对《用手绘波形制作声音的软件》的研究

对《用手绘波形制作声音的软件》的研究 北京八中 曹建秋 自然界中的声音多种多样、千变万化，但当我们要用到时，它们往往满足不了需 要，许多时候需要对其进行加工，有时甚至要制作人工声音。这时我们用到的工具经 常是电脑。我观察了现在电脑里面的多媒体软件。各种声音加工软件大都有一个基本 功能：将声波显示在屏幕上，并可以在时间横轴上任意放大，显示声波曲线图上的细 节。在此基础上，还有一些很有用的功能。以Cool Edit软件为例： 1.手工修改声音：可以将原有的声音波形放大后，用鼠标修改声波上面任何一 个样本点的振幅。（图1） 图1，Cool Edit声音软件放大声波后可直接修改声波曲线 2.制作新声音：可以生成以数学函数图像为波形的声音(方波、正弦波、三角 波„„)。 现有软件的功能大都停留在有限修改声音和创建固定波形的声音上。而如果能够 自由绘制声波曲线，然后用计算机将其转换成声音播放出来，将是十分方便的。可惜 没有这样的软件。我又考察了一些现有的其他技术： 1. 任意波形信号发生器。它可以利用示波器和一些电路生成任意的波形。使 用时，用黑纸切割出需要的波形，覆盖在示波器上，用对示波器上的亮点 感光的方法扫描出波形。(详见附录) 2. 2001年全国大学生电子设计竞赛的一道题目：波形发生器。要求是用键盘 24088860.doc Page 1 of 11 9/5/2009 编辑生成一定频率的正弦波、三角波、方波和由用户编辑的特定形状波形。 选手可以利用各种电子元件以及单片机完成题目。(详见附录) 以上两个技术虽然没有生成声音，但都涉及到了生成任意的波形，对我有参 考价值。前者利用模拟电路和示波器，扫描纸上的波形；后者利用单片机，用键 盘输入波形。他们有共同的弱点，就是方法复杂，并且它们都是单独的电路，难 于扩展。于是，我便有了在电脑中编一个可以把手绘的声波曲线转化成声音的软 件的想法。设想中的软件基本功能是： 1.将任意的手绘的波形转化为指定频率的声音。 2.将已有的声音的波形进行绘图式的修改。 1. 研究声音文件结构，为以后的工作铺平道路。 2. 编制一个初级的程序，可以把从文件载入的声波曲线转化为声音文件。 3. 实现直接在电脑上用手绘制声波曲线，并即时转化成声音播放出来。 4. 增加绘图式修改声音波形的功能。 5. 参照现有声音软件，增加一些声音的辅助功能（编辑、转化等）。 6. 将软件发布测试，征求使用者的意见，再进行优化。 以上研究、开发、设计均在个人电脑上完成，使用WINDOWS操作系统。 硬件：多媒体电脑 软件：Cool Edit声音软件、Office软件、Visual Basic程序设计语言。 1. 研究电脑中声音文件的结构 我开始打算用播放WAV文件的方式进行发音，所以首先研究它的结构。 我用记事本打开一个WAV文件，发现它有一个可认读的文件头（“RIFF6 WAVEfmt”的字样），后边不可认读，是一些中西文字符。改用Word打开，选择文字编码为西欧，看到它们是ASCII码为0～255的字符。我猜想WAV文件中采样点的坐标数是用其对应的ASCII码的字符表示的。于是我修改了这个文件中的ASCII码，比如，用一个英文字母T，连续复制几百个，保存后再用声音软件打开，果然发现声波 的曲线增加了一段直线。初次尝试就取得了进展：不但了解了WAV文件的结构，还实现了在文本中修改和制作一段声音的功能。 我的创建声音文件的方法试验成功了，而这个文件便是一个“伪WAV文件”。之所以有这样的称呼，是因为它在形式上与WAV文件相同，可以被某些声音软件当作 WAV文件处理，却没有文件头。 2. 制作把波形转化为声音文件的程序 24088860.doc Page 2 of 11 9/5/2009 我首先用Windows“画笔”绘制一个波形并保存为BMP文件。然后用VB编制了程序。程序中用图片框载入BMP文件，在波形上每n个点取一个采样，n的公式为： n = 波形上点的总数/(采样率/预期声音频率) （采样率=22050Hz） 采样精度是8bit，坐标取值范围0～255，其中128表示零电平，记录下采样点的 坐标。然后，用上面所述的方法，把坐标数制作成文件，就得到具有一个周期声波的 “伪WAV文件”。用Cool Edit打开这个文件，按预期的声音频率数复制多遍后，就 制作成可以播放的声音文件了。 以上的方法可以概括为下面的几个步骤： 绘制图片（画笔）?取采样点（我的程序）?制作声音文件（Word）?复制、 播放（Cool Edit） 我取得了初步的成功，能够在电脑上听到自己“绘制”的声音了。但是，这种方 法存在明显的缺点： ? 需要很多的手工操作，前后用到4个程序，不能做到自动化，并且兼容性 差。 ? 声音的长度全靠复制的次数来调整，一则不准确，二则当频率高时工作量 很大。 3. 改进声音文件 针对以上的缺点，我准备改进程序，使它能够进行文件操作，一次性地完成声音 文件。 一天偶然发现Cool Edit软件可以把声音保存成一种文本文件，我用记事本打开它， 看到其中的声音样本都是从0~255之间的数字，中间用回车符分隔。如果能把声音文 件保存为这样的形式，再用Cool Edit读入，则能省去把数字转化成字符的工作，比原 来要方便。原来还有一个问题，ASCII码在32以下的字符都是特殊控制符，无法使用， 所以采样点的坐标数也不能小于32，现在没有这个问题了，采样点的坐标可以是0～255之间任意的整数。 这样，我在程序中，增加了一段代码，使它可以生成表示一个周期声音的这种格 式的字符串，根据用户输入的频率数，重复写入到文件中，制作成指定频率的声音文 本文件。 改进后的优点有： ? 省掉了用Word宏命令的步骤，减为三步。 ? 声音文件在Cool Edit中可以直接播放，不用再进行复制 仍然存在的不足： ? 还需要在别的程序中绘图。 ? 生成的声音文本文件只能被Cool Edit打开播放，兼容性仍然不强。 24088860.doc Page 3 of 11 9/5/2009 4. 增加绘图功能 我对WAV文件结构的了解还不充分，还不能创建可以在其他程序中打开的真的 WAV文件。曾经在网上下载了一个英文版的WAV文件结构介绍，但在阅读时遇到了 很大困难。所以我打算在寻找好办法的同时，先进行下一步，制作绘图的功能。 在采集声音样本后，程序将在采样点上绘制指示线，而绘图时又要把指示线擦去。 所以我选择的办法是，绘图后先把图片保存起来，采集样本后画上指示线，再次绘图 时把原来的图片恢复。现在遇到的问题就是如何保存图片。我想在VB中寻找一种可以把图片框里的图片暂时储存起来的控件，在查找资料之后却没有发现理想的。于是 想到了用API函数，但是函数手册总是看不太明白。我又请教了中科院软件所的同志， 而他们对VB的了解也不太多。只得又退回来，重新研究VB中的功能。这次细致地看了一下资料，终于发现图片框中有一个表示里面图片的属性，而VB中也有一种可以接收这个属性赋值的变量。这样，费了很大的周折，终于解决了保存图片的问题。 绘出的方式我设置有3种：铅笔、画直线、橡皮。这是仿造Windows里的“画图”设置的。“铅笔”是随着鼠标的移动画出任意的曲线，“画直线”时鼠标可以拉出直线， “橡皮”是擦除。这项工作完成想来倒相对比较简单，只用到了图片框的鼠标事件和 绘图方法。 下面要为绘图时的鼠标选取图标。我从网上下载了一些，没有如意的。后来从VB自带的图形库里找到了一个铅笔的图标，橡皮的图标则是自己绘制的。 这样，绘图的功能被制作到了程序里，由声波曲线制作声音的过程减少到了两步： ?画曲线，程序自动找坐标，保存成TXT声音文件；?用Cool Edit软件打开后将制作的声音播放出来。 程序里载入BMP文件的功能仍然保留。以方便载入现成的声波曲线。 5. 把ActiveX声音控件加入程序里 到这时，对于保存声音文件和声音播放的问题，已经有了解决办法。我在网上发 现了一个声音控件——NCTWavPlayer（图2）。它十分强大，具有一般的声音处理软 件的所有功能。我打算在程序中引用这个控件。这样，我便不必研究中的声音文 件的创建和播放的问题，控件都可以代劳了。而且在里面声音波形也可以显示出来。 并且再加入其它的功能也是易如反掌了。 图2，声音控件——NCTWavPlayer的界面 但是，我编程序时遇到了大问题。程序需要把采样点加入到声音控件中，但是， 24088860.doc Page 4 of 11 9/5/2009 在控件中建立新文件后，按照帮助文件上的方法加入采样点并不能成功。我便到NCT公司的网站上询问，但没有得到满意的答复。问题只得自己解决。我试验在各种情况 下进行采样点的加入，最后终于发现，只有当控件载入一个现有的声音文件后，才可 以加入采样点。这很令人费解，现在仍未找到原因。但是我想出了把采样点加入控件 的办法：先载入一个声音文件，再把全部定义成块，这时加入采样点，便可以把原来 载入了的声音覆盖成新的声音。 我在程序中加入播放的功能，这调用了NCTWavPlayer的函数。 现在，我的程序大体成型，它终于实现了自动地完成把用手绘制的声波曲线即时 转化成声音的目标。 6. 制作其他功能 我首先把程序界面重新制作，加上了菜单和工具栏，提高了易用性。 我增加了把选定的声音画在图片框里的功能，这调用了NCTWavPlayer的函数。这样我们就可以把波形进行绘图式的修改了，然后再把波形重新制作成声音。 我还加入了一个很新颖的功能：在设置音高时，不仅可以设置频率数，而且能用 点击琴键的方式，选择它在音乐上对应的音名，并加上了音名、音分、频率的换算功 能。当需要制作特定音高的声音时，这就给我们带来许多方便。 然后又增加了声音的辅助功能，如下，这基本上是调用了NCTWavPlayer的功能。 打开、保存声音文件 播放、暂停、停止 录音 剪切、复制、粘贴、删除 撤消、重复 放大、缩小 增加振幅、减小振幅 调节音量 到此为止，软件的第一个版本的最终完成了。 本软件实现了预期中的两个基本功能： 1. 将任意的手绘的波形转换为指定频率的声音。 2. 将已有的声音波形进行绘图式的修改。 此外，软件中还具有一些有用的其他功能：载入、保存声音，编辑声音，放大、 缩小波形，选择音名以设置频率，调节音量等。这样本软件也具有了一般声音处理软 件的功能。 本软件的最大特点就在于可以用手随意在电脑上画声波曲线。只需要一只鼠标作 24088860.doc Page 5 of 11 9/5/2009 为画笔，就可以随心所欲地制作、修改声音。不止是进行声音的一些处理，而是“画” 声音，这是其他声音软件所办不到的。本软件也不失严密性，可以将严密绘制的声波 曲线文件载入到程序中进行声音制作。所以可以满足不同人群的需要。 我初步设想，它有以下用途： 1.创造新声音：用户可以用画笔绘制出自己的波形，来创造希望的声音。也可 以在观察其他声音的波形特点之后，取长补短，绘制出理想的声音。本软件以后 还将设置一些声音波形的，供用户载入，在此基础上修改后制作声音。 2.加工、修改已有的声音：用户可以观察现有声音的波形，然后进行修改，重 新制作，以改变他的音色；也能截取现有声音的一个周期，重新选择频率后进行 制作，以修改它的音调。 3.教学作用：本软件也可以作为一个物理声学的教具。它可以向学生演示采样 率与采样点疏密的关系，振幅与响度的关系，声音频率与音高的关系，微观波形 与宏观音色的关系。 4.科普宣传：适用于从儿童到成人各个年龄段。例如，对少年儿童，可以让他 们体验跨越美术与声音之间的鸿沟，用耳朵听自己的手绘制出的奇妙声音；从而 体验到数字化时代的实质。 以后，我将本着“随意性”的特点，继续开发其它的功能： 声音频率的手绘调节 采样点振幅的手绘调节 然后，我会将软件发布，征求使用者的意见，再进行优化，最终完成。 本软件属多媒体技术，据网上调查，本软件的功能填补了现有声音软件的空白。 软件的界面见图3。 本软件实现了预期中的两个基本功能： 1．任意的手绘的波形转换为指定频率的声音。 2．已有的声音波形进行绘图式的修改。 软件第1版的基本功能： 1．菜单及工具栏功能： ?文件：建立、载入、保存声音文件和图片文件 ?绘图：铅笔、画直线、橡皮 ?声音：把波形制作成声音、把声音波形绘制图片框 声音的播放、暂停、停止、录制 声音的剪切、复制、粘贴、删除 波形的放大、缩小 24088860.doc Page 6 of 11 9/5/2009 增加振幅、减小振幅 ?操作：重复、撤消 2．面板上的功能： NCTWavPlayer：当前位置调整、选取一段声音 图片框：绘图 调整零电平线位置、采样左右边界位置 音调设置：频率或音名 音长设置 音量设置 设置自动寻找左右边界 图3，“把手绘制的声波曲线即时转化成声音的软件”界面 北京八中 李岗老师 中科院软件研究所 多媒体通信与网络工程研究中心 俄罗斯 NCT Company 王栋 《Visual Basic程序设计实用教程》 清华大学出版社 24088860.doc Page 7 of 11 9/5/2009 James.D.Foxall 《Visual Basic编程标准》 机械工业出版社 Microsoft 《Visual Basic 6.0中文版语言参考手册(电子版)》 北京希望电脑公司 黄淼云等 《Visual Basic控件高手》 北京希望电子出版社 《无线电》杂志 《电子制作》杂志 网上下载资料 《VB函数速查》 Cool Edit帮助文件 陈正生 《音高标识与音律计算》 24088860.doc Page 8 of 11 9/5/2009 20015 在实验和科研中,有时我们需要一些波形较为复杂的信号,并且信号的波形还能根据实际需要进行改变。本文向大家介绍一种利用光敏电阻和负反馈原理制作的任意 波形信号发生器。 如图1所示,把光敏电阻固定于铝罩的中心,以保证可以接受示波器任何位置的光 点,再将黑纸切割成所需的波形铺在示波器屏幕上。铝罩应根据示波器的形状和大小 制作,以避免外界杂散光的干扰。要求光敏电阻的光照特性具有良好的线性,可选用硫化铅（PbS）光敏电阻。 图1 图2为屏幕亮度监示与光点垂直移动的驱动电路。假设光点原处于Pl点，由于较强的人射光使光敏电阻的阻值减小到几百欧姆，这时运算放大器（F007）的同相输入端为负电位，输出端也是负电位。运放的输出（也是本函数发生器的输出）驱动示波 器的垂直输入端,使光点的位置垂直下降到P2点，这就导致对光敏电阻的光照变弱,阻值升高,使运放同相输入端的电位变正,输出也变正,光点上升,在P2点上下波动。 图2 24088860.doc Page 9 of 11 9/5/2009 由于负反馈的结果,光点就会收敛停留在使R1=R2的P点，当然，光点同时还在水平方向从左向右移动着,由于电路使光点沿着掩膜的上边缘移动,故而能产生按照掩膜切割的函数波形输出（见图3(a)）。为了获得平滑的输出电压（图3(b)），电路中加了由R4、C组成的低通滤波器。输出电压幅度可以通过调节示波器的垂直幅度旋钮在 一定范围内进行调整。如果要使输出电压幅度较大，可以在图2所示的驱动电路中增加放大电路进行级联，但不能破坏负反馈链。 用以上方法可以得到50OHz以下的任意波形的信号。 图2 (2001) 1、任务 (1)设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和 由用户编辑的特定形状波形。示意图如下： 24088860.doc Page 10 of 11 9/5/2009 (2)用键盘输入编辑生成上述三种波形(同周期)的线性组合波形，以及由基波及 其谐波(5次以下)线性组合的波形。 (3)具有波形存储功能。 (4)输出波形的频率范围为100Hz～20kHz(非正弦波频率按10次谐波计算)；重复频率可调，频率步进间隔?100Hz。 (5)输出波形幅度范围0~5V(峰-峰值)，可按步进0.1V(峰—峰值)调整。 (6)具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能。 2、发挥部分 (1)输出波形频率范围扩展至100Hz~200kHz。 (2)用键盘或其他输入装置产生任意波形。 (3)增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于?3%(负载电阻变化范围：100Ω~?)。 (4)具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。 (5)可产生单次或多次(1000次以下)特定波形（如产生1个半周期三角波）输出。 (6)其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展＞200kHz、扫频输出等功能）。 24088860.doc Page 11 of 11 9/5/2009