Harmônicas. Filtros de Áudio

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1 Som Vibrações Sonoras Uma onda é qualquer sinal que se transmite de um ponto a outro de um meio, com velocidade definida, sem que haja transporte de matéria. Podemos imaginar uma onda sonora como sendo vibrações longitudinais das moléculas do meio onde ela se propaga. As ondas sonoras são produzidas por deformações provocadas pela diferença de pressão em um meio elástico qualquer (ar, metais, isolantes, etc), precisando deste meio para se propagar. Desta forma, percebemos que o som é uma onda mecânica, não se propagando no vácuo. A maioria dos sons acaba sendo obtido através de objetos que estão vibrando, como é o caso do alto-falante. Quando o diafragma contido no alto-falante se movimenta para fora da caixa acústica ele cria uma região de alta pressão, pois, comprime o ar que está nas proximidades. Da mesma forma, ocorre uma rarefação quando o diafragma se move para dentro da caixa. Quando as variações de pressão chegam aos nossos ouvidos, os tímpanos são induzidos a vibrar e nos causam a sensação fisiológica do som. Quando uma pessoa fala, ela produz uma onda que vai mudando de intensidade e freqüência uma vibração sonora. Esta vibração é transmitida pelo ar até alcançar um aparelho que reproduz essa vibração para a corrente elétrica. Um ouvido normal consegue ouvir uma faixa de freqüências que varia aproximadamente entre 20 e Hz, sendo que as ondas que apresentam freqüências inferiores a 20 Hz são denominadas infra-sônicas ao passo que os sons superiores a Hz são chamadas de ultra-sônicas. As ondas infra-sônicas são produzidas, por exemplo, por um abalo sísmico. Os ultrasons podem ser ouvidos por certos animais como morcego e o cão. Propriedades do som: Todo e qualquer som possui simultaneamente três propriedades: 1 - Intensidade: é a propriedade que o som tem de ser mais forte ou mais fraco. Dois sons de mesma altura e duração podem ser diferenciados se suas intensidades forem diferentes. Como ocorre com muitas outras grandezas, a percepção da intensidade pelo ouvido humano não é linear, mas logarítmica. Isso significa que o ouvido só percebe variações de intensidade como lineares, se as amplitudes variarem exponencialmente. Para facilitar a medição da pressão sonora em relação à percepção auditiva, utiliza-se uma unidade logarítmica: o decibel (db). A percepção da intensidade também não é igual para qualquer freqüência. O ouvido humano só consegue perceber sons entre aproximadamente 20 Hz e Hz. Próximo a esses limites, a percepção sofre atenuação. A faixa de freqüências em que à percepção é mais sensível é aquela normalmente utilizada pela música. Isso permite que as variações de intensidade ao longo da música (dinâmica) sejam mais bem percebidas, dando maior riqueza à experiência musical. 2 - Altura: é a propriedade que o som tem de ser mais grave ou mais agudo. Podemos diferenciar facilmente sons de alturas diferentes. A percepção de alturas está intimamente ligada aos conceitos de melodia, harmonia e afinação.

2 3 - Timbre: é a qualidade do som, que permite reconhecer sua origem. Dois sons de mesma altura, duração e intensidade, podem ser diferenciados se seus timbres forem diferentes. O que nos permite diferenciar os dois sons é o timbre instrumental. De forma simplificada podemos considerar que o timbre é como a impressão digital sonora de um instrumento ou a qualidade de vibração vocal. Harmônicas Tecnicamente, uma harmônica é um componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração abaixo. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz. Filtros de Áudio Um filtro tem como função selecionar, rejeitar ou igualizar uma ou mais freqüência de um sinal elétrico. Os filtros constituem uma das aplicações mais comuns da eletrônica, sendo amplamente utilizados na aquisição e processamento de sinais áudio, vídeo e de dados, em sistemas de alimentação, de telecomunicações, de controle, etc. Os filtros elétricos podem ser classificados em basicamente quatro tipos: Passa - baixa: deixa passar freqüências inferiores a uma freqüência predeterminada, bloqueando freqüências acima desta. Passa - alta: deixa passar freqüências superiores a uma freqüência predeterminada, bloqueando freqüências inferiores a esta. Passa - faixa: deixa passar freqüências dentro de uma faixa predeterminada, bloqueando freqüências que não estejam nesta faixa. Rejeita - faixa: deixa passar todas as freqüências menos uma determinada freqüência preestabelecida.

3 Processamento Digital do Som A entrada chamada "CD - Áudio" recebe o som proveniente de um CD de áudio que esteja sendo reproduzido pelo drive de CD-ROM. A entrada para o microfone capta sons provenientes de um microfone (em geral fornecido junto com o kit multimídia), ligado na parte traseira da placa. Também na parte traseira temos a entrada chamada de Line In, através da qual podemos captar sons provenientes de qualquer aparelho eletrônico que gere sinais de áudio, como por exemplo, o pré-amplificador de um aparelho de som, a saída de áudio de um videocassete, o som proveniente de um CD Player externo, etc. As placas de som possuem um circuito chamado Mixer, capaz de reunir seletivamente cada um desses sons. Podemos, por exemplo, fazer a digitalização da voz de um locutor, usando o microfone, adicionada a um fundo musical, proveniente, por exemplo, de um CD de áudio. Da mesma forma, o Mixer é capaz de enviar para as caixas de som (passando pelo amplificador de áudio existente na placa de som), os sons provenientes de várias origens. Compressão de Áudio A compressão é um método simples de reduzir o tamanho das informações digitais de modo a tornar a transmissão num processo mais rápido. Tal como a compressão de vídeo, o áudio pode ser reduzido numa de duas formas: com ou sem perda de qualidade. A compressão sem perda funciona de maneira muito semelhante aos algoritmos de compressão utilizados no seu pacote ZIP. O compressor procura padrões repetidos nos bits que representam os dados de áudio. Quando é encontrado um padrão, ele é removido e substituído por uma chave muito menor que o representa. Depois de encontrados padrões suficientes, é possível reduzir substancialmente o tamanho dos ficheiros. Quando o Windows descomprime o áudio, localiza estas chaves, observa-as numa tabela e substitui-as pelas informações originais. Música Sintetizadores Um sintetizador é um instrumento musical eletrônico projetado para produzir sons gerados artificialmente, usando técnicas diversas. Um sintetizador cria sons através da manipulação direta de correntes elétricas (sintetizadores analógicos), manipulação matemática de valores discretos com o uso de tecnologia digital incluindo computadores (sintetizadores digitais, software synthesizers) ou por uma combinação dos dois métodos. No estágio final, as correntes elétricas são usadas para causar vibrações no diafragma de caixas de som, fones de ouvido, etc. O som sintetizado é diferente da gravação de um som natural, onde a energia mecânica da onda sonora é transformada em um sinal que então é convertido de volta à energia mecânica quando tocado (embora o método de sampling mascare esta distinção). Entendendo a síntese FM Embora seja capaz de gerar timbres de extrema complexidade harmônica, o processo de síntese de sons por modulação de freqüência (FM) baseia-se num princípio relativamente simples.

4 Imagine um oscilador OSC1 gerando um sinal com freqüência de áudio, digamos 440 Hz, e um oscilador OSC2 gerando um sinal com freqüência de 100 Hz. Se o sinal de OSC2 for injetado em OSC1 de tal forma que faça a freqüência de SC1 variar ciclicamente, temos então uma modulação de freqüência. O oscilador que altera o sinal do outro é chamado de modulator (modulador), e o oscilador cuja freqüência é modulada é chamado de carrier (portadora). A modulação de freqüência é muito usada nos sintetizadores convencionais para se produzir o efeito de vibrato, onde o modulador é o LFO (low frequency oscillator), que gera uma freqüência muito baixa (da ordem de 2 a 8 Hz) para modular o sinal do som (portadora) que está sendo ouvido. À medida que a freqüência moduladora vai sendo aumentada e chega próxima à freqüência portadora, pode-se observar que o sinal da portadora deixa de ter o aspecto de uma onda modulada, e começa aparecer uma forma-de-onda diferente da senoidal. Nas formas-de-onda ilustradas ao lado a intensidade de modulação foi fraca e por isso os sinais têm características suaves. Entretanto, com intensidades mais elevadas, podem ser produzidas formas-de-onda bem mais complexas, ou seja, timbres bem mais brilhantes do que os sinais senoidais. Instrumentos Midi A principal função do MIDI é a interação do humano com a máquina. Ele serve como um modelador de samplers. MIDI diz especialmente sobre gestos e parâmetros do seu controle, é um protocolo de comunicação, onde informa qualquer aparelho digital, através das coordenadas desse tipo: foi tocada a nota w, com força p, durante w segundos e responda usando o timbre g. Uma mesa de som também funciona desse jeito, quando você mexe um botão, ele interpreta o local, a intensidade e calcula o tipo de som que deve ser emitido. Sistemas MIDI Midi (Musical Instrument Digital Interface) é uma forma de armazenar em pequenos arquivos, notas musicais que podem ser executadas pela placa de som de seu computador. Com MIDI, podemos fazer muitas coisas. Na edição de partituras, podemos tocar em vez de escrever. Ligando dois ou mais sintetizadores, misturamos seus timbres em novas sonoridades. Automatizamos mesas de mixagem. Sincronizamos gravadores e seqüenciadores, expandindo o estúdio. Sonorizamos programas multimídia e sites da Internet, poupando a memória do computador. Mas os seqüenciadores, onde desenvolvemos os arranjos e que permitem a troca dos timbres eletrônicos mesmo depois de gravados, são a mais completa tradução dessa tecnologia ainda revolucionária. Só não grava som. Na verdade, mesmo quando gravamos um arranjo MIDI num seqüenciador, só estamos registrando comandos musicais, em forma de dados digitais. Pelos cabos MIDI só transitam mensagens, que dizem aos equipamentos quais notas, pedais ou botões são acionados pelo músico, e quando. Registrando esses dados e o momento em que cada ação se dá, o seqüenciador "aprende" a tocar a música. Acionado o PLAY, ele "toca" os sintetizadores, como um robô ou uma mão invisível, através dos cabos MIDI. Os sons desses instrumentos continuam sendo gerados por eles, todos plugados à mesa de som. Por isso, os

5 arquivos MIDI são muito mais leves do que o áudio gravado no computador. Afinal, aqueles sons não estão no hard disk, mas saindo "ao vivo" dos próprios instrumentos. Voz Síntese de Voz Fala é a principal maneira de comunicação entre as pessoas. A geração automática pelo computador de formas de onda da voz é conhecida como síntese de voz. Mas o que vem a ser síntese de voz? Vamos primeiro entender o termo síntese que pode variar dependendo do contexto: Em biologia: operação química pela qual as células vivas fabricam as diversas substâncias plásticas, energéticas ou funcionais das quais o organismo necessita para sobreviver, crescer e multiplicar-se. Em gramática: figura que consiste em reunir numa só palavra duas primitivamente separadas. Em lógica: método de demonstração em que se parte dos princípios para as conseqüências, das causas para os efeitos, das partes para o todo (opõe-se à análise). Em óptica: superposição de luzes coloridas que dão uma sensação de luz branca. Em química: preparação de um composto químico a partir dos seus elementos constitutivos ou de compostos de fórmula mais simples. No nosso contexto, síntese de voz, é quando reproduzimos artificialmente a voz humana. Para melhor exemplificar, primeiro vamos entender como é formada a voz humana. Quando o ar é expulso dos pulmões pelo diafragma, ele faz vibrar as cordas vocais, gerando com isso algo que podemos definir com sendo o inicio do som. Este mesmo som, é modificado pelo conjunto formado pela lingua, lábios, dentes e mandíbula gerando assim sons inteligiveis, ou seja, a voz. O Timbre da Voz Humana O timbre da voz humana depende das várias cavidades que vibram em ressonância com as pregas vocais. Aí se incluem as cavidades ósseas, cavidades nasais, a boca, a garganta, a traquéia e os pulmões, bem como a própria laringe. A Freqüência da voz humana A mais baixa freqüência que pode dar a audibilidade a um ser humano é mais ou menos a de 20 hertz (vibrações por segundo), enquanto a mais alta se encontra entre e hertz, o que depende da idade do ouvinte (quanto mais idoso menores as freqüências máximas ouvidas). A freqüência comum de um piano é de 40 a 4000 hertz e a da voz humana se encontra entre 60 e 1300 hertz.

6 Processamento de Voz O processamento da voz pode ser aplicado em quatro áreas principais: comandos por voz; fala natural; síntese de voz e autenticação de voz. O reconhecimento de palavras (ou comando de voz) processa um pequeno trecho de fala digitalizada, para identificar que tipo de ação o sistema deve tomar. O reconhecimento da fala natural (ou fala contínua) envolve uma ou mais frases, isto é, várias palavras que tenham um sentido semântico. A fala reconhecida é convertida em texto. A síntese de voz recebe um texto na forma digital e o transforma em ondas sonoras, ou em outras palavras, fazendo uma leitura em voz alta. Um programa de síntese de voz é útil nas situações em que o usuário não pode desviar a atenção para ler algo ou não tem acesso ao texto escrito, seja porque a informação está distante ou porque o usuário tem alguma deficiência visual. Já a autenticação se baseia no fato de que a voz é única para cada pessoa e pode ser utilizada para identificar alguém. Os sistemas de autenticação podem ser aplicados para permitir o acesso de uma pessoa a uma determinada função. Um telefone celular ou handheld com esse recurso de voz, por exemplo, pode ser habilitado para que somente seu dono tenha o direito de usá-lo. Reconhecimento de Voz O reconhecimento de voz é o processo no qual se extrai de forma automática a informação necessária do sinal de voz. Essa informação, como já vimos, pode ser uma dentre várias as que se apresentam codificadas dentro do sinal de voz emitido. O sistema pode estar interessado na informação textual da fala para a edição de um texto ou execução de um comando. O sistema também pode estar interessado em algumas palavras chave, como "sim" ou "não", que possam estar inseridas na frase. Ou ainda no timbre pessoal do agente emissor do comando de voz, para a identificação do mesmo como uma medida de segurança. O processo de reconhecimento de voz pelo sistema computacional ocorre em três fases distintas: aquisição do sinal de voz, extração de parâmetros e reconhecimento do padrão. O processo de reconhecimento de voz pelo sistema computacional ocorre em três fases distintas: aquisição do sinal de voz, extração de parâmetros e reconhecimento do padrão. A aquisição do sinal de voz se dá à partir de um dispositivo conversor analógico/digital, que obtém o sinal a ser reconhecido. Em um microcomputador de mesa, esse processo poderia ser o seguinte: um usuário emitiria o sinal de voz em um microfone acoplado à uma placa de som que digitaliza o sinal analógico deixando-o preparado para a próxima fase do processamento. Na segunda fase, um algoritmo de parametrização, ou seja, um programa desenvolvido para tratar de forma parametrizada o dado de entrada (comando vocal) através de um conjunto de características que descrevem de maneira adequada as propriedades do sinal da voz, extraindo e representando os parâmetros necessários para a sua utilização. Após a extração das características do padrão, o reconhecimento do padrão responsabiliza-se pela identificação dos mesmos, isto é, através de comparações sucessivas, ele verifica a que padrão de referência (conhecido) o padrão de entrada (o qual se deseja reconhecer) se assemelha.

7 Animação Animação é a técnica na qual cria-se a ilusão do movimento através da apresentação de uma série de desenhos fotografados individualmente e armazenados em sucessivos quadros de um filme. Pode-se também dizer que a animação refere-se ao processo de geração dinâmica de uma série de quadros representando um conjunto de objetos, no qual cada quadro constitui uma alteração do quadro anterior. A animação convencional A animação convencional é orientada basicamente à produção de cartoons bidimensionais, onde cada quadro é representado por uma pintura feita à mão. Este tipo de animação é bastante complexa, apesar de atualmente possuir diversas etapas já automatizadas por computadores, e exige o envolvimento de equipes bastante grandes como a dos estúdios Walt Disney e Hannah-Barbera, por exemplo. Veja na figura abaixo um exemplo de animação convencional. Plano de fundo: com a areia e o céu, é fixo. Plano da frente: é uma folha transparente, onde o camelo está pintado. Para animar o movimento do camelo, basta trocar o plano da frente. Pode-se notar também que, variando-se a distancia entre as folhas, pode-se conseguir efeitos de zoom. O movimento do plano intermediário e do plano frontal para frente dá uma impressão de aproximação da câmera. Animação Bidimensional Os editores de animação bidimensional podem ser vistos como extensões de editores de pintura, que permitem a criação e o tratamento de seqüências de imagens. Freqüentemente, procura-se manter o visual de animação manual. A animação bidimensional pode ser usada para a criação de títulos lineares de multimídia. Nas formas mais simples de animação bidimensional, as cenas são construídas de objetos, representados por entidades gráficas simples ou compostas. Cada objeto é dotado de capacidade independente de movimento e deformação; as entidades que compõem um objeto são transladadas, giradas ou deformadas como um todo. Movimentos e deformações são portanto representados por transformações que variam incrementalmente de quadro a quadro. Interpolação de quadros A construção de animações quadro a quadro é extremamente trabalhosa, mesmo considerando-se os recursos fornecidos pelos editores de desenhos e de imagens. Um recurso que pode reduzir bastante o trabalho necessário é o de interpolação (in-betweening, ou tweening).

8 Os quadros chaves são criados pelos animadores como desenhos estáticos. O programa de animação gera os quadros intermediários através de interpolação entre pontos correspondentes de dois quadros consecutivos. Animação Tridimensional É basicamente a criação de formas, objetos, personagens, cenários. Para elaboração são utilizadas ferramentas computacionais avançadas e direcionadas para este tipo de tarefa. A animação tridimensional permite a visualização de objeto 3D por todos os ângulos simulando filmagens do mundo real. A modelagem tridimensional requer emprego de técnicas avançadas de geometria e de ótica. Os métodos de modelagem oferecidos atualmente pelos softwares de modelagem tridimensional podem ser divididos em cinco categorias: Formas primitivas; Modelagem de forma livre; Geométrica sólida construtiva; Modelagem por procedimento; Modelagem por derivação. As primitivas geométricas constituem uma coleção de formas pré-construídas, que possuem diversos parâmetros de configuração formal. As geometrias mais comuns são: cubo, esfera, cilindro e cone. As possibilidades de manipulação da geometria, através de pontos de controle de suas curvas, caracterizam a modelagem de Forma Livre, uma vez que permite ao usuário trabalhar com pontos isolados da malha ou em conjunto desses pontos. Geometria sólida construtiva faz uso de operações de união, intersecção e diferença entre duas geometrias, para geração de novas formas tridimensionais, camadas operações booleanas. A modelagem por procedimento, faz uso de um determinado algoritmo, não para definir exatamente a geometria de um objeto, mas para atribuir um tipo de procedimento, ou ação, que irá definir como um objeto será gerado. O método de modelagem por derivação, pode ser subdividido em três outras formas de geração de modelos tridimensionais, porém, todas realizam relações entre duas ou mais formas bidimensionais para a criação de um objeto 3D: Extrusão; Secção transversal serial; Revolução. O método de extrusão permite que uma cópia da forma bidimensional seja estendida ao longo de um eixo especial selecionado. A modelagem por secção transversal serial permite a conexão de diversas secções bidimensionais que podem ter diversas formas e tamanhos. Este processo é útil para criações de formas orgânicas, como, por exemplo, seres humanos, umas vez que essas formas são facilmente descritas por uma série de contornos bidimensionais. Na técnica de revolução, o software realiza um giro completo em torno do próprio eixo de uma forma bidimensional.

9 Sobre o conteúdo Todo conteúdo deste documento fora obtido dos trabalhos de Áudio I, Áudio II, Música e Voz da turma 3º SINA 05 (2007), Voz da turma 3º SINA 05-2 (2007) da Academia de Ensino Superior São Roque, Animação I e Animação II da turma 3º SINA 06 (2008) da Academia de Ensino Superior Sorocaba. Leia os trabalhos para obter o conteúdo na íntegra. Caso tenha interesse em obter uma cópia dos trabalhos descritos acima entrar em contato pelo Créditos Todo crédito deve-se aos alunos da turma citados acima por compilar o conteúdo e aos autores do material descritos na bibliografia de cada trabalho pela autoria do mesmo.

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