Lezione 6: Suono (1) Informatica e Produzione Multimediale. Docente: Umberto Castellani

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1 Lezione 6: Suono (1) Informatica e Produzione Multimediale Docente: Umberto Castellani

2 Sommario Introduzione al suono Rappresentazione del suono Elaborazione digitale

3 Introduzione Quando un corpo vibra la sua vibrazione si propaga nell ambiente circostante sotto forma di onda di pressione (il suono). Il suono è sempre più indispensabile nelle applicazioni multimediali Cinema (sourround), Videogiochi, il WWW, CDmultimediali, Radio, Ambienti immersivi

4 Suono I suoni consistono in vibrazioni che formano un onda, la cui ampiezza misura l altezza dell onda e il periodo è la distanza tra due onde. AMPIEZZA PERIODO TEMPO (sull asse X si rappresenta il tempo, sull asse Y si rappresenta la variazione della pressione dell aria)

5 Caratteristiche del suono Frequenza (o altezza) Ampiezza (o intensità) Forma d onda(o Timbro) Rappresentazione spettrale del suono

6 Frequenza (o altezza) La frequenza è il numero di periodi (o di vibrazioni) al secondo espressa in Hertz. 1Hz = 1 vibrazione al secondo 1 Kilo Hertz = vibrazioni al secondo Intuitivamente: più il suono è acuto e maggiore è la sua frequenza Applet demo: applist/sound/sound.html

7 Frequenza: esempi Suono a 100 Hz Suono a 2000 Hz

8 Ampiezza (o intensità) L Ampiezza (o intensità) misura il volume del suono Si misura in decibel (Db), fa riferimento alla sensibilità dell udito (da 0 a 140 Db) Db Ambiente 140 Soglia del dolore 120 Claxon a 1m. 100 Metropolitana 80 Traffico medio 70 Conversazione a 1 m. 60 Ufficio 40 biblioteca 20 Studio musicale 0 Soglia udibilità

9 Ampiezza: esempio Suono a 1000 Hz 10, db in meno Suono a 1000 Hz, 10 db in più

10 Forma d onda Rappresenta il timbro del suono Intuitivamente la forma d onda è la carta d identità del suono sintetizzatore chitarra Es: suoni con stessa intesità e stessa frequenza ma con forma d onda diversa

11 Analisi spettrale del suono La forma d oda dipende dalle componenti frequenziali del suono Dall analisi di fourier è possibile scomporre il suono nelle sue componenti

12 Analisi spettrale: esempio Suono a 1000 Hz Suono a 100 Hz Suono composto

13 Rappresentazione del suono Per essere inserito nel calcolatore il suono deve essere digitale Occorre garantire la riproduzione del suono più verosimile alla sua versione originale (analogica) Occorre garantire la possibilità di elaborare il suono in maniera efficiente

14 Rappresentazione analogica Rappresentazione analogica: la curva continua nel tempo della variazione di ampiezza viene rappresentata con una curva continua nel tempo della variazione di tensione elettrica. Si ha una rappresentazione continua

15 Rappresentazione digitale Rappresentazione digitale: non si cerca di imitare le curve nel continuo ma si assegnano dei numeri che rappresentano l ampiezza in istanti di tempo sucessivi. Si ha una rappresentazione discreta (che approssima una curva continua) Si avvale di una rappresentazione simbolica (codifica digitale per rappresentare i numeri o digit)

16 Digitale v.s. Analogico Pro: Il digitale è più robusto al rumore E più facile elaborare il suono digitale (i.e., numeri) Contro Il digitale introduce una semplificazione del segnale Il digitale occupa tanta memoria Problema della traduzione digitale analogica

17 Catena di registrazione analogica Il microfono trasduce in segnale elettrico le variazioni del segnale acustico L amplificatore rende più visibile il segnale Il segnale elettrico viene registrato su un supporto (es. nastro magnetico o disco in vinile) Il supporto viene conservato o trasmesso Il lettore del supporto ricompone il segnale elettrico I diffusori acustici trasducono il segnale elettrico in acustico

18 Catena di registrazione digitale Analogamente Il segnale acustico viene tradotto in segnale elettrico Il segnale elettrico viene convertito in segnale digitale usando un Analogue to Digital converter (ADC) L ADC preleva i campioni del segnale ad istanti temporale fissati (sample rate SR) e li memorizza. Ogni campione viene codificato in numero Il segnale digitale viene memorizzato o trasmesso

19 Catena di registrazione digitale Il suono digitale viene convertito in analogico attraverso il Digital to analogue converter (DAC). Il Dac genera delle tensioni elettriche che sono proporzionali ai campioni del segnale digitale in corrispondenza degli istanti temporali di acquisizione Un interpolatore rende il segnale fluido in modo da togliere l effetto a gradini del campionamento Il suono analogico elettrico viene convertito in suono acustico attraverso i diffusori acustici

20 Digitalizzazione del suono La digitalizzazione del suono consiste nel passaggio da una rappresentazione acusticaanalogica ad una rappresentazione numerica. Si compone di due fasi: Campionamento Quantizzazione Suono analogico CAMPIONAMENTO Suono digitale QUANTIZZAZIONE Suono campionato

21 Campionamento Il campionamento è la discretizzazione del segnale analogico nel tempo. Si misura il valore dell onda (ampiezza) in intervalli di tempo costante. Maggiore è il numero di misure (campioni) che si effettuano nell unità di tempo e maggiore sarà la precisione della rappresentazione digitale. E cruciale il numero di campioni al secondo o Sample rate (SR).

22 Campionamento (2) Suono campionato a diverse frequenze di campionamento

23 Campionamento (3)

24 Teorema di Nyquist Quanto posso permettermi di semplificare il suono? Teorema di Nyquist: per digitalizzare un segnale (un suono) che contiene componenti di frequenze fino a x-hertz, occorre campionare ad un tasso di campionamento (SR) di almeno 2 x campioni al secondo. Esempio: se il segnale contiene componenti frequenziali a Hz, occorre prelevare almeno campioni per secondo (SR=20.000)

25 Campionamento (4) Di fatto nella digitalizzazione accade il processo inverso: Si fissa il tasso di campionamento (sulla base della potenza della macchina velocità e memoria) Si eliminano dal segnale le frequenze che violano il teorema di Nyquist (applicando un filtro passa basso) Es: se SR= allora devo eliminare dal segnale tutte le componenti con frequeza maggiore di 5500 Hz

26 Esempi Poiché la percezione dell udito dell essere umano arriva a max herz un SR > di è sufficiente per riprodurre il segnale senza perdita percettiva Es: la qualità del suono audio CD è a SR (per ciascun canale stereo)

27 Riproduzione In fase di riproduzione del segnale digitale occorre convertire i singoli campioni in segnale acustico Occorre garantire la velocità di decodifica dei campioni nell unità di tempo (es. il dispositivo, per la qualità audio CD, deve garantire di decodificare campioni al secondo) La velocità di lettura del supporto deve essere compatibile (es. floppy, HD, CD-ROM, DVD) La velocità di trasmissione deve essere compatibile (es. se il segnale viene trasmesso via Internet)

28 Quantizzazione La quantizzazione consista nel rappresentare ciascun campione (valore di ampiezza) in un numero binario Di fatto per ogni campione sono a disposizione un numero prefissato di bit La parola binaria (o profondità di bit o risoluzione): è il numero di valori a disposizione per quantificare l ampiezza Ogni parola individua un intervallo di ampiezza L ampiezza misurata dal campionamento cade in un certo intervallo, si associa al tal campione il suo intervallo

29 Quantizzazione: esempio Segnale quantizzato a diverse profondità di bit

30 Quantizzazione: valori tipici La qualità nastro è garantita con poco più di 8 bit per campione (2 8 = 256 valori di campionamento distinti) Nel CD-audio si usano 16 bit per campione (2 16 = valori di campionamento distinti) nell industria discografica si arriva a 24 bit N.b. l orecchio umano non percepisce più di 2 16 = livelli di quantizzazione distinti (capacità di dettaglio acustico della percezione umana)

31 Esempio di quantizzazione Rappresentazione analogica Rappresentazione digitale

32 Dinamica Dinamica: è misurata in decibel e rappresenta il rapporto fra il suono più forte e quello più debole che una stessa apparecchiatura (o un componente) può registrare e/o riprodurre. Molto semplicemente rappresenta la capacità di graduare in modo nitido l'intensità del suono (nel contesto complessivo) riproducendo nel giusto rapporto i picchi di intensità, i suoni di basso livello, e tutti i suoni la cui intensità è compresa trai due estremi.

33 Quantizzazione e dinamica ad una maggiore profondità di bit corrisponde la possibilità di registrare e/o riprodurre una maggiore dinamica. Es: i brani di musica classica hanno un alta dinamica, mentre la musica techno ha una dinamica molto limitata N bit Db 4 24 db 8 48 db db db

34 Riepilogo casi tipici:

35 Audacity Programma free per l editing audio di base