Vývoj technických prostředků pro záznam zvuku

T E C H N I C K Á U N I V E R Z I T A V L I B E R C I E K O N O M I C K Á F A K U L T A Semestrální práce Vývoj technických prostředků pro záznam zvuku Vypracovali: Tomáš Zeman, Eva Puhalová Obor: Manažerská informatika Ročník: 1. ročník navazujícího magisterského studia Školní rok: 2009/2010 Předmět: UMT ‐ Multimediální technologie Datum odevzdání: 24.5.2010 1
Analogový záznam zvuku 1.1 Mechanický záznam zvuku Historický vývoj ‐
mechanické herní skříně, flašinety, automatické klavíry či orchestriony ‐
Fonograf je první přístroj na nahrávání a reprodukci hlasu. Jeho vynálezcem byl roku 1877 Thomas Alva Edison o Záznam na fonografu byl uchováván na válečku o Nevýhodou proti desce jsou velké rozměry a kratší hrací doba fonografických válečků. o Nahrávací řetězec: Mechanické vibrace vzniklé řečí vytvořily na papíru drážky. Později Edison nahradil papír kovovým válcem se staniolovou fólií. Zařízení mělo dvě jednotky, jednu pro záznam, druhou pro přehrávání. Když se mluvilo do trouby, zvukové vibrace byly ve svislém směru zaznamenány do válce. ‐
Gramofon je zařízení pro přehrávání gramofonových desek, nosičů s mechanickým analogovým záznamem zvuku. Byl nejvýznamnějším přehrávačem masově šířených zvukových záznamů od počátku 20. století až do jeho 80. let. o Nevýhody: Hlavní nevýhodou byla délka nahrávky (v řádech minut‐ například 4 minuty) o Nahrávací řetězec: Zachycování akustických vibrací do mechanické podoby probíhalo za pomoci rezonátoru a jehly, či hrotu, který tyto vibrace vyrýval do desky. 1.2 Magnetický záznam zvuku V roce 1930 vynalezl Guglielmo Marconi systém magnetického nahrávání zvuku. Trh s nahrávkami ovládly magnetické kazety až během 50. let. V sedmdesátých letech 20. století byly cívkové magnetofony vytlačeny ze sektoru spotřební elektroniky magnetofony kazetovými. Principem magnetického záznamu je magnetování záznamového materiálu pomocí střídavého magnetismu. K tomu dochází ve štěrbině magnetické záznamové hlavy, kde se nosičem informace stává feromagnetická vrstva na povrchu pásku. Samotná záznamová hlava kruhového tvaru se skládá z plíšků magneticky měkkého materiálu, které vytvářejí elektromagnetický obvod. Ten je na vrcholu přerušen štěrbinou z nemagnetického materiálu. Cívka, která je namotána okolo, vytváří připojením střídavého proudu magnetické siločáry a magnetuje okolo posouvaný záznamový pás, který je tažen pohonným zařízením konstantní rychlostí. Reprodukce záznamu se provádí rovnoměrným posunem pásku se záznamem před štěrbinou snímací hlavy. Z feromagnetické vrstvy vystupují magnetické siločáry, které v momentě uzavření přes jádro hlavy vytváří na cívce střídavý proud. Po jeho zesílení a frekvenční úpravě je na výstupu (téměř) identický signál, jaký byl původně zaznamenaný. Snímací hlava má podobnou konstrukci jako hlava záznamová, má však menší šířku štěrbiny. V malých magnetofonech se obvykle používá namísto jedné hlavy záznamové a jedné reprodukční pouze jedna hlava tzv. univerzální. Než dojde k pořízení nového záznamu, musí být záznamový materiál odmagnetován a proto, při každém záznamu probíhá i automaticky odmagnetování‐vymazání předešlého záznamu. o Výhody: Magnetické pásky zapříčinily obrovský posun v radiovém vysílání – všechno se dalo snadno nahrát předem a poté z nahrávek a různých kazet namixovat dodatečně. Do té doby probíhala většina vysílání v reálném čase a pouštěly se například pouze písničky. o Nevýhody: Na pásku se často objevuje šum pozadí. Dále nemalý problém způsobuje magnetické pole. Ke zničení záznamu může dojít při manipulaci v blízkosti permanentních magnetů. Proto jsou části magnetofonu jako je motor, reproduktory apod. odstíněny nebo jinak konstrukčně řešeny. Je vhodné nepoužívané magnetické pásy čas od času převíjet. Zamezuje se tím prokopírování navinutých vrstev. Nezanedbatelný je z dlouhodobého hlediska i vliv magnetického pole země (archivace záznamů). Další obrovskou nevýhodou je sekvenční přístup k datům. To znamená, že informace uložená někde uprostřed pásky dlouhé i několik set metrů nebyla přístupná ihned, ale bylo ji třeba nejprve pracně několik minut vyhledávat. Nahrávací řetězec: člověk (hlas) > mikrofon > předzesilovač > magnetofon > záznamové médium 1.3 Optický záznam zvuku Elektrický signál se mění na světelný, který se časově rozložený zaznamenává na film. Optický záznam zvuku se používá obvykle u zvukového filmu na materiálu s fotograficky citlivou vrstvou. Zvuková stopa vzniká po straně filmového pásu. Princip jejího přehrání pak spočívá v tom, že je prosvětlována. Z jedné strany filmového pásu je zdroj světla, který dopadá v úzkém příčném proužku na zvukovou stopu filmu a z druhé strany filmu je fotobuňka, která snímá procházející světlo. Podle toho, kolik světla projde, vyšle fotobuňka odpovídající elektrický signál, který je následně zesílen a připojen na výstup (na reproduktory). Při pohybu filmového pásu se s ním tedy pohybuje i zvuková stopa, která svým pohybem mění intenzitu projitého světla do fotobuňky a ta ji převádí na elektrické impulsy. Z nich je vytvořen v reproduktoru zvuk. 2
Mikrofony Mikrofon je zařízení, pro přeměnu akustického (zvukového) signálu na signál elektrický. První mikrofon vynalezl tvůrce gramofonu Emile Berliner. Principy mikrofonů Kondenzátorový mikrofon: akustické kmity rozechvívají membránu, která je jednou z elektrod kondenzátoru, připojeného do elektrického obvodu. Elektretový mikrofon: je typem kondenzátorového mikrofonu, u něhož je elektrické pole, nezbytné pro funkci, vytvářeno elektretem, tedy nevodivou hmotou, která je permanentně elektricky nabitá Dynamický mikrofon: membrána pohybuje cívkou v magnetickém poli, vytvořeném permanentním magnetem, čímž je vytvářen elektrický proud. Dynamické mikrofony jsou méně citlivé než kondenzátorové mikrofony, lépe proto zpracují například hlasitý zpěv při živých vystoupeních. Bývají poměrně odolné proti mechanickému poškození. Nevyžadují napájení. Páskový mikrofon: Zvláštním případem dynamického mikrofonu je mikrofon páskový. Membránou je kovový pásek, nejčastěji proužek tenké hliníkové fólie, umístěný v magnetickém poli. Vzhledem k jeho mechanické konstrukci je náchylný k mechanickému poškození a je proto používán výhradně ve studiových podmínkách. Uhlíkový mikrofon: Membrána stlačuje uhlíková zrnka, čímž mění jejich odpor. Mikrofon umožňuje přímo modulovat procházející signál, čehož se využívalo na počátku 20. století, kdy ještě nebyly k dispozici zesilovací prvky. Piezoelektrický mikrofon: Pracuje na principu piezoelektrického jevu: stlačováním či ohybem některých materiálů (solí některých minerálů) vzniká elektrické napětí. Typy a modely mikrofonů 
Na stojan 
Klopák (na klopu‐1 cm) 
Ostatní ‐ Handka‐do ruky, short shotgun a shotgun‐ke snímání zvuku při filmování, boundry mic‐mikrofon je zapuštěn v destičce, která se položí na stůl nebo na podlahu, Laserový mikrofon‐speciální využití laserového paprsku jako mikrofonu Kondenzátorový mic dynamický mic páskový mic Shotgun short shotgun boundry mic 3
Digitální záznam zvuku Digitální signál se převádí a zaznamenává jako posloupnost jedniček a nul na pásku nebo disk. Z nich je pak bezkontaktně snímán magneticky nebo laserem. Převod analogového signálu na digitální Doposud uvedené techniky záznamu zvuku pracovaly s analogovým spojitým signálem. Nedostatkem těchto záznamu je vznik zkreslení v důsledku rušivých signálů. Proto se převádí na digitální. Převod probíhá v AD převodníku (Anolog‐to‐Digital converter), který převede analogový signál pomocí vzorkování na soustavu impulsů (PAM) a potom těmto impulsům v určitých hladinách přidělí číselný kód. Vznikne modulace PCM. Ve vzorkovacím obvodě se ze spojitého signálu vytvoří řada vzorků a každému vzorku se v závislosti na jeho amplitudě a polaritě v obvodu A/Č přidělí číselný kód, nejčastěji ve dvojkové soustavě. Bity jsou uspořádány do tzv. slov se stejným počtem bitů. Počet bitů v jednom slově závisí na rozlišovací schopnosti daného zařízení. Záznam je tím kvalitnější, čím vyšší je vzorkovací frekvence. Ta je zas tím vyšší, čím kratší je časový interval zjišťování stavu analogového signálu. Reprodukce pak probíhá tak, že se v DA převodníku (Digital‐to‐Analog converter) podle zapsaných hodnot vytváří zpětně analogový signál. Nosiči tohoto druhu záznamu zvuku jsou kompaktní disky, MiniDisky nebo DVD. Hlavní výhodou digitálního záznamu je možnost nahrávku ukládat a upravovat na PC. To přináší výrazné zjednodušení aplikace nejrůznějších zvukových či střihových efektů na nahraný zvuk. Spolu s rozšířením a zlevněním velkých datových nosičů (DVD, Blue‐ray, HD DVD, pevné disky v PC) se otevřely možnosti pro vysoce kvalitní digitální audio: Super Audio CD, DVD‐Audio (používá stejný formát jako Super Audio CD), BlueRay Disc, HD DVD. To přináší místo pro kvalitní záznam s vysokou vzorkovací frekvencí, vícebitové vzorkování, vyšší zvukovou kvalitu a více kanálů pro prostorový zvuk. Různé přenosové rychlosti, vzorkovací kmitočty a kanálové kombinace mohou být použity na jednom disku. Například DVD‐Audio disk může obsahovat 96 kHz / 24‐bit 5.1‐prostorový zvuk, stejně jako 192 kHz / 24‐bit stereo audio stopu. Audio kanály mohou být také rozděleny na dvě skupiny a uloženy pod různými formáty. Například přední reproduktory mohou přehrávat 96 kHz / 24‐bit 5.1‐prostorový zvuk, zatímco postranní reproduktory přehrávají zvuk s parametry 48 kHz / 20‐bit. Ukázka nahrávacího řetězce: 4
Zvuk na PC: Každý současný PC/NTB obsahuje zvukovou kartu, obstarávající audio vstup a výstup. Nejjednodušší typy obsahují pouze stereo výstup a mikrofonový vstup. Nové PC už téměř bez vyjímky podporuji vícekanálový zvuk 5.1, vyjímečně 7.1. Kvalitnější či profesionální zvuková karta obsahuje nejrůznější technologie pro zlepšení zvukové kvality, krystalizéry či simulaci prostorového zvuku. Hardwarově se zvukové karty liší především tím, jaké na sobě mají vstupy. Čím dražší karty, tím více vstupů mají. Co se týká kvality zvuku tak ten je v současné době vylepšován především softwarově. Některé z technologí na vylepšení zvuku jsou: Direc Sound 3D ‐ U her a zábavy se spíše klade důraz na dokonalou simulaci a vytvoření virtuálního "3D zvukového prostoru" (k probíhajícímu ději). Základním kamenem k vytvoření zvukové kulisy v 3D hrách bylo (a je) rozhraní Microsoft DirectSound 3D (DS3D). V zásadě se jedná o jednoduché rozhraní (API) umožňující "umístit" zvuky (s parametry) do virtuálního prostoru ‐ konečná tvorba zvukového prostoru pak záleží na hardware a ovládačích grafické karty. Díky tomu zní stejná scéna na různých zvukových kartách rozdílně (i když se používá stejný počet a rozmístění reproduktorů). EAX ‐ Firma Creative Labs velmi rychle obohatila rozhraní DirectSound 3D o jednoduché parametry (v první verzi se jednalo o dozvuk) zohledňující vliv prostředí. U základů vzniku EAXu byl poznatek, že zvuk motoru auta zní jinak v tunelu a jinak na otevřeném prostranství ‐ což první verze DS3D nebrala v úvahu. EAX byl, narozdíl od tehdy konkurenčního, kvalitního ale výpočetně náročnějšího algoritmu, Aureal 3D velmi jednoduchý a snadno implementovatelný ‐ každý zdroj sebou nesl několik parametrů které umožnily rychle vytvořit dojem odpovídajícího zvukového prostředí. Od té doby přenechala firma Microsoft část rozvoje Windowsího herního "zvukového API" firmě Creative Labs. Sensaura ‐ Sensaura je alternativní technologie renderingu 3D zvuku kompatibilní s rozhraním DirectSound 3D ale také s EAX. Sensaura obsahuje vlastní algoritmy umístění zvuku do prostoru, ať již v případě výstupu na dva reproduktory / sluchátka (používá se HRTF), nebo při použití vícekanálového výstupu 4.0, 4.1 až 7.1 (multi‐speaker HRTF). Sensaura je poměrně kvalitní zvuková technologie, v případě nejnovějších her však větší plasticity zvukového prostoru dosahují zvukové karty Sound Blaster využívající EAX Advanced HD 3.0 až 5.0. HRTF ‐ je způsob, jak v případě dvou zdrojů zvuku (reproduktorů / sluchátek) alespoň částečně simulovat prostorový zvuk. Spočívá na principu zpožďování signálu tak, aby mozek vyhodnotil, odkud signál přichází. HRTF funguje poměrně dobře u stereo sluchátek, horší podání virtuálního prostoru mají reproduktory. Principy HRTF dnes využívá jak Sensaura, tak EAX. Vlastní implementaci mají Dolby Laboratories (Virtual Dolby Pro‐logic a Dolby Headphones). 5.1 zvuk rozmístění repro: 10.2 surround format, vyvinuty firmou THX a Kalifornskou Univerzitou, údajně srovnatelný se zvukem IMAX 5
Převodníky Digitálně analogový převodník (zkratky D/A, v angličtině i DAC) je elektronická součástka určená pro převod diskrétního (neboli digitálního) signálu na signál spojitý (neboli analogový). Využití: CD, MP3 přehrávač,Minidisc, ve zvukových kartách v počítačích, v každém moderním digitálním telefonu (ISDN, GSM, UMTS) Analogově digitální převodník (zkratky A/D, v angličtině i ADC) je elektronická součástka určená pro převod spojitého (neboli analogového) signálu na signál diskrétní (neboli digitální). Důvodem tohoto převodu je umožnění zpracování původně analogového signálu na číslicových počítačích. Mezi nimi v současnosti převažují digitální signální procesory DSP, které jsou právě na zpracování takových signálů specializované.