Sistemas e Conteúdos Multimédia Áudio. Nuno Miguel Gil Fonseca nuno.fonseca@estgoh.ipc.pt

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1 Sistemas e Conteúdos Multimédia 4.4. Áudio Nuno Miguel Gil Fonseca nuno.fonseca@estgoh.ipc.pt

2 O som é um fenómeno físico causado pela vibração da matéria (p. ex. a pele de um tambor) A vibração provoca alterações de pressão no ar que rodeia a matéria em causa Estas alterações de pressão são propagadas no ar em movimentos ondulatórios Quando uma onda sonora atinge o ouvido humano o som é captado e sentido (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 2

3 A onda sonora apresenta a mesma forma em intervalos regulares. Este intervalo chama-se período. A frequência de um som representa o seu número de períodos por segundo (1/período). Mede-se em hertz (Hz) O som tem também uma amplitude que é a medida do deslocamento da onda sonora relativamente ao seu valor médio (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 3

4 O ouvido humano é capaz de detectar sons com frequências entre os 20 Hz e os 20 khz. Aos sons desta gama dá-se o nome de áudio (inclui música, voz e ruído) (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 4

5 Representação digital do som Um computador não é capaz de representar directamente uma onda sonora É possível medir a amplitude sonora em intervalos regulares. Cada uma destas medições é uma amostra. Os mecanismos que convertem um sinal áudio em amostras digitais são conhecidos como conversores analógico para digital (ADC). A operação inversa é feita por conversores digital para analógico (DAC) (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 5

6 Representação digital do som (cont.) Factores mais importantes que determinam a qualidade de áudio A frequência de amostragem A dimensão da amostra (número de bits utilizados) O método de codificação (com ou sem compressão) (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 6

7 Representação digital do som (cont.) A frequência a que a onda sonora é amostrada chama-se frequência de amostragem. Para obter som com a qualidade de um CD é necessária uma frequência de amostragem de 44.1 KHz (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 7

8 Representação digital do som (cont.) O valor anteriormente apresentado justifica-se porque se um sinal contem componentes com uma frequência máxima f, então a frequência de amostragem deve ser no mínimo 2f por forma a reconstruir o sinal fielmente (teorema da amostragem de Nyquist) Como o ouvido humano só capta frequências até cerca de 20Khz, frequências de amostragem superiores seriam inúteis (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 8

9 Representação digital do som (cont.) Cada amostra tem um valor discreto. O número de valores de amostra que é possível representar depende do número de bits empregue na sua representação (quantificação) Quanto maior for o número de bits empregue maior será a fidelidade da representação digital obtida Por exemplo, se for usada uma quantificação de 16 bits, cada amostra pode ter valores diferentes. Se cada amostra é traduzida num valor digital, diz-se que o sinal é representado por modulação de impulsos, ou PCM (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 9

10 Representação digital do som (cont.) À diferença entre os valores das amostras e os valores reais da onda chama-se ruído de quantificação. Áudio com qualidade CD é gerado se for utilizada uma frequência de amostragem de Hz com uma quantificação de 16 bits PCM (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 10

11 Qualidade / Fluxo de dados em som digital (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 11

12 Codificação de áudio digital PCM - Pulse Code Modulation Padrão básico para conversão de sinais analógicos para armazenamento ou transmissão em dispositivos digitais ADPCM - Adaptative Pulse Code Modulation Esta codificação baseia-se na diferença entre amostras e não no seu valor absoluto Para amplitudes baixas adapta o valor de quantificação de modo a reduzir o número de bits Este codec consegue taxas de compressão elevadas, para cima de 50%, mas à custa de alguma perda de qualidade. (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 12

13 Padrões de armazenamento áudio CD-DA (Compact Disc Digital Audio) Taxa de amostragem de 44,1 khz Amostras de 16 bits Método de codificação PCM Permite armazenar áudio com grande qualidade, uma vez que não é usada qualquer compressão (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 13

14 Padrões de armazenamento áudio (cont.) DAT (Digital Audio Tape) Taxa de amostragem de 21, 44,1 e 48 khz Amostras de 12 ou 16 bits Permite armazenar áudio com qualidade superior à dos CDs. Formato usado principalmente nos estúdios de gravação, nunca vingou comercialmente... (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 14

15 Padrões de armazenamento áudio (cont.) WAVE (Waveform Audio File Format) Técnica de codificação utilizada para armazenamento e transmissão de áudio entre computadores pessoais Padrão desenvolvido pela Microsoft e pela IBM como parte do RIFF (Resource Interchance File Format) A primeira parte de um ficheiro WAVE contém informação de formatação que: Identificação do Formato Número de canais Frequência de amostragem Número médio de bytes/s Tamanho dos blocos (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 15

16 Padrões de armazenamento áudio (cont.) WAVE (Waveform Audio File Format) (cont.) Os formatos usados são o PCM e o ADPCM Em seguida é incluída informação dependente do formato. No caso do PCM é incluído apenas o número de bits utilizado na amostragem. Pode também ser incluído um conjunto de marcas, a definição de uma ordem de execução à custa dessas marcas e ainda uma conjunto de informação relativo a cada marca Finalmente aparecem os valores de amostragem (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 16

17 Padrões de armazenamento áudio (cont.) MP3 (MPEG Audio Layer 3) O MP3 é capaz de comprimir ficheiros de som com qualidade CD sem grandes perdas de qualidade, atingindo taxas de compressão de 1:8 a 1:12. Estas taxas permitem obter relações da ordem de 1 Mbyte por minuto de música. Recorde-se que em formato não comprimido o mesmo minuto necessita de mais de 10 MB O MP3 utiliza diversos métodos de compressão. O mais importante deles faz uma selecção dos sinais sonoros, eliminando os que não seriam audíveis Um outro método consiste em passar o som de stereo para mono durante os períodos em que, pelas características do som, o ouvido humano não consegue aperceber-se da direcção de onde provém. (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 17

18 Padrões de armazenamento de áudio sintetizado MIDI (Musical Instruments Digital Interface) (cont.) Os dados são agrupados em mensagens MIDI, cada uma das quais comunica um evento musical (acção executada pelo músico) Utilizando este formato, dez minutos de música correspondem a cerca de 200 Kbytes, o que é bastante menos do que a informação correspondente em formato CD áudio (cerca de 106Mbytes) O padrão MIDI inclui 16 canais, cada um dos quais pode tratar um instrumento O padrão MIDI identifica 128 instrumentos, incluindo sons sintéticos, instrumentos étnicos e efeitos sonoros. Por exemplo o violino é o instrumento 40 e a flauta é o 73 (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 18

19 Padrões de armazenamento de áudio sintetizado MIDI (Musical Instruments Digital Interface) Formato para troca de informação entre sintetizadores e outras fontes de som. Foi também adoptado como formato de comunicação musical com computadores, desde que possuam o hardware respectivo A informação musical não é armazenada em função de uma amostragem, mas sim de factos musicais. Não se trata, pois, de áudio digital A codificação inclui a especificação do instrumento, as noções de início e fim de nota, frequência básica e volume do som É possível editar um ficheiro MIDI com um grau detalhe muito maior que no caso do áudio digital (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 19

20 Padrões de armazenamento de áudio sintetizado (cont.) MIDI (Musical Instruments Digital Interface) (cont.) Os dados são agrupados em mensagens MIDI, cada uma das quais comunica um evento musical (acção executada pelo músico) Utilizando este formato, dez minutos de música correspondem a cerca de 200 Kbytes, o que é bastante menos do que a informação correspondente em formato CD áudio (cerca de 106Mbytes) O padrão MIDI inclui 16 canais, cada um dos quais pode tratar um instrumento O padrão MIDI identifica 128 instrumentos, incluindo sons sintéticos, instrumentos étnicos e efeitos sonoros. Por exemplo o violino é o instrumento 40 e a flauta é o 73 (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 20

21 Padrões de armazenamento de áudio sintetizado (cont.) SMDL (Standard Music Description Language) Desenvolvido para se tornar o standard para a codificação de áudio sintetizado É uma aplicação da norma SGML (Standard Generalized Markup Language) Cada documento é composto por 4 secções core section gestural section visual section analytical section Foi posteriormente associada à criação de uma nova norma: HyTime (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 21

22 Padrões de armazenamento de áudio sintetizado (cont.) MusicXML Mais uma norma... Baseada em XML! <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <!DOCTYPE score-partwise PUBLIC "-//Recordare//DTD MusicXML 0.5 Partwise//EN" " <score-partwise> <part-list> <score-part id="p1"> <part-name>music</part-name> </score-part> </part-list> <part id="p1"> <measure number="1"> <attributes> <divisions>1</divisions> <key> <fifths>0</fifths> </key> <time> <beats>4</beats> <beat-type>4</beat-type> </time> <clef> <sign>g</sign> <line>2</line> </clef> </attributes> <note> <pitch> <step>c</step> <octave>4</octave> </pitch> <duration>4</duration> <type>whole</type> </note> </measure> </part> </score-partwise> (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 22

23 Operações em áudio digital Armazenamento Recuperação Edição Filtragem e aplicação de efeitos Conversão (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 23

24 Software Edição de som digital Efeitos de transição entre sons, por exemplo fade in e fade out Alterar o formato de armazenamento, p. ex. alterar a frequência de amostragem Produção de efeitos sobre o som, como eco e reverberação Filtragem do som Redução de ruídos não desejados Exemplos: Adobe Audition, GoldWave, Sony SoundForge, (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 24

25 Software (cont.) Composicão/edição de sons MIDI Ferramentas que permitem a criação e edição de música em formato MIDI Para trabalhar neste formato é necessário ter conhecimentos musicais e conhecer a forma como a música é sequenciada, armazenada e publicada neste formato. Exemplos: Cakewalk Sonar, (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 25

26 Áudio e Internet Devido ao espaço que necessita o áudio tem representado um papel limitado na Internet Esta situação está a mudar à custa de dois novos formatos: o MP3 e o Streaming audio O MP3 já foi referido e essencialmente facilita a transmissão dado que os ficheiros são muito mais pequenos O streaming audio permite começar a reprodução do ficheiro áudio pouco depois do início da sua transmissão (c) Nuno Miguel Gil Fonseca - Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Oliveira do Hospital - Sistemas e Conteúdos Multimédia 26