準(zhǔn)MIDI文件規(guī)范定義了3種MIDI文件格式，MIDI音序器能夠管理文件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的多個(gè)MIDI數(shù)據(jù)流，即聲軌(tracks)。MIDI文件格式0(Format0)規(guī)定所有MIDI音序數(shù)據(jù)(MIDIsequencedata)必須存儲(chǔ)在單個(gè)聲軌上，它僅用于簡(jiǎn)單的單聲軌設(shè)備；MIDI文件格式1(Format1)規(guī)定數(shù)據(jù)以一個(gè)聲軌集的方式存儲(chǔ)；MIDI文件格式2(Format2)可用幾個(gè)獨(dú)立模式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。第六十二頁(yè)，共六