第 十 四 章 多 媒 體 : 聲 音 Reporter : Jingo C. Liao 廖 正 宏 E-mail : jingo@mail.tku.edu.tw 章 節 列 表 1. 認 識 聲 音 的 原 理 2. 認 識 聲 音 的 形 式 3. Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 2 1
認 識 聲 音 的 原 理 人 們 靠 耳 朵 聽 到 外 在 聲 音 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 3 認 識 聲 音 的 原 理 聲 音 是 如 何 產 生 的? 聲 音 的 產 生 起 因 於 物 體 振 動 鼓 聲 由 鼓 面 振 動 人 聲 是 聲 帶 振 動 如 果 一 切 都 是 靜 止 的, 就 不 會 有 聲 音 了 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 4 2
認 識 聲 音 的 原 理 聲 音 是 如 何 傳 到 我 們 耳 朵 裡? 需 要 介 質, 例 如 空 氣 空 氣 甚 麼 可 以 當 作 介 質? 空 氣 液 體 : 水 固 體 : 木 材 鋼 鐵 密 度 越 高, 傳 遞 速 度 越 快 用 鐵 軌 聽 火 車 快 過 用 聲 音 聽 火 車 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 5 認 識 聲 音 的 原 理 人 耳 如 何 聽 到 聲 音? 傳 遞 到 耳 膜 放 大 聲 音 震 動 聽 覺 神 經 解 讀 收 集 聲 波 傳 到 大 腦 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 6 3
認 識 聲 音 的 原 理 電 腦 聲 音 的 定 義 : 聲 音 的 基 本 樣 式 : 一 段 時 間 內, 聲 波 的 形 式 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 7 聲 音 如 何 儲 存 在 電 腦 裡? 由 於 聲 音 屬 於 連 續 類 比 訊 號, 而 電 腦 只 能 接 受 0 與 1 的 數 位 訊 號, 因 此 聲 音 必 須 經 過 數 位 化 才 能 儲 存 於 電 腦 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 8 4
( 補 充 ) 影 響 數 位 化 聲 音 好 壞 的 因 素 : 取 樣 一 個 單 位 時 間 中 之 取 樣 次 數 取 樣 率 愈 高, 則 點 與 點 的 間 隔 愈 短, 較 不 易 流 失 聲 音 計 量 每 個 取 樣 都 必 須 指 派 一 個 值 編 碼 轉 換 成 位 元 數 值, 表 示 要 用 多 少 位 元 來 表 示 這 個 數 值 位 元 愈 大, 可 用 數 值 就 愈 多, 更 能 精 確 描 述 出 原 來 的 波 形 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 9 ( 補 充 ) 聲 音 的 信 號 : 屬 於 上 下 振 盪 的 波 型 振 幅 : 上 下 振 動 的 範 圍, 代 表 音 量 的 大 小 ( 大 聲 或 小 聲 ) 頻 率 : 每 秒 振 動 的 次 數, 代 表 聲 音 的 高 低 ( 高 音 或 低 音 ) 上 下 振 幅 : 音 量 大 振 動 頻 率 : 低 音 上 下 振 幅 : 音 量 小 振 動 頻 率 : 高 音 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 10 5
聲 音 如 何 儲 存 在 電 腦 裡? 取 樣 (Sampling) 連 續 的 音 響 訊 號 ( 聲 波 ) 數 位 的 音 訊 取 樣 頻 率 的 設 定 取 樣 頻 率 (Sampling Rate) 一 秒 取 多 少 個 聲 音 資 料, 才 不 會 失 真 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 11 聲 音 如 何 儲 存 在 電 腦 裡? 量 化 (Quantization) 在 每 個 x 軸 的 取 樣 點 下, 將 其 y 軸 的 高 度 以 一 個 最 接 近 的 量 化 數 字 表 示 量 化 誤 差 (Quantization Error) 在 每 個 x 軸 的 取 樣 點 下, 其 y 軸 的 量 化 數 字 高 度 與 真 正 數 值 的 差 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 12 6
奈 奎 斯 定 理 (Nyquist sampling theorem) 取 樣 頻 率 大 於 原 始 訊 號 頻 率 的 兩 倍 以 上, 即 可 達 到 和 原 始 聲 音 極 為 類 似 的 音 訊 人 類 聽 覺 頻 率 範 圍 大 約 是 20KHz 需 要 40KHz 以 上 的 取 樣 頻 率 來 對 聲 音 作 取 樣 聲 音 通 常 使 用 44.1KHz/s 為 取 樣 頻 率 最 近 的 趨 勢 是 使 用 更 高 的 取 樣 頻 率 ( 大 約 是 基 本 需 求 的 兩 倍 或 四 倍 ) 尚 未 有 理 論 支 持 在 吹 毛 求 疵 的 聆 聽 環 境 下, 也 難 以 聽 到 聲 音 的 差 異 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 13 CD 的 取 樣 頻 率 是 44.1KHz 有 下 列 幾 種 說 法 : 說 法 一 為 了 顧 及 重 建 過 程 中 的 資 訊 冗 餘 問 題 說 法 二 CD 發 明 前 的 主 要 數 位 音 訊 儲 存 媒 體 是 錄 影 帶, 以 0 與 1 記 錄 錄 影 帶 格 式 為 每 秒 30 張, 每 張 分 為 490 條 線, 每 條 線 儲 存 三 個 取 樣 訊 號, 因 此 每 秒 有 30*490*3=44100 個 取 樣 點,CD 繼 承 了 這 個 規 格 說 法 三 Sony 及 Philips 兩 大 集 團 妥 協 的 產 物 說 法 四 規 格 分 別 是 43 及 47, 妥 協 後 決 定 44.1KHz 當 時 的 儲 存 光 碟 的 技 術, 最 大 只 有 74mins Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 14 7
常 見 的 音 訊 格 式 列 表 : CD audio DAT 取 樣 頻 率 (KHz) 44.1 48 取 樣 量 化 大 小 (bits) 16 16 量 化 方 式 線 性 量 化 法 線 性 量 化 法 聲 道 數 目 2 2 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 15 聲 音 儲 存 在 電 腦 的 格 式 : 一 般 CD 的 音 樂 品 質 44100Hz 16bits 量 化 左 右 聲 道 的 取 樣 頻 率 CD audio 規 格 一 分 鐘 的 聲 音 容 量 大 小 =44100(44.1KHz) * 2(16 bits) * 2( 左 右 聲 道 ) * 60( 秒 ) =10584000(Bytes) 10MB Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 16 8
不 同 樂 器 的 音 色 差 異 : 音 色 的 差 別 在 不 同 的 樂 器 上 很 明 顯 以 A(La) 這 個 音 為 例 : 小 提 琴 拉 奏 鋼 琴 彈 奏 相 似 之 處 ( 週 期 相 近 ) 明 顯 的 差 別 ( 週 期 內 的 波 形 不 同 ) Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 17 數 位 聲 音 的 種 類 : 單 聲 道 (Mono) 立 體 聲 (Stereo) 5.1 聲 道 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 18 9
單 聲 道 (Mono) 一 個 麥 克 風 錄 製 僅 能 錄 製 單 一 聲 音 資 訊 一 個 喇 叭 發 聲 即 使 使 用 多 個 喇 叭, 因 聲 音 來 源 僅 有 一 個, 仍 只 有 一 個 訊 號, 無 法 感 受 聲 音 左 右 移 動 的 特 性 單 聲 道 在 娛 樂 上 已 被 立 體 聲 或 更 多 的 聲 道 取 代 單 聲 道 使 用 價 值 在 不 須 強 調 立 體 聲 效 果, 又 要 降 低 頻 寬 的 系 統 上 無 線 電 系 統 電 話 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 19 立 體 聲 (Stereo) 利 用 二 支 麥 克 風 收 音 1950 年 代 末 期, 研 發 立 體 聲 錄 音 方 式 立 體 聲 比 起 單 聲 道 : 多 了 一 個 聲 道 以 營 造 出 左 右 音 效 不 同 可 以 產 生 動 態 變 化 的 立 體 音 效 比 起 單 聲 道 而 言 有 兩 個 聲 道 資 訊 量 多 一 倍 檔 案 大 小 也 多 一 倍 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 20 10
單 聲 道 能 否 經 由 處 理 轉 成 立 體 道? 利 用 音 頻 分 離 技 術 : 從 單 聲 道 中 取 出 不 同 的 音 頻, 再 依 立 體 聲 的 產 生 方 式, 獲 得 模 擬 立 體 聲 的 效 果 用 在 古 典 音 樂 上 : 可 增 加 1950 年 代 以 前 錄 音 的 立 體 感 此 技 術 能 增 加 單 聲 道 的 位 置 立 體 感 但 比 起 直 接 採 立 體 聲 錄 製 的 技 術, 仍 有 一 段 差 距 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 21 不 同 聲 音 品 質 的 檔 案 差 異 : 錄 音 品 質 取 樣 頻 率 :8000Hz 單 聲 道 取 樣 頻 率 :8000Hz 立 體 聲 道 取 樣 頻 率 :44100Hz 單 聲 道 取 樣 頻 率 :44100Hz 立 體 聲 道 檔 案 大 小 (mp3) 1.17MB 2.32MB 4.89MB 9.64MB Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 22 11
5.1 聲 道 立 體 聲 可 以 增 加 聲 音 的 動 態 表 現 立 體 聲 的 缺 點 : 真 實 世 界 的 聲 音 來 自 前 後 左 右 上 下 立 體 聲 仍 少 了 一 些 真 實 性 多 媒 體 業 者 致 力 於 以 更 多 的 聲 道 來 提 高 聽 者 的 音 響 視 聽 效 果 產 生 5.1 聲 道 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 23 5.1 聲 道 運 用 於 各 類 家 庭 影 院 中 常 見 的 聲 音 錄 製 壓 縮 格 式 : AC-3(Dolby Digital) DTS 5 聲 道 左 右 後 左 後 右 中 置 聲 道 中 置 聲 道 : 負 責 傳 送 低 於 80Hz 的 聲 音 信 號, 提 供 在 欣 賞 影 片 時, 優 良 的 人 聲 效 果, 並 可 以 把 對 話 集 中 在 整 個 聲 場 的 中 間.1 聲 道 專 門 設 計 的 超 低 音 聲 道 產 生 頻 率 範 圍 在 20~120Hz 的 超 低 音 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 24 12
5.1 聲 道 是 環 繞 身 歷 聲 的 最 高 規 格 嗎? 比 5.1 聲 道 更 強 大 的 7.1 系 統 已 經 出 現 在 5.1 聲 道 上, 增 加 中 左 和 中 右 兩 個 發 聲 位 置 缺 點 : 成 本 比 較 高 比 5.1 聲 道 增 加 的 效 果 又 很 有 限 目 前 並 沒 有 廣 泛 的 應 用 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 25 數 位 聲 音 的 格 式 :Wave 微 軟 公 司 所 制 定 的 聲 音 規 格 電 腦 的 標 準 聲 音 格 式 之 一 附 檔 名 為.wav 以 取 樣 及 量 化 的 方 式 記 錄 未 經 壓 縮 處 理, 音 質 方 面 保 留 最 詳 細 的 數 位 音 效 檔 案 體 積 大 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 26 13
數 位 聲 音 的 格 式 :MIDI Musical Instrument Digital Interface 的 縮 寫 不 是 直 接 記 錄 聲 音 取 樣 資 料 記 錄 發 聲 樂 器 的 種 類 與 樂 曲 等 音 符 資 訊 通 常 為 純 音 樂 檔 案 非 常 小 檔 案 副 檔 名 為.mid 藉 由 專 門 彈 奏 MIDI 的 電 子 琴, 透 過 連 接 線 與 介 面 卡, 可 直 接 將 彈 奏 的 內 容 記 錄 到 電 腦 內 變 成 MIDI 檔 案 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 27 數 位 聲 音 的 格 式 :MP3 MPEG Audio Layer 3 的 壓 縮 技 術 MPEG-I (VCD 規 格 ) 格 式 中, 用 來 壓 縮 聲 音 的 技 術 利 用 破 壞 性 壓 縮 技 術, 壓 縮 Wave 檔 案 還 原 成 Wave 檔 案 與 原 始 的 檔 案 略 有 不 同, 但 人 耳 聽 起 來 卻 沒 有 什 麼 差 別 壓 縮 率 為 十 倍 左 右 一 首 五 分 鐘 的 歌 曲 : Wave 檔 約 50MB 左 右 MP3 檔 只 要 5MB Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 28 14
有 無 失 真 聲 音? MP3 是 有 失 真 的 聲 音 壓 縮 格 式 無 失 真 的 聲 音 壓 縮 格 式 APE 常 見 於 大 陸 FLAC 縮 寫 為 Free Lossless Audio Codec 無 失 真 音 頻 壓 縮 編 碼 常 見 於 歐 美 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 29 其 他 常 見 的 數 位 聲 音 格 式 : AU Unix 系 統 上 所 採 用 的 一 種 聲 音 格 式 副 檔 名 為.au 應 用 在 網 路 與 Unix 的 系 統 上 RA 網 路 上 撥 放 即 時 聲 音 檔 RealNetworks 公 司 發 展 的 格 式 之 一 副 檔 名 為.ra RealNetworks 公 司 的 音 訊 壓 縮 格 式 rm 或 rmvb Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 30 15
其 他 常 見 的 數 位 聲 音 格 式 : AIFF 麥 金 塔 電 腦 自 訂 格 式 Audio Interchange File Format 的 縮 寫 經 由 取 樣 與 量 化 方 式 與 Wave 的 檔 案 格 式 類 似 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 31 聲 音 檔 案 大 小 參 數 : 頻 率 44.1KHz 22.05KHz 11.025KHz 8KHz 頻 道 立 體 聲 ( 兩 個 頻 道 ) 與 單 聲 道 ( 一 個 頻 道 ) 深 度 每 個 聲 音 的 量 化 參 數 (16bits 或 8bits) Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 32 16
最 常 見 的 規 格, 一 分 鐘 為 10.6MB 左 右 44.1KHz 16bits 立 體 聲 採 用 單 聲 道 因 頻 道 數 目 減 半 只 有 一 半 大 小 的 5.29MB 左 右 以 低 品 質 的 11KHz 單 聲 道 音 訊 一 分 鐘 只 要 0.66MB 一 分 鐘 Wave 格 式 檔 案 大 小 量 化 參 數 (8 bits) 量 化 參 數 (16 bits) 取 樣 頻 率 單 聲 道 立 體 聲 單 聲 道 立 體 聲 11.025 KHz 0.66MB 1.32MB 1.32MB 2.65MB 22.05 KHz 1.32MB 2.65MB 2.65MB 5.29MB 經 過 MP3 壓 縮, 容 量 會 縮 小 成 十 分 之 一 左 右 44.1KHz 2.65MB 5.29MB 5.29MB 10.6MB Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 33 問 與 答 詢 問 回 答 Jingo C. Liao 廖 正 宏 <jingo@mail.tku.edu.tw> P 34 17