digitalizacija zvuka - show

2DIGITALIZACIJA ZVUKA

DIGITALIZACIDIGITALIZACIJA ZVUKAJA ZVUKA


ZvukZvuk Zvuk je mehaničko kretanje vazduha u prostoru

tj. promena vazdušnog pritiska u toku vremena. Razliku između maksimalne i minimalne vrednosti

nazivamo amplitudom. Što je amplituda zvučnog signala veća, zvuk je

glasniji. Broj promena signala, npr. od svoje najveće

vrednosti do najmanje i nazad u jednoj sekundi nazivamo frekvencijom zvuka. Frekvencija se meri u Hercima (1Hz= jednom u sekundi).

Što brže zvučni signal menja svoju vrednost to nam se zvuk čini piskaviji.


ZvukZvuk

U proseku, ljudsko uho može da čuje zvuke čija je frekvencija između 5Hz i 20kHz međutim precizni raspon je osobina svakog pojedinca. U principu, već frekvencije iznad 10kHz većina ljudi veoma loše čuje.

Jačina zvuka koju ljudsko uho može da registruje se kreće od skoro 0dB (prag šuma) do 120dB (prag bola)


Konverzija zvukaKonverzija zvukaPretvaranje promene vazdušnog pritiska u električni signal

Izvor zvuka (mehaničke vibracije)

Talasanje vazduha (promene vazdušnog pritiska)

Senzor promene pritiska (mikrofon)

Električni signal (promenljivi napon)


Konverzija u zvukKonverzija u zvukpretvaranje električnog signala

u promenu vazdušnog pritiska (zvuk)


Snimanje zvukaSnimanje zvuka Često se javlja potreba da se zabeleže određeni

signali koji se javljaju u prirodi.

Najčešći primeri signala su svakako zvuk i slika, ali i drugi primeri se mogu lako naći (ekg signali, ultrazvuk, raznorazna zračenja, itd...)

Signali koje srećemo u prirodi se obično javljaju u kontinualnoj formi što znači da se menjaju neprekidno tokom vremena i/ili prostora.

Nasuprot kontiunalnoj (neprekidnoj) prirodi signala, digitalna tehnologija podrazumeva diskretnost (isprekidanost) zapisa.


Snimanje zvukaSnimanje zvuka Veliki korak u istoriji multimedijalnih tehnologija i civilizacije

uopšte bilo je prvo snimanje zvuka.

Prvi uređaj za reprodukciju zvuka izumeo je švajcarski časovničar Nikola Smooth. Uređaj se sastojao od cilindra na kome se nalaze iglice različite dužine koje proizvode zvuk različite visine i opruge koja služi za okretanje tog cilindra.

Prvi uređaj za snimanje zvuka, fonoautograf, konstruisao je Leon Scott. Sastojao se od membrane na koju je pričvšćena iglica. Ona je sa suprotne strane bila u dodiru sa valjkom (cilindrom) na kome se nalazio namotan papir. Registrovan zvuk dovodi do treperenja membrane, koja dovodi do oscilovanja iglice, dok iglica na kraju “urezuje zvuk”na cilindar.


Snimanje zvukaSnimanje zvuka Naslednik fonoautografa i predhodnik gramofona

bio je fonograf koga je izumeo Edisson. Međutim, najveća mana fonograma sastojala se u tome što nije postojala mogućnost masovne proizvodnje cilindara sa istim snimljenim materijalom. Ograničenje je bilo na otprilike 25 kopija sa znatno lošijim kvalitetom pri čemu je original takođe gubio na kvalitetu.

Edisonov fonograf


Snimanje zvukaSnimanje zvuka Prvi uređaj koji je počeo masovno da se koristi bio

je gramofon. On je koristio ravnu površinu (ploču) za urezivanje tonskog zapisa. Kod ploče je dubina brazde bila konstantna, a ton je zapisivan horizontalno (horizontalno vibriranje iglice). Takav sistem omogućavao je masovnu proizvodnju bez značajnijih gubitaka u kvalitetu. Prve ploče korišćene na mehaničkim gramofonima radile su na 78 obrtaja u minuti.

200x zumirana ploča


Snimanje zvukaSnimanje zvuka Sledeća tehnologija snimanja zvuka pojavila se još

1898. godine u obliku telegrafona (magnetofona). Uređaj je snimao i reprodukovao zvuk tako što je magnetni medijum prelazio konstantnom brzinom

po površini magnetne glave. Prvi uređaj koji je koristio magnetnu traku razvijen je u Nemačkoj.

Kotur sa magnetnom trakom


Analogna tehnologijaAnalogna tehnologija signal →električni signal →magnetni medijum /

gramofonska ploča Primenom analognih tehnologija se pravi

kontinualni zapis nekog signala na medijumu. Npr. gramofonska ploča ima oblik dugačke

spirale. Kada bi se pogledao oblik udubljenja i ispupčenja zabeleženih na njoj, dobilo bi se grafik koji veoma podseća na grafik zvučnog signala koji je bio sniman.

Grafik rasporeda namagnetisanja na magnetnoj traci takođe treba da odgovara vremenskom rasporedu zvuka koji je snimljen.


Analogna tehnologijaAnalogna tehnologija Ulaganja koja su potrebna da bi se dobio zapis

analognog signala su veoma mala, ukoliko se zadovoljimo relativno niskim kvalitetom.

Tehnološki, još su stari Grci mogli da prave jednostavni gramofon, uz pomoć jednostavne igle prikačene na trepereću membranu.

Osnovni problem analogne tehnologije je to što je jako teško na medijumu napraviti skoro identičnu kopiju posmatranog signala.

Drugi problem je nestalnost medijuma tj. njegova promenjivost tokom vremena i osetljivost na spoljašnje uticaje, što dovodi do postepenog opadanja kvaliteta zapisa.


Analogna tehnologijaAnalogna tehnologija Zbog toga se za pravljenje visoko kvalitetnog

analognog zapisa mora uložiti izuzetno puno truda i novca proizvodnja nosača zapisa je veoma skupa pravljenje zapisa je veoma skupo

I pored svega, pravljenje medijuma koji će apsolutno identično zabeležiti signal i koji će zadržati svoje karakteristike večno, i u svim spoljašnjim uslovima je nemoguće.

Svaka obrada ovako zapisanih signala je izuzetno komlikovana i takođe zahteva velika ulaganja

Reprodukcija (upotreba) takvih zapisa u vernom obliku je veoma skupa.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija zvučni signal →električni signal →digitalizacija

→podaci →fajl Osnovna ideja digitalne tehnologije je zapisivanje

signala kao niza brojeva koji predstavljaju njegove vrednosti izmerene u diskretnim tačkama (diskretnim vremenskim trenucima, odnosno na diskretnoj mreži tačaka prostora).

Izmerene vrednosti se predstavljaju preko određenog broja nivoa različitih vrednosti.

Ukoliko je poznat izgled signala na zadatoj mreži moguće je rekonstruisati njegov izgled i u ostalim delovima vremena tj. prostora.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Postupak merenja i zapisivanja vrednosti signala

se često naziva sempliranje. Postavlja se pitanje koliko je često potrebno

meriti i zapisivati vrednost signala. Čuvena Nyquist-ova teorema daje odgovor na ovo

pitanje. Da bi signal mogao da se verno rekonstruiše

potrebno je meriti ga dva puta češće od njegove najveće frekvencije.

Npr. Čovekovo uho čuje frekvencije do nekih 20Khz. Zbog toga je zvuk u principu dovoljno semplirati nekih 40 000 puta u sekundi.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Opšte prihvaćen CD audio standard se zasniva na

učestalosti uzoraka od 44.1kHz.

DAT kasete, poznate muzičkim profesionalcima koriste učestalost od 48kHz.

Većina zvukova u video igrama je sa uzorcima na 11 ili 22 kHz.

Ranije se za digitalizaciju koristilo 8 bita (jedan bajt).

Danas je uobičajeno da se za zapis svakog uzorka koristi 16 bitova (dva bajta).


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Ovo omogućuje zapisivanje 65536 nivoa jačine

zvuka, što daje dinamički raspon od oko 96dB, što se smatra prilično zadovoljavajućim.

Da bi se bolje dočarao prostorni raspored zvuka, koristi se stereo tehnika.

Uzimanje uzoraka u mono tehnici se vrši pomoću jednog mikrofona.

Za digitalizaciju stereo zvuka potrebno je najmanje

2 mikrofona (dva kanala).


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Proces digitalizacije podrazumeva konverziju

postojećeg analognog signala u niz jedinica i nula pri čemu dolazi do zaokruživanja tako da signal nije potpuno isti kao ulazni. Iako zvuči kao uništavanje zvuka, proces digitalizacije pored toga što na taj način deformiše zvuk, drži podalje od zvuka bilo kakve šumove i distorziju koja se javlja prilikom snimanja na traku ili neki drugi analogni medijum. Deformacija prouzrokovana zaokruživanjem je minimalna, a čistina zvuka je na visokom nivou tako da je kvalitet na daleko višem nivou u odnosu na analogne sisteme.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Konverzija analognog signala...

...u digitalnu reprezentaciju

124 85 161 160 135 76 138 113 147 103 165 126 122 136 184 155


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Dve vrste aproksimacije: – kontinualno vreme → diskretno vreme – kontinualne vrednosti → diskretne vrednosti


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Dve operacije: 1.uzorkovanje (diskretizacija vremena)

2.kvantizacija (diskretizacija vrednosti)

Merenje vrednosti signala u tačno određenim vremenskim trenucima

Aproksimacija izmerenih vrednosti najbližim vrednostima iz konačnog skupa


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Rezultat digitalizacije

– niz kvantizovanih veličina izmerenih u pojedinim vremenskim trenucima

124 85 161 160 135 76 138 113 147 103 165 126 122 136 184 155

Rekonstrukcija polaznog signala na osnovu digitalne reprezentacije –rezultat se razlikuje od originala


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Ovde je prikazan digitalizovan sinusoidni zvuk.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Na prvi pogled linija izgleda neprekidno, međutim kad bi se

slika uvećala videli bismo nešto poput ovog.

Linija se zapravo sastoji iz velikog broja tačaka i nije neprekidna kakva bi bila da je analogno modeliran zvuk u pitanju.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija

Ovde su grafički prikazane dve osnovne karakteristike digitalnog zvuka – sample rate (brzina uzorka) i bit depth (dužina reči). Sample rate je horizontalna definicija zvuka čija se vrednost kreće između 8 i 192 KHz. Bit depth predstavlja vertikalnu definiciju zvuka i njegova vrednost se kreće od 8 do 64 bita. Vrednosti od 8 do 32 su celobrojne (integer), dok je 64-bitna realna (float) vrednost. Na taj način je zaokruživanje svedeno na minimum.



Neposrednim zapisivanjem niza brojeva dobijenih digitalizacijom zvuka dobijamo tzv. sirovi zapis (PCM – Pulse Code Modulation).

Za sirovi zapis jednog minuta zvuka u stereo tehnici, potrebno je:60sekundi * 44100 * 2 bajta * 2 kanala = 10,5 Mb

RIFF je grupa formata za zapis mnogih tipova podataka, pre svega multimedijalnih (zvuka i videa).

Najpoznatiji RIFF formati su WAVE, AVI, DIVX...


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Svi RIFF formati se sastoje od parčića (chunks).

Svako parče ima svoj tip, koji se zapisuje pomoću 4 karaktera, za čim slede 4 bajta koji označavaju veličinu parčeta i zatim sam sadržaj.

Sama RIFF datoteka je sama za sebe jedno parče čiji sadržaj počinje oznakom tipa RIFF datoteke, a zatim sledi niz drugih parčića.

WAVE spada u grupu RIFF formata i namenjen je isključivo za zapis zvuka.

Zapis u WAVE formatu se sastoji od parčeta (chunk) sa oznakom “fmt” i parčeta sa oznakom “data”.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija PCM modulacija (pulse code modulation)

1. uzorkovanje2. kvantizacija3. kodovanje: reprezentacija pojedinih kvantizacionih nivoa binarnim brojevima

001010101110110110101100100100100101110111


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija DPCM modulacija (differential PCM)

–kodira vrednost kao razliku u odnosu na prethodnu

signal

PCM

DPCM


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Kada je rekonstruisani signal dovoljno dobar?

– Nyquist-Shannon teorema odabiranja: • frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dva puta veća od 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


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Kada je rekonstruisani signal dovoljno dobar?

– gustina kvantizacionih nivoa • maksimalna greška kvantizacije za nivo kvantizacije širine a iznosi a/2


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija WAVE format omogućava i nekoliko tipova

kompresije, mada se najčešće koristi za zapis nekomprimovanog zvuka, tj. parče “data” sadrži PCM zapis.

Jedan od problema sa WAV zapisom je, naravno, to što zauzima previše memorijskog prostora.

Zbog toga se zvučni zapis obično komprimuje na neki način.

Pošto je zvuk signal koji se veoma nepredvidivo menja, većina algoritama kompresije koji se zasnivaju na ponavljanjima podataka (kao npr. algoritmi korišćeni u ARJ, ZIP) pokazuju loše rezultate.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Zbog toga se pristupa primeni tzv. psihoakustičkih

algoritama koji uglavnom spadaju u grupu Loosy algoritama.

U toku dana ne vidimo zvezde. Razlog tome je to što je svetlost zvezda maskirana jakom svetlošću sunca.

Većina algoritama za kompresiju zvuka se zasnivaju na sličnim osobinama ljudskog čula sluha.

Na primer, tih zvuk u blizini (u vremenu) mnogo glasnijeg se ne percipira, pa se na njegovo kodiranje ne isplati trošiti bajtove.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Slično, ako u bliskom trenutku postoje zvuci bliske

frekvencije, jači zvuk može da maskira drugi. Koji su zvuci dovoljno tihi? Ovaj podatak se najčešće

dobija eksperimentima i to sa živim ljudima koji slušaju zvuke i daju svoj sud.

Na primer: - Ukoliko imamo zvuk frekvencije 1000Hz i u njegovoj blizini zvuk od 1100Hz, ali 18 dB tiši, čovek prosečnog sluha neće čuti drugi zvuk. - Ako bi drugi zvuk bio frekvencije 2000Hz i iste glasnoće, on bi se čuo, zbog toga što je frekvencijski prilično udaljen od prvog. Pokazuje se da bi ovaj ton morao biti 45dB slabiji da bi bio nečujan.

Zaključujemo da je maskiranje značajnije u slučaju bliskih frekvencija.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Posledica maskiranja je da je dopušteno podizanje

nivoa šuma u blizini jakih zvukova. Zaključujemo da zbog većeg nivoa dopuštenog

šuma nije potrebna visoka preciznost zapisa, pa se može upotrebljavati manje bitova za zapis.

Ljudsko čulo sluha ima ograničenje da ne registruje dobro vremenski bliske zvukove:- ne registruje tihi ton koji se javi do 5 milisekundi pre glasnog (premaskiranje).- ne registruje tihi ton koji se javi do 100 milisekundi posle završetka glasnog (postmaskiranje)- tačna vremena zavise od razlike intenziteta.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija MPEG – Moving pictures experts group Ekspertska organizacija koja je pod

pokroviteljstvom ISO napravila nekoliko standardnih formata za zapisivanje zvuka, filma i drugih multimedijalnih sadržaja.

MPEG 1 – standard na kome su zasnovani formati kao su VideoCD i MP3

MPEG 2 – standard na kome se zasnivaju digitalna televizija i DVD format

MPEG 4 – standard multimedije za fiksni i mobilni web

MPEG 7 – standard za opisivanje i pretragu audio i vizuelnog sadržaja


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Layeri unutar MPEG standarda čine oznake

podstandarda koji se odnose samo na zapisivanje audio signala

Jedan od najpoznatijih MPEG-ovih audio layera je audio MPEG layer 3, ili pod drugim, čuvenijim imenom MP3.

Dok je MP3 najčuveniji, MP1 je skoro zaboravljen, ali je MP2 imao neki uticaj dok nije potisnut layerom MP3.

Audio layeri su međusobno kompatibilni naniže, što znači da programi koji mogu da tumače MP3 mogu da tumače i starije layere.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Audio MPEG deli celokupni zvučni frekventni

opseg na 32 podpojasa (subbands). Ovi pojasi su kod layera 1 i 2 bili po 625Hz, dok se

kod layera 3 uvode pojasevi različite širine. - Naime, uho jasno razlikuje 1kHz od 3kHz, dok veoma teško razlikuje 15kHz od 18kHz (ako se uopšte nešto čuje).

Ako npr. imamo ton od 1kHz jačine 60dB, on spada u 8. pojas: - Koder izračunava da je maskirajući efekat ovog tona 35dB, a to daje odnos signal/šum od 25dB, što znači da je za zapis ovog zvuka dovoljno 4 bita.



- Dodatno, ovaj maskirajući efekat se proteže od pojasa 5 do 13, naravno sa umanjenim uticajem.

Sve ovo čini proces MP3 kodiranja prilično računski zahtevnim. Proces dekodiranja je nešto jednostavniji, ali je i on svakako komplikovan.

Formati:Kod kompresovanih formata se pojavljuje i treća karakteristika vezana za kompresiju, a to je bitrate (brzina protoka).



Bitrate predstavlja broj bita (podataka) koji se obradi u sekundi, odnosno u konkretnom slučaju koliki se broj podataka pretvori u zvuk u intervalu od jedne sekunde. S obzirom da nekompresovan zvuk zauzima dosta prostora u odnosu na današnje memorijske medije, javila se potreba da se kompresuje zvuk. Tako su nastali mnogi formati, a ovde će biti navedeno samo nekoliko najpopularnijih i njihove karakteristike:



- - mp3 – format koji već duže vreme dominira i koji poseduje solidan kvalitet zvuka, međutim danas postoje daleko kvalitetniji formati. Proizveden je u Fraunhofer laboratorijama 90-tih godina.

- wma – Microsoft-ov audio format koji je trebalo da potisne mp3, međutim kvalitet zvuka je bio poprilično lošiji od zvuka mp3 formata sve do pojave wma9. Ono što ga odvaja od drugih formata, a zbog čega nije nešto popularan kod većine korisnika je mogućnost enkripcije (zaštite) od neovlašćenog umnožavanja (piraterije).


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija- ogg – novi kodek otvorenog koda koji je na 128

kbit/s ubedljivo najbolji, poseduje mogućnost rada sa više od dva kanala (4.0, 5.1, 7.1...), za razliku od predhodnih.

- mp4 – takođe novi kodek koji je nastao kao naslednik AAC i mp3 kodeka. Razvija ga nekoliko firmi od kojih su najpoznatije Ahead i Apple. Na većem bitrate-u Ahead-ov mp4 kodek koji je radio Ivan Dimković daje ubedljivo najbolji zvuk u poređenju sa svim ostalim formatima.

Što se broja kanala tiče uvedeni su novi standardi, pored mono, stereo i kvadrofonije pojavili su se 5.1 (Dolby surround) i 7.1.



Početna tehnološka ulaganja da bi se uopšte stiglo do iole upotrebljivog zapisa su jako velika:- Npr. veoma je teško napraviti uređaj koji dovoljno često meri i zapisuje vrednost zvučnog signala- prostor za zapisivanje 1 sekunde je 44000 brojeva što predstavlja skoro jednu celu papirnu svesku.

Ovo je razlog zašto se digitalna tehnologija javila istorijski prilično kasno.

Jako je teško bilo stići do tako gustog zapisa koji omogućuje zapis par stotina megabajta na površini dlana šake.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Međutim, kada je početni tehnološki prag dostignut

prednosti su postale skoro neverovatne. Inherentna kvarljivost medijuma, koja je

predstavljala najveći problem analogne tehnologije, odjednom je postala nebitna.

Npr. Ne možemo se osloboditi činjenice da papir vremenom žuti i da se kvalitet zapisa na njemu gubi.

Ukoliko se radi o običnoj analognoj fotografiji, to se javlja kao problem.

Međutim ukoliko je na tom papiru zapisan niz brojeva koji opisuje piksele iste te fotografije, nimalo informacije se ne gubi sve dok je moguće uopšte pročitati o kojim je brojevima reč.


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija Moguće je pravljenje identičnih kopija što opet nije

moguće bilo kod analogne tehnologije. - Npr. Ukoliko fotokopiramo fotografiju dobijamo gubitak kvaliteta. Ukoliko fotokopiramo papir na kome su zapisani brojevi koji opisuju fotografiju nimalo informacije ne gubimo.

Mogućnost pravljenja identičnih kopija praktično omogućava večno trajanje zapisa.

Obrada zapisa postaje jednostavna i vrši se isključivo primenom matematičkih formula na brojeve- Npr. obrada digitalnih slika ili zvuka


Digitalna tehnologijaDigitalna tehnologija 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


ZAVRŠNA REČZAVRŠNA REČ Digitalna tehnologija je sama po sebi napravila

veliki skok u odnosu na analognu u pogledu kvaliteta i brzine uopšte. Jedna jako bitna karakteristika je i ekonomičnost koja je za posledicu imala veoma brz razvoj kao i pristupačnost. Da li je digitalnom tehnologijom napravljen samo korak napred? Nije. Mnogi muzički producenti se vraćaju na analogne miksete jer distorzija koju one proizvode daju punu boju zvuku, dok je digitalan zvuk zbog svoje čistine potpuno hladan. Najbolje je, dakle, napraviti dobar kompromis između ova dva i koristiti prednosti svake. Tačno je da će jednog dana digitalna tehnologija u potpunosti zameniti analognu, ali danas je analogna u dosta slučajeva ispred digitalne.

digitalizacija zvuka - show

Documents