音频信息的获取与处理

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1、第2章音频信息的获取与处理声音是多媒体信息的一个重要组成部分,也是表达思想和情感的一种必不可少的媒体。无论其应用目的是什么，声音的合理使用可以使多媒体应用系统变得更加丰富多彩。在多媒体系统中，音频可被用作输入或输出。输入可以是自然语言或语音命令，输出可以是语音或音乐，这些都会涉及到音频处理技术。2.1音频信号及其概念2.1.1声音处理技术历史回顾语言、音乐和各种自然声是以声波为载体传递信息的基本形式。人类很早就开始研究声音，并利用当时已掌握了的声音的某些规律来制造乐器、进行建筑设计或传声装置设计，使发出的声音传得更远。可是几千年

2、来，人类只能凭耳朵来辨别声音的高低、强弱，而不能把声音记录和储存起来。所以与其他研究领域相比，声学的研究相对滞后。直到19世纪爱迪生发明了留声机，人们才能用机械的方法把各种声音记录在唱片上。可是声音、机械振动不容易传递，也不容易放大，机械方法很不方便。随着电学、电子学的发展，人们开始尝试记录下这些真实的声音，利用把声的振动转换成电信号的原理，使声音的记录成为可能。最终电声技术获得了迅速发展。电声技术是研究可听声频率范围内声音的产生、传播、存储、重放和接收的技术。顾名思义，电声技术是依靠“电”来记录并播放声音的，其基本原理是通过电

3、压来产生模拟声波变化的电流信号，并记录下来，灌录成早期的唱片或磁带，这种电流信号便被称之为“模拟信号”。传统的声音记录方式就是将模拟信号直接记录下来，例如磁带录音和密纹唱片就是将声音拾取处理后以磁记录或机械刻度的方式记录下来，此时磁带上磁极的变化或密纹唱片音槽内的纹路起伏变化都是与声音信号的变化相对应、成正比的。这里，密纹唱片、盒式磁带等是记录储存这种模拟声音信号的载体，而能够播放和（或）记录这些软件的信号处理设备，诸如电唱机、磁带录音机等，则称为模拟音响设备。电声技术把声信号转换成电信号，经扩声系统直接进行扩声；或者将其信号利

4、用磁带、CD或其他存储形式，使声音可超越时间和空间，通过重放系统将其信号（数字的或模拟的）经过放大，由扬声器或耳机转换成声信号，进入最后的终端---人耳，以实现任何时间和地点的声音重现。电声转换、音频信号的存储、重放技术、加工处理技术以及数字化音频信号的编码、压缩、传输、存取、纠错等技术，是音频技术的主要对象。随着计算机技术的发展，特别是海量存储设备和大容量内存在计算机上的实现，对音频媒体进行数字化处理便成为可能。数字化处理的核心是对音频信息的采样，通过对采集到的样本进行加工，生成各种效果。音频信息在多媒体中的应用是极为广泛的，

5、当计算机配有声卡和音箱后，就能够发出各种悦耳的声音，尤其是视频图像配以娓娓动听的音乐和语音，使计算机的操作得以藉由视觉以外的听觉加以辅助而成为一种愉快的过程。静态或动态图像配以解说和背景音乐，可使图像充满生气；立体声音乐可增加空间感，使人身临其境；语音电子邮件，听声如见其人，游戏中的音响效果对于渲染气氛则为显得更为重要；此外，在多媒体通信中，可视电话、电视会议、这些都离不开数字化音频处理技术。2.1.2音频信号的形式在日常生活中，音频(Audio)信号可分为两类：语音信号和非语音信号。语音是语言的物质载体，是社会交际工具的符号,

6、它包含了丰富的语言内涵，是人类进行信息交流所特有的形式。非语音信号主要包括音乐和自然界存在的其他声音形式。非语音信号的特点是不具有复杂的语义和语法信息，信息量低、识别简单。我们之所以能听到日常生活中的各种声音信息，其实就是不同频率的声波通过空气产生震动，刺激人耳的结果。在物理上，声音可用一条连续的曲线来表示。这条连续的曲线无论多复杂，都可分解成一系列正弦波的线性叠加。规则音频是一种连续变化的模拟信号,可用一条连续的曲线来表示，称为声波。因声波是在时间和幅度上都连续变化的量，我们称之为模拟量。用声音录制软件记录的英文单词“Hel

7、lo”的语音实际波形2.1.3模拟音频信号的物理特征模拟音频信号有两个重要参数：频率和幅度。声音的频率体现音调的高低，声波幅度的大小体现声音的强弱。一个声源每秒钟可产生成百上千个波，我们把每秒钟波峰所发生的数目称之为信号的频率，单位用赫兹(Hz)或千赫兹(kHz)表示。例如一个声波信号在一秒钟内有5000个波峰，则可将它的频率表示为5000Hz或5kHz。人们在日常说话时的语音信号频率范围在300Hz～3000Hz之间。频率小于20Hz的信号称为亚音(Subsonic)；频率范围为20Hz～20kHz的信号称为音频(Audio)

8、，高于20kHz的信号称为超音频(Ultrasonic)。与频率相关的另一个参数是信号的周期。它是指信号在两个峰点或谷底之间的相对时间。周期和频率之间的关系是互为倒数。信号的幅度是从信号的基线到当前波峰的距离。幅度决定了信号音量的强弱程度。幅度越大，声音越强。对