Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(национальный исследовательский университет)

(МГТУ им. Н.Э.Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ Информатика и системы управления

КАФЕДРА Информационные системы и телекоммуникации

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

НА ТЕМУ:

Программное устройство обработки аудио сигнала

Студент ИУ3-63 Гаврилов М.К.

Руководитель курсового проекта Недашковский В.М.

2017 г.



Оглавление

Введение

Задание

1. Теоретическая часть

1.1 Описание эффекта эхо

1.2 Описание эффекта дисторшн

2. Расчет эквалайзера

2.1 Разбиение на полосы

3. Разработка программы проигрывателя

3.1 Структура программы

3.2 Графический интерфейс пользователя

3.3 Работа программы

3.4 Структура программы

Заключение

Список использованных источников



Введение

Цифровой эквалайзер (многополюсный регулятор тембра) - это набор активных фильтров с амплитудами, настраиваемыми на создание формы передаточной функции ряда частотных полос.

На одном сигнальном процессоре программно реализуется весь набор цифровых фильтров. Выборки сигнала частично хранятся в кольцевом буфере процессора и постоянно обновляются.

Вычисления проводятся в реальном масштабе времени, поэтому быстродействие процессора должно быть соотнесено с частотой дискретизации обрабатываемого сигнала.

Наиболее обычным применением формата wav является хранение несжатого аудио в формате линейной импульсно-кодовой модуляции (LPCM). Стандартным форматом Audio-CD, например, является аудио в формате LPCM, с 2 каналами, частотой дискретизации 44 100 Гц и 16 бит на отсчет. Так как формат LPCM хранит несжатое аудио, которое идентично оригиналу, то это позволяет профессиональным пользователям и аудио экспертам использовать несжатое аудио для получения максимального качества звучания. Wav- файл также может быть изменен практически в любом аудио редакторе.

Wav - файлы достаточно большие, что делает этот формат неудобным для обмена по сети Интернет, и это сильно подрывает его популярность. Однако, этот формат как правило, чаще всего используется для сохранения аудио сигналов для файлов высокого качества в таких случаях, когда размер свободного дискового пространства не является ограничением. Он также используется в программах для редактирования аудио, где экономят время на сжатии и распаковке данных.



Таблица 1. Структура wav файла.

Местоположение	Поле	Описание
0..3 (4 байта)	chunkId	Содержит символы "RIFF" в ASCII кодировке
4..7 (4 байта)	chunkSize
8..11 (4 байта)	format	Содержит символы "WAVE"
12..15 (4 байта)	subchunk1Id	Содержит символы "fmt "
16..19 (4 байта)	subchunk1Size
20..21 (2 байта)	audioFormat	Формат аудио
22..23 (2 байта)	numChannels	Количество каналов. Моно = 1, Стерео = 2
24..27 (4 байта)	sampleRate	Частота дискретизации. 8000 Гц, 44100 Гц и т.д.
28..31 (4 байта)	byteRate	Количество байт, передаваемых за секунду воспроизведения.
32..33 (2 байта)	blockAlign	Количество байт для одной выборки, включая все каналы.
34..35 (2 байта)	bitsPerSample	Количество бит в выборке. Так называемая "глубина" или точность звучания. 8 бит, 16 бит и т.д.
36..39 (4 байта)	subchunk2Id	Содержит символы "data"
40..43 (4 байта)	subchunk2Size	Количество байт в области данных.
44..	data	Непосредственно WAV-данные.

WAV-файл использует стандартную RIFF-структуру, которая группирует содержимое файла из отдельных секций (chunks) - формат выборок аудиоданных, аудиоданные, и т. п. Каждая секция имеет свой отдельный заголовок секции и отдельные данные секции. Заголовок секции указывает на тип секции и количество содержащихся в секции байт. Такой принцип организации позволяет программам анализировать только необходимые секции, пропуская остальные секции, которые не известны или которые не требуют обработки

Аудиовыборки многоканального цифрового аудио сохраняются как чередуемые данные, которые просто означают последовательные аудиовыборки нескольких каналов. Выборки каналов сохранены последовательно друг за другом, перед тем как произойдет переход к следующему времени выборки. Это сделано с целью возможности последовательного проигрывания файла даже тогда, когда еще не весь файл прочитан целиком. Это удобно, когда проигрывается большой файл с диска (который не может быть размещен целиком в памяти) или файл передается в последовательном потоке данных через сетевое соединение.

При чтении файла, реализация, возможно, будет обеспечивать побайтное чтение в буфер. Нужно помнить, что элементы такого буфера не будут являться отсчетами, т.к. размер отсчета («битность») у разных файлов разная. В 16-битных wav-файлах на один отсчет одного канала приходится два расположенных друг за другом байта. [1]

Рисунок 1. Расположение отсчетов в wav-файле



Задание

Разработать программу проигрывателя *.wav файлов (рекомендуется на языке С#) с поддержкой заданной цепи эффектов и графическим N-полосным эквалайзером. Цепь состоит из двух различных эффектов. Эффекты и число полос эквалайзера N задаются вариантом.

Список базовых требований к программе:

· графический интерфейс;

· открытие и воспроизведение *.wav файлов;

· регулирование громкости;

· включение и отключение эффектов, эквалайзера;

· регулирование интенсивности эффектов эквалайзера;

· регулирование параметров эффектов (не менее 1 параметра);

· совместная работа эффектов и эквалайзера.

Написать расчетно-пояснительную записку, в которой привести:

· задание на выполнение курсовой работы;

· введение, содержащее в основном краткое описание и чтение wav-файлов;

· описание заданных звуковых эффектов, объяснение принципа их работы, разработанную блок-схему алгоритма работы каждого эффекта;

· обоснование выбора исходных данных для каждого из фильтров N-полосного эквалайзера и расчет каждого из фильтров;

· описание в графическом виде функционирования разработанной программы проигрывателя *.wav файлов с поддержкой заданной цепи эффектов и графическим N-полосным эквалайзером, а также алгоритм обработки аудио файла;

· обоснование и описание разработанного графического интерфейса программы проигрывателя;

· результаты тестирования, реализованного в виде решения контрольных задач, разработанной и отлаженной программы проигрывателя *.wav файлов;

· листинг разработанной программы с достаточным количеством комментариев, оформленный в соответствии с требованиями ЕСПД;

· заключение;

· оформленный в соответствии с требованиями ГОСТ список только той использованной при выполнении курсовой работы литературы, на которую имеется хотя бы одна ссылка в тексте расчетно-пояснительной записки.

При разработке эквалайзера необходимо вспомнить выполненное ранее домашнее задание на тему "Проектирование цифрового графического эквалайзера" и предварительно промоделировать в пакете MatLab проектируемый эквалайзер с рассчитанными фильтрами и заданные звуковые эффекты, а результаты моделирования привести в расчетно-пояснительной записке. частотный файл эквалайзер эффект

Содержание трех графических листов формата А3, оформленных в соответствии с требованиями ЕСКД:

· схема программного устройства обработки аудио сигнала;

· описание в графическом виде функционирования разработанной программы проигрывателя *.wav файлов;

· алгоритм обработки аудио файла;

· краткое описание звуковых эффектов и схемы их программной реализации;

· графический интерфейс программы проигрывателя;

· значимые иллюстративные примеры результатов моделирования в пакете MatLab проектируемого эквалайзера и заданных звуковых эффектов;

· иллюстративные примеры результатов решения контрольных задач доказывающие правильную работу программного устройства обработки аудио сигнала.

Таблица 2 Индивидуальное задание

Вариант	Количество полос	Эффект 1	Эффект 2
4	6	Эхо	Дисторшн



1. Теоретическая часть

1.1 Описание эффекта эхо

Эхо (англ. echo) -- звуковой эффект или соответствующее устройство, имитирующее чёткие затухающие повторы (эхо) исходного сигнала. Эффект реализуется добавлением к исходному сигналу его копии или нескольких копий, задержанных по времени.

По принципу действия схож с ревербератором и отличается от него лишь временем задержки, которое должно быть не менее 50-60 мс, который позволяет отделить оригинальный звук от эффекта на слух. [1]

Рисунок 2: Блок-схема алгоритма работы эффекта эхо

1.2 Описание эффекта вибрато

Дисторшн (англ. distortion -- искажение) -- звуковой эффект, достигаемый искажением сигнала путём его «жёсткого» ограничения по амплитуде, или устройство, обеспечивающее такой эффект. Наиболее часто применяется в музыкальных жанрах хард-рок, метал и панк-рок в сочетании с электрогитарой, а также в хардкор-техно и особенно в спидкоре и брейккоре с драм-машиной. Иногда этим термином обозначают группу однотипных звуковых эффектов (овердрайв, фузз и прочие), реализующих нелинейное искажение сигнала. Их также называют эффектами «перегруза»[1], а соответствующие устройства -- «искажателями».

Помимо электрогитары эффект применяют и с другими инструментами, например с бас-гитарой. Для бас-гитар применяются особые «искажатели», поскольку «искажатели» для гитар, в большинстве случаев, портят басовый звук, срезая значительную часть важных для него низких частот. Альтернативный вариант обработки бас-гитары заключается в использовании обычного «искажателя» и смешении чистого и обработанного сигналов в равной пропорции. «Искажатели» применяют также для обработки вокала и смычковых инструментов.

Эффект дисторшн, как компонент, присутствует в синтезаторах, эффект-процессорах и компьютерных программах для обработки звука.

Рисунок 3: Иллюстрация эффекта дисторшн



2. Расчет эквалайзера

2.1 Разбиение на полосы

Разобьем заданный участок частот на 6 полос с равным количеством октав:

Октавная полоса - полоса частот, в которой верхняя граничная частота в два раза больше нижней.

20 Гц - 20 Кгц

По 2 октавы(в предпоследнем и последнем участке по 1 октаве):

*20 - 80 Гц

*80 - 320 Гц

*320 - 1280 Гц

*1280 - 5120 Гц

*5120 - 10 240 Гц

*10 240 - 20 000 Гц

Центральные частоты:

*50 Гц

*200 Гц

*800 Гц

*3200 Гц

*7680 Гц

*15120 Гц.



3. Разработка программы проигрывателя

3.1 Структура программы

Рисунок 8: Алгоритм обработки аудио файла

Разработка программы была выполнена с помощью:

· Язык программирования - Java;

· Интегрированная среда обработки - Eclipse Jee Neon

· Язык программирования графического интерфейса - FXML;

· Платформа для консолидации графического интерфейса - JavaFX.

3.2 Графический интерфейс пользователя

Элементы графического интерфейса:

Кнопки:

· Открыть - открывает окно выбора звукового файла типа wav

· Play - начинает проигрывание файла

· Pause - приостанавливает проигрывание файла

· Reset - сбрасывает усиление полос эквалайзера, ползунка регулировки громкости, снимает эффекты

· Close - Закрывает программу

Слайдеры:

· Изменение громкости

· Степень эффекта

· Изменение коэффициента усиления полос эквалайзера от 0,001 до 1

Чек-боксы:

· Эхо - накладывает эффект эхо

· Дисторшн- накладывает эффект дисторшн

· Графики - отображает графики спектра сигнала

Графики:

· До фильтрации - спектр оригинального сигнала

· После фильтрации - спектр измененного сигнала



3.3 Работа программы

Рисунок 10. Приглушение высоких частот (>10кГц)

На рисунке 10 видно, что программа работает корректно.



3.4 Структура программы

Проект содержит 14 файлов с кодом, которые разбиты по логическим блокам (листинг приведен в приложении 4):

Графический интерфейс:

· EqualizerApp.java - описывает создание окна для размещения приложения и запускает поток main;

· FXMLDocumentController.java - описывает обработчики элементов интерфейса пользователя;

· FXMLDocument.fxml - описывает интерфейс пользователя на языке разметки FXML.

Эквалайзер:

· CoefFilters.java - описывает неизменяемые программой коэффициенты передаточной функции фильтра;

· Filter.java - описывает создание фильтра и применение алгоритма свертки к сигналу;

· Equalizer.java - описывает фильтрацию сигнала.

Проигрыватель:

· AudioFileFormat.java - описывает параметры используемого звукового файла;

· AudioPlayer.java - описывает процесс проигрывания файла, применения к нему звуковых эффектов и фильтрации;

· FFT.java - описывает алгоритм БПФ ;

· OutputAudioStream.java - описывает формирование выходного потока для воспроизведения;

· ReadMusicFile.java - описывает процесс чтения звукового файла.

Эффекты:

· Echo.java - описывает алгоритм применения эффекта эхо;

· Vibrato.java - описывает алгоритм применения эффекта вибрато;

· Effect.java - абстрактный класс-родитель для классов эффектов.



Заключение

В ходе курсовой работы был спроектирован аудио-плеер со следующими возможностями:

· Выбор аудиофайла с расширением .wav

· Управление воспроизведением: проигрывание, пауза, регулировка громкости

· Наложение эффектов: эхо, дисторшн.

· 6-полосный эквалайзер на основе БИХ-фильтров 8 порядка, спроектированных методом Чебышева Второго рода

· Построение спектров оригинального и модифицированного сигнала

Разработка приложения велась на языке Java, графического интерфейса - на языке разметки FXML. Результаты, полученные в ходе работы, совпали с ожидаемыми и полностью отвечают требованиям, описанных в ТЗ.



Список использованных источников

1. Недашковский В. М., Бимурзиев А. С., Савкин Д. Ю. Методические указания по выполнению курсовой работы по курсу «Основы теории управления и цифровая обработка сигналов» «Программное устройство обработки аудио сигнала». МГТУ, 2015

2. Петелин Р. «Звуковая студия в PC» март 1998

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эхо - Электронный ресурс. Дата обращения - 12.03.2017

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Амплитудное_вибрато- Электронный ресурс. Дата обращения - 12.03.2017

Размещено на Allbest.ru