đặc trưng của âm thanh trong cơ sở dữ liệu âm thanh số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Dƣơng Đình Sĩ ĐẶC TRƢNG CỦA ÂM THANH TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU ÂM THANH SỐ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐỖ TRUNG TUẤN Thái Nguyên, năm 2011 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình đến các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là các thầy cô giáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập nâng cao sau đại học. Nhân dịp hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp tại Thanh Hóa, đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và công tác, để tôi học tập và hoàn thành luận văn này. Xin gửi đến người thân, gia đình tôi, những người đã tạo điều kiện và động viên, trợ giúp tôi về tinh thần, thông cảm và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian học tập này. ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2011 Học viên Dương Đình Sĩ iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG ix Danh mục các hình ix Danh mục các bảng x MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ÂM THANH 3 1.1 Các dữ liệu đa phương tiện 3 1.1.1 Khái niệm về dữ liệu đa phương tiện 3 1.1.2 Phân loại dữ liệu đa phương tiện 5 1.1.3 Các đặc tính của dữ liệu đa phương tiện 6 1.2. Tổng quan về cơ sở dữ liệu đa phương tiện 6 1.2.1 Khái niệm về cơ sở dữ liệu đa phương tiện 6 1.2.2 Nhu cầu về cơ sở dữ liệu đa phương tiện 7 1.2.3 Phân loại cơ sở dữ liệu đa phương tiện 7 1.2.4 Đặc trưng của một cơ sở dữ liệu đa phương tiện 8 1.3 Cơ sở dữ liệu âm thanh 9 1.3.1. Về âm thanh 9 1.3.2. Về cơ sở dữ liệu âm thanh 9 1.4. Một số phần mềm cho phép xử lí âm thanh 10 1.5. Nhu cầu về âm thanh nhạc cụ 10 1.6. Kết luận 12 Chƣơng 2. CÁC ĐẶC TRƢNG ÂM THANH 13 2.1 Số hóa dữ liệu âm thanh 13 2.1.1 Đặc tính của âm thanh tương tự 13 2.1.2 Khái niệm tín hiệu 14 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.3 Phân loại tín hiệu 14 2.1.4 Mô hình hóa tín hiệu âm thanh 17 2.1.5 Kiến trúc xử lí tín hiệu âm thanh 18 2.1.6 Tần số lấy mẫu 20 2.1.7 Một số khái niệm toán học trong xử lí âm thanh 21 2.1.7.1 Phép biến đổi z 21 2.1.7.2 Phép biến đổi Fourier 22 2.1.7.3 Phép biến đổi Fourier rời rạc 22 2.1.8 Số hóa dữ liệu âm thanh 24 2.1.8.1 Các mô hình lấy mẫu và mã hóa âm thanh 24 2.1.8.2 Kiến trúc của hệ thống mã hóa âm thanh 29 2.2 Đặc trưng của dữ liệu âm thanh 30 2.2.1 Dữ liệu âm thanh 30 2.2.2 Các đặc trưng của âm thanh 32 2.2.2.1 Bản chất vật lí của âm thanh 32 2.2.2.2 Sóng âm 32 2.2.2.3 Pha 32 2.2.2.4 Phổ âm thanh 32 2.2.2.5 Năng lượng âm thanh 33 2.2.2.6 Nhịp và phách 33 2.2.2.7 Cộng hưởng 33 2.2.2.8 Formant 33 2.3 Âm thanh, âm nhạc và tiếng nói 34 2.3.1 Tương quan âm thanh, âm nhạc và tiếng nói 34 2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và tần số 35 2.3.3 Âm sắc nhạc cụ, bồi âm 36 2.4 Nhạc cụ 38 2.4.1 Họ thân tự vang 39 2.4.2 Họ màng rung 39 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4.3 Họ hơi 40 2.4.4 Họ dây 41 2.5 Kết luận 42 Chƣơng 3. CƠ SỞ DỮ LIỆU ÂM THANH 44 3.1 Phân tích, thiết kế cơ sở dữ liệu đa phương tiện 44 3.1.1 Cấu trúc của cơ sở dữ liệu đa phương tiện 44 3.1.1.1 Phân tích dữ liệu 44 3.1.1.2 Mô hình hóa dữ liệu 44 3.1.1.3 Lưu trữ dữ liệu 45 3.1.1.4 Xác định dữ liệu trả về 45 3.1.1.5 Truy cập dữ liệu 46 3.1.1.6 Phương tiện truyền thông 46 3.1.2 Các bước để tạo ra một cơ sở dữ liệu đa phương tiện 46 3.2 Xử lí âm thanh bằng Cool Edit 47 3.3 Tổ chức cơ sở dữ liệu âm thanh nhạc cụ 48 3.3.1 Tổ chức cơ sở dữ liệu đa phương tiện 48 3.3.1.1 Thiết kế và kiến trúc của cơ sở dữ liệu đa phương tiện 48 3.3.1.2 Tổ chức cơ sở dữ liệu dựa trên nguyên tắc thống nhất 51 3.3.1.3 Mô tả trừu tượng các đối tượng đa phương tiện 52 3.3.1.4 Ngôn ngữ hỏi dữ liệu đa phương tiện 52 3.3.1.5 Kỹ thuật tìm kiếm 53 3.3.2 Tổ chức cơ sở dữ liệu âm thanh nhạc cụ 54 3.3.2.1 Siêu dữ liệu thể hiện nội dung 54 3.3.2.2 Nội dung âm thanh dựa trên tín hiệu 55 3.4 Cài đặt cơ sở dữ liệu âm thanh nhạc cụ dân tộc Việt Nam 56 3.4.1 Mô tả bài toán 56 3.4.2 Phân tích, thiết kế cơ sở dữ liệu âm thanh về nhạc cụ dân tộc 57 3.4.2.1 Bảng dữ liệu về âm thanh, âm thanh nhạc cụ dân tộc 57 3.4.2.2 Bảng dữ liệu về tác giả, người sáng tác bản nhạc 58 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.2.3 Bảng dữ liệu về nghệ sỹ, người trình bày bản nhạc 59 3.4.2.4 Lược đồ quan hệ của cơ sở dữ liệu âm thanh 59 3.4.4 Cài đặt chương trình hỗ trợ việc xây dựng, khai thác cơ sở dữ liệu âm thanh nhạc cụ dân tộc Việt Nam 60 3.4.4.1 Chức năng cập nhật thông tin của nhạc sỹ, người sáng tác nhạc 61 3.4.4.2 Chức năng cập nhật thông tin của nghệ sỹ, người biểu diễn nhạc 61 3.4.4.3 Chức năng cập nhật thông tin bản nhạc 62 3.4.4.4 Chức năng tìm kiếm và trích xuất nhạc 63 3.4.4.5 Chương trình nghe nhạc 64 3.5 Kết luận 64 KẾ T LUẬ N 66 Các kết quả đạt được 66 Hướng tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Tài liệu tiếng Việt 68 Tài liệu tiếng Anh 68 Một số Website 69 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Từ gốc Nghĩa A/D hoặc D/A (A, Analog, D, Digital) Analog-Tín hiệu tương tự, Digital, Tín hiệu số. ADC, Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC, analog-to-digital converter Biến đổi tương tự , số Aliasing Chồng phổ AR, Autoregressive Hồi qui ARMA, auto regressive moving-average Hồi qui trung bình CCITT, Consultative Committee For Internationaltelephony And Telegraph Ủy ban điện thoại và điện tín viễn thông. DAC, Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự DBMS, Database Manager System Hệ quản trị cơ sở dữ liệu DFT, Discrete Fourier Transform Phép biển đổi Fourier rời rạc EMD Sound Cơ sở dữ liệu âm thanh nhúng EMD, Embedded Multimedia Databases CSDL đa phương tiện nhúng LMD Sound Cơ sở dữ liệu âm thanh liên kết LMD, Linked Multimedia Databases Cơ sở dữ liệu đa phương tiện liên kết MDB, Multimedia Database Cở sở dữ liệu đa phương tiện ODA, Office Document Architecture Dạng chuẩn văn bản PCM, Pulse Code Modulation Điều chế xung PDF, Portable Document Format Định dạng văn bản của Adobe RDBMS, Relational Database Management System Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ ROC, region of convergence Miền hội tụ SGML, Standard General Markup Language Định dạng văn bản viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn SQNR, Signal to Quantizing Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu so với ồn lượng tử ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Danh mục các hình Hình 1.1 Dữ liệu Đa phương tiện 8 Hình 1.2 Sử dụng nhạc cụ 11 Hình 2.1 Dạng sóng của tín hiệu âm thanh ghi nhận được 13 Hình 2.2 Tín hiệu liên tục theo thời gian 14 Hình 2.3 Tín hiệu rời rạc theo thời gian 15 Hình 2.4 Tín hiệu liên tục giá trị 15 Hình 2.5 Tín hiệu rời rạc giá trị 16 Hình 2.6 Tín hiệu tương tự 16 Hình 2.7 Tín hiệu số 16 Hình 2.8 Dạng sóng của âm thanh nguyên thủy 18 Hình 2.9 Dạng sóng của tín hiệu điện 18 Hình 2.10 Ngõ ra bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 19 Hình 2.11 Thực hiện việc lấy mẫu 19 Hình 2.12 Kết quả của việc lấy mẫu các giá trị 19 Hình 2.13 Dạng sóng được tái tạo lại 20 Hình 2.14 Vòng tròn đơn vị thuộc mặt phẳng z 22 Hình 2.15 Cấu hình hệ thống xử lí tín hiệu tương tự bằng phương pháp số 24 Hình 2.16 Hàm lượng tử với bước lượng tử q=1 26 Hình 2.17 Lỗi lượng tử 27 Hình 2.18 Mô tả luật mã hóa 13 với biên độ dương 29 Hình 2.19 Kiến trúc của hệ thống mã hóa âm thanh 30 Hình 2.20 Mô tả sóng âm 31 Hình 2.21 Formant phân biệt ah, uh 34 Hình 2.22 Sự tương quan giữa âm thanh, âm nhạc và tiếng nói 34 Hình 2.23 Sóng âm không có tính nhạc của cánh cửa sập lại 34 Hình 2.24 Sóng âm của dây đàn Guitar có tính nhạc 35 Hình 2.25 Sóng của âm thanh có tính nhạc (a) và không có tính nhạc (b) 35 [...]... một số đặc điểm mang tính khái quát về cơ sở dữ liệu âm thanh, âm thanh nhạc cụ Với mục tiêu là tìm hiểu và xây dựng cơ sở dữ liệu âm thanh nhạc cụ nên ở chương tiếp theo sẽ trình bày các đặc trưng của dữ liệu đa phương tiện, dữ liệu âm thanh, các thao tác số hóa, chỉ mục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Chƣơng 2 CÁC ĐẶC TRƢNG ÂM THANH 2.1 Số hóa dữ liệu. .. dữ liệu cho cơ sở dữ liệu này Để nêu rõ các đặc trưng âm thanh, đối tượng xem xét là dữ liệu âm thanh nhạc cụ, đặc biệt là âm thanh của các nhạc cụ dân tộc Cấu trúc của luận văn : Luận văn bao gồm các chương : 1 Chương 1: Tìm hiểu về khái niệm tổng quan của cơ sở dữ liệu âm thanh 2 Chương 2: Nêu các đặc trưng âm thanh 3 Chương 3: Đề cập phân tích, thiết kế và xây dựng cơ sở dữ liệu âm thanh Cuối cùng... chính là các đối tượng âm thanh đã được số hóa thành các dữ liệu âm thanh có thể lưu trữ trên các thiết bị nhớ Thực chất cơ sở dữ liệu âm thanh là cơ sở dữ liệu dùng để lưu trữ và truy cập các đối tượng âm thanh trên máy tính điện tử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Cũng tương tự như cơ sở dữ liệu đa phương tiện, cơ sở dữ liệu âm thanh cũng có thể được... hóa của từng loại dữ liệu đa phương tiện là yêu cầu để triển khai và ứng dụng công nghệ đa phương tiện vào đời sống Trong đó, việc tìm hiểu các đặc trưng, phương pháp số hóa, phương pháp trích chọn, tìm kiếm của dữ liệu âm thanh trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 cơ sở dữ liệu âm thanh hiện đang được quan tâm đặc biệt bởi các đặc thù của dữ liệu âm thanh. .. quả 6 Cơ sở dữ liệu đa phương tiện là ngân hàng, là kho lưu trữ thông tin đa phương tiện để nhiều người cùng khai thác với các mục đích khác nhau 1.2.3 Phân loại cơ sở dữ liệu đa phương tiện Có thể phân cơ sở dữ liệu đa phương tiện thành hai loại: cơ sở dữ liệu đa phương tiện liên kết và cơ sở dữ liệu đa phương tiện nhúng 1 LMD là cơ sở dữ liệu được tổ chức như một cơ sở dữ liệu chứa siêu dữ liệu Các... chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của âm thanh Cả tiếng ồn và âm nhạc đều là các âm thanh Trong việc truyền tín hiệu bằng âm thanh, tiếng ồn là các dao động ngẫu nhiên không mang tín hiệu 1.3.2 Về cơ sở dữ liệu âm thanh Cơ sở dữ liệu âm thanh trước hết là một cơ sở dữ liệu đa phương tiện, tức là cơ sở dữ liệu lưu trữ các đối tượng đa phương tiện Nhưng... tin trong khoảng thời gian ngắn, ứng dụng nhiều trong đời sống, đó chính là lí do tôi chọn đề tài Đặc trưng âm thanh trong cơ sở dữ liệu âm thanh số Do nội dung của đề tài rộng và không thể thực hiện đầy đủ trong thời gian thực tập tốt nghiệp, tôi xác định những việc đầu tiên, phục vụ trực tiếp cho luận văn là (i) kiến trúc và yêu cầu của cơ sở dữ liệu âm thanh số hóa; (ii) chuẩn bị đặc trưng dữ liệu. .. loại: cơ sở dữ liệu âm thanh liên kết và cơ sở dữ liệu âm thanh nhúng Trong đời sống, cơ sở dữ liệu âm thanh có vai trò rất quan trọng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: (i) Kiểm soát điện thoại; (ii) Nhận dạng tín hiệu âm nhạc;… 1.4 Một số phần mềm cho phép xử lí âm thanh Có nhiều công trình đề cập việc xử lí âm thanh Theo thông tin trên trang Wiki 2011, có nhiều phần mềm xử lí âm thanh, ... luận của luận văn và danh sách các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ÂM THANH Chương 1 trình bày một số khái niệm tổng quan liên quan đến dữ liệu âm thanh nói riêng, dữ liệu đa phương tiện nói chung và cơ sở dữ liệu âm thanh 1.1 Các dữ liệu đa phƣơng tiện 1.1.1 Khái niệm về dữ liệu. .. EMD là loại cơ sở dữ liệu mà bản thân các đối tượng đa phương tiện được lưu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu và được coi như các thành phần nhị phân Ưu điểm chính của cơ sở dữ liệu loại này là thời gian truy cập nhanh, tuy nhiên kích thước của cơ sở dữ liệu sẽ rất lớn do các đối tượng đa phương tiện thường có dung lượng rất lớn Hình 1.1 Dữ liệu Đa phƣơng tiện 1.2.4 Đặc trưng của một cơ sở dữ liệu đa phương . cầu của cơ sở dữ liệu âm thanh số hóa; (ii) chuẩn bị đặc trưng dữ liệu cho cơ sở dữ liệu này. Để nêu rõ các đặc trưng âm thanh, đối tượng xem xét là dữ liệu âm thanh nhạc cụ, đặc biệt là âm thanh. 1.2.4 Đặc trưng của một cơ sở dữ liệu đa phương tiện 8 1.3 Cơ sở dữ liệu âm thanh 9 1.3.1. Về âm thanh 9 1.3.2. Về cơ sở dữ liệu âm thanh 9 1.4. Một số phần mềm cho phép xử lí âm thanh 10 1.5 lấy mẫu và mã hóa âm thanh 24 2.1.8.2 Kiến trúc của hệ thống mã hóa âm thanh 29 2.2 Đặc trưng của dữ liệu âm thanh 30 2.2.1 Dữ liệu âm thanh 30 2.2.2 Các đặc trưng của âm thanh 32 2.2.2.1