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《计算机科学概论》—第3章3.4节音频数据表示法

简介:

本节书摘来自华章出版社《计算机科学概论》一书中的第3章,第3.4节音频数据表示法,作者[美]内尔·黛尔(Nell Dale)约翰·路易斯(John Lewis),更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.4 音频数据表示法
当一系列空气压缩震动我们的耳膜时,会给我们的大脑发送一些信号,我们就感觉到了声音。因此,声音实际上是由与我们的耳膜交互的声波定义的。请参阅图3-7。要表示声音,必须正确地表示声波。


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一个立体声系统通过把电信号发送到一个扬声器来制造声音。这种信号是声波的模拟表示法。信号中的电压按声波的正比例变化。扬声器接收到信号后,将引起膜震动,依次引起空气震动(创建了声波),从而引起耳膜震动。创建的声波有可能与扬声器初始接收到的完全一样,或者至少能让听众满意。
要在计算机上表示音频数据,必须数字化声波,把它分割成离散的、便于管理的片段。方法之一是真正数字化声音的模拟表示法。也就是说,采集表示声波的电信号,并用一系列离散的数值表示它。
模拟信号是随电压连续变化的。要数字化这种信号,需要周期性地测量信号的电压,并记录合适的数值,这一过程称为采样,最后得到的不是连续的信号,而是表示不同电平的一系列数字。
用存储的电压值创建一个新的连续电信号,可以使声音再生。这里有一个假设,即原始信号中的电平是均匀地从一个存储的电压值变化到下一个电压值的。如果在短时期内采到了足够多的样本,那么这种假设是合理的。但毫无疑问,采样过程会丢失信息,如图3-8所示。
一般说来,采样率在每秒40?000次左右就足够创建合理的声音复制品。如果采样率低于这个值,人耳听到的声音就会失真。较高的采样率生成的声音质量较好,但到达某种程度后,额外的数据都是无关的,因为人耳分辨不出其中的差别。声音的整体效果是受很多因素影响的,包括设备的质量、声音的类型和人的听力等。
塑胶唱片是声波的模拟表示法。电唱机(唱机转盘)的唱针在唱片的螺旋形凹槽中上下伸缩,唱针的上下伸缩模拟了表示声音的信号的电压变化。
另一方面,激光唱盘(CD)则存储了数字化的音频信息。CD的表面是用显微镜可见的凹点,表示二进制数字。低强度的激光将指向唱盘。如果唱盘表面是光滑的,激光的反射强烈,如果唱盘表面有凹痕,激光的反射就比较少。接收器将分析反射的强度,生成适当的二进制数字串,这是信号被数字化后存储的数字电压值。该信号将被重现,并发送给扬声器。图3-9展示了这一过程。

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3.4.1 音频格式
在过去几年中,出现了多种流行的音频数据格式,包括WAV、AU、AIFF、VQF和MP3等。尽管所有格式都是基于从模拟信号采样得到的电压值的,但是它们格式化信息细节的方式不同,采用的压缩技术也不同。
当前,处于统治地位的压缩音频数据的格式是MP3。MP3的盛行主要源于它的压缩率比同时期的其他格式的压缩率高。即使将来能证明其他格式更有效,但现在MP3是大众的最爱。在1999年中期,“MP3”这个词的检索频率远远高于其他词,而且现在还在盛行。让我们看看MP3格式的细节。
3.4.2 MP3音频格式
MP3是MPEG-2 audio layer 3的缩写,MPEG是Moving Picture Experts Group(运动图像专家组)的缩写,这是为数字音频和视频开发压缩标准的国际委员会。
MP3格式使用有损压缩和无损压缩两种压缩方法。首先,它将分析频率展开,与人类心理声学(研究耳朵和大脑之间的相互关系)的数学模型进行比较,然后舍弃那些人类听不到的信息,再用赫夫曼编码进一步压缩得到的位流。
网络上有很多可用的软件工具能帮助你创建MP3文件。这些工具通常要求在把数据转换成MP3格式之前,录制品是以某种通用格式(如WAV)存储的,这样可以使文件大大减小。
解释和播放MP3文件的播放器有很多。MP3播放器既可以是纯粹的计算机软件,也可以像流行的苹果产品iPod一样是专用的硬件设备,能够存储和播放MP3文件。大多数MP3播放器允许用户用各种方式组织他们的文件,并能在回放时显示特定文件的各种信息以及它们对应的图形。
**2000年的故障
美国政府恢复了对一个至关重要的间谍卫星系统的使用,它正是因为在2000年计算机故障中损坏而出名的。在连夜维修之后,用来处理卫星返回信号的地面链接才恢复了完整运营状态。这一事故标志了一个罕见的间谍卫星系统失败事件被揭露,而这一卫星系统是每年耗资2.9亿美元的美国情报系统的核心。**

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