Zvukov

1
Zvuková karta
2
Co je to zvuková karta?

• Zvuková karta (sound card) je zariadenie, ktoré
  slúži na pocítacové spracovanie zvuku.
• V závislosti na svojej kvalite zaistuje kvalitný
  zvukový výstup z pocítaca vhodný i pre
  profesionálne úcely.

3
Co môžme pripojit k zvukovej karte?

• slúchadlá
• reproduktory
• zosilnovac
• mikrofón
• externé zdroje (rádio, magnetofón, gramofón)
• ak je karta vybavená rozhraním MIDI (Musical
  Instrument Digital Interface), je možné k nej
  pripojit i elektronické hudobné nástroje vybavené
  rovnakým rozhraním (napr. elektronické varhany,
  syntetizátory apod.)

4
Schéma pripojenia zvukovej karty
5
Reproduktory pripojitelné ku zvukovým kartám
Reproduktory 20
Reproduktory 21
Reproduktory 51
Reproduktory 71
6
Záznam zvuku pomocou zvukovej karty

• Pri zázname zvuku pomocou zvukovej karty je nutné
  rozlíšit dva základné prípady
• analogový signál - záznam je vykonávaný zo zdroja
  jako je mikrofón, rádio, magnetofón, audio CD.
  Takýto signál sa skladá z vln (kmitov), ktoré sú
  vytvárané vo vzduchu hlasivkami, hudobnými
  nástrojmi alebo prírodnými silami.
• digitálny signál - záznam sa vykonáva zo zdroja
  napr. elektronické varhany pripojené cez MIDI
  rozhranie. V tomto prípade sa priamo
  zaznamenávajújednotlivé bajty odosielané týmto
  rozhraním.

7
Analógový signál
Pôvodný signál

• V prípade príjmu analógového signálu je potrebné
  tento signál previest na signál digitálny.
• Prevod sa uskutocnuje pomocou vzorkovania
  (sampling). To znamená, že v každom casovom
  intervale je zistený a zaznamenaný aktuálny stav
  signálu (vzorka).
• Je zrejmé, že cím kratší je tento interval, tým
  vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým viac
  vzoriek bude zaznamenaných a tým bude výsledný
  záznam kvalitnejší.
• Kvalitu je možné tiež ovplyvnit poctom
  rozlíšitelných úrovní (kvantových hladín) v
  každej vzorke.

Vzorkovanie 20 Hz
Po rekonštrukcii
8
Kvalita zvuku

• Pri zázname zvuku sa využíva Shannonov teorém
  vzorkovania, ktorý hovorí
• Signál spojitý v case je úplne urcený
  postupnostou vzorkov, odoberaných v rovnakých
  intervaloch, ak je ich frekvencia väcšia než je
  dvojnásobok najvyššej frekvencie, nachádzajúcej
  sa v signále.

Kvalita digitálneho záznamu Vzorkovacia frekvencia Rozlíšenie, kanály
Telefónna kvalita 11 025Hz 8 bit - mono
Rozhlasová kvalita 22 050Hz 8 bit - mono
CD-audio kvalita 44 100Hz 16 bit - stereo
DVD-audio kvalita 192 000Hz 24 bit - 5.1 surround sound
9

Kvalita zvuku

• Ak si uvedomíme, že ludské ucho vníma zvuky od
  frekvencií 16 Hz - 20 Hz až do frekvencií 16 kHz
  - 20 kHz, je zrejmé, že frekvencia 44 kHz použitá
  pro CD kvalitu je dostacujúca.

Kvalita digitálneho záznamu Vzorkovacia frekvencia Rozlíšenie, kanály
Telefónna kvalita 11 025Hz 8 bit - mono
Rozhlasová kvalita 22 050Hz 8 bit - mono
CD-audio kvalita 44 100Hz 16 bit - stereo
DVD-audio kvalita 192 000Hz 24 bit - 5.1 surround sound

• Prevod analógovej hodnoty na digitálnu a
  naopak zabezpecujú A/D, resp. D/A prevodníky
  12-bit, 16-bit, 20-bitové

10
Zvukové cykly

• Pri tvorbe zvuku pomocou zvukovej karty sa
  vychádza zo skutocnosti, že pri každom hudobnom
  nástroji má jeho zvuk podobu cyklu, tzv. obálky.
• Obálka hudobného nástroja ( zafarbenie jeho
  tónu) je charakterizovaná niekolkými castami

• Nástup (Attack)
• Pokles (Decay)
• Trvanie (Sustain)
• Doznievanie (Release)

11
Casti cyklu hudobných zvukov
Konkrétne hodnoty jednotlivých fáz cyklu sú
charakteristické pre každý hudobný nástroj
Zvuková karta tieto hodnoty co možno
najpresnejšie dodržiava. V opacnom prípade by
zafarbenie tónov konkrétneho nástroja strácalo
na vernosti.
12
Zvukové cykly
Zvukový signál a jeho obálka, vyznacená cervenou
farbou
13
Kvalita zvuku

• Z toho vyplýva, že ak dôjde ku zníženiu
  vzorkovacej frekvencie, budú vo výslednom zázname
  chýbat vyššie frekvencie, co sa pri prehrávaní
  záznamu prejaví ako strata výšok.
• Ak je teda vzorkovacia frekvencia dostatocná,
  tak pri vysokej kvalite záznamu vznikajú velmi
  velké súbory.
• Preto existujú algoritmy, ktoré dovolujú urobit
  stratovú kompresiu, ktorá kvalitu výsledného
  záznamu podstatne neovplyvní.

14
Kompresia zvuku

• Kompresia zvuku využíva nedokonalost ludského
  sluchu, co dovoluje vypustit niektoré zložky
  frekvencií zvukového signálu bez pocutelného
  zníženia kvality
• Táto kompresia sa môže vykonávat bud po vytvorení
  záznamu alebo v reálnom case priamo pri zázname.
  ( MP3 )
• Záznam v reálnom case umožnujú kvalitnejšie
  karty, vybavené špeciálnymi procesormi, tzv.
  signálovými procesormi (DSP Digital Signal
  Processor)

15
Kompresia zvuku

• WAV (waveform audio formát - nekomprimovaný)
• WAV bol vytvorený v spolupráci firiem Microsoft a
  IBM. Súbor WAV (waveform audio formát) je
  najjednoduchší z formátov pre ukladanie audia.
• WAV ukladá vzorkovaný zvuk v nezmenenej podobe,
  t.j. uchovává kompletnú zvukovú informáciu.
•   Vlastnosti
• Dá sa prehrat na ktoromkolvek pocítaci so
  zvukovou kartou (PC XT a lepšie).
• Ponúka iba nekomprimovaný zvuk.
• Vytvára príliš velké súbory.
• Tento formát je pre Web nevhodný.

16
Kompresia zvuku

• MP3 (Mpeg1 Layer3)Formát MP3 je špecializovaný
  na spracovanie zvukových souborov. Je založený na
  kompresnom algoritme odvodenom z algoritmu MPEG
  pre kompresiu videa. MP3 vzniklo skrátením
  MPEG1-Layer 3, co je oznacenie kompresného
  algoritmu.
• MP3 skladba môže obsahovat tzv. ID3 TAG (
  etiketa, visacka), co je blok dát pripojený na
  koniec súboru. Do nehosa ukladá plný názov
  skladby, meno interpréta alebo názov albumu, z
  ktorého skladba pochádza. Prehrávace vedia s
  týmito TAG-mi pracovat, co ulahcuje orientáciu v
  rozsiahlych zvukových knižniciach.
• Základná velicina, ktorá ovplyvnuje kvalitu mp3
  súboru je tzv. bitrate - rýchlost dátového toku
  (kbps). Cím je bitrate vyšší, tým je lepšia
  kvalita. U AUDIO-CD je bitrate 1,4Mb/s, súbor mp3
  s kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate
  128kbps.

17
Dalšie zvukové formáty

• .AU je starcekom Internetu. Navrhla ho firma Sun
  Microsystems pre svoje pracovné stanice. Vzhladom
  k jej významu pri vytváraní a rozvoji Internetu
  se formát .au velmi rozšíril.
• .OGG Vorbis - dokáže pri 96 kbps dosiahnút
  kvalitu 128 kbps MP3. Výhodou je, že je volný a
  postupne ho zacínajú podporovat všetky programy.
  Je to "systémový" codec, ciže sa dá rovnako ako
  MP3 Fraunhofer Codec použit v akomkolvek programe
  ci filme
• .WMA - Windows Media Audio formát - ponúka
  dvojnásobné množstvo hudby než MP3 bez zníženia
  kvality. Podpora pre streamovanie hudby vdaka
  technológii Fast Streaming.

18
Digitálny signál rozhranie MIDI
Takýto signál možno získat napr. z elektronických
varhan, pripojených pomocou MIDI rozhrania. V
takomto prípade sa už nevykonáva vzorkovanie, ale
sa zaznamenávajú priamo bajty dát, zasielané cez
dané rozhranie. MIDI (Musical Instrument Digital
Interface) je komunikacný protokol definovaný
konzorciom Audio Engineering Society v r. 1983
(verzia 1.0). Jeho úlohou je prenášat informácie
o hraných tónoch (nie hudbu samotnú) z jedného
zariadenia do druhého. Komunikácia rozhraním MIDI
prebieha prostredníctvom krátkych správ
(informácií ) v podobe posielaných bajtov.
Rýchlost protokolu je 31 250 bitov za sekundu
19
Digitálny signál rozhranie MIDI

• Rozhranie ponúka 128 nástrojov (programov) a
  16 kanálov, 128 rôznych tónov a 128 úrovní
  hlasitostí.
• V r. 1991 vznikol štandard General MIDI (GM),
  ktorý priradil císelnú škálu pre konkrétne
  nástroje
• (1 akustický klavír, 14 xylofón, 72
  klarinet, 128 výstrel z revolvera)
• Navyše, GM špecifikoval minimálne množstvo
  tónov, ktoré zariadenie muselo byt schopné naraz
  hrat (polyfónia) 24 nástrojov
• Komunikácia rozhraním MIDI je dátovo nenárocná,
  jedná sa o textové súbory, velkost súborov je
  teda extrémne malá (mnohominútové skladby môžu
  mat niekolko desiatok kB)

20
Digitálny signál rozhranie MIDI
Tabulka druhov nástrojov a ich císelné oznacenie
podla General MIDI Level 1
21
Digitálny signál rozhranie MIDI

• Tieto bajty obsahujú informácie ako sú napr
• druh nástroja (piano, husle, varhany, flauta
  ...)
• výška tónu ( podla stupnice )
• dlžka tónu ( celá, pólová, štvrtová, osminová
  nota )
• dynamika úderu na klávesu
• hlasitost
• úpravy na kanáloch
• perkusie
• casový kód na synchronizáciu

Pre prehratie takého záznamu je nevyhnutné, aby
zvuková karta bola schopná podla týchto
informácií sama vytvárat jednotlivé potrebné
tóny.
22
Digitálny signál rozhranie MIDI
MIDI súbor textový zápis jednotlivých taktov
melódie Príklad príkazu HRAJ I24 T80 L8
02 d c 2c. P ef g a h 03 c 02h kde I24 -
akustická gitara ( oznacenie nástroja )
T80 tempo 80 ¼ nôt/min L8
osminová dlžka noty ... atd. 1 min skladba
MIDI ... 10 kB 1 min skladba Wav ... 10 MB
23
Sound Blaster AWE32
Zvukové karty
24
Sound Blaster AWE64
Zvukové karty
25
Gravis ultrasound
Zvukové karty
26
Vytváranie zvuku
Existujú dve metódy

• FM syntéza
• realizovaná tzv. FM syntetizátorom (obvod OPL 2,
  OPL 3 nebo OPL 4). Táto metóda vychádza zo
  skutocnosti, že každé vlnenie je možno zostavit
  zložením vybranej série sínusových frekvencií o
  vhodnej frekvencii a amplitúde.
• Wave Table syntéza
• používaná u drahších zvukových kariet. Táto
  metóda používá priamo navzorkovaný signál
  skutocného nástroja, uložený vo svojej vlastnej
  pamäti (ROM ). Pretože nie je možné, aby v pamäti
  boli uchované vzorky všetkých výšok tónov od
  všetkých nástrojov, je v pamäti vždy uložený
  jeden tón od každého nástroja. Rôzne výšky tohto
  tónu sa dosahujú rôznou rýchlostou prehrania
  tohto vzorku ( interpolácia )

27
Novinky medzi zvukovými kartami

• Sound Blaster Audigy 2
• Sound Blaster Live
• Creative Sound Blaster X- Fi Elite Pro
• Creative USB Sound Blaster X-Fi Surround Sound
  5.1

• nová generácia zvukových kariet od firmy
  Creative Technology názvem Sound Blaster Audigy.
• Srdcom karty je rovnomenný signálový procesor
  so vstavanou efektovou jednotkou. Algoritmy DSP
  sú prispôsobené pre komplexné výpocty audio
  efektov a priestorového ozvucenia.
• Medzi SW vybavenie, ktoré naplno využíva
  Audigy, patrí EAX Advanced HD (
  Environmental Audio eXtensions )

28
Creative Sound Blaster X-Fi Elite Pro
29
Creative USB Sound Blaster X-Fi Surround Sound 5.1
30
3-D Sound vs. Surround Sound

• 3-D sound 3D zvuk
• poskytuje rýchlo sa meniaci dynamický zvuk,
  prichádzajúci z rôznych strán, ktorý sa mení na
  základe pozície poslucháca v priestore ( 3D hry )
• Umožnuje realisticky stvárnený postup zvukových
  vln okolo alebo cez prekážky
• Surround sound - obklopujúci zvuk
• Využíva takisto zvuk prichádzajúci z rôznych
  strán, ale zvuk sa nemení pri zmene polohy
  poslucháca v priestore. Toto sa využíva napr. v
  domácich kinách

Reproduktorový systém domáceho kina
31
Audio efekty pre ozvucenie pocítacových hier

• EAX Advanced HD Audio Effects - prednastavené
  efekty a charakteristiky rozmanitých akustických
  prostredí.
• Multi-Environment - možnost súcasnej simulácie
  štyroch akustických prostredí v reálnom case
• Environment Morphing - pre prirodzený prechod
  medzi jednotlivými prostrediami s plynulým
  prelínaním ich akustických charakteristík v
  reálnom case.
• Environment Panning - plne priestorová
  simulácia vzdialeného prostredia
• Environment Reflections - simulácia odrazov
  zvukov známych z reálneho prostredia
• Environment Filtering - využíva high-pass
  filtre pre presnú simuláciu zvuku v interiéri a
  exteriéri

32
Zvukové efekty hudobných nahrávok

• Audio Clean-Up - odstranuje nežiadúci šum a
  praskanie z nahrávok vo formáte MP3
• Time Scaling - zmena rýchlosti nahrávky bezo
  zmeny výšky tónu a kvality
• Dream - patentovaný algoritmus pre vytvorenie
  priestorovej Surround nahrávky z lubovolného
  stereo audio souboru

33
Dalšie komponenty zvukovej karty

• Digital Signal Processor (DSP) digitálny
  signálový procesor
• je to špecializovaný procesor pre spracovanie
  zvukových signálov. Jeho úlohou je odlahcit
  hlavný CPU uskutocnovaním výpoctov pre digitálnu
  a analógovú konverziu.
• DSP vie súcasne spracovávat viackanálové zvuky v
  reálnom case, co súvisí s prehrávaním videa v
  reálnom case
• Pamät Podobne ako grafická
• karta aj zvuková karta používa
• vlastnú pamät na zrýchlenie
• spracovania dát

34
Dalšie komponenty zvukovej karty

• Vstupné a výstupné konektory
• slúžia na pripojenie mikrofónu, slúchadiel, MIDI
  zariadení, joysticku, reproduktorov, zosilnovacov
  výst.signálu, audio vstup z CD-ROM
• viacnásobné konektory pre 3D-zvuk a surround
• zvuk
• Sony/Philips Digital Interface (S/PDIF)
• využíva prenosový súborový protokol pre audio
  dáta
• používa bud koaxiálne alebo optické pripojenie
  vstupu a výstupu zvuk. karty
• Musical Instrument Digital Interface (MIDI)
• slúži k pripojeniu syntezátorov alebo iných
• hudobných elektronických nástrojov
• k pocítacu
• FireWire a USB konektor
• pripája digitálny audio alebo videorekordér
• ku zvuk. karte

35
Spolupráca zvukovky s aplikáciami

• Jednotlivé aplikácie ovládajú zvukovú kartu
  pomocou driverov, ktoré ulahcujú operacnému
  systému prístup ku samotnému hardwéru zvukovej
  karty.
• APIs - Application Program Interfaces je to
  sada pravidiel alebo štandardov, ktoré tieto
  drivery zvukovej karty musia splnat
• Najcastejšie tieto API zahrnajú produkty od
  firiem
• - Microsoft DirectSound
• - Creative Environmental Audio Extensions
  (EAX) a Open AL (Audio Language )
• - Sensaura MacroFX
• - QSound Labs QSound