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1、游戏编程技术-I第八讲游戏中的声音1主要内容声音的基础知识声音的计算机处理声音文件结构Windows系统中声音的播放音乐音效在游戏中的作用2声音的基础知识3声音声音是携带信息的极其重要的媒体，是多媒体技术研究中的一个重要内容。声音的种类繁多，如人的话音、乐器声、动物发出的声音、机器产生的声音以及自然界的雷声、风声、雨声、闪电声等。这些声音有许多共同的特性，也有它们各自的特性。在用计算机处理这些声音时，既要考虑它们的共性，又要利用它们的各自的特性。4声音的本质声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。声音的强弱体现在声波振幅的大小上，音调的高低体现在声音的频率上。声音用电表示时，声音信号在时间和
2、幅度上都是连续的模拟信号。声波具有普通波所具有的特性，例如反射(reflection)、折射(refraction)和衍射(diffraction)等。5声音的特点对声音信号的分析表明，声音信号由许多频率不同的信号组成，这类信号称为复合信号，而单一频率的信号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽，它用来描述组成复合信号的频率范围。如高保真音信号(high-fidelityaudio)的频率范围为10Hz20000Hz，它的带宽约为20kHz。声音信号的两个基本参数是频率和幅度。信号的频率是指信号每秒钟变化的次数，用Hz表示。幅度则指声音所携带的能量。6声音的三要素音调、音强、音色为声音的
3、三要素。音强（响度）取决于声音的幅度（分贝）。音调取决于声音的频率。音色是由混入基音的泛音所决定的。7音乐音乐音乐 起初是与巫术和宗教活动联系在一起的，舜作“韶”、禹作“大夏”、武王作“大武”，“乐”被孔夫子列为“六艺”之一。后来，音乐从宗教中渐渐脱离出来，成为一种独立的艺术。8音乐以小提琴为例，当它的A弦振动时，并不仅仅是整根弦在振动，这根弦的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一处都在振动着。于是，整根弦的振动产生了最主要的频率，我们称之为基音基音，而弦长的二分之一、三分之一、四分之一等处的振动则产生了一些次要的频率，我们称之为泛音泛音。9音乐和噪音如果一个物体振动所发出的泛音为基音的整数
4、倍，这个音就会具有清晰可辨的音高，我们称之为乐音，如钢琴，小提琴等发出的都是乐音乐音；如果泛音是基音的非整数倍，这个音就不具备清晰可辨的音高，我们称之为噪音噪音，如汽车发动机、计算机风扇等发出的都是噪音。10音乐的四要素音高音高：由基音的频率决定。即“哆”“唻”“咪”等音符。响度响度：由声波的振幅决定。音色音色：由基音与泛音的比例、泛音的分布、泛音随时间的衰减变化决定。不同发音源（乐器）的材质、形状不同，其泛音的排列组合也不同，也就构成了这一物体特殊的音色。时值时值：乐音振动的持续时间，即节奏。11声音的计算机处理真实声音的数字化A-D计算机合成声音D-A12真实声音的数字化信号采样数字化13
5、声音信号现实世界中的声音信号是连续的计算机描述处理的对象是离散的所以需要对连续信号进行采样(数字化)14模拟信号话音信号是典型的连续信号，不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。在时间上“连续”是指在一个指定的时间范围里声音信号的幅值有无穷多个，在幅度上“连续”是指幅度的数值有无穷多个。我们把在时间和幅度上都是连续的信号称为模拟信号。15数字信号在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样(sampling)，由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。采样得到的幅值是无穷多个实数值中的一个，因此幅度还是连续的。如果把信号幅度取值的数目加以限定，这种由有限个数值组成的信号就称为离散幅
6、度信号。我们把时间和幅度都用离散的数字表示的信号就称为数字信号。16数字信号举例例如，假设输入电压的范围是0.0V0.7V，并假设它的取值只限定在0、0.1、0.2，0.7共8个值。如果采样得到的幅度值是0.123V，它的取值就应算作0.1V，如果采样得到的幅度值是0.26V，它的取值就算作0.3，这种数值就称为离散数值。17为什么要使用数字信号在数字域而不在模拟域中做信号处理的主要优点是：首先，数字信号计算是一种精确的运算方法，它不受时间和环境变化的影响；其次，表示部件功能的数学运算不是物理上实现的功能部件，而是仅用数学运算去模拟，其中的数学运算也相对容易实现；此外，可以对数字运算部件进行编
7、程，如欲改变算法或改变某些功能，还可对数字部件进行再编程。18声音的采样声音进入计算机的第一步就是数字化，数字化实际上就是采样和量化。连续时间的离散化通过采样来实现，就是每隔相等的一小段时间采样一次，这种采样称为均匀采样(uniformsampling)；连续幅度的离散化通过量化(quantization)来实现19声音的数字化声音数字化需要回答两个问题：每秒钟需要采集多少个声音样本，也就是采样频率(fs)是多少？每个声音样本的位数(bitpersample，bps)应该是多少，也就是量化精度。20电压范围电压范围 量化量化(dec)编码编码(bin)0.5 0.7 3 011 0.3 0.5
8、 2 010 0.1 0.3 1 001-0.1 0.1 0 000-0.3 -0.1 -1 111-0.5 -0.3 -2 110-0.7 -0.5 -3 101-0.9 -0.7 -4 10021奈奎斯特理论采样频率的高低是根据奈奎斯特理论(Nyquisttheory)和声音信号本身的最高频率决定的。奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音，这叫做无损数字化(losslessdigitization)。采样定律用公式表示为fs 2f 或者 Ts T/2其中f为被采样信号的最高频率。22采样精度样本大小是用每个声音样本的位数bit/
9、s(即bps)表示的，它反映度量声音波形幅度的精度。例如，每个声音样本用16位(2字节)表示，测得的声音样本值是在065536的范围里，它的精度就是输入信号的1/65536。样本位数的大小影响到声音的质量，位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多；位数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。23声音质量与数据率质量量采采样频率率(kHz)样本精本精度度(bit/s)单道声道声/立体声立体声数据率数据率(kB/s)频率范率范围电话88单道声8 2003400AM11.0258单道声11.02015000FM22.05016立体声88.2 507000CD44.116立体声176.420
10、2000024计算机合成声音使用电子元器件（计算机）生成音乐的技术称为电子音乐合成。数字合成法：FM频率调制合成音乐样本合成语音合成25频率调制（FM）合成法数字式频率调制合成法，简称为FM合成法。FM电子合成器先由震荡器产生一个载波作为基音，然后再产生若干个调制波带着许多泛音加在载波之上，您可以对这个组合加以任意调整，然后加上典型的声音包络线（ADSR），再通过数控滤波器和数控放大器送往数字/模拟转换器，从而形成最后的音响。26FM声音合成器的工作原理由以下五部分组成：数字载波器 调制器 声音包络发生器 数字运算器 模数转换器从理论上讲，从理论上讲，FM合成方法可以产生任何乐音，但是，这合成
11、方法可以产生任何乐音，但是，这种种“物理课式物理课式”的合成方法合成出来的声音不够真实。的合成方法合成出来的声音不够真实。27乐音样本合成法乐音样本合成法是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，播放时再加以调整、修饰和放大，生成各种音阶的音符。乐音样本通常放在ROM芯片上，播放时以查表的方式给出，所以这种合成器又叫做波表（wavetable）合成器。28Wavetable合成器的工作原理Wavetable合成器所需要的输入控制参数比较少，可控的数字音效也不多，产生的声音质量比FM合成方法产生的声音质量要高。乐音样本合成法29Wavetable合成器的衡量标准波表库容量音调数（复音数）音色数
12、特殊效果30软件波表与DLS(了解)软件波表，故名思义就是用软件来模拟硬件波表合成器，它的原理跟硬件波表完全一样，只不过硬波表是把乐器的波形存放到ROM里，在需要的时候直接调用；而软波表是把乐器的波形存到硬盘上的某一个文件里，在需要的时候通过CPU运算调用。所以，软波表会占用比较多的CPU资源。著名的软波表有YAMAHA公司的S-YXG系列和ROLAND公司的VSC系列，还有韩国COWON公司的JET-MIDI。由于硬波表价格难以令大众接受并且不易升级，于是就有了价格便宜的DLS（DownloadableSoundModules）波表合成技术，这是个介于硬波表和软波表之间的东西。虽然它能把波表存储在硬盘上，使用时再调入内存然后通过声卡上的专用音效芯片来处理。31语音合成SDK:http:/
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