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在數(shù)字化時(shí)代,聲音作為一種重要的信息載體,其數(shù)字化過(guò)程顯得尤為重要。聲音在真實(shí)世界中是模擬的,時(shí)間和幅度上是連續(xù)的,而計(jì)算機(jī)要對(duì)聲音進(jìn)行處理,必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字聲音信號(hào),即進(jìn)行聲音的數(shù)字化。這一過(guò)程主要包括采樣、量化和編碼三個(gè)關(guān)鍵步驟。
一、采樣:模擬信號(hào)的離散化
采樣是把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度連續(xù)的信號(hào)的過(guò)程。在采樣過(guò)程中,我們按照固定的時(shí)間間隔對(duì)波形的值進(jìn)行抽取,這個(gè)固定的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的頻率被稱為采樣率,單位為赫茲(Hz),表示每秒鐘取得的采樣的個(gè)數(shù)。采樣率的高低直接決定了我們能夠重建的聲音信號(hào)的頻率范圍。對(duì)于一個(gè)周期信號(hào),至少需要采樣兩次:波峰和波谷各采樣一次。因此,給定一個(gè)采樣率,我們能重建的周期信號(hào)的頻率是該采樣率的一半,這個(gè)頻率叫做奈奎斯特頻率。
采樣率的選擇對(duì)于聲音的質(zhì)量至關(guān)重要。常用的采樣頻率有三種:44.1KHz、22.05KHz和11.025KHz。其中,44.1KHz是CD音質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)采樣率,能夠較好地還原聲音的真實(shí)感。而較低的采樣率雖然能夠減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量,但會(huì)導(dǎo)致聲音保真度下降,出現(xiàn)失真現(xiàn)象。
二、量化:連續(xù)幅度的離散化
量化是將幅度上連續(xù)取值的每一個(gè)樣本轉(zhuǎn)換為離散值表示的過(guò)程。在量化過(guò)程中,我們把每一個(gè)樣本值從模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量,該數(shù)字量用幾個(gè)二進(jìn)位數(shù)表示。量化的位數(shù)(即量化精度)越大,表示聲音波形幅度的精度就越高,聲音的質(zhì)量也就越好。反之,量化位數(shù)越低,聲音的質(zhì)量就越差。
常用的量化精度一般有兩種:8位和16位。8位量化精度下,每個(gè)樣本值用8個(gè)二進(jìn)制位表示,能夠表示的聲音幅度范圍有限,聲音質(zhì)量相對(duì)較低。而16位量化精度下,每個(gè)樣本值用16個(gè)二進(jìn)制位表示,能夠表示的聲音幅度范圍更廣,聲音質(zhì)量更高。
三、編碼:數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)與傳輸
編碼是將量化后的離散值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼的過(guò)程,以便于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、處理和傳輸。在編碼過(guò)程中,我們需要按照一定的要求對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和編碼。編碼方法的選擇對(duì)于聲音的質(zhì)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量都有重要影響。
聲音信息的編碼方法按照采樣對(duì)象的不同分為波形編碼和參數(shù)編碼。波形編碼是通過(guò)對(duì)聲音波形采樣后再進(jìn)行量化、編碼的過(guò)程。這種編碼方法能夠較好地保留聲音的真實(shí)感,但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大。為了減少聲音信息的數(shù)據(jù)量,還應(yīng)采取相應(yīng)的壓縮措施。常用的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制(PCM)和自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)等。PCM編碼方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),但壓縮效率較低;而ADPCM編碼方法則具有較高的壓縮效率,能夠在保證聲音質(zhì)量的前提下減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。
參數(shù)編碼是從聲音信號(hào)中提取特征參數(shù),然后在聲音播放(復(fù)原)時(shí)根據(jù)這些參數(shù)重建聲音信號(hào)的過(guò)程。這種編碼方法實(shí)現(xiàn)的編碼器一般叫做聲碼器(VOCODER),它的壓縮倍率很高,但重建的聲音質(zhì)量很難滿足高標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此,在需要高質(zhì)量聲音還原的場(chǎng)合,波形編碼方法更為常用。
四、影響數(shù)字化聲音質(zhì)量的因素
在聲音的數(shù)字化過(guò)程中,影響聲音質(zhì)量的主要因素包括采樣頻率、量化位數(shù)和聲道數(shù)等。采樣頻率越高,聲音的保真度就越高,聲音就越真實(shí);量化位數(shù)越大,表示聲音波形幅度的精度就越高,聲音的質(zhì)量也就越好;聲道數(shù)越多,表示聲音通道的個(gè)數(shù)越多,能夠呈現(xiàn)的聲音效果就越豐富。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,我們需要根據(jù)具體需求選擇合適的采樣頻率、量化位數(shù)和聲道數(shù)等參數(shù),以保證聲音的質(zhì)量滿足要求。