8003203 Digitaalinen audio Luennot, kevät 2005 Tuomas Virtanen Tampereen teknillinen yliopisto Kurssin tavoite Johdanto 2 Tarjota tiedot audiosignaalinkäsittelyn perusteista perusoperaatiot, sekä niissä käytössä olevat ideat ja periaatteet tarkoitus antaa perustaidot, vaikkei viimeisiä virityksiä kurssin puitteissa voidakaan hioa Pitää audiosignaalinkäsittelyssä korvat päässä teknisten sovellusten perustana on akustiikka ja ihmiskuulo Luoda lyhyt katsaus nykytekniikkaan missä mennään, mihin seuraavaksi mennään Sisältö Johdanto 3 Mitä kurssilla ei käsitellä Johdanto 4 Ääni, äänisignaalit, akustiikka Kuulo Äänisynteesi ja efektit Audiosignaalinkäsittelyn perusoperaatioita AD/DA-muunnos suotimet ja suodinpankit audiosignaalinkäsittelyssä dynamiikan hallinta Audiokoodaus Virtuaaliakustiikka ja 3D-audio (vierailuluento, jos järjestyy) Kuluttajan audiotekniikkaa tallennus- ja siirtomuodot, surround-äänentoisto, Internet audio Kertaus Analoginen audio sähköakustiikka, akustiset mittaukset, äänentoisto, sekä kaiuttimien, vahvistimien ja mikrofonien suunnittelu osittain kurssin Akustiikan mittaukset asiaa Puheenkäsittely puheenkäsittely, puheentunnistus kurssit Puheenkäsittelyn menetelmät, Puheen koodaus ja Speech Recognition Laitteistototeutuksia AD/DA laitteistotasolla, signaaliprosessorit nykyisen audiotekniikan elektroniikkaa ja mekaanisia ratkaisuja kurssi Signal processors
Käytännön järjestelyt Johdanto 5 Harjoitukset Johdanto 6 Kurssin kotisivu: http://www.cs.tut.fi/~tuomasv/da/ Luennot salissa TB 109 keskiviikkoisin klo 10-12 Tuomas Virtanen, tuomas.virtanen @ tut.fi, TC 318 (käytä kyselyihin sähköpostia) Harjoitukset alkavat viikolla 3 ks. seuraava sivu News-ryhmä tut.skl.audio Luentomateriaali tulee webbiin ja hyllyyn TC 4** käytävällä kurssiin ei ole mitään yhtä oppikirjaa, prujulla pärjää hyvin kirja 1: Zölzer. Digital audio signal processing, Wiley&Sons 1997. kirja 2: Brandenburg, Kahrs. (1998). Applications of digital signal processing to audio and acoustics, Kluwer Academic Publishers Suoritusvaatimuksena on tentti ja harjoitustyö Harjoitukset alkavat viikolla 3 (17.1 alkava viikko) Harjoitusajat (kolme vaihtoehtoista ryhmää) maanantaisin klo 14-16 tiistaisin klo 14-16 perjantaina klo 10-12 harjoitussali tavallisesti TC131, paitsi viikoilla 3, 4, ja 8 tietokoneharjoitukset TC303:ssa harjoitukset pitää Jouni Paulus, paulus @ cs tut fi, TC 318 Sisältö: luentoaiheita sivuavia lasku- ja ohjelmointitehtäviä, sekä demonstraatioita Harjoituksista saa tenttiin maksimissaan kolme lisäpistettä (vastaa n. yhden arvosanan korotusta) edellyttää viikkoharjoitusten tekemistä ja aktiivista läsnäoloa tietokoneharjoituksissa Harjoitustyö Johdanto 7 Lyhyt johdanto audiosignaaleihin Johdanto 8 Harjoitustyö toteutetaan Matlabilla kahdessa vaiheessa lisätietoja harjoituksissa Viime vuosina osoittautunut vaativaksi erityisesti tietokoneharjoituksissa käyminen helpottaa työtä aloittakaa tekeminen ajoissa! Audio = ääneen tai kuulemiseen liittyvä Sanalla ääni voidaan tarkoittaa joko 1. Kuuloaistimusta ihmisen kuulojärjestelmässä, tai 2. Väliaineessa tapahtuvaa värähdystä, joka voi tuottaa aistimuksen kuulijalle Ihmiskuulon takia rajoitutaan useimmiten taajuusalueelle 20 Hz 20 khz, ja väliaineena on ilma (kuulo tosin toimii myös esim. veden alla) Äänisignaali - audiosignaali Numeerinen esitys äänestä Esim. mikrofonilla mitattu ilmanpaine ajan funktiona Tällä kurssilla yleensä digitaaliset signaalit
Audiosignaalinkäsittelystä Johdanto 9 Esimerkkejä äänisignaaleista Johdanto 10 Missä audiosignaalinkäsittelyä tarvitaan? Perinteinen digitaalisen signaalinkäsittelyn ketju: 1. Digitoidaan signaali 2. Käsitellään digitaalisesti (monipuolisia algoritmeja) 3. Muutetaan takaisin analogiseksi Esimerkkejä: Muutetaan musiikkikappale mp3:ksi ja tallennetaan kovalevylle, toistetaan myöhemmin (audiokoodaus) Lisätään laulajan ääneen kaikua, korjataan äänenkorkeutta (studiotekniikka) Korjataan kaiuttimen epäidealisuuksista johtuvia virheitä digitaalisella vastekorjauksella Tällä kurssilla esimerkkeinä käytetään yleensä musiikkisignaaleja sisältävät monipuolisesti erilaisia ääniä Jatkuvaherätteinen jaksollinen ääni: oboe (1) Johdanto 11 Jatkuvaherätteinen jaksollinen ääni: oboe (2) Johdanto 12 Ilmanpaine ajan funktiona (nollataso = normaali ilmanpaine) on luonnollinen esitys äänisignaalileille helppo äänittää ja toistaa mikrofonilla ja kaiuttimella Jatkuvaherätteinen ääni, äänen väri pysyy melko samanlaisena koko sen keston Suurennos hetkeltä t = 1.43 s signaali on jaksollinen
Jatkuvaherätteinen jaksollinen ääni: oboe (3) Johdanto 13 Jatkuvaherätteinen jaksollinen ääni: oboe (4) Johdanto 14 Äänisignaaleja tarkastellaan usein myös taajuustasossa Esim. jotkut kuulon kannalta tärkeät ominaisuudet ovat selkeämmin esillä taajuustason esityksessä Amplitudi desibeleissä Jaksollisen äänen spektri on myös jaksollinen, perustaajuus = 1 / jakso Spektrogrammi kuvaa äänen intensiteetin ajan ja taajuuden funktiona Hetkellisherätteinen jaksollinen ääni: kitara Johdanto 15 Esimerkkejä äänisignaaleista 3: virvelirumpu Johdanto 16 Kitara: hetkellisherätteinen jaksollinen ääni Alun jälkeen vaimenee suurinpiirtein eksponentiaalisesti Hetkellisherätteinen ei-jaksollinen ääni, vaimenee myös eksponentiaalisesti
Esimerkkejä äänisignaaleista 3: virvelirumpu (2) Suurennos äskeisestä Signaali on kohinamaisempi kuin oboe ja kitara Johdanto 17 Esimerkkejä äänisignaaleista 3: virvelirumpu (3) Spektri on myös kohinamainen Johdanto 18 Esimerkkejä äänisignaaleista 3: virvelirumpu (4) Johdanto 19 Polyfoninen musiikki (1) Johdanto 20 Spektrogrammi Polyhonisessa musiikissa on useita äänilähteitä summautuneena (lineaarinen superpositio)
Polyfoninen musiikki (2) Johdanto 21 Spektrogrammista näkyy mm. musiikin rytminen rakenne