Propriedades físicas do som Vibrações e som Disciplina: Sistemas e Aplicações Multimídia ÁUDIO Propriedades físicas do som Vibrações e som

Vibrações sonoras A audição é o resultado da percepção de flutuações periódicas da pressão no ar. O ouvido não percebe valores estáveis de pressão, mas sim as vibrações do ar dentro da faixa de percepção humana

Vibrações sonoras Os equipamentos modernos de captação, armazenamento, transmissão, processamento, síntese e reprodução do som são constituídos por meios eletrônicos. Essas vibrações são convertidas em sinais elétricos por transdutores

Sinais senoidais A senóide é gerada quando um ponto percorre uma circunferência com movimento angular uniforme. Uma onda sonora senoidal soa como uma nota musical, ela é o conceito básico para a compreensão dos sons de voz, música e ruídos

Parâmetros perceptuais do som Os parâmetros perceptuais do som representam as propriedades sonoras. Na onda senoidal temos três propriedades perceptuais básicas do som: intensidade, altura, timbre e fase.

Intensidade Representa a percepção da amplitude da vibração sonora, ou a potência do som, que medido em watts.

Altura O segundo parâmetro que define a senóide é a sua frequência, medida em ciclos por segundo, ou hertz (Hz). A frequência corresponde ao número de ciclos por segundo que o ponto gerador da senóide percorre.

Fase É o terceiro parâmetro da senóide, o ângulo inicial da senóide. É muito importante em várias técnicas de codificação de dados e de vídeo.

Timbre É a terceira propriedade perceptual importante do som que nos permite diferenciar notas de mesma altura e intensidade tocadas em instrumentos diferentes.

O domínio de frequência Estas amplitudes e fases podem ser obtidas a partir do sinal original por uma operação matemática que é conhecida como a transformação de Fourier.

Digitalização do Som

Dispositivos Analógicos Amplificadores e gravadores de fita cassete convencional Sinal de pressão mecânica (magnético ou elétrico) Mesma amplitude que sinal acústico digital

Dispositivos Eletrônicos Digitais Redes telefônicas digitais, equipamentos a disco laser (CDs), equipamentos de fita cassete digital (DATs) e computadores dotados de interfaces de som Representados por sequências de números Imune aos ruídos Não há perda de qualidade nas operações de reprodução do sinal e nem na suas cópias

Conversão Analógico-Digital (A/D) Converte sinal elétrico analógico* em sequências de números * sinal proveniente de microfone ou equipamento analógico de reprodução

Conversão Digital-Analógica (D/A) Inverso Reproduz sinal analógico de som para ser amplificado e enviado aos alto-falantes

Processo de Digitalização FILHO, W. DE P. P. Multimídia – Conceitos e Aplicações. Ed. Livros Técnicos e Científicos, Belo Horizonte/MG, 2000.

Processos de digitalização 1ª Etapa: Filtragem Faz uma limitação da faixa de frequências no sinal Utiliza-se um filtro analógico de entrada Pode ocorrer pseudonímia (aliasing) Presença de frequências superiores à Frequência de Nyquist corresponde à metade da taxa de amostragem Essas frequências superiores são convertidas (reconstrução) para uma frequência mais baixa Pseudônimo (alias)

Processos de digitalização 1ª Etapa: Filtragem Filtragem antipseudonímia Evitar dobramento (folding) / pseudonímia Dobramento: frequências superiores sempre caem sobre seus pseudônimos Procedimento: Insere antes do amostrador um filtro analógico -> corta frequências acima da Frequência de Nyquist Ex.: CD’s -> taxa de amostragem mínima para digitalização é de 44.100 Hz DAT -> 48 Hz Som telefônico -> 8 kHz Filtro para uma faixa de 3.500 Hz -> limitação realiza economia dos sistemas telefônicos (mais canais de voz)

Processos de digitalização 2ª Etapa: Amostragem Realiza a conversão do sinal analógico em sequências de pulsos elétricos de largura constante (trem de pulsos) Utiliza um amostrador Amostra de som -> é a amplitude de cada pulso Fotografia do sinal analógico Taxa de amostragem -> frequência com que são realizadas as fotografias

Processos de digitalização 3ª Etapa: Quantização Converte amostras de som para números binários (representam amplitude da amostra) Utiliza conversores A/D Possuem nº limitado de bits Pode ocorrer erro de quantização -> audível como ruído Ex.: utiliza 16 bits (2 bytes) por amostragem, relação sinal-ruído será de (ou 96 dB) -> é desprezível Ex. Prático: Telefonia -> precisão de 12 bits, mas não precisam de todo os bits significativos -> utiliza amostra de 8 bits (1 byte)

Processos de digitalização 3ª Etapa: Quantização 4ª Etapa: Gravação dos arquivos de áudio Grava-se as sequências de amostras de som

Reconstrução A saída de um sistema digital de som, são retiradas de um dispositivo digital de armazenamento e enviadas para os conversores digital- analógicos (DACs). Para que consigamos manter o fluxo de reprodução em tempo real é necessário discos de tecnologia rápida, e os arquivos de som devem ser localizados em trilhas adjacentes. Em alguns sistemas, pode ocorrer restrições à liberdade de atribuições de espaço físico nos discos, no qual é preciso contornar a gerência normal de arquivos de sistemas operacionais como o DOS e o Unix. Uma técnica usada é a criação de discos virtuais desfragmentados e dedicados à gravação e a reprodução de discos de áudio. Ao sair do conversor digital-analógico pode correr um erro audível como ruído, e deve ser filtrado em passa-baixa para eliminá-lo.

Aspectos Quantitativos 1 segundo de voz = 8.000 bytes, requer canal com capacidade de 64000 bps. 1 segundo de música estereofônica de qualidade CD = 176400 bytes, requer canal com capacidade de 15000000 bps.

Operações de processamento digital de som Podemos classifica-las de duas formas: Processamento no domínio do tempo: operações realizadas sobre as amostras separadas. Processamento no domínio da frequência: operações requerem a análise de sequência de amostras de som.

Processamento Digital de Som

Visão Geral Um microcomputador configurado para multimídia suporta pelo menos 3 tipos de som: Analógico; Som produzido pela reprodução de arquivos de áudio; Som sintetizado: produzido a partir de eventos musicais;

Visão geral Analógico: produzidos por dispositivos externos de som, embora tratado de forma digital internamente o CD de áudio por exemplo envia o sinal para a placa de som de forma analógica  

Visão geral Som produzido pela reprodução de arquivos de áudio: arquivos com amostras de som, o padrão de áudio das versões antigas do Windows era o formato WAV (WAVE - Waveform Audio File Format), atualmente o padrão seguido pelo Windows é o WMA (Windows media áudio)

Visão geral Som sintetizado: produzido a partir de eventos musicais, no ambiente Windows são os arquivos MID

Visão geral Uma estação de trabalho para processamento de som, deve possuir interfaces, dispositivos e programas para processamento de áudio digital, nestas estações são criados o material sonoro utilizados em títulos multimídia.

Interfaces Componentes básicos configurados para computadores multimídia: entrada e saída de áudio analógico sintetizador interno entrada de áudio de CD-ROM porto externo para dispositivos MIDI misturador analógico

Interfaces Os portos de entrada e saída de áudio analógico normalmente suportam taxas de amostragem de 44.100 Hz, 22.050 Hz e 11.025 Hz e quantização de 16 e 8 bits. Estas taxas permitem gerar arquivos com a qualidade de som desejada sem que seja preciso gerar arquivos que consumam muito espaço em disco

Interfaces Sintetizadores internos : Produzem som pela interpretação em tempo real de arquivos de eventos musicais.

Interfaces Entrada de áudio de CD-ROM: incorpora a interface de áudio uma entrada interna para o áudio gerado em dispositivos CD-ROM, Cds de áudio contem trilhas de áudio em tempo real, destinas a reprodução direta pelo acionador do disco

Interfaces Misturador analógico: permite a combinação de sons provenientes dos portos e ainda de microfones e dispositivos externos, os ganhos dos canais e ganhos total (volume) são controláveis pelo usuário por meio de um mini aplicativo de mixagem

Interfaces Interfaces avançadas de áudio podem conter outros componentes: Entrada e saída de áudio digital Processador digital de sinais (DSP) Porto para sincronização, sendo o SMPTE o mais comum Os portos de entrada e saída de áudio digital permitem a conexão com equipamentos digitais profissionais Cassetes digitais (DATS) Microfones digitais

Interfaces Os processadores digitais de sinais (DSP) aumentam consideravelmente os recursos das interfaces de som, podendo gerar um grande ganho de performance A Interface SMPTE é usada para sincronização entre os dispositivos de um estúdio, incluindo equipamentos analógicos e digitais de áudio e vídeo em conjunto com um programa de estúdio digital

Editores de áudio São programas que permitem realizar operações de processamento no domínio do tempo sobre os arquivos de áudio: recorte, copia, colagem, visualização gráfica (ondas), conversão de formatos e efeitos como eco, reverb, distorção entre outros

Editores de áudio Um exemplo de editor de áudio é o popular e gratuito audacity, disponível para Windows, Mac, e Linux

Compressão de áudio Embora os arquivos de áudio consumam menos espaço em disco do que os arquivos de vídeo, temos situações em que ha a necessidade de compressão do sinal de áudio digital

Compressão de áudio O sinal que trafega pela linha telefônica deve respeitar as limitações destas linhas, ou seja, o áudio transmitido pela linha telefônica pode ser de baixa qualidade A transmissão de áudio pela internet geralmente requer uso de formatos comprimidos, principalmente quando se transmite material de alta qualidade

Compressão de áudio Compressão ADPCM: Usa modulação diferencial adaptativa por código de pulso Analisa o sinal durante a codificação para adaptar o método de previsão a natureza do material

Compressão de áudio Compressão MP3: É uma variante de áudio embutida na tecnologia MPEG de codificação de vídeo Possibilita a distribuição de material de musica de alta qualidade sonora sem muita perda de qualidade

Referencias FILHO, W. DE P. P. Multimídia – Conceitos e Aplicações. Ed. Livros Técnicos e Científicos, Belo Horizonte/MG, 2000, cap. 9, p. 228 - 230.

Discentes: André Grigoletto -- RA: 1575141272 Eusener Castilho -- RA: 1569223193 Mateus Balieiro Gongora -- RA: 1579984779 Paulo Henrique S. Fader -- RA: 2484666562