Scrittura di programmi applicativi per audio real-time: la

FONDAMENTI DI INFORMATICA
Prof. PIER LUCA MONTESSORO
Università degli Studi di Udine
Scrittura di programmi applicativi per
audio real-time: la libreria portaudio
Il segnale audio
V
amplificatore
segnale audio analogico (elettrico) t
suono: successione di
compressioni e rarefazioni
dell’aria
amplificatore: amplifica il livello della
tensione/corrente
microfono: converte il suono in variazioni
di una tensione o corrente elettrica
Il segnale audio
• È continuo:
– nel tempo
– nelle ampiezze
• Per la codifica digitale è necessario rendere discreto il
segnale:
– per il tempo  campionamento
– per le ampiezze  quantizzazione
Campionamento
V
“CAMPIONAMENTO”
t
Campionamento
Teorema del campionamento (Shannon,
Nyquist)
• Si applica a segnali reali limitati in banda (potenza
nulla al di sopra di una frequenza massima B)
• Permette di rappresentare completamente un
segnale continuo nel tempo mediante una sequenza
discreta di valori campionati a frequenza Fc
• Vincolo:
Fc2B
Quantizzazione
• Il campionamento produce dei numeri reali di
precisione virtualmente infinita
• Per la rappresentazione digitale è necessario
utilizzare un numero finito di bit
• La quantizzazione arrotonda i valori dei campioni
introducendo irreversibilmente una perdita di
informazione detta “rumore di quantizzazione”
Quantizzazione
V
V
t
campionamento
V
t
quantizzazione
t
Alcuni esempi
• Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation)
– B  3400 Hz (il canale telefonico ha banda 300-3400 Hz)
– Fc = 8 kHz
– Quantizzazione: 8 bit/campione
– 64 kb/s
– 1 minuto: 480 kB
Alcuni esempi
• Musica su CD audio
– B  20 kHz (l’insieme di frequenze udibili dall’orecchio
umano è 20-20000 Hz)
– Fc = 44.1 kHz
– Quantizzazione: 16 bit/campione (per ognuno dei due
canali: il CD è stereo)
– 1.411 Mb/s
– 1 minuto: circa 10 MB
In linguaggio C, file WAV
• I campioni da 16 bit sono rappresentati da valori di
tipo signed short int
• La sequenza di campioni è memorizzata in un
vettore in cui i valori del canale destro e canale
sinistro sono alternati
signed short int buffer[88200]
Interfaccia audio
dispositivo
hardware
driver
software
qui ci pensa il
costruttore…
programma
applicativo
qui tocca a noi!
Libreria portaudio
• http://www.portaudio.com/
“Portable cross-platform Audio API”
• Compatibile con cygwin/gcc
• Wrapper per le esercitazioni di “Architettura dei
calcolatori”:
rtalib (real-time audio library)
Un piccolo problema
Il driver software esiste già. Come fa a chiamare una
funzione della nostra applicazione?
Funzioni di CALLBACK!!!
Callback function
driver
software
programma
applicativo
f_inizializzazione (indirizzo_fz_appl)
chiamata di (*indirizzo_fz_appl)()
rtalib
• Limitata al formato CD audio
(44.1 KHz, 16 bit, stereo)
• Richiede i file cygportaudio-2.dll e libportaudio.dll.a
(Windows) o libportaudio.so (Linux), portaudio.h,
rtalib.c, rtalib.h, wav.c, wav.h, (sul sito
www.montessoro.it)
• per compilare:
cc_rta <nome programma>
(Windows)
./cc_rta <nome programma>
(Linux)
rtalib: funzioni di inizializzazione
int init_stream_for_input (void)
int init_stream_for_output (void)
int init_stream_for_input_and_output (void)
rtalib: funzioni di callback
void write_buffer_to_play
(signed short int *buffer, int buffer_size)
void read_recorded_buffer
(signed short int *buffer, int buffer_size)
void read_and_write_buffer
(signed short int *input_buffer,
signed short int *output_buffer,
int buffer_size)
rtalib: temporizzazione e chiusura
void sleep_while_stream_is_running
(double seconds)
int close_stream (void)
Esempio: wire
void wire (void)
{
if (init_stream_for_input_and_output() == -1)
{
printf ("error opening output stream\n");
exit (EXIT_FAILURE);
}
printf ("Playing... 'X' to terminate.\n");
while (toupper(getchar()) != 'X');
return;
}
Esempio: wire
void read_and_write_buffer
(signed short int *input_buffer,
signed short int *output_buffer, int buffer_size)
{
int i;
for (i = 0; i < buffer_size; i++)
{
*output_buffer++ = *input_buffer++;
*output_buffer++ = *input_buffer++;
}
return;
}
/* left */
/* right */