第 4 章 音频与视频处理

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1、第四章音频与视频处理4．1音频处理技术4．1．1音频处理概述n声音的基本参数1.声音的基本参数(1)周期l以规则的时间间隔重复出现相同的波形，这个时间间隔称之为周期。由于声音是自然产生的，所以不可能是非常平滑和具有相同的周期。u具有可识别周期的声音通常比较悦耳，如：各种乐器的声音、歌声等。非周期性声音通常比较刺耳，如噪音、刹车声等。(2)频率l频率是指波在单位时间内重复的次数，其单位为Hz(赫兹)。u通常还使用更大的单位KHz，MHz，GHz以及THz表示，其换算关系如下所示：1KHz=1000Hz1MHz=1000KHz1GHz=1000MHz1THz=1000

2、GHzu频率和周期互为倒数的关系：周期＝1／频率波段l在研究的过程中，通常还将声波划分成以下几个波段：u次声波：低于20Hz；u声波：20～20KHz(人耳能听见的声波)；u超声波：20KHz以上。l日常生活中，音调实际上就是对声音的频率描述。当频率快时，也就是频率高时，声音尖锐，反之则显得低沉，粗旷。声音的质量也与频率范围有关，如果声音的可变化频率越大，则声音的质量越高。(3)振幅l和其他波一样，声波也同样有振幅。在日常生活中，音量就是对声波振幅的描述。在声学中，振幅是用来定量研究空气受到压力的大小。u对于一个具体的声波而言，在一定的时间段内，如果我们能知道每个

3、时刻波的频率和相应的振幅，就可以将这个波重新描绘出来，再现这个声波。波形分析与变换l在自然界中，声波的频率和振幅时刻都在变化，形成不规则波，但是可以将之分解成多个规则波的线性组合。u例如，在波谱分析就是通过“傅里叶变换”把波形函数分解成多个简单形的线性组合的。如下所示。对波形函数进行傅里叶变换的公式n常用的音频设备(1)音卡l声音卡是处理音频信号的PC插卡，也称音效卡，一般有ISA总线和PCI总线两种。现在常见的是基于PCI总线的64位声卡，或者直接将声卡集成到计算机的主板上。u声音卡外部设备连接主要有以下几种端口：1话筒输入口(MIC)：连接话筒，用于话筒输入信

4、号。2扬声器输出口(Speaker)：连接扬声设备(音箱、耳机等)，用于声音输出。3MIDI和操纵杆端口：连接MIDI和标准PC操纵杆。4有的声卡还有线路输入(LineIn)端口，用于连接音频输入设备USB声音卡ExpressCard接口声卡声音卡的接口声音卡的系统构造图(2)话筒l也称麦克风（Microphone），学名为传声器。它是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称微音器。(3)扬声器l扬声器又称“喇叭”，是常用的音频输出设备。u扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通过电磁、压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动周围空气造成音响。按换能机理和结构分

5、动圈式（电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等。(4)其他音频设备l目前市面上的音频设备还有很多，如录音机、各种音乐播放器、电子乐器等等。n声音数据的数字化l要重现声波，只需要知道波的频率和振幅，就能重新描绘出波的原来形状，再现这个声波。u但是，声波是一个连续的波段，而计算机只能处理非连续的0，1两种状态，这种连续波在计算机中不能直接处理，需要将它作数字化处理。(1)采样频率l采样频率即1秒钟内采样的次数。u采样的频率越高，丢失的信息量就越少。音调越高的声音，说明声音频率高、周期短，采样的频率也要相应提高。采样

6、的频率越高，单位时间内获取的样本数目就越多，数字化后的音频信号的保真度越高。获得的听觉效果就越好，同时信息量也大大增加。在实际工作中，没有必要无限制地增大采样频率，这是因为：人的声音本身不可能无限制快地变化；人耳的分辨率有极限；高采样率意味着加大信息的存储量。音频波形数字化采样示意图声音的采样频率l根据抽样理论，对于随时间连续变化的模拟信号波形，如果采用该信号所含的最高频率的2倍进行采样，就可以保证在还原该信号时，波形基本不失真。u由于人耳听觉的上限频率大约为20KHz，因此当采样频率达到40KHz以上时，就可以达到较好的听觉效果。当前声音的采样频率主要有三种标准

7、：44.1KHz22.05KHz11.025KHz(2)量化等级l每次采样得到的声音样本都是表示声音波形的一个振幅值。量化等级即每个样本量化后共用多少个离散的数值来表示，在计算机中可以认为是用多少个二进制位来表示。u若每个样本用8位的二进制数表示，则共有2=256个量级。若每个样本用16位二进制表示，则共有65536个量级，CD盘就采用这样的标准。在量化的过程中，量化等级是用来对振幅的描述。如果量化等级越高，也就是量化时采用更多的二进制位来表示振幅，就能更真实地体现声波振幅的变化和原始状态。(3)信噪比(SNR)l在音频处理中，信噪比也称声噪比，可看成是最大不失真

8、声音信号强