Sistemas Multimédia. Ano lectivo Aula 11 Conceitos básicos de Audio Digital. MIDI: Musical Instrument Digital Interface

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1 Sistemas Multimédia Ano lectivo Aula 11 Conceitos básicos de Audio Digital Sumário Aúdio digital Digitalização de som O que é o som? Digitalização Teorema de Nyquist MIDI: Musical Instrument Digital Interface Introdução ao MIDI Conceitos do MIDI Aspectos de hardware do MIDI audio digital 2 1

2 Audio digital Conceito e aplicação O audio é um tipo de media que difere na sua natureza de todos os tipos de media que foram considerados até agora, uma vez que é o único que estimula o sentido da audição, ao passo que os outros tiram partido do sentido da visão audio digital 3 Audio digital Conceito e aplicação O audio, à semelhança da cor, nem sempre é um media indispensável quando se desenvolve uma aplicação multimédia, devendo a sua utilização ser ponderada em relação à sua importância para a mensagem que se pretende transmitir. Os dois tipos de audio mais utilizados em aplicações multimédia são as sequências musicais e a fala, ou a voz humana. audio digital 4 2

3 Audio digital Conceito e aplicação O audio digital pode, portanto, ser utilizado em aplicações multimédia mas assume uma relevância particular em outras duas áreas de aplicação: nas telecomunicações, com a transmissão digital de chamadas telefónicas, ou de audio na Internet no entretenimento onde se utilizam os suportes ópticos de gravação de audio com alta fidelidade, tais como o CD-DA, DVD-Video e o DVD-Audio audio digital 5 Audio digital Como se obtém? O audio digital produz-se através da amostragem de um sinal contínuo gerado por uma fonte sonora audio digital 6 3

4 Digitalização de Som O que é o som? O som é um fenómeno de onda como a luz, mas é macroscópico e envolve moléculas de ar a ser comprimidas e expandidas debaixo da acção de algum dispositivo físico. Sem ar não existe som por exemplo, no espaço. audio digital 7 Digitalização de Som O que é o som? a) Por exemplo, um altifalante num sistema de audio vibra para a frente e para trás e produz uma onda de pressão longitudinal que nós entendemos como som. b) Uma vez que o som é uma onda de pressão, toma valores contínuos em oposição aos valores digitais que têm uma gama finita. audio digital 8 4

5 Digitalização de Som O que é o som? c) Apesar dessas ondas de pressão serem longitudinais, ainda têm propriedades e comportamentos de onda comuns, como a reflexão, refracção (alteração de ângulo com a entrada de um medium com uma densidade diferente) e difracção (tornear um obstáculo). d) Se quisermos utilizar uma versão digital das ondas de som, temos que formar representações digitais da informação de audio. audio digital 9 Digitalização A figura mostra a natureza a uma dimensão do som: os valores de amplitude dependem de uma variável, o tempo: a pressão aumenta ou diminui com o tempo. (Nota: as imagens dependem de um conjunto de variáveis 2D, x e y). A digitalização significa a conversão do sinal analógico para um stream de números, que preferencialmente devem ser inteiros por uma razão de eficiência. audio digital 10 5

6 Digitalização Um sinal analógico: medição contínua de uma onda de pressão audio digital 11 Digitalização O gráfico da figura tem de ser tornado digital em ambas as dimensões (tempo e amplitude). Para ser digitalizado, o sinal tem de ser amostrado em cada dimensão: em tempo e amplitude. audio digital 12 6

7 Digitalização O audio digital é constituído por um grande número de pedaços de informação designados por amostras Cada amostra contém informação sobre a amplitude (ou volume sonoro) de um som em um dado instante audio digital 13 Digitalização Analogia desta representação (amostras) com os pixéis na representação das imagens bitmap no caso das imagens bitmap, cada pixel possui um determinado valor de brilho e uma localização espacial específica No caso do audio, cada amostra possui uma amplitude e uma localização temporal específica audio digital 14 7

8 Digitalização Analogia desta representação (amostras) com os pixéis na representação das imagens bitmap (cont.) no caso das imagens bitmap, os pixéis, quando combinados, constituem uma determinada imagem No caso do audio digital é a combinação das amostras que constitui um determinado som audio digital 15 Digitalização a) Amostragem ( sampling ) significa a medição da quantidade em que estamos interessados, geralmente em intervalos regulares b) O primeiro tipo de amostragem, utilizando medições efectuadas a intervalos de tempo espaçados regularmente é designado simplesmente por amostragem. A taxa a que é executada é designada por frequência de amostragem e designa o número de vezes por segundo que se retém uma amostra do audio analógico. A figura (a) ilustra este tipo de digitalização. audio digital 16 8

9 Digitalização c) Para o audio, taxas típicas de amostragem vão desde 8 khz (8000 amostras por segundo) até 48 khz. Esta gama é determinada pelo teorema de Nyquist. d) A amostragem na dimensão da amplitude ou voltagem é designada por quantificação. A figura (b) ilustra este tipo de amostagem. audio digital 17 Digitalização Amostragem e Quantificação: (a) Amostragem do sinal analógico na dimensão de tempo. (b) Quantificação é a amostragem do sinal analógico na dimensão de amplitude. audio digital 18 9

10 Digitalização Portanto, para decidir como digitalizar dados de audio, é necessário responder às seguintes questões: 1. Qual é a taxa de amostragem? 2. De que forma são os dados quantificados e é a quantificação uniforme? 3. Como é que os dados de audio estão formatados? (formato de ficheiro) audio digital 19 Teorema de Nyquist Os sinais podem ser decompostos numa soma de sinusóides. A figura mostra como sinusóides pesadas podem construir um sinal com alguma complexidade. audio digital 20 10

11 Teorema de Nyquist Construção de um sinal complexo através da sobreposição de sinusóides audio digital 21 Teorema de Nyquist Enquanto que a frequência é uma medida absoluta, o tom é geralmente uma medida relativa uma percepção de qualidade de som subjectiva. audio digital 22 11

12 Teorema de Nyquist a) O tom e a frequência estão ligados, estabelecendo a nota A acima de meio C a exactamente 440 Hz b) Uma oitava acima dessa nota leva-nos a outra nota A. Uma oitava corresponde a dobrar a frequência. Portanto, com o meio A num piano ( A4 ou A440 ) colocado a 440 Hz, o próximo A é a 880 Hz, ou uma oitava acima. audio digital 23 Teorema de Nyquist c) Harmónicos: quaisquer séries de tons musicais cujas frequências sejam múltiplos integrais da frequência de um tom fundamental d) Se permitirmos múltiplos não inteiros da frequência base, permitimos que notas não A tenham um som resultante mais complexo. audio digital 24 12

13 Teorema de Nyquist O teorema de Nyquist determina a frequência com que é necessário efectuar a amostragem no tempo de forma a recuperar o som original: audio digital 25 Teorema de Nyquist a) A figura (a) mostra uma sinusóide única: é uma frequência única, pura (só instrumentos electrónicos podem criar estes sons) b) Se a taxa de amostragem únicamente igualar a frequência actual, a figura (b) mostra que um falso sinal é detectado: é simplesmente uma constante, com frequência zero. audio digital 26 13

14 Teorema de Nyquist audio digital 27 Teorema de Nyquist c) De uma forma geral, quando o processo de amostragem não consegue angariar informação suficiente para determinar correctamente a forma de onda do som, ocorre uma distorção, que se designa por aliasing Consequentemente, o audio digitalizado não contém todos os tons (frequências) existentes na forma de onda original (analógica), podendo até ser introduzidos novos tons que nunca existiram na forma de onda original audio digital 28 14

15 Teorema de Nyquist c) Se a amostragem for a 1,5 vezes da frequência actual, a figura (c) mostra que obtemos uma frequência incorrecta (alias frequência falsa) que é mais baixa do que a frequência correcta é metade da frequência correcta (o comprimento da onda, de pico a pico é o dobro do sinal actual). d) Portanto, para uma amostragem correcta é necessário utilizar uma taxa de amostragem igual a pelo menos o dobro do conteúdo de máxima frequência no sinal. Esta taxa é designada por taxa de Nyquist. audio digital 29 Teorema de Nyquist Aliasing: (a) Uma única frequência (b) Amostragem à frequência exacta produz uma constante (c) Amostragem a 1,5 vezes por ciclo produz uma frequência percepcionada como um alias. audio digital 30 15

16 Teorema de Nyquist Teorema de Nyquist: Se um sinal é bandlimited, isto é, existe um limite mais baixo f 1 e um limite mais alto f 2 de componentes de frequência no sinal, então a taxa de amostragem deve ser pelo menos 2 (f 2 -f 1 ). audio digital 31 MIDI: Musical Instrument Digital Interface Para produção de música simples poderá ser suficiente a sintetização FM de sinais de audio gerados por uma placa de som. Uma placa de som é adicionada a uma placa de expansão de um PC e é capaz de manipular e fazer ouvir sons através de altifalantes conectados à placa, registar som de input de um microfone conectado ao computador e manipular sons armazenados no disco. Utilizar os defaults da placa de som para sons que se querem incluir num projecto multimédia: utilizar uma linguagem de scripting e de setup de hardware designada por MIDI audio digital 32 16

17 MIDI: Musical Instrument Digital Interface Introdução ao MIDI a) MIDI, acrónimo para Musical Instrument Digital Interface, foi estabelecido no ínicio dos anos 1980 O MIDI é um standard (protocolo) adoptado pela indústria de música electrónica que permite que computadores, sintetizadores, teclados e outros dispositivos que produzam música possam comunicar entre si. audio digital 33 MIDI: Musical Instrument Digital Interface Introdução ao MIDI (cont.) b) O standard MIDI é suportado pela maioria dos sintetizadores, de forma a que sons criados num sintetizador possam ser tocados e manipulados em outro sintetizador e parecer razoávelmente parecidos. c) Os computadores necessitam de ter um interface MIDI especial, mas este está incorporado na maioria das placas de som. A placa de som precisa também de ter conversores D/A e A/D. audio digital 34 17

18 MIDI: Musical Instrument Digital Interface Introdução ao MIDI (cont.) d) É uma linguagem de scripting codifica eventos que são responsáveis pela produção de sons. Por exemplo, um evento MIDI pode incluir valores para o tom de uma única nota, a sua duração e o seu volume de som. Os ficheiros MIDI (.mid) são geralmente muito pequenos. audio digital 35 MIDI: Conceitos Os canais do MIDI são utilizados para separar mensagens a) Existem 16 canais numerados de 0 a 15. O canal forma os últimos 4 bits (os bits menos significativos) da mensagem. b) Geralmente um canal está associado a um instrumento particular: por exemplo, o canal 1 é o piano, o canal 10 é o tambor, etc. c) No entanto, é possível alterar/trocar os instrumentos e, se desejado, e associar outro instrumento com qualquer canal. audio digital 36 18

19 MIDI: Conceitos Mensagens do sistema a) Muitos outros tipos de mensagens: Por exemplo, uma mensagem genérica para todos os instrumentos indicando uma alteração na melodia/afinação ou na marcação de tempo. b) Se os primeiros 4 bits forem todos 1s, então a mensagem é interpretada como uma mensagem comum de sistema. audio digital 37 MIDI: Conceitos A forma como um instrumento musical sintético responde a uma mensagem MIDI é geralmente ignorando qualquer som de mensagem que não seja para o seu canal Se várias mensagens forem para o seu canal, então o instrumento responde, desde que seja multi-voice, isto é possa tocar mais do que uma única nota de uma vez. audio digital 38 19

20 MIDI: Conceitos É muitas vezes confundido o termo voz (nota) com o termo timbre (instrumento) O termo timbre consiste em terminolgia MIDI para indicar que instrumento está a ser emulado, por exemplo um piano em oposição a um violino: é a qualidade do som. audio digital 39 MIDI: Conceitos a) Um instrumento (ou placa de som) que é multi-timbre é um instrumento que é capaz de tocar muitos sons diferentes ao mesmo tempo, por exemplo, piano, tambor, etc. b) Por outro lado, o termo voz, embora algumas vezes seja utilizado por músicos para significar a mesma coisa que timbre, é utilizado no MIDI para significar qualquer combinação de timbre e tom que o módulo de som possa produzir de cada vez. audio digital 40 20

21 MIDI: Conceitos Timbres diferentes são produzidos digitalmente utilizando um patch o conjunto de settings de controlo que definem um timbre particular. Os patches são muitas vezes organizados em bases de dados, designadas por banks. audio digital 41 MIDI: Conceitos MIDI genérico (General MIDI): Um standard de mapeamento que especifica que instrumentos (que patches ) serão associados com que canais. audio digital 42 21

22 MIDI: Conceitos a) Num MIDI genérico, o canal 10 é reservado para instrumentos de percussão e existem 128 patches associados a instrumentos standard. b) Para muitos instrumentos, uma mensagem típica pode ser uma mensagem Note On (com o significado, por exemplo, a tecla pressionada e release), consistindo de que canal, que tom e que velocidade (isto é, volume) c) Para instrumentos de percussão, no entanto, os dados de tom significam que tipo de tambor. d) Uma mensagem de Note On consiste de um byte de status que canal, que tom seguido de dois bytes de dados. É seguida de uma mensagem de Note Off, que também tem um tom (que nota para desligar) e uma velocidade (muitas vezes colocada a zero). audio digital 43 MIDI: Conceitos O valor de um byte de status MIDI está entre 128 e 255; cada um dos bytes de dados está entre 0 e 127. Os bytes MIDI são compostos por 10-bits incluindo um bit de início e outro de fim. Stream de bytes de 10-bits; para mensagens MIDI típicas consistem de {Status byte, Data byte, Data byte} = {Note On, Note Number, Note Velocity} audio digital 44 22

23 MIDI: Conceitos Um dispositivo MIDI é muitas vezes capaz de programação e pode também alterar o envelope descrevendo como a amplitude de um som muda ao longo do tempo. A figura mostra um modelo de resposta de um instrumento digital a uma mensagem Note On: Estádios da amplitude versus tempo para uma nota de música audio digital 45 Aspectos de Hardware do MIDI O hardware de setup MIDI consiste de uma conecção em série de 31,25 kbps. Geralmente as unidades MIDI-capable são ou dispositivos de Input ou dispositivos de Output, mas não ambos. Um sintetizador MIDI tradicional é apresentado na figura: Um sintetizador MIDI audio digital 46 23

24 Aspectos de Hardware do MIDI As portas físicas MIDI consistem de conectores de 5-pinos para IN e OUT, assim como um terceiro conector designado por THRU a) A comunicação MIDI é half-duplex b) O conector MIDI IN é o conector através do qual o dispositivo recebe todos os dados MIDI c) O conector MIDI OUT é o conector através do qual o dispositivo transmite todos os dados gerados pelo MIDI d) O conector MIDI THRU é o conector através do qual o dispositivo transmite os dados recebidos pelo MIDI IN audio digital 47 Aspectos de Hardware do MIDI Setup de um MIDI audio digital 48 24

25 Pesquisa suplementar Discussão sobre a utilização da FM (Frequency Modulation) para a criação de som sintético Lista extensiva de formatos de ficheiros de audio Os formatos de ficheiros audio de CD são de alguma forma diferentes. O formato principal de música é designado por red book audio. Ver uma boa descrição de diversos formatos de CD. Um Patch Map genérico de instrumentos MIDI Um tutorial em MIDI e na sintetização de música Uma boa página de multimédia/som, incluindo uma fonte para a localização de materiais de música na Internet audio digital 49 25

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