Lautstärke

Aufgabe

So ist eine WAV-Datei aufgebaut

WAV ist ein gängiges Dateiformat für Audiodaten.

1. Header: Die ersten 44 Byte sind der Header (bei den Dateien dieser Aufgabe immer genau 44). Er beschreibt die Datei, etwa ihre Größe, die Zahl der Samples pro Sekunde und die Größe eines Samples. Er wird unverändert in die Ausgabedatei übernommen.
2. Samples: Danach folgen bis zum Dateiende nur noch Samples. Ein Sample ist der Wert des Audiosignals zu einem Zeitpunkt – im Bild oben ein Punkt der Welle.
3. Größe eines Samples: Jedes Sample ist eine ganze Zahl mit Vorzeichen aus 2 Byte (16 Bit), also zwischen −32768 und 32767. In C passt dazu der Typ int16_t.
4. Lautstärke: Multipliziert man jedes Sample mit demselben Faktor, ändert sich die Lautstärke: Ein Faktor über 1 macht die Datei lauter, einer unter 1 leiser.
5. Nachkommastellen: Das Produkt ist eine Kommazahl. Beim Speichern in einem int16_t fallen die Nachkommastellen weg (es wird nicht gerundet, sondern in Richtung 0 abgeschnitten).
6. Wertebereich: Ein Produkt außerhalb von −32768 bis 32767 passt nicht in ein int16_t. Solche Faktoren müssen Sie nicht abfangen.

Beispiel mit drei Samples:

Was genau im Header steht und warum Faktor 2.0 nicht „doppelt so laut“ klingt, steht am Ende der Seite unter „Zum Weiterlesen“.

Demo

Aufgabenmaterial

Für diese Aufgabe werden Sie ein von uns zur Verfügung gestelltes Codegerüst vervollständigen.

$

wget https://dev.inf.zone/download/exercises/07/volume.zip

unzip volume.zip

rm volume.zip

cd volume

volume/ $

ls

// TODO: Copy header from input file to output file

// TODO: Read samples from input file and write updated data to output file

Spezifikation

Vervollständigen Sie volume.c so, dass es die Lautstärke von input um factor ändert und das Ergebnis in output speichert. Bei factor gleich 2.0 werden zum Beispiel alle Samples verdoppelt.

• Lesen Sie zuerst die 44 Byte des Headers aus der Eingabedatei und schreiben Sie sie unverändert in die Ausgabedatei.
  • Jedes Byte des Headers können Sie als uint8_t behandeln: eine vorzeichenlose (u für unsigned), also nicht negative, ganze Zahl aus 8 Bit (daher die 8), genau ein Byte. uint8_t ist in <stdint.h> deklariert.
• Lesen Sie danach die restlichen Daten ein Sample nach dem anderen, multiplizieren Sie jedes mit factor und schreiben Sie das neue Sample in die Ausgabedatei.
  • Gehen Sie davon aus, dass die WAV-Datei 16-Bit-Samples mit Vorzeichen enthält. (WAV-Dateien können auch andere Sample-Größen haben, in dieser Aufgabe nicht.)
  • Jedes Sample können Sie als int16_t behandeln: eine ganze Zahl mit Vorzeichen, also positiv oder negativ, aus 16 Bit. int16_t ist ebenfalls in <stdint.h> deklariert.
• Ihr Programm darf, falls es malloc verwendet, keine Memory-Leaks haben. malloc ist für diese Aufgabe aber nicht nötig.

Hilfestellung

Klicken Sie auf die folgenden Tipps, um einige Ratschläge zu erhalten. Beide Tipps zeigen Schritt für Schritt den Code einer möglichen Lösung. Schauen Sie sie deshalb erst an, wenn Sie die Aufgabe ernsthaft selbst versucht haben. Nicht jede Aufgabe hat einen so ausführlichen Lösungsweg; meist ist eine solche Aufgabe eine Aufwärmübung für eine schwierigere, die später folgt.

uint8_t header[n];

// Copy header from input file to output file
uint8_t header[HEADER_SIZE];
fread(header, HEADER_SIZE, 1, input);
fwrite(header, HEADER_SIZE, 1, output);

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

// Update volume of sample
buffer *= factor;

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

// Update volume of sample
buffer *= factor;

// Write updated sample to new file
fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);

while (fread(...))
{

}

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer while there are samples left to read
while (fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input) != 0)
{
    // Update volume of sample
    buffer *= factor;

    // Write updated sample to new file
    fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);
}

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer while there are samples left to read
while (fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input))
{
    // Update volume of sample
    buffer *= factor;

    // Write updated sample to new file
    fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);
}

Testen

Ihr Programm sollte sich wie in den folgenden Beispielen verhalten:

./volume input.wav output.wav 2.0

Wenn Sie output.wav anhören, sollte die Datei deutlich lauter sein als input.wav.

./volume input.wav output.wav 0.5

Jetzt sollte output.wav deutlich leiser sein als input.wav.

Zum Anhören machen Sie einen Rechtsklick auf output.wav im Dateibrowser, wählen Herunterladen... und öffnen die Datei in einem Audio-Player auf Ihrem Computer. Bei einer lokalen Installation mit Docker können Sie Audio-Dateien auch direkt in VS Code abspielen.

Korrektheit

Führen Sie in Ihrem Terminal den folgenden Befehl aus, um die Korrektheit Ihrer Arbeit zu überprüfen:

check50 -l inf-zone/exercises/2026/volume

Style

Führen Sie den folgenden Befehl aus, um den Stil Ihres Codes mit style50Prüfprogramm von CS50, das zeigt, wo Ihr Code von den Formatierungsregeln abweicht. In Grün zeigt es, was Sie ergänzen sollten, in Rot, was wegfallen soll. Glossar → zu analysieren:

style50 volume.c

Abgeben

Geben Sie im Ordner volume ab:

inf upload volume

Danach sehen Sie, welche Tests Ihr Programm besteht und ob die Übung für die Bonuspunkte zählt. Wie Sie inf installieren und sich anmelden, steht unter Abgeben mit inf.

Zum Weiterlesen: Header und Lautstärke

Für die Lösung der Aufgabe nicht nötig.

Was im Header von input.wav steht:

Bei Stereo wechseln sich die Samples für den linken und den rechten Kanal ab. Für Ihr Programm spielt das keine Rolle, weil alle Samples mit demselben Faktor multipliziert werden. Viele WAV-Dateien in freier Wildbahn haben übrigens längere Header mit zusätzlichen Abschnitten; die 44 Byte gelten nur für den einfachsten Aufbau, wie ihn die Dateien dieser Aufgabe haben.

Warum Faktor 2.0 nicht doppelt so laut klingt: Der Faktor verdoppelt die Ausschläge der Welle (die Amplitude). Das entspricht etwa 6 Dezibel mehr. Als „doppelt so laut“ empfinden Menschen nach einer gängigen Faustregel erst etwa 10 Dezibel mehr, also ungefähr die dreifache Amplitude.

Was bei zu großen Faktoren passiert: Die Samples in input.wav liegen zwischen −8185 und 8117; bis Faktor 4 passt also jedes Ergebnis in ein int16_t. Darüber sprengen die lautesten Stellen den Wertebereich. Der C-Standard legt für diesen Fall kein Ergebnis fest, in der Praxis entstehen falsche Werte, die als Knacken und Verzerrung zu hören sind. Ein Programm, das das vermeiden will, müsste zu große Ergebnisse auf 32767 bzw. −32768 begrenzen.