Slides (in Finnish) from the course "Fundamentals of Digital Audio Processing".

1. Digitaalisen äänenkäsittelyn
perusteet
Jouni Smed
jouni.smed@utu.fi
syksy 2010

2. Yleistä




laajuus: 5 op. (3 ov.)
esitiedot: Java-ohjelmoinnin perusteet
luennot:
 tiistaisin 10–12 salissa β
 torstaisin 10–12 salissa β
kurssin kotisivu: http://bit.ly/dap_10

3. Tentit 1(2)



tenttipäivät
1.
joulukuussa 2010 (?)
2.
tammikuussa 2011 (?)
3.
helmikuussa 2011 (?)
varmista tenttiaika ja -paikka
http://www.it.utu.fi/opiskelu/tentit/
muista ilmoittautua ajoissa!

4. Tentti 2(2)


kurssi on myös mahdollista suorittaa sähköisenä
tenttinä
 tenttiluokka PharmaCityssä (1. krs)
 avoinna arkipäivisin klo 8–20
 tenttiaika 4 h (kuten normaalissa tentissä)
 ajanvaraus max 30 vrk etukäteen verkoitse
 DÄP-tentti avoinna 29.11.2010–4.3.2011
lisätiedot ja varaukset: https://tenttis.utu.fi

5. Harjoitustyö 1(2)




vapaaehtoinen
yksin tehtävä
palautettava 8.12.2010 klo 14:00 mennessä
moodle-sivun kautta
arvostelu
 hylätty, 1–5
 lineaarinen tenttibonus:
 1 → ei korotusta
…
 5 → yhden arvosanan korotus

6. Harjoitustyö 2(2)
tehtävissä Audacity-ohjelmistolla
 saatavana vapaasti
http://audacity.sourceforge.net/
 alustana Windows, Mac OS X tai
Linux/Unix
 tai muulla vastaavalla äänityökalulla
 esim. SoundForge, AdobeAudition…


7. Kurssin luentoaikataulu
Luento Pvm.
Aihe
1. 2.11 ti
Johdanto 1(2)
2. 4.11 to
Johdanto 2(2)
3. 9.11 ti
Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 1(2)
4. 11.11 to Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 2(2)
5. 16.11 ti
Taajuuteen kohdistuvat operaatiot
6. 18.11 to Aikaan ja aaltomuotoon kohdistuvat operaatiot
7. 23.11 ti
Javan ääniohjelmointi 1(2)
8. 25.11 ti
Javan ääniohjelmointi 2(2)

8. Tavoitteet
teoreettinen: ymmärtää äänenkäsittelyyn
liittyviä käsitteitä
mitä voidaan tehdä
 käytännöllinen: ymmärtää operaatioiden
vaikutus ääneen
mitä pitää tehdä


9. Mitä ei käsitellä — ainakaan
syvällisesti
äänentoistoa
 akustiikkaa
 äänittämistä
 musiikintekoa
 MIDIä
 signaaliprosessointia
 tiivistämistä
 tiedostoformaattien esitysmuotoa


10. Kurssin rajapinnat
DÄP

11. Sisällys 1(3)
1.
Perusteita
1. Äänen fysiikkaa
2. Psykoakustiikka
3. Äänen syntetisointi
4. Samplaus ja kvantisointi
5. Tiedostoformaatit

12. Sisällys 2(3)
2.
Äänenkäsittelyoperaatiot
1. Voimakkuus
2. Taajuus
3. Aika
4. Aaltomuoto
5. Operaatioiden ketjuttaminen

13. Sisällys 3(3)
3.
Javan ääniohjelmointi
1. java.applet
2. javax.sound.sampled

14. Lähde- ja lisämateriaalia
Curtis Roads: The Computer Music
Tutorial, The MIT Press, 2000
 Esa Blomberg & Ari Lepoluoto: Audiokirja,
Tapiolan viestintäsuunnittelu, 1991
 J. Pekka Mäkelä: Kotistudio, 2. painos,
Like-kustannus, 2003


15. 1.1. Äänen fysiikkaa

ääni = väliaineessa etenevä mekaaninen
värähtely (aaltoliike), joka saa aikaan
kuuloaistimuksen
äänilähde
väliaine
havaitsija

16. Ääniaalto
p
p0
tihentymä
(ylipaine)
harventuma
(alipaine)

17. Aaltomuoto
jaksollinen
aaltomuoto
kohina

18. Taajuus (frequency)


taajuus, f: aaltojen
lukumäärä
aikayksikköä kohti
yksikkö: hertsi, Hz =
1/s
t

19. Aallonpituus ja amplitudi


aallonpituus, :
vastaavien pisteiden
etäisyys peräkkäisissä
aalloissa
amplitudi, A:
värähdysliikkeen
laajuus
A

20. Äänen spektri
A
A
t
f
A
A
t
f

21. Vaihe (phase)

22. Äänen nopeus



v=f
riippuu:
 väliaineesta
 lämpötilasta
ilmassa:
 −10ºC: 325 m/s
 +10ºC: 337 m/s
 +20ºC: 343 m/s

eri väliaineissa:
 vesi: 1480 m/s
 lasi: 5200 m/s
 teräs: 5000–5900
m/s
 puu: 3000–4000
m/s
 CO2: 259 m/s
 He: 965 m/s

23. Äänen mittayksiköitä
ääniteho, P
 watti, W
 mittaetäisyys 1 m
 äänen intensiteetti, I = P/A
 teho pinta-alayksikköä kohti
 äänenpaine, p = F/A:
 pascal, Pa = N/m2
 mittaetäisyys 1 m


24. Desibeli (dB)


ilmaisee:
 kahden suureen keskinäistä suuruutta
 suureen arvoa suhteessa johonkin
vertailutasoon
kahden äänitehon tai intensiteetin suhde:
L = 10 log10(I1/I0) dB
missä I0 on viitetaso

huom! mitta-asteikko on logaritminen

25. Desibeli äänen mittana

usein viitetasona käytetään ihmisen
kuulokynnystä: I0 = 10−12 W/m2

ihmisen kuuloaistimus on logaritminen
 3 dB:n muutos on havaittavissa
 10 dB:n muutos kuulostaa
äänenvoimakkuuden
kaksinkertaistumiselta tai puolittumiselta

26. 1.2. Psykoakustiikka

äänihavaintoon vaikuttavat
 kuuloaistin fysiologia
 aivojen tulkinta

27. Äänenvoimakkuuden aistinta



riippuu:
 äänenpaineesta
 taajuudesta
kuuloalue: 20 Hz–20 kHz
 herkimmillään 3–4 kHz:ssä
äänenvoimakkuus eli äänenpaineen taso (sound
pressure level):
 dBSPL = 20 log10(p1/p0)
 p0 = 20 Pa

28. äänenpainetaso (dB)
Fletcher-Munson -käyrästö
KUULOKYNNYS
taajuus (Hz)

29. Dynamiikka-alue
140
äänenpainetaso (dB)
120
tuntoaistimus
kipuraja
100
80
epämiellyttävyyden
kynnys
60
40
20
0
kuulokynnys
-20
31,5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k
taajuus (Hz)

30. Äänenpainetasoja
dB
suihkukone (5 m)
klassinen musiikki fff
paineilmapora (15 m)
televisio (3 m)
luento (3 m)
keskustelu (3 m)
klassinen musiikki ppp
kuiskaus (3 m)
lehtien havina
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
kipuraja
meluisa tehdas
meluisa katu
henkilöauton sisällä
myymälä
asumalähiö yöllä
hiljainen talo
kaiuton huone
kuulokynnys

31. Aivojen äänihavainto





tarkka äänimuisti on erittäin lyhyt: 1–2 s
on helppo kuulla sitä mitä haluaa
on helppo olla kuulematta epätärkeinä pidettyjä
ääniä
Haasin ilmiö: useita yhtäläisiä äänilähteitä
kuunnellessa lähin määrää havaitun äänensuunnan
kriittiset taajuuskaistat: ei havaita yksittäisiä
taajuuksia vaan taajuuskaistoja, joissa voimakas
ääni voi peittää kaistan hiljaisemmat äänet

32. Sävelkorkeus (musical pitch)




nuotin sävelkorkeus:
 suhteessa taajuuteen
 voimakkuus voi vaikuttaa madaltavasti
standardi sävelkorkeus: 440 Hz = A
oktaavi (octave) = taajuuden kaksinkertaistus
 siis 220 Hz = A, 880 Hz = A jne.
puolisävelaskeleen (semitone) taajuussuhde =
12 2:1
1,06:1

33. Nuottien taajuudet
Nuotti
Taajuus (Hz)
A
440
G#
415
G
392
F#
370
F
349
E
330
D#
311
D
294
C#
277
C (keski-C)
262
h
247
a#
233
a
220

34. Äänilähteiden taajuusalueita
Äänilähde
Taajuusalue (Hz)
naislaulaja
250–1000
mieslaulaja
100–350
huilu
fagotti
alttosaksofoni
250–2500
60–600
125–650
trumpetti
200–1000
viulu
200–3500
sello
70–600
piano
30–4000
kirkkourut
15–8000
ksylofoni
700–4000

35. Sointiväri (timbre)
erottaa äänilähteet toisistaan
 syyt:
 yläsävelet (harmonics)
 perustaajuuden harmonisia monikertoja
 aluke (starting transients)
 äänen alkaessa esiintyviä, eiharmonisia taajuuksia
 kestävät 0,01–0,2 s


36. 1.3. Äänen syntetisointi
 olemassa
olevien äänten jäljittely
 keinotekoisten äänten luonti

37. Menetelmiä
aaltomuototaulukkosynteesi (wavetable)
 vähentävä (subtractive) synteesi
 lisäävä (additive) synteesi
 FM-synteesi (frequency modulation)


38. Aaltomuototaulukkosynteesi


f1
samplataan äänilähdettä eri taajuuksilla
aaltomuototaulukko
mikäli haluttua taajuutta ei löydy
taulusta, interpoloidaan aaltomuoto
f2
f3
f4
f3.5
fn

39. Vähentävä synteesi
lähtöaaltomuodossa paljon yläsäveliä
 lopullinen sointiväri saadaan suodattamalla
pois taajuuksia

f
f

40. Lisäävä synteesi

summataan yhteen
eritaajuisia, -amplitudisia ja -vaiheisia
siniaaltoja

41. FM-synteesi
moduloidaan kantoaallon taajuutta toisella
aallolla
 muokataan lopullisen aaltomuodon
amplitudia verhokäyrällä

f
f

42. Ääniaaltoja
valkoinen kohina (white noise)
siniaalto (sine wave)
kanttiaalto (square wave)
kolmioaalto (triangular wave)
saha-aalto (saw wave)

43. 1.4. Samplaus ja kvantisointi
AD-muunnos: analogisesta digitaaliseksi
 DA-muunnos: digitaalisesta analogiseksi
 digitaalisen esitysmuodon etuja:
 kopioitavuus
 kohinan vähyys
 muokattavuus


44. Analoginen ääniketju
Levysoitin
Urat levyn
pinnassa
Esivahvistin
Heikko
sähköinen
signaali
Vahvistin
Hieman
vahvistettu
signaali
Vahvistettu
signaali
Kovaääninen
Ilmanpaineen
vaihtelu (ääni)

45. Digitaalinen ääniketju
CD-soitin
Binäärinumerot
DA-muunnin
Digitaalinen
signaali
Vahvistin
Analoginen
signaali
Vahvistettu
signaali
Kovaääninen
Ilmanpaineen
vaihtelu (ääni)

46. AD-muunnos



hetkellä t mikrofonin
kalvon poikkeama on
x(t)
kaksi ongelmaa:
 t:n diskretisointi:
samplaus
 x(t):n diskretisointi:
kvantisointi
kaksi
approksimaatiota!
x(t)
i0, i1, i2,..., im

47. Samplaus (sampling) eli näytteistys

48. Aliasointi eli liian matala
samplaustaajuus

49. Nyquistin taajuus

samplausteoreema:
fs
2 · fmax

jos fmax = 20 kHz, niin fs
40 kHz

huom! taajuudet > fmax voivat silti aiheuttaa
aliasointihäiriötä samplauksessa
 alipäästösuodatus
 antialiasointi

50. Kvantisointi (quantizing)

näytearvon pyöristys kokonaislukuun
 8 bittiä: [-128, +127]
 16 bittiä: [-32768, +32767]

51. Kvantisointi ja dynamiikka

digitaalisen tallennuksen dynamiikka:
toistoalue dB:einä ≈ bittien määrä × 6,11

8-bittinen kvantisointi: 48 dB
16-bittinen kvantisointi: 96 dB
 20-bittinen kvantisointi: 120 dB


52. 1.5. Tiedostoformaatit


itsensä kuvaavat (self-describing)
 hierarkinen rakenne
 sisältää tietoa esim.
 samplaustaajuudesta
 kanavien lukumäärästä
 käytetty koodauksesta
 tekijänoikeuksista
raa’at (raw)
 laiteparametrit ja koodaus kiinnitetty
 sisältää pelkkää dataa

53. Tiivistys (compression)
häviötön (lossless)
 koodauksen vaihto
 ei hukkaa
informaatiota

häviöllinen (lossy)
 saattaa hukata
informaatiota
virhe

bittien määrä

54. Yleisiä tiedostoformaatteja 1(2)
Tiedostopääte
Nimi
Kehittäjä(t)
.aiff, .aif
Audio Interchange
File Format
Apple, Electronic Arts
.au, .snd
Sun Audio
Sun, NeXT
.mp2, .mp3
MPEG Audio
Moving Picture Experts Group
.ogg
Ogg Vorbis
The Ogg Project

55. Yleisiä tiedostoformaatteja 2(2)
Tiedostopääte
Nimi
Kehittäjä(t)
.ra, .rm
Real Audio, Real
Media
Real Networks
.wav
Windows WAVE,
RIFF WAVE
Microsoft, IBM
.wma
Windows Media
Audio
Microsoft

56. 2. Äänenkäsittely
1.
2.
3.
4.
5.
Voimakkuus
Taajuus
Aika
Aaltomuoto
Operaatioiden ketjuttaminen

57. Operaatioesimerkkejä 1(2)
voimakkuus
taajuus

58. Operaatioesimerkkejä 2(2)
aika
aaltomuoto

59. Operaation osatekijät
operoitu
eli ”märkä”
vahvistus
(wet) signaali (gain)
operaatio
+
tulosignaali
lähtösignaali
operoimaton
eli ”kuiva”
(dry) signaali

60. 2.1. Voimakkuus
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Säätö, nosto ja häivytys
Normalisointi
Panorointi
Amplitudin modulointi
Verhokäyrä
Kompressointi eli dynamiikan supistaminen
Limitointi eli tason rajoittaminen
Särö
Ekspandointi eli dynamiikan laajentaminen
Kohinaportti

61. Äänenvoimakkuuden operaatiot
muokkaavat ääniaallon amplitudia
 dynamiikka = äänenvoimakkuuden vaihtelu


62. 2.1.1. Säätö, nosto ja häivytys
säätö (control)
nosto (fade in)
häivytys (fade out)

63. 2.1.2. Normalisointi
engl. normalizing
 huippuarvo (maximum peak value)
 RMS (root mean square) eli tehollisarvo


64. 2.1.3. Panorointi
engl. pan
 äänikanavien välisen voimakkuuden
säätäminen
 tasapainotus eli balanssointi (balance)


65. 2.1.4. Amplitudin modulointi

66. 2.1.5. Verhokäyrä
engl. envelope
 ADSR-verhokäyrä:

huipputaso
pitotaso
0
aluke kesto
(attack) (decay)
pito
(sustain)
päästö
(release)
t

67. Verhokäyräesimerkki

68. 2.1.6. Kompressointi eli
dynamiikan rajoittaminen
engl. compressing
 kun tulosignaalin voimakkuus ylittää
annetun kynnystason, tulosignaalin nousu
aiheuttaa lähtösignaalissa pienemmän
nousun
 äänten keskinäinen voimakkusero pienenee
 huom! compressing ≠ compression
 kyse ei ole siis äänidatan tiivistämisestä!


69. Perusparametreja
kompressiosuhde (compression ratio):
 tulosignaalin nousu:lähtösignaalin nousu
 esim. 3:1 = 3 dB:n nousu tulosignaalissa
nostaa 1 dB lähtösignaalia
 kynnystaso (threshold level): taso jonka
yläpuolella kompressointi alkaa vaikuttaa


70. Kompressointi
lähtö (dB)
14
1:1
12
2:1
10
4:1
8:1
:1
8
6
kynnystaso
4
2
tulo (dB)
2
4
6
8
10
12
14

71. Lisäparametreja
tartunta-aika (attack time): aika joka kuluu
kynnystason ylityksestä täyteen
kompressointiin
 päästöaika (release time): aika jossa
kynnystason alitus palauttaa signaalin
normaaliksi


72. Kompressointi ja aaltomuoto
alkuperäinen ääni
kompressoitu ääni
kompressoitu
ja vahvistettu ääni

73. Käyttötapoja
instrumentin (esim. basso)
”tukevoittaminen”, jolloin se saadaan
helpommin esiin muiden äänten seasta
 kompressoitu taustamusiikki voidaan
miksata voimakkaammaksi ilman että se
peittäisi puhetta
 kohinan peitto (esim. radiolähetyksissä tai
tallennuksessa)


74. 2.1.7. Limitointi eli tason
rajoittaminen
engl. limiting
 estää signaalin voimakkuuden nousun
annettua tasoa suuremmaksi
 kompressoinnin erikoistapaus:
kompressiosuhde :1


75. 2.1.8. Särö


engl. distortion
syntyy signaalin leikkautuessa:
leikkaustaso
kova leikkaus
alkuperäinen signaali

muuttaa sointiväriä
pehmeä leikkaus

76. 2.1.9. Ekspandointi eli dynamiikan
laajentaminen
engl. expanding
 kun tulosignaalin voimakkuus alittaa
annetun kynnystason, tulosignaalin lasku
aiheuttaa lähtösignaalissa suuremman
laskun


77. Parametreja




ekspansiosuhde (expansion ratio):
 tulosignaalin lasku:lähtösignaalin lasku
 esim. 1:3 = 1 dB:n lasku tulosignaalissa laskee
3 dB lähtösignaalia
kynnystaso (threshold level): taso jonka
alapuolella ekspandointi alkaa vaikuttaa
tartunta-aika (attack time): aika jossa kynnystason
ylitys palauttaa signaalin normaaliksi
päästöaika (release time): aika joka kuluu
kynnystason alituksesta täyteen ekspandointiin

78. Ekspandointi
lähtö (dB)
14
12
10
8
kynnystaso
6
4
1:1
2
1:2
1:3 1:
tulo (dB)
2
4
6
8
10
12
14

79. Ekspandointi ja aaltomuoto
alkuperäinen ääni
ekspandoitu ääni

80. Kompandointi 1(2)
alkuperäinen ääni
kompressoitu ja vahvistettu ääni
kohina
tallennettu ääni

81. Kompandointi 2(2)
tallennettu ääni
ekspandoitu ääni
alkuperäinen ääni

82. 2.1.10. Kohinaportti
engl. noise gate
 ekspandoinnin erikoistapaus:
ekspansiosuhde 1:


83. signaalitaso
Kohinaportin toiminta
portti aukeaa
portti sulkeutuu
kynnystaso
kohinaa
t

84. Parametreja
kynnystaso (threshold level): taso jonka
alapuolella kohinaportti sulkeutuu
 tartunta-aika (attack time): aika joka kuluu
kynnystason ylityksestä kohinaportin
avautumiseen
 pitoaika (hold time): aika jonka kohinaportti
pysyy auki kynnystason alituksen jälkeen
 päästöaika (release time): aika jossa
kohinaportti sulkeutuu


85. portti täysin auki
portti pysyy auki
kunnes pitoaika on
kulunut
pitoaika
signaalitaso
Parametrisoidun kohinaportin
toiminta
kynnystaso
kohinaa
portti alkaa aueta
signaali on alle
portti sulkeutuu
kynnystason
t

86. 2.2. Taajuus
1.
2.
3.
4.
Äänenkorkeuden muuttaminen
Vibraatto
Ekvalisointi eli taajuuskorjaus
Taajuussuodatus

87. 2.2.1. Äänenkorkeuden muutos
engl. pitch shift, pitch transpose
 muutetaan alkuperäisen signaalin taajuutta
 menetelmät:
 keston muuttava
 nosto nopeuttaa, lasku hidastaa
 laskennallisesti yksinkertainen
 keston säilyttävä
 laskennallisesti monimutkainen


88. Esimerkki: keston muuttava
äänenkorkeuden nosto
t
t

89. Esimerkki: keston muuttava
äänenkorkeuden lasku
t
t

90. Esimerkki: keston säilyttävä
äänenkorkeuden nosto
A
f
A
f
f

91. 2.2.2. Vibraatto

taajuusmodulointia (FM, frequency
modulation)

92. Modulointitaajuus
< 8 Hz vibraatto
 > 20 Hz äänenvärin muutos
 sivukaistat (sidebands), c = kantoaallon
taajuus, m = modulointitaajuus:

A
m
c - 4m
c - 3m
c - 2m
c-m
m
c
c+m
c + 2m c + 3m c + 4m
f

93. 2.2.3. Ekvalisointi eli
taajuuskorjaus
engl. equalizing, EQ
 muokkaa taajuusjakaumaa ja siten
äänenväriä
 jakaa taajuskaistan osiin joita voidaan
korostaa tai vaimentaa


94. Yksinkertainen taajuuskorjain
A
korostus
vaimennus
f
basso
(bass)
diskantti
(treble)

95. Termejä
keskitaajuus
(center frequency)
A
3 dB
keskitaajuus
Q-arvo =
kaistanleveys
kaistanleveys
(bandwidth)
f

96. Taajuuskorjaintyyppejä
graafinen taajuuskorjain (graphic equalizer)
 parametrinen taajuuskorjain (parametric
equalizer)
 puoliparametrinen taajuuskorjain
(semiparametric equalizer, quasiparametric
equalizer)


97. Graafinen taajuuskorjain
taajuuskaista jaettu kiinteisiin osiin, joita
voidaan korostaa tai vaimentaa
 korjainten tiheys:
 oktaavisuodatin (octave filter):
fn = 2 · fn-1
 terssisuodatin (third octave filter):
oktaavin kolmasosa
 myös muita jakoja ja eri jakojen
yhdistelmiä


98. Esimerkki: taajuuskaistajako
A
0
f1
f2
f3
f4
f5
f

99. pop
live
dance
rock
large hall
classical
Esimerkkisäätöjä
f { 60 Hz, 170 Hz, 310 Hz, 600 Hz, 1 kHz,
3 kHz, 6 kHz, 12 kHz, 14 kHz, 16 kHz }

100. Parametrinen taajuuskorjain


mahdollistaa
keskitaajuuden ja
A
kaistanleveyden
säädön
jompikumpi säätö on
kiinnitetty
puoliparametrinen
taajuuskorjain
f

101. Parametrinen taajuuskorjain
A
korostus
vaimennus
keskitaajuus
kaistanleveys
f

102. Subjektiivisia luonnehdintoja
Hz
Taajuusalue
Positiivinen
korrelaatio
Negatiivinen
korrelaatio
20–200
bassotaajuudet
jykevyys, potku
puuroisuus,
kumisevuus
200–500
alemmat
keskitaajuudet
täyteläisyys
epäselvyys
500–1 500
keskitaajuudet
napakkuus
peltilaatikkomaisuus
1 500–4 000
ylemmät
keskitaajuudet
selkeys, läsnäolon
tuntu
rasittavuus,
hermostuttavuus
4 000–10 000
diskantti
särmä, heleys,
kirkkaus
sihinä
erottelevuus,
ilmavuus
ohuus
10 000–20 000 ylin diskantti

103. Vinkkejä
keskitaajuudet tärkein alue
 taustan keskitaajuuksia vaimentamalla
ihmisääni nousee paremmin esiin
 vaimentaminen on usein parempaa kuin
vahvistaminen ( särö)
 huminan poisto: vaimenna pois 50 Hz:n
taajuusalue
 ”päällekkäisten” instrumenttien erottelu:
yhtäsuuret mutta vastakkaiset vahvistukset


104. 2.2.4. Taajuussuodatus



engl. band filtering
vaimentaa osan tai osia taajuusalueesta
suodatintyyppejä:
 alipäästösuodatin (low pass filter)
 ylipäästösuodatin (high pass filter)
 kaistanestosuodatin (band rejection filter)
 imusuodatin eli kapea kaistanestosuodatin
(notch filter)
 kaistanpäästösuodatin (band pass filter)

105. Parametreja



rajataajuus fc (cutoff
frequency)
jyrkkyys (slope)
resonanssi (resonance)
 rajataajuuden
lähialueen
korostaminen
A
fc
f

106. Taajuussuodattimia
A
A
alipäästö
f
A
ylipäästö
f
A
kaistanpäästö
f
kaistanesto
f

107. Wahwah-efekti

rajataajuuden modulointia
m
A
fc - m
m
fc
fc + m
f

108. 2.3. Aika
1.
2.
3.
4.
5.
Kaiku
Kuoroefekti
Vaiheistus ja flanger-efekti
Kaiunta
Nopeutus ja hidastus

109. Viivästyttäminen (delay)
viiveaika
 0–20 ms: vaiheistus (phasing) ja flangerefekti (flanging)
 20–50 ms: kuoroefekti (chorus)
 >50 ms: aito kaiku (echo)
 viiveajan modulointi
 takaisinsyöttö (feedback)


110. 2.3.1. Kaiku




slapback-kaiku
 viive 25–50 ms
kahdennus (doubling)
 viive kymmeniä millisekunteja
stereoefektin laajentaminen
 alkuperäinen ja viivästetty signaali eri kanaviin
kaanon
 viive temmon mukaan

111. 2.3.2. Kuoroefekti



moduloitu viive (>15 ms)
peruskuoroefekti
 viive 20 ms
 ei takaisinsyöttöä
 tasamäärä signaaleja
 hieman viiveajan modulointia
ADT-efekti (automatic double tracking)
 viive 30–40 ms
 vähän viiveajan modulaatiota

112. 2.3.3. Vaiheistus ja flanger-efekti

vaiheistus (phasing)
 lyhyt viiveaika (<10 ms)
 vähän takaisinsyöttöä
 ei viiveajan modulointia
 tasamäärä signaaleja
kampasuodatinilmiö (comb filter effect)

113. Kampasuodatinilmiö
A
f

114. Flanger-efekti

flanger-efekti (flanging)
 lyhyt viive (<50 ms)
 moduloidaan viivettä
kampasuodatin liikkuu edestakaisin
taajuusalueen yli

115. 2.3.4. Kaiunta
engl. reverb(eration)
 jäljittelee tilan akustiikasta syntyvää
jälkikaiuntaa
 tekee äänestä luonnollisemman kuuloista
 1000–3000 erillistä kaikua/s


116. Äänen ajallinen jaottelu
suora ääni
 ensiheijastumat
 seinät, lattia, katto
 20–200 ms
 jälkikaiunta: kaiut
 tihenevät
 vaimentuvat
 mataloituvat


117. Kaiunta tilassa

118. Kaiunnan osat
A
esiviive
(predelay)
ensiheijastumien
kesto
ensiheijastumat
heräteääni (early reflections)
(impulse)
jälkikaiunnan
kesto (decay)
jälkikaiunta
(reverberation)
t

119. Perusparametreja




tilan koko (volume)
tilan tyyppi (type)
äänilähteen sijainti
havainnoijan sijainti

120. Kaiuntatilatyyppejä 1(2)
kirkas (bright)
 pinnat heijastavat ääntä
 esim. kylpyhuone, tyhjä luentosali
 vaimentava (damping)
 pinnat absorboivat ääntä
 esim. vaatekomero, täysi luentosali


121. Kaiuntatilatyyppejä 2(2)
todelliset akustiset tilat, esim.
 huone (room)
 halli (hall)
 kammio (chamber)
 mekaaniset kaiuntalaitteet
 jousikaiunta (spring reverb)
 levykaiunta (plate reverb)


122. Parametreja 1(2)
ensiheijastusten voimakkuus ja viive
 voimakkuus: heijastuspinnan materiaali
 viive: tilan koko
 < 5 ms: pieni huone
 10–20 ms: konserttisali
 ensiheijastusten määrä ja tiheys (diffusion)
 mitä enemmän heijastavia pintoja, sitä
enemmän diffuusiota


123. Parametreja 2(2)
korkeiden taajuuksien vaimeneminen
 riippuu heijastuspintojen materiaalista
 jälkikaiunta-aika (reverberation time, RT)
 RT60: aika jossa jälkikaiunta on
vaimentunut 60 dB
 huonetiloissa lyhyt (1–3 s)
 käytävissä ja luolissa pitkä (5–10 s)


124. Portitettu kaiunta (gated reverb)
A
kohinaportin
kynnystaso
t

125. Käänteinen kaiunta (reverse
reverb)
A
t

126. 2.3.5. Nopeutus ja hidastus
engl. time scaling, time strecth
 menetelmät samoja kuin keston
säilyttävässä äänenkorkeuden muutoksessa
 eri algoritmeja erityyppisille äänille
 75–115 %:n keston muutokset melko
häiriöttömiä
 suuret muutokset alttiita häiriöille (esim.
kaiku, pätkintä)


127. 2.4. Aaltomuoto
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Uudelleensamplaus
Uudelleenkvantisointi
Perustason korjaus
Aaltomuodon kääntäminen
Aaltomuoden invertointi
Aaltomuodon muokkaus
Miksaus

128. 2.4.1. Uudelleensamplaus
engl. resampling
 näytearvojen interpolointi: poistettujen
arvojen paikkaus tai uusien mukauttaminen
 antialiasointi (anti-aliasing): estää
Nyquistin taajuuden ylittävien taajuuksien
muuttumisen häiriöksi


129. Esimerkki: uudelleensamplaus
alaspäin
A
t

130. Esimerkki: uudelleensamplaus
ylöspäin
A
t

131. 2.4.2. Uudelleenkvantisointi
engl. requantization
 dither-prosessointi (dithering): generoidaan
kohinaa, joka kompensoi kvantisoinnissa
syntyvää informaatiohukkaa
 kohina ”heittelee” bittejä
kvantisointirajan kummallekin puolelle


132. Esimerkki: uudelleenkvantisointi
A
t

133. 2.4.3. Perustason korjaus

134. 2.4.4. Aaltomuodon kääntäminen

135. 2.4.5. Aaltomuodon invertointi

136. 2.4.6. Häiriönpoisto
rapinanpoisto (click removal)
 tasataan signaalin äkkinäisiä piikkejä
 kohinanpoisto (noise removal)
 otetaan näyte taustakohinasta
 poistetaan kohina signaalista
 saattaa synnyttää uusia häiriöitä


137. 2.4.7. Aaltomuodon muokkaus
leikepöytä
 leikkaa, kopioi, liitä
 alueiden poistaminen
 trimmaus
 hiljaisuuden lisääminen


138. 2.4.7. Miksaus
miksaus (mixing)
 kahden äänilähteen yhdistäminen
 ristivaihto (crossfade)
 yhden äänilähteen (lineaarinen) vaihto
toiseksi


139. 2.5. Operaatioiden ketjuttaminen

operaatioiden suoritusjärjestys vaikuttaa
lopputulokseen, esim.




kompressointi saattaa nostaa esiin muiden
operaatioiden luomaa kohinaa
kaiunta muuttaa sekä taajuusjakaumaa että dynamiikkaa
yleisohje: kompressointi taajuuskorjaus särö
taajuuskorjaus kuoroefekti kohinaportti
kaiunta
parasta kuitenkin pitää korvat auki ja tehdä
operaatiot siinä järjestyksessä mikä kuulostaa
parhaalta

140. 3. Javan ääniohjelmointi
1.
2.
java.applet
javax.sound.sampled

141. 3.1. java.applet
tarjoaa yleisen, yksinkertaisen ja
laitteistoriippumattoman äänipalvelun
 käytettävissä:
 appleteissa (JDK 1.0)
 sovelluksissa (JDK 1.2)
 tukee ääniformaatteja
AIFF, AU, WAV, MIDI, RMF


142. Applet-luokan äänimetodeja
void play(URL url)
 void play(URL url, String
name)
 AudioClip getAudioClip(URL
url)
 AudioClip getAudioClip(URL
url, String name)
 static AudioClip
newAudioClip(URL url)


143. Muita esille tulevia Appletmetodeja
void init()
 void start()
 void stop()
 URL getCodeBase()
 void showStatus(String msg)
 String getParameter(String
name)


144. AudioClip-rajapinta

metodit yksittäistoistoon, silmukointiin ja
pysäyttämiseen
interface AudioClip {
public void play();
public void loop();
public void stop();
}

145. URL-luokka
sijaitsee pakkauksessa java.net
 getCodeBase-metodilla saadaan appletin
perusosoite, johon lisätään äänitiedoston
nimi
 osoite luodaan URL-luokan konstruktorilla

public URL(String spec)
throws MalformedURLException

poikkeus on käsiteltävä

146. SimpleAudioApplet.java 1(3)
import java.applet.*;
import java.net.*;
public class SimpleAudioApplet
extends Applet {
private AudioClip sound = null;

147. SimpleAudioApplet.java 2(3)
public void init() {
try {
URL sf = new URL(getCodeBase()
+ "sound.wav");
sound = getAudioClip(sf);
} catch (MalformedURLException e) {
showStatus("Cannot load the "
+ "audio file.");
} // try
} // init()

148. SimpleAudioApplet.java 3(3)
public void start() {
if (sound != null)
sound.play();
} // start()
} // class

149. SimpleAudioApplet.html
...
<applet
code="SimpleAudioApplet.class"
width=300 height=300>
Your browser doesn't
support applets.
</applet>
...

150. Appletin elinkaari






applettiolio luodaan
appletti alustetaan kutsumalla init-metodia
appletin suoritus aloitetaan kutsumalla startmetodia
jos appletista poistutaan (esim. vaihdetaan sivua,
minimoidaan selain), kutsutaan stop-metodia
kun applettiin palataan takaisin, kutsutaan startmetodia
appettioliota poistettaessa kutsutaan finalizemetodia

151. BackgroundMusicApplet.java
1(2)
public void init() {
String name = getParameter("BG_MUSIC");
try {
String base = getCodeBase() + "snd/";
sound = getAudioClip(new
URL(base + name));
} catch (MalformedURLException e) {
showStatus("Cannot load audio file ”
+ name + ".");
} // try
} // init()

152. BackgroundMusicApplet.java
2(2)
public void start() {
if (sound != null)
sound.loop();
} // start()
public void stop() {
if (sound != null)
sound.stop();
} // stop()

153. BackgroundMusicApplet.html
...
<applet
code="BackgroundMusicApplet.class"
width=300 height=300>
<param name="BG_MUSIC"
value="muzak.wav">
Your browser doesn't
support applets.
</applet>
...

154. Säikeistä
jos äänitiedostot ovat pitkiä, niiden
lataaminen kannattaa siirtää taustalle omaan
säikeeseen
appletti voi aloittaa suorituksensa heti, eikä
sen tarvitse odottaa äänitiedostojen
latautumista
 säieolio periytyy joko Thread-luokasta tai
se toteuttaa Runnable-rajapinnan


155. AudioApplet.java 1(6)
base = getCodeBase() + "sounds/";
for (int i = 0; i < sounds.length; i++) {
String fileName = getParameter("SOUND"
+ i);
if (fileName != null) {
AudioLoader audioLoader =
new AudioLoader(fileName, i);
audioLoader.start();
} // if

156. AudioApplet.java 2(6)
for (int i = 0; i < sounds.length; i++) {
Button button =
new Button("Sound " + i);
button.addActionListener(
new ButtonPress(i));
add(button);
} // for

157. AudioApplet.java 3(6)
public void stop() {
for (int i = 0; i < sounds.length; i++)
if (sounds[i] != null)
sounds[i].stop();
} // stop()

158. AudioApplet.java 4(6)
private class AudioLoader
extends Thread {
private String fileName;
private int finger;
public AudioLoader(String n, int f) {
setDaemon(true);
fileName = n;
finger = f;
} // constructor

159. AudioApplet.java 5(6)
public void run() {
try {
sounds[finger] = getAudioClip(
new URL(base + fileName));
} catch (MalformedURLException e) {
showStatus("Cannot load file "
+ fileName + ".");
} // try
} // run()
} // class

160. AudioApplet.java 6(6)
private class ButtonPress
implements ActionListener {
private int soundNumber;
public ButtonPress(int s) {
soundNumber = s;
} // constructor
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
AudioClip sound = sounds[soundNumber];
if (sound != null) sound.play();
} // actionPerformed()
} // class

161. AudioApplet.html
...
<applet code="AudioApplet.class"
width=500 height=100>
<param name="SOUND0" value="music0.wav">
<param name="SOUND1" value="music1.wav">
<param name="SOUND2" value="music2.wav">
...
<param name="SOUND5" value="music5.wav">
Your browser doesn't support applets.
</applet>
...

162. Jar-tiedostot
useista luokkatiedostoista koostuvat appletit
on syytä koota yhdeksi jar-tiedostoksi
vältetään useiden pienten tiedostojen
lataaminen
 esim.

jar cvf AudioApplet.jar *.class

163. JarredAudioApplet.html
...
<applet code="AudioApplet.class"
archive="AudioApplet.jar"
width=500 height=100>
<param name="SOUND0" value="music0.wav">
...
<param name="SOUND5" value="music5.wav">
Your browser doesn't support applets.
</applet>
...

164. Applet-metodien käyttö
sovelluksissa

staattinen metodi newAudioClip
palauttaa AudioClip-olion
 huom. parametriksi annetaan URL-olio
eikä esim. tiedostokahva
 vinkki: sovelluksen oletushakemiston
polun saa metodikutsulla
System.getProperty("user.dir")

saatua AudioClip-oliota voidaan käyttää
normaalisti

165. AudioApplication.java 1(3)
public class AudioApplication {
public static void
main(String[] args) {
AudioClip[] sounds =
new AudioClip[args.length];
String base = "file:" +
System.getProperty("user.dir") + "/";

166. AudioApplication.java 2(3)
for (int i = 0; i < args.length; i++) {
try {
sounds[i] = Applet.newAudioClip(
new URL(base + args[i]));
} catch (MalformedURLException e) {
throw new RuntimeException(
"Cannot load audio file "
+ args[i] + ".");
} // try
} // for

167. AudioApplication.java 3(3)
for (int i = 0;
i < sounds.length; i++) {
sounds[i].loop();
} // for
} // main()
} // class

168. 3.2. javax.sound.sampled




mukana JDK-versiosta 1.3 alkaen
tarjoaa matalan tason liittymän alustan
äänilaitteistoon (myös havainnointi)
pyrkii silti olemaan alustariippumaton ja
yleistettävissä oleva rakennelma
mahdollistaa äänisignaalin
 vastaanottamisen (esim. äänitys)
 käsittelyn (esim. vahvistus tai kaiunta)
 toistamisen

169. Pakkaukset




javax.sound.sampled
 rajapintoja ja luokkia samplatun äänisignaalin
tallennukseen, muokkaamiseen ja toistoon
javax.sound.midi
 rajapintoja ja luokkia MIDI-käyttöön
javax.sound.sampled.spi
javax.sound.midi.spi
 ulkopuolisille palveluntarjoajille (service
providers) tarkoitettuja apuluokkia

170. Piirteitä





pähkinänkuoressa: äänidataa sisältävien tavujen
lukua, kirjoitusta ja operointia
liittymät syöttö- (esim. mikrofoni tai tiedosto) ja
tuloslaitteisiin (esim. kaiutin tai tiedosto)
äänidatan puskurointi (esim. reaaliaikainen
äänivirta)
äänisignaaleiden yhdistäminen
käyttäjän komennot: aloita, pysäytä, jatka, lopeta

171. Äänidatan käsittelytavat


puskuroitu (buffered)
 virta (streaming): reaaliaikaisen äänidatan
käsittelyä
 operoitava (esim. äänitettävä tai käsiteltävä)
tavuja likimain samassa tahdissa kuin missä
niitä lähetetään
puskuroimaton (unbuffered)
 äänidata sijaitsee (kokonaisuudessaan)
muistissa
 monipuolisempi toisto: silmukointi,
aloituspaikan valinta

172. Äänidatan formaatit 1(2)
dataformaatti
 kertoo kuinka sarja tavuja eli ”raaka”
samplattu äänidata pitää tulkita
 AudioFormat-luokka
 tiedostoformaatti
 määrittelee äänitiedoston rakenteen
 AudioFileFormat-luokka


173. Äänidatan formaatit 2(2)
vaikka tarjolla on metodeja
 erilaisten ääniformaattien muuttamiseen
 yleisten tiedostoformaattien lukemiseen
ja tallentamiseen
 kyse ei silti ole kaikenkattavasta
äänityökalusta
 palveluntarjoajilta tukea ja täydennystä
valikoimaan


174. AudioFormat-luokka







koodaustekniikka (esim. PCM, a-law tai -law)
kanavien määrä (1 = mono, 2 = stereo jne.)
samplaustaajuus
kvantisointitaso (so. käytettyjen bittien määrä)
kehystaajuus (frame rate)
 kehys (frame) = kaikki tiettyyn hetkeen
kuuluva data; (esim. kanavien nykyiset
näytearvot)
kehyksen koko tavuina
tavujärjestys: big-endian tai little-endian

175. AudioFileFormat-luokka
tiedostotyyppi (esim. WAVE, AIFF)
 tiedoston pituus tavuina
 äänidatan pituus kehyksinä
 AudioFormat-olio, joka määrittelee
tiedoston sisältämän äänidatan muodon


176. Java Sound -perusosat
äänijärjestelmä: AudioSystem
 mikseri: Mixer
 linja: Line
 portti: Port


177. Perusrakenne
kohdelinjat
mikserit
Mixer
lähdelinjat
AudioSystem
kohdelinjat
Line
lähdelinjat

178. Analogia: miksauspöytä
tulosignaalit
kaiuntalaite lähtösignaali
tulosignaalin säätö
taajuuskorjaus
kaiunnan lähtö
panorointi
vahvistus
kaiunnan
paluu
lähtösignaalin
vahvistus

179. Äänijärjestelmä (audio system)

kokoaa yhteen kaikki laitteiston ja
ohjelmiston tarjoamat äänipalvelut:
 mikserit
 linjat
 portit
 äänivirrat
 tiedostoformaatit
 ääniformaatit

180. AudioSystem-luokan metodeita





static Mixer.Info[]
getMixerInfo()
static Mixer getMixer(Mixer.Info
info)
static Line getLine(Line.Info
info)
static AudioFileFormat
getAudioFileFormat(File file)
static AudioInputStream
getAudioInputStream(File file)

181. Mikseri (mixer)




abstrahoi äänilaitetta (audio device), esim.
äänikortti
saa syötteenä yhden tai useamman äänivirran ja
antaa tulokseksi yhden tai useamman äänivirran
 esim. miksaa kaksi ääntä (syöte) yhdeksi
ääneksi (tulos)
 voi tukea äänten synkronointia
voi edustaa fyysistä laittetta tai sen ominaisuutta
voi edustaa kokonaan ohjelmistolla toteutettua
ominaisuutta

182. Mixer-rajapinnan metodeita
Line.Info[] getSourceLines()
 Line.Info[] getTargetLines()
 Line getLine(Line.Info info)
 void synchronize(Line[]
lines, boolean maintainSync)


183. Linja (line)






johtaa joko sisään äänijärjestelmään (tai mikseriin)
tai siitä ulos
voi sisältää rinnakkaisia kanavia (mono, stereo)
tila: avoin tai suljettu
tapahtumat
 viestien välitys rekisteröityneille kuuntelijoille
voi sisältää säätöjä, esim.
vahvistus, panorointi, kaiunta, toistotaajuus, mykis
tys
mikserit ja portit ovat linjoja periytyminen

184. Line-rajapinnan metodeja





void open()
void close()
void addLineListener(LineListener
listener)
Control[] getControls()
Control getControl(Control.Type
control)

185. Portti (port)

abstrahoi laitteistotason liittymiä
äänijärjestelmään, esim. mikrofoni tai
kaiutin

186. Rajapintojen periytymishierarkia
Line
Port
Mixer
SourceDataLine
DataLine
TargetDataLine
Clip

187. Datalinja








assosioi linjan tiettyyn ääniformaattiin
puskuroitu: tavuvektori
käynnistys ja pysäytys
nykyinen sijainti (media position)
taso (level): tämänhetkisen signaalin amplitudi
tyhjennys (flush): poistaa prosessoimattoman
datan puskuri
valutus (drain): odottaa kunnes kaikki
prosessoimaton data on saatu käsiteltyä
aktiivisuus: onko linjassa signaalia

188. DataLine-rajapinnan metodeja









AudioFormat getFormat()
int getBufferSize()
void start()
void stop()
int getFramePosition()
float getLevel()
void flush()
void drain()
boolean isActive()

189. Kohdedatalinja
linja josta voidaan lukea dataa
 mikseri voi toimittaa linjaan dataa esim.
mikrofonista äänitys
 huom. linja on kohde (target) mikserin
näkökulmasta


190. Esimerkki: äänitys
Mixer
vahvistus
panorointi
portteja
TargetDataLine

191. TargetDataLine-rajapinnan
metodeja
void open(AudioFormat format)
 int read(byte[] b, int
off, int len)


192. Lähdedatalinja
linja johon voidaan kirjoittaa dataa
 mikseri voi toimittaa kirjoitetun datan esim.
kaiuttimiin toisto
 huom. linja on lähde (source) mikserin
näkökulmasta


193. SourceDataLine-rajapinnan
metodeja
void open(AudioFormat format)
 int write(byte[] b, int
off, int len)


194. Pätkä (clip)
linja johon voidaan ladata dataa ennen
toistoa
 äänidatan pituus tunnetaan ennen toistoa
aloituspaikka voidaan valita vapaasti
 toistoa voidaan silmukoida


195. Esimerkki: toisto
Mixer
SourceDataLine
SourceDataLine
portteja
Clip
kaiunta
vahvistus
panorointi

196. Clip-rajapinnan metodeja







void open(AudioInputStream
stream)
int getFrameLength()
long getMicrosecondLength()
void setFramePosition(int frames)
void setMicrosecondPosition(long
milliseconds)
void loop(int count)
void setLoopPoints(int start, int
end)

197. Mikserin haku
Mixer.Info-olio sisältää mikserin
kuvauksen
 pyydetään äänijärjestelmältä lista
mikserikuvauksia getMixerInfometodilla
 valitaan listasta sopiva ja pyydetään sitä
getMixer-metodilla


198. Linjan haku
Line.Info-olio sisältää linjan kuvauksen
 pyydetään äänijärjestelmältä tai mikserilta
annettua kuvausta vastaava linja getLinemetodilla
 käsiteltävä poikkeus
LineUnavailableException
 porttia tai datalinjaa pyydetään vastaavalla
tavalla Port.Info- ja
DataLine.Info-olioilla


199. AudioSystemTest.java 1(2)
import javax.sound.sampled.*;
public class AudioSystemTest {
public static void main(String[] args) {
Mixer.Info[] mi = AudioSystem.getMixerInfo();
for (int i = 0; i < mi.length; i++) {
System.out.println(mi[i]);
Mixer m = AudioSystem.getMixer(mi[i]);

200. AudioSystemTest.java 2(2)
Line.Info[] sli = m.getSourceLineInfo();
for (int j = 0; j < sli.length; j++)
System.out.println("source: " + sli[j]);
Line.Info[] tli = m.getTargetLineInfo();
for (int j = 0; j < tli.length; j++)
System.out.println("target: " + tli[j]);
}
}
System.out.println();
}

201. Äänivirran haku
pyydetään äänijärjestelmältä
AudioInputStream-olio kutsumalla
getAudioInputStream-metodia
 parametri voi olla File-, URL- tai
InputStream-olio
 käsiteltävä poikkeukset
UnsupportedAudioFileException
ja IOException


202. SimplePlayer.java 1(5)
import java.io.*;
import javax.sound.sampled.*;
public class SimplePlayer {
public static void main(String[] args) {
if (args.length == 0) System.exit(0);
File file = new File(args[0]);
int loopCount = 0;

203. SimplePlayer.java 2(5)
if (args.length > 1 && args[1].equals("loop")) {
if (args.length > 2) {
try {
loopCount = Integer.parseInt(args[2]) - 1;
} catch (NumberFormatException e) {
System.err.println("Ei kokonaisluku: ”
+ args[2]);
System.exit(1);
}
} else loopCount = Clip.LOOP_CONTINUOUSLY;
} // if

204. SimplePlayer.java 3(5)
try {
AudioInputStream source =
AudioSystem.getAudioInputStream(file);
AudioFormat format = source.getFormat();
DataLine.Info info =
new DataLine.Info(Clip.class, format);
if (!AudioSystem.isLineSupported(info)) {
System.err.println("Ei sopivaa linjaa.");
System.exit(1);
}

205. SimplePlayer.java 4(5)
try {
Clip clip = (Clip)AudioSystem.getLine(info);
clip.open(source);
if (loopCount == 0) clip.start();
else clip.loop(loopCount);
} catch (LineUnavailableException e) {
System.err.println("Linjaa ei voi käyttää.");
}

206. SimplePlayer.java 5(5)
} catch (IOException e) {
System.err.println(
"Virhe tiedoston luvussa.");
} catch (UnsupportedAudioFileException e) {
System.err.println(
"Tuntematon tiedostoformaatti.");
} // try
} // main()
} // class

207. Linjan kuuntelija
kuuntelija toteuttaa LineListenerrajapinnan
 kuuntelija liitetään linjaan
addLineListener-metodilla
 rajapinnan update-metodi saa parametrina
LineEvent-olion, jolta voi tiedustella
tapahtuman tyyppiä
 LineEvent.Type-tapahtumatyyppejä:
OPEN, CLOSE, START, STOP


208. RandomSequencePlayer.java
1(5)
public class RandomSequencePlayer {
private Random random = new Random();
private Clip[] clips;
public RandomSequencePlayer(File[] files) {
try {
AudioInputStream[] sources =
new AudioInputStream[files.length];
AudioFormat[] formats =
new AudioFormat[files.length];
DataLine.Info[] infos =
new DataLine.Info[files.length];

209. RandomSequencePlayer.java
2(5)
for (int i = 0; i < sources.length; i++) {
sources[i] =
AudioSystem.getAudioInputStream(files[i]);
formats[i] = sources[i].getFormat();
infos[i] = new DataLine.Info(Clip.class,
formats[i]);
if (!AudioSystem.isLineSupported(infos[i])) {
System.err.println("Ei sopivaa linjaa.");
System.exit(1);
} // if
} // for

210. RandomSequencePlayer.java
3(5)
try {
clips = new Clip[sources.length];
for (int i = 0; i < clips.length; i++) {
clips[i] =
(Clip)AudioSystem.getLine(infos[i]);
clips[i].addLineListener(new Changer());
clips[i].open(sources[i]);
}
} catch (LineUnavailableException e) {
System.err.println("Linjaa ei voi käyttää.");
}

211. RandomSequencePlayer.java
4(5)
public void startRandomClip() {
int finger = random.nextInt(clips.length);
clips[finger].setFramePosition(0);
clips[finger].start();
}
public static void main(String[] args) {
File[] files = new File[args.length];
for (int i = 0; i < files.length; i++)
files[i] = new File(args[i]);
RandomSequencePlayer rsp =
new RandomSequencePlayer(files);
rsp.startRandomClip();
}

212. RandomSequencePlayer.java
5(5)
private class Changer implements LineListener {
public void update(LineEvent e) {
if (e.getType().equals(LineEvent.Type.START))
System.out.println("New clip started.");
if (e.getType().equals(LineEvent.Type.STOP))
startRandomClip();
}
}

213. Lähdedatalinjan käyttö





varataan puskuriksi byte-taulukko
puskurin koko
 lyhyt: nopeampi vaste, katkosten riski
 pitkä: hitaampi vaste, sietää katkoksia
write-metodin kutsu aloittaa toiston (mm.
lähettää kuuntelijalle aloitusviestin)
drain-metodi odottaa, kunnes kaikki kirjoitettu
data on toistettu
flush-metodi poistaa kirjoitetun datan

214. SynthPlayer.java 1(5)
import java.io.*;
import java.util.*;
import javax.sound.sampled.*;
public class SynthPlayer {
public static void main(String[] args) {
float sampleFreq = 44100.0f;
int bitsInQuantization = 8;
int channels = 1;
boolean signed = true;
boolean bigEndian = true;
AudioFormat format = new AudioFormat(
sampleFreq, bitsInQuantization,
channels, signed, bigEndian);

215. SynthPlayer.java 2(5)
DataLine.Info info = new DataLine.Info(
SourceDataLine.class, format);
if (AudioSystem.isLineSupported(info)) {
try {
SourceDataLine line =
(SourceDataLine)AudioSystem.getLine(info);
int bufferSize = 6 * (int)sampleFrequency;
byte[] buffer = new byte[bufferSize];
int twoSecMarker = 2 * (int)sampleFrequency;
int fourSecMarker = 4 * (int)sampleFrequency;

216. SynthPlayer.java 3(5)
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < twoSecMarker; i++)
buffer[i] = (byte)random.nextInt();
int waveLength = (int)sampleFrequency / 440;
for (int i = twoSecMarker;
i <= (fourSecMarker - waveLength);
i += waveLength) {
for (int j = i; j < i + waveLength / 2; j++)
buffer[j] = Byte.MAX_VALUE;
for (int j = i + waveLength / 2;
j < i + waveLength; j++)
buffer[j] = Byte.MIN_VALUE;
} // for

217. SynthPlayer.java 4(5)
for (int i = fourSecMarker;
i <= (bufferSize - waveLength);
i += waveLength) {
for (int j = i; j < i + waveLength; j++)
buffer[j] = (byte)(127.0 * Math.sin(
(double)j / waveLength * 2 * Math.PI));
} // for

218. SynthPlayer.java 5(5)
// Avataan linja ja aloitetaan toisto.
line.open(format);
line.start();
// Kirjoitetaan puskuri linjalle.
line.write(buffer, 0, bufferSize);
// Odotetaan linjan tyhjentymistä
// ennen kuin lopetetaan.
line.drain();
line.stop();
line.close();

219. Kohdedatalinjan käyttö
varataan puskuriksi byte-taulukko
 puskurin koon vaikutus kuten
lähdedatalinjassa
 read-metodin kutsu lukee puskuriin dataa
ja palauttaa sen määrän tavuina
 drain-metodi odottaa, kunnes mikserissä
oleva data tulee luetuksi
 flush-metodi poistaa lukemista odottavan
datan (muuten se jää odottamaan mikseriin)


220. Karaoke.java 1(2)
DataLine.Info infoTarget = new
DataLine.Info(TargetDataLine.class, format);
DataLine.Info infoSource = new
DataLine.Info(SourceDataLine.class, format);
if (AudioSystem.isLineSupported(infoTarget)
& AudioSystem.isLineSupported(infoSource) {
try {
TargetDataLine lineTarget = (TargetDataLine)
AudioSystem.getLine(infoTarget);
SourceDataLine lineSource = (SourceDataLine)
AudioSystem.getLine(infoSource);
int bufferSize = (int)(bufferLength *
format.getFrameSize() * format.getFrameRate());
byte[] buffer = new byte[bufferSize];

221. Karaoke.java 2(2)
lineTarget.open(format, bufferSize);
lineSource.open(format);
lineTarget.start();
lineSource.start();
while (true) {
int dataSize =
lineTarget.read(buffer, 0, bufferSize);
// Tässä kohtaa puskurissa olevalle äänelle
// voisi tehdä jotain jäynää...
lineSource.write(buffer, 0, dataSize);
}

222. Linjan säätimet (controls)

Control-luokasta periytyy neljä säädintyyppiä:
 BooleanControl: katkaisin
 esim. mykistys (mute)
 FloatControl: säätökytkin
 esim. vahvistus, panorointi
 EnumControl: valintakytkin
 esim. kaiunnan esivalinnat
 CompoundControl: säädinkokoelma
 esim. taajuuskorjain voi olla kokoelma
FloatControl-tyyppisiä säätökytkimiä

223. Säädinten luokkahierarkia
Control
BooleanControl
FloatControl
EnumControl
CompoundControl

224. Linjan säädinten haku
getControls-metodi palauttaa taulukon
linjan tarjoamista säätimistä
 isControlSupported-metodi palauttaa
onko halutun tyyppistä säädintä tarjolla
 getControl-metodi palauttaa pyydetyn
tyyppisen säätimen


225. Säädintyyppejä
BooleanControl.Type.MUTE
 EnumControl.Type.REVERB
 FloatControl.Type.MASTER_GAIN
 FloatControl.Type.PAN
 FloatControl.Type.SAMPLE_RATE


226. FloatControl-luokan metodeja









float getValue()
void setValue(float newValue)
float getMaximum()
float getMinimum()
float getPrecision()
String getMaxLabel()
String getMidLabel()
String getMinLabel()
String getUnits()

227. ControlPlayer.java 1(3)
boolean gain = false, pan = false,
rate = false, mute = false;
if (args.length >= 1) {
gain = args[1].equals("gain");
pan = args[1].equals("pan");
rate = args[1].equals("rate");
mute = args[1].equals("mute");
}
float parameter = 0.0f;
if (args.length == 3) {
try {
parameter = Float.parseFloat(args[2]);
} catch (NumberFormatException e) { ... }
}

228. ControlPlayer.java 2(3)
clip.open(source);
clip.start();
if (gain && clip.isControlSupported(
FloatControl.Type.MASTER_GAIN)) {
FloatControl gainCtrl =
(FloatControl)clip.getControl(
FloatControl.Type.MASTER_GAIN);
gainCtrl.setValue(parameter);
}

229. ControlPlayer.java 3(3)
if (mute && clip.isControlSupported(
BooleanControl.Type.MUTE)) {
BooleanControl muteCtrl =
(BooleanControl)clip.getControl(
BooleanControl.Type.MUTE);
muteCtrl.setValue(true);
} // if
Control[] ctrl = clip.getControls();
for (int i = 0; i < ctrl.length; i++)
System.out.println(ctrl[i]);

230. Ääniominaisuuksien
käyttöoikeudet
määritelty AudioPermission-luokassa:
 toisto
 äänitys
 appletti: saa toistaa muttei äänittää
 sovellus: saa toistaa ja äänittää
 ohjelmien oikeuksia voidaan muuttaa Policy
Tool -ohjelmalla


231. Mitä käsiteltiin? 1(3)
1.
Perusteita
1. Äänen fysiikkaa
2. Psykoakustiikka
3. Äänen syntetisointi
4. Samplaus ja kvantisointi
5. Tiedostoformaatit

232. Mitä käsiteltiin? 2(3)
2.
Äänenkäsittelyoperaatiot
1. Voimakkuus
2. Taajuus
3. Aika
4. Aaltomuoto
5. Operaatioiden ketjuttaminen

233. Mitä käsiteltiin? 3(3)
3.
Javan ääniohjelmointi
1. java.applet
2. javax.sound.sampled

234. Mitkä olivat tavoitteet?
teoreettinen: ymmärtää äänenkäsittelyyn
liittyviä käsitteitä
mitä voidaan tehdä
 käytännöllinen: ymmärtää operaatioiden
vaikutus ääneen
mitä pitää tehdä


235. Tentit



varmista tenttiaika ja -paikka
http://www.it.utu.fi/opiskelu/tentit/
muista ilmoittautua ajoissa!
huomaa myös mahdollisuus sähköiseen
tenttimiseen
https://tenttis.utu.fi

236. Tie tästä eteenpäin
MPEG
FFT
AD-muunnos
tiivistäminen
DA-muunnos
äänittäminen
tiedostoformaatit
signaaliprosessointi
kompleksiluvut
äänentoisto
MIDI
akustiikka
sekvensserit
moniraitaohjelmat
olet tässä
DÄP
säveltäminen