TECHNIKI MULTIMEDIALNE

Studia Podyplomowe INFORMATYKA TECHNIKI MULTIMEDIALNE dr Artur Bartoszewski

I. Multimedia (wstęp) 1. Rozwój komunikacji i mediów 2. Pojęcie multimediów

Rozwój komunikacji Wyszczególnienie Pierwszy mózg (prosty układ) Mowa Lata 500 milionów lat od 35 000 do 50 000 lat Pismo Alfabet Druk 6 000 lat 4 000 lat Telefon 1876 Film 1894 Telewizja 1926 Tranzystor 1948 ok. poł. XI w. w Chinach, ok. poł. XVw. w Europie

Rozwój źródeł informacji Rozwój tradycyjnych źródeł informacji ma długą i bogatą historię. Można go przedstawić w postaci dwóch wykresów. Pierwszy z nich obrazuje wspomniany rozwój na przestrzeni dziejów, a drugi - w XX wieku.

Rozwój źródeł informacji

Multimedia Udział zmysłów w pozyskiwaniu informacji o otoczeniu wzrok słuch węch dotyk smak 87% 7% 3.5% 1,5% 1% Multimedia zbiór wzajemnie uzupełniających się mediów będących nośnikami informacji, która za pomocą zmysłów dociera do odbiorcy. Obecnie człowiek posługuje się trzema formami przekazu informacji: pismem, obrazem, dźwiękiem.

Pojemność informacyjna 1. Strony tekstu średnio 300 wyrazów na stronę, 1 bajt na literę tekst poddaje się kompresji bezstratnej pojemność informacyjna zależna od treści 2. Fotografii kolorowej fotografia analogowa teoretycznie nieskończona pojemność informacyjna straty w trakcie kwantyzacji poddaje sie kompresji stratnej kompresja bazuje na usuwaniu informacji nadmiarowych 3. Utworu muzycznego jak wyżej

Multimedia Pojecie multimedia jest używane w różnych znaczeniach. Po raz pierwszy pojawiło się na początku lat 70. ub. wieku (jako określenie zestawu pomocy dydaktycznych obejmujących rozmaite materiały (teksty, filmy, nagrania magnetofonowe itp.). W latach 80. odnoszono je do systemów komputerowych służących do przygotowania nagrań na płytach CD. Na początku lat 90. termin multimedia zaczęto wiązać z komputerami PC wyposażonymi w funkcje przetwarzania obrazu i dźwięku. Obecnie przez system multimedialny rozumie się dowolny system teleinformatyczny zdolny do przetwarzania, archiwizacji i dystrybucji danych w postaci dźwięku, ruchomych obrazów, fotografii, grafiki komputerowej i tekstów. Ważnym atrybutem techniki multimedialnej we współczesnym jej rozumieniu jest możliwość interakcji użytkownika z systemem.

Multimedia - hipermedia Obok pojęcia multimediów spotkać można pojęcie hipermedia. Powstało ono w latach 90. za sprawą połączenia multimediów i hipertekstu, czyli dwóch technologii przetwarzania informacji. Pojęcia te są często używane zamiennie. Wynika ono z roli jaką multimedia oraz hipermedia zajmują w teorii komunikowania się. Zarówno hipermedia, jak i multimedia uważać można za zbiór powiązanych ze sobą komunikatów (dźwięku, obrazu statycznego, obrazu wideo i animacji oraz tekstu). Różnica dotyczy sposobu funkcjonowania tekstu w systemie hipermedialnym.

II. Dźwięk 1. Trochę fizyki 2. Dźwięk w postaci cyfrowej 3. Głośność dźwięku a jego jakość

Na początek trochę fizyki Dźwięk jest falą rozchodzącą się w gazach i cieczach. Fala ta przenoszona jest poprzez cykliczne zmiany ciśnienia ośrodka. Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić cztery rodzaje tych fal: infradźwięki - poniżej 20 Hz, dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 khz - słyszy je większość ludzi, ultradźwięki - powyżej 20 khz, hiperdźwięki - powyżej 10^10 Hz.

Na początek trochę fizyki Dźwięk wywoływany jest przez drgania ciał stał stałych Fala dźwiękowa powoduje harmoniczne drgania ciał stałych. Zależności tę wykorzystuje się do generowania oraz zapisu dźwięku. Drgania przełożyć można bezpośrednio na zmienny w czasie prąd elektryczny. Wykres zmian prądu w czasie będzie odpowiadał wykresowi zmian ciśnienia ośrodka w punkcie, w którym znajduje się odbiornik. Zapis dźwięku w takiej formie możliwy jest na nośnikach mechanicznych (płyty winylowe) oraz magnetycznych (taśmy magnetofonowe). Źródło: http://www.iwiedza.net/encyklo

Na początek trochę fizyki Dźwięk jako zjawisko fizyczne opisują trzy główne cechy: częstotliwość (podawana w Herzach (Hz) określa liczbę drgań na sekundę, np. 440 Hz oznacza 440 drgań na sekundę) odbieramy ją jako wysokość dźwięku; natężenie dźwięku (podawane w watach na metr kwadratowy (W/m 2 ) w praktyce stosowana jest jednak inna miara: poziom natężenia dźwięku, którego jednostką jest decybel db); widmo dźwięku (zawartość składowych harmonicznych dźwięku, czyli to, co stanowi o charakterystycznym brzmieniu, barwie np. instrumentu). Barwa dźwięku subiektywna cecha dźwięku, która pozwala odróżnić brzmienia różnych instrumentów lub głosu. Uzależniona jest od ilości, rodzaju i natężenia tonów składowych (głównie od jego widma częstotliwości). Barwa zmienia się m.in. wraz z wysokością dźwięku.

Klasyfikacja dźwięków Obiektywna klasyfikacja dźwięków jako fal: ton wieloton (dźwięk o widmie prążkowym) harmoniczny nieharmoniczny szum (mający widmo ciągłe) szum biały szum barwny Subiektywna klasyfikacja dźwięków jako wrażeń słuchowych: mające określoną wysokość (tony, wielotony harmoniczne) nie mające określonej wysokości (szumy, wielotony nieharmoniczne).

Konwersja analogowo-cyfrowa Sygnał analogowy (przesyłany np. przez mikrofon podłączony do karty dźwiękowej), który dociera do karty dźwiękowej, jest przekształcany na postać cyfrową. Określa się to mianem digitalizacji Proces ten przebiega w trzech etapach: próbkowanie, kwantowanie, kodowanie. W efekcie tego procesu otrzymujemy postać cyfrową sygnału analogowego (zapis w postaci zer i jedynek).

Rozdzielczość próbkowania 1 - Próbkowanie dźwięku Częstotliwość próbkowania

1 - Próbkowanie dźwięku Definicja: Częstotliwością próbkowania nazywamy ilość odczytów wartości sygnału wykonanych w ciągu sekundy. Wyprażmy ją w hercach (Hz). Definicja: Rozdzielczością próbkowania (ilością poziomów kwantyzacji) nazywamy ilość stanów które przyjąć może próbkowany sygnał. Wyrażamy ją w bitach (ilość bitów potrzebnych do zapisania jednej próbki).

1 - Próbkowanie dźwięku Jaka jest optymalna częstotliwość próbkowania?

1 - Próbkowanie dźwięku Zjawisko to opisuje kryterium Nyquista (z l pół. XX w.). Wg. niego do poprawnego odwzorowania sygnału wystarczy poddać go próbkowaniu z dwa razy większą częstotliwością. Oznacza to, że jeśli najwyższą częstotliwością, jaką możemy usłyszeć, jest 20 khz (teoretyczny zakres ludzkiego słuchu to 16 Hz - 20 khz), to wystarczy, że sygnał zostanie spróbkowany z czę stotliwością 40 khz. W praktyce jednak stosowany jest standard 44.1 khz (w przy padku płyt audio).

1 - Próbkowanie dźwięku Obecne karty dźwiękowe i interfejsy pozwalają na próbkowanie 96 khz, a nawet w przypadku bardziej zaawansowanych urządzeń 192 khz. Należy jednak pamiętać o bardzo ważnej rzeczy: im większa częstotliwość, rym większa ilość danych, co w praktyce oznacza, że plik wyjściowy będzie większy.

2 - Kwantowanie sygnału Kwantowanie polega na: podzieleniu ciągłego zbioru wartości sygnału na skończoną liczbę sąsiadujących ze sobą przedziałów i ustaleniu poziomów kwantowania (tj. określonych wartości z każdego przedziału, reprezentujących wszystkie wartości w tym przedziale), następnie przypisaniu każdej próbce odpowiedniego (najbliższego) poziomu kwantowania;

Kwantowanie sygnału Różnica między rzeczywistymi wartościami próbek sygnału a przypisanymi im poziomami kwantowania określa błąd kwantowania (jest on tym mniejszy, im większa jest liczba przedziałów kwantowania). Operacja kwantowania prowadzi więc zawsze do straty pewnej liczby informacji zawartej w sygnale analogowym, przy czym strata ta jest tym mniejsza, im bliżej siebie leżą poziomy kwantowania. Jeżeli w kolejnej operacji (tj. kodowaniu) stosuje się kodowanie binarne (w technice stosowane prawie wyłącznie), to liczbę przedziałów kwantowania wybiera się z reguły jako równą 2", gdzie n jest liczbą naturalną.

Kwantowanie sygnału Upraszczając: spróbkowany materiał posiada jednak ciągle nieskończenie wiele informacji, jeśli chodzi o wartość. Jej przyporządkowanie to zadanie kwantowania (czasem zwanego także kwantyzacją). W tym procesie mamy ściśle określony zakres wartości, jakie mogą przyjmować próbki. Są to tzw. poziomy kwantyzacji Próbka dźwiękowa zostaje przyporządkowana do jednego z takich poziomów. Dzięki temu sygnał otrzymuje ściśle określoną wartość. Na rysunku przestawiłem tylko kilka poziomów kwantowania (w postaci linii). W praktyce jest ich kilkadziesiąt tysięcy.

3 - Kodowanie sygnału Ostatni etap procesu przetwarzania sygnału analogowego na postać cyfrową polega na przyporządkowaniu poszczególnym wartościom (poziomom kwantowania) odpowiednich wartości cyfrowych (tzw. słów kodowych). W przypadku płyty CD mamy do czynienia z 16-bitowym słowem (65 tyś progów kwantyzacji). Spotykane obecnie urządzenia mają możliwość zapisywania sygnału także z 24- i 32-bitową rozdzielczością.

Cyfrowy zapis dźwięku 100 110 110 101 100 010 000 000 010 100 110 110 110 100

Konwersja cyfrowo-analogowa Niejako odwróceniem procesu powstawania dźwięku cyfrowego jest konwersja cyfrowo-analogowa. Proces taki zachodzi, gdy np. słuchamy muzyki bądź gdy nagrywając ją, słyszymy efekt w głośnikach (wówczas zachodzą oba procesy jednocześnie, konwersja analogowocyfrowa i cyfrowo-analogowa). W takiej sytuacji dźwięk zapisany w postaci O i l przekształcany jest na sygnał analogowy (określone napięcie, które przesyłane jest do głośników). Należy pamiętać, że konwersja cyfrowo-analogowa nie oznacza, że mamy w niej do czynienia z dokładnym odwróceniem poszczególnych etapów tworzenia dźwięku cyfrowego. Dźwięk cyfrowy, który ma zostać przetworzony na sygnał analogowy, nie jest idealnym odtworzeniem swojego pierwowzoru (głównie wynika to z etapu kwantowania). Dopiero dzięki dodatkowym procesom sygnał, który słyszymy, jest bardzo zbliżony do oryginału.

Formaty zapisu dźwięku - PCM PCM Waveform (Pulse Code Modulation - modulacja kodowoimpulsowa) - jest metodą przechowywania nieskompresowanego dźwięku w postaci cyfrowej. Zalety formatu PCM: - nie powoduje dużego obciążenia sprzętu podczas odtwarzania; - umożliwia pracę z dużą liczbą strumieni danych; -jest formatem bezstratnym (jakościowo najbliższym oryginalnemu dźwiękowi); Wadą PCM jest duża objętość plików - 74 minuty nagrania stereo to 670 MB WAVE (.wav) format specyficzny dla systemów Microsoftu wykorzystuje kodowanie PCM.

Decybel (db) Natężenie dźwięku wyrażane jest w watach na metr kwadratowy (W/m 2 ). W praktyce jednak operujemy jednostką zwaną decybelem (db). Jednostka ta określa relacje między dwoma sygnałami lub mówiąc inaczej, odnosi wartość jednego do wartości drugiego zwanego referencyjnym (najsłabszy wykrywalny sygnał). gdzie: L poziom natężenia dźwięku I natężenie dźwięku I 0 wartość odniesienia, wynosząca 10-12 W/m 2

Decybel (db) Skala w decybelach jest nieco inna, niż ta znana np. z lekcji fizyki (według której np. głośność spadającego liścia to 6 db, a startującego odrzutowca to 120 db). W edytorach audio używana jest skala dbfs. do 0 dbfs od minus nieskończoności dbfs Dolna granica jest ruchoma i zależy od formatu dźwięku: dla sygnału 16- bitowego (płyta CD) najniższym poziomem sygnału jest -96 dbfs, a dla dźwięku DVD wynosi -144 dbfs. Człowiek przestaje słyszeć dźwięki mniej więcej od poziomu -60 dbfs w dół.

Decybel (db) Decybel określa poziom natężenia dźwięku w skali logarytmicznej. Jak to wygląda w praktyce? Wystarczy, jeśli zapamiętamy, że gdy jeden dźwięk ma większe natężenie od drugiego o 3 db, oznacza to, że ma dwukrotnie większy poziom natężenia. Przykład: jeśli mamy dwa dźwięki, każdy z nich o poziomie natężenia 30 db, to ich wspólny poziom wyniesie 33 db, a nie 60 db. Czterokrotne zwiększenie to 6 db (czyli 36 db), a ośmiokrotne 9 db (39 db) l db to 26% przyrostu poziomu natężenia, 2 db 59%, 3 db 100%.

Decybel (db) Źródło: http://www.realitynet.pl

Bardzo krótko o poziomie nagrywanego dźwięku Skalę wyrażoną w decybelach znajdziemy zarówno w programach muzycznych, jak i domowym sprzęcie audio. Maksymalny dopuszczalny poziom natężenia dźwięku oznaczony jest jako O db (oznacza to maksymalną głośność. Ponieważ najwyższą wartością jest O db, wówczas niższy poziom oznaczany jest jako wartości ujemne. Często spotykamy się z oznaczeniem -6 db. Oznacza to, że w tym miejscu sygnał osiąga połowę maksymalnego natężenia. Brak sygnału (cisza) wyrażany jest jako -oo db (minus nieskończoność). W miernikach sygnału występują także wartości dodatnie (np. +1 db), ale lepiej, aby miernik sygnału nie wchodził na wartości dodatnie. Zjawisko takie nazywa się przesterowaniem. Praktycznie przesterowanie objawia się zniekształceniem dźwięku, "krztuszeniem się" głośników i może doprowadzić do ich uszkodzenia.

Bardzo krótko o poziomie nagrywanego dźwięku Na rysunkach przedstawiono trzy poziomy wysterowania tego samego sygnału. W pierwszym przypadku poziom nagrywania ustawiono zbyt cicho, w drugim optymalnie, a w trzecim przekracza on dopuszczalną granicę (O db). PORADA: Gdy sygnał nagramy z mniejszym natężeniem, będziemy mogli to skorygować podczas edycji pliku. Gdy jednak nagramy sygnał zniekształcony (przekraczający O db), edytor audio nie będzie w stanie usunąć tych błędów. Najlepiej więc tak ustawić sygnał wejściowy, aby był jak najbliżej 0 db.

Bardzo krótko o poziomie nagrywanego dźwięku Dźwięk zbyt cichy Prawidłowa głośność Dźwięk przesterowany UWAGA poziomu nagrania sygnału nie można bez straty jakości skompensować poziomem głośności jego odtwarzania

Bardzo krótko o poziomie nagrywanego dźwięku Nagrywając dźwięk, musimy odpowiednio ustawić poziom sygnału wejściowego. Używamy do tego miksera, w który wyposażony jest praktycznie każdy program muzyczny (edytor audio, sekwencer czy mikser karty dźwiękowej interfejsu audio). Nagrywając dźwięk, należy zwrócić uwagę, aby miernik (graficzne paski wysterowania) nie przekraczał poziomu O db, ponieważ wtedy poziom natężenia przekracza dopuszczalną granicę. Nagrany sygnał ulega zniekształceniom (pojawiają się m.in. trzaski).

Bardzo krótko o poziomie nagrywanego dźwięku Sygnalizacja przesterowania podczas nagrywania dźwięku

Poziom natężenia dźwięku Gdy nagrywamy dźwięk przy użyciu komputera, sam fakt, że podłączymy instrument (mikrofon czy każde inne urządzenie będące źródłem sygnału) i klikniemy przycisk nagrywania (ang. Record), nie oznacza, że otrzymamy poprawny zapis. Jeśli dźwięk będzie miał za wysoki poziom, wówczas nagranie będzie zniekształcone.

III. A teraz trochę praktyki...

Audacity Audacity zaawansowany i wielościeżkowy edytor plików dźwiękowych rozpowszechniany na licencji GNU GPL, jest programem autorstwa Dominica Mazzoniego i Rogera Dannenberga. Jego początki sięgają 1999 roku. Od tego czasu narzędzie to jest stale rozwijane. W projekt zaangażowane jest także większe grono osób. Audacity otwiera pliki WAV, AIFF, AU, MIDI, MP3 i OGG, zapisuje zbiory WAV, MP3 i OGG. Program posiada rozbudowane menu efektów - dostępny jest między innymi kompresor, echo, podbicie basów, equalizer, filtry, odszumiacz, wyciszanie i inne. Audacity obsługuje też wtyczki LADSPA, nyquist i VST (przez vstserver), co pozwala na łatwe rozszerzenie jego funkcjonalności. Najnowszą wersję, jak i dodatki znajdziemy na stronie internetowej: http://audacity. sourceforge. net/.

Audacity Edytor Audacity nagrywa sygnał z maksymalną częstotliwością 96 khz oraz rozdziel czością 32 bity. Umożliwia stworzenie maksymalnie 16 ścieżek audio w jednym pro jekcie. Źródłem dźwięku może być wejście mikrofonowe, liniowe. Audacity umożliwia zapisanie pliku w wielu formatach (z mp3 włącznie). Dodatkowy program VST Enabler wprowadza obsługę pluginów VST w edytorze. Program Audacity jest bardzo prosty w obsłudze. Niektórzy zaliczają go do narzędzi amatorskich, ale sam fakt, ze fachowe czasopisma (np. Computer Musie) uwzględniają go wśród testów i rankingów, świadczy, że nie jest to program tylko dla amatorów. Tym bardziej jeśli umieszcza się go w piątce najlepszych.

Audacity Narzędzia edycji Sterowanie nagrywaniem i odtwarzaniem Miernik sygnału nagrywanego Miernik sygnału odtwarzanego Źródło nagrywania Głośność nagrywania Głośność odtwarzania Menu ścieżki

Audacity Edytor Audacity nagrywa sygnał z maksymalną częstotliwością 96 khz oraz rozdziel czością 32 bity. Umożliwia stworzenie maksymalnie 16 ścieżek audio w jednym pro jekcie. Źródłem dźwięku może być wejście mikrofonowe, liniowe. Audacity umożliwia zapisanie pliku w wielu formatach (z mp3 włącznie). Dodatkowy program VST Enabler wprowadza obsługę pluginów VST w edytorze. Program Audacity jest bardzo prosty w obsłudze. Niektórzy zaliczają go do narzędzi amatorskich, ale sam fakt, ze fachowe czasopisma (np. Computer Musie) uwzględniają go wśród testów i rankingów, świadczy, że nie jest to program tylko dla amatorów. Tym bardziej jeśli umieszcza się go w piątce najlepszych.

Audacity Audacity posiada bardzo wiele użytecznych narzędzi, m.in. Normalizacja (ang. Normalize), Odszumiacz (Denoiser), Wyciszanie (Fade Out), Narastanie poziomu (Fade In) i wiele innych. Warto zwrócić uwagę na filtry górno- i dolnoprzepustowy, kompresor i korektor graficzny. Możemy poeksperymentować z dźwiękiem, używając funkcji Zmień prędkość, Zmień wysokość, Zmień tempo. Ponadto program umożliwia importowanie ścieżek z płyt CD. Projekt możemy zapi sać w formacie programu Audacity bądź wyeksportować do pliku audio (wave, mp3, ogg vorbis). W menu Plik znajdziemy odpowiednie polecenia. W przypadku formatu mp3 wymagany jest Lamę MP3 encoder. Można go pobrać ze strony głównej programu. Przy pierwszej próbie zapisania pliku do formatu mp3 zostaniemy zapytani o lokalizację pliku lame_enc.dll.

Dziękuję za uwagę i zapraszam na ćwiczenia