compressão de Áudio digital joaquim macedo departamento de informática da universidade do minho

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Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

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Page 1: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Compressão de Áudio Digital

Joaquim MacedoDepartamento de Informática da Universidade do Minho

Page 2: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Sumário Princípios de Compressão Áudio Redundância Estatística Redundância Temporal Codificação perceptual áudio Normas de compressão áudio Norma de Compressão Áudio MPEG-1 Norma de Compressão Áudio MPEG-2 Normas de Compressão Áudio AC Comparação de Algoritmos de Compressão Formatos Áudio

Page 3: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Exemplo 7.1 Queremos transmitir áudio estéreo em tempo

real num canal de 56Kbps. Considere os seguintes cenáriosa) Usamos uma frequência de amostragem de 44.1KHz.

Quantos bits podemos usar para cada amostra áudio?b) Usamos 16 bits/amostra/canal. Qual a máxima

frequência de amostragem? O que podemos fazer para evitar o aliasing

c) Queremos usar uma frequência de amostragem de 44.1 Khz e 16 bits/amostra/canal. Qual a razão mínima de compressão para transmitir o sinal áudio?

Page 4: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Princípios de Compressão Áudio

Redundância Estatística Mais bits para valores de amostra mais comuns

Redundância Temporal Correlação entre valores de amostras vizinhas Redundância inter-amostra

Redundância do Conhecimento Explorar conhecimento partilhado entre

codificador e descodificador Ficheiros MIDI

Propriedades do Sistema Humano de Audição Aumentar a qualidade subjectiva do sinal áudio

Page 5: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Função Taxa de Distorção Teorema de Shannon para

codificação da fonte sem erros Limite na compressão sem erros

Fontes áudio naturais Compressão sem perdas máxima 2:1 Compressão com perdas usada na

prática Obtenção de maior razão de compressão.

Page 6: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Função Taxa de Distorção

distorção dm

Débito D(dm)Codificador simples

Codificador complexo

Limite da teoria da informação

X de esperado valor - E(x) média distorção -

doreconstruí vector - original fontevector

)},({^

^

dm

SS

SSdEdm

Page 7: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Redundância Estatística Compressão de Texto

Métodos de compressão eficientes baseados na entropia

Pode-se usar a mesma abordagem na compressão de áudio

Page 8: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Exemplo 7.2 Considere um sistema de aquisição áudio que

tem 10000 amostras de áudio mono com resolução de 3 bits com níveis entre 0 e 7. O número de ocorrências para os oito níveis foram [700,900,1500,3000,1700,1100,800,300]

Calcule e desenhe a função densidade de probabilidade para cada símbolo

Calcule a entropia da fonte

Page 9: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Solução

p[0] = 700/10000 = 0.07p[1] = 900/10000 = 0.09p[2] = 1500/10000 = 0.15p[3] = 3000/10000 = 0.30p[4] = 1700/10000 = 0.17p[5] = 1100/10000 = 0.11p[6] = 800/10000 = 0.08 p[7] = 300/10000 = 0.03

30.0log*30.015.0log*15.009.0log*09.007.0log*07.0( 2222H

)03.0log*03.008.0log*08.011.0log*11.017.0log*17.0 2222

samplebits / 88.1

Page 10: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Sinal chord.wav

Fig. 4.14(a) Fig. 7.3,pag.149

Audio Waveform (Chord)

80

100

120

140

160

180

1 2001 4001 6001Samples

Am

plitu

de

Page 11: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Redundância Estatística O método de codificação baseado na

entropia Não consegue altos níveis de compressão

para a maioria dos sinais áudio Mas disponibiliza bom desempenho

quando aplicado a coeficientes de transformada

Norma MPEG-1 utiliza codificação baseada na entropia

Page 12: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação MU-LAW

g h h* g*QuantificadorUniformeCompressor

)(gf

Expansor

)( *1 hf

)(gfh

g h

*h )( *1* hfg

*h

)(gfh

g

)(gfh

g h

*h

h

*h )( *1* hfg

*h

)( *1* hfg

*h

Page 13: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação MU-LAWCaratcterísticas de E/S com 255

Page 14: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Exemplo 7.3 Considere o sinal áudio chord.

Quantifique o sinal uniformemente com 8 bits, utilizando a compressão com mu=255. Expanda o sinal e calcule a relação sinal-ruído (SNR). Compare a SNR com a obtida com o exemplo 4.6

Page 15: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Redundância Temporal

Page 16: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

DPCMDifferential Pulse Code Modulation

No DPCM Uma amostra áudio é prevista com base nas

amostras anteriores

O valor previsto é aproximado mas diferente do valor da amostra

Fórmula usada pela técnica LPC(Linear Preditive Coding)

nn ss ^

nnn sse^

'

1

^

n

M

iin ss

Page 17: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificador DPCMEsquema simplificado

Codificador

Previsor

^

ne

^

nS´nS

Áudio original

ÁudioCompactado

Quantificador

ne

nS

Page 18: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Descodificador DPCMEsquema simplificado

Descodificador

Previsor

^

ne

^

nS´nS

Áudio Reconstruído

ÁudioCompactado

Page 19: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

DPCM

N

mjmm

M

iopti

ssjR

jjR

jRijR

1

1,

*)(

entrada de amostra da dados dos

açãoautocorrel de função a é ,....2,1,0),(

)()(

Page 20: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Exemplo 7.4 Considere o sinal áudio chord.

Determine o conjunto óptimo de coeficientes de previsão de 1ª,2ª e 3ª ordem.

Page 21: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Erros de previsão

Page 22: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

DPCM Depois de obtida o erro da

sequência en É codificado para reconstruir o sinal

perfeitamente Na codificação com perdas uma

qualidade de reconstrução razoável é aceitável

A quantificação é a única operação na codificação DPCM que introduz ruído

Page 23: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Exemplo 7.5 As 4 primeiras amostras duma sequência digital

áudio são [70,75,80,82,...]. São necessários no mínimo 7 bits para codificar cada uma das amostras. As amostras áudio são codificadas usando o DPCM usando o previsor de primeira ordem. Os coeficientes de erro de predição são quantificados por 2 e arredondados para o próximo inteiro e armazenados sem perdas. Determine o número aproximado de bits necessários para representar cada amostra e o erro reconstruído em cada instância de amostra.

Page 24: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação DPCMvários passos para a sequência [70,75,80,82,...]

Instâncias

de amostras

0 1 2 3

Sinal original 70 75 80 82

Erro do sinal 0 75-67.9=6.4 80-73.6 =6.4

82-77.2 =4.8

Erro do sinal quantificado

0 7.1/2=4 6.4/2=3 4.8/2=2

Erro reconstruído 0 4*2=8 3*2=6 2*2=4

Sinal reconstruído 70 67.9+8=75.9 73.6+6= 79.6

77.2+4= 81.2

Sinal previsto para próxima amostra

70*0.97=67.9

75.9*0.97=73.6

79.6*0.97=77.2

81.2*0.97=78.8

Erro de reconstrução 0 -0.9 0.4 0.8

Nº de bits necessários 7 3 2 2

nS

ne

´nS

nS^

Page 25: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação do Áudio Perceptível

P Q R S T U V

Frequency

Sou

nd P

ress

ure

Lev

el

3 bits6 bits 4 bits

Threshold of hearing

MaskingThreshold

P Q R S T U V

Frequency

Sou

nd P

ress

ure

Lev

el

3 bits6 bits 4 bits

Threshold of hearing

MaskingThreshold

Page 26: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação do Áudio Perceptível

Band 1H

L

H

L

H

L

H

L

Average LevelMasking Level

Masking Level

Average Level

Average LevelMasking Level

Masking LevelAverage Level

SignalLevel

SignalLevel

SignalLevel

SignalLevel

Band 2

Band 3

Band 4

Band 1H

L

H

L

H

L

H

L

Average LevelMasking Level

Masking Level

Average Level

Average LevelMasking Level

Masking LevelAverage Level

SignalLevel

SignalLevel

SignalLevel

SignalLevel

Band 2

Band 3

Band 4

Page 27: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Normas de Compressão Áudio Codificadores áudio de baixo débito

Para telefone ITU-G.711

Defeito para ISDN 8000 amostras/seg, 8 bits/amostra Usam u-law e A-law companding

ITU-G.722 Áudio de maior fidelidade Codifica 7KHz em 64Kbit/seg

ITU-G.729 Voz a 8 KHz Usa uma estrutura conjugada

Algebraic-Code-excited, Linear Prediction Agorithm

Page 28: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Normas de Compressão Áudio Codificadores áudio genéricos

MPEG-1 Adoptada em 1992 Para áudio digital de alta fidelidade Norma de compressão genérica

Pode compactar sinais áudio provenientes duma larga diversidade de fontes

MPEG-2 Baseada na MPEG-1 com alguns melhoramentos

MPEG-4 Compacta tanto som natural (música, voz) como

sintetizado O som sintetizado pode ser representado por texto ou

pela descripção de intrumentos musicais com diferentes efeitos

Page 29: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Normas de Compressão Áudio Codificadores áudio genéricos

AC-2 e AC-3 Desenvolvidos pela Dolby Digital

Laboratories Para codificação de áudio de alata

fidelidade multi-canal

Page 30: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Norma MPEG-1 Áudio Explora as propriedades psico-acústicas do

ouvido humano Taxa de amostragem áudio:32, 44.1 ou 48 KHz pode compactar: mono ou estéreo (2 canais)

3 camadas independentes de compressão Compromisso entre complexidade, relação de

compressão, qualidade Camada 1 : mais simples, débitos acima de

128kbps/canal Camada 2: complexidade moderada, débito à volta de

128 bits/canal Camada 3 (mp3): maior complexidade, débitos à volta

de 64 kbps/canal e oferece a melhor qualidade áudio Adequada para transmissão áudio em ISDN

Page 31: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificador Áudio MPEG-1

Banco de Filtros de Análise

Alocação, Quantificaç

ão e Codificação

de bits

Formatação da

sequência de bits

Modelo Psico-Acústico

Dados auxiliares(opcional)

Sequência de bits codificada

Entrada Áudio

Page 32: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Descodificador Áudio MPEG-1

Desempacotamento da sequência de

bits

Reconstrução da

frequência de

amostragem

Banco de Filtros de Síntese

Dados auxiliares

Sequência de bits codificada

ÁudioReconstruído

Page 33: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Áudio MPEG-1Banco de Filtros

Para conseguir melhor desempenho As larguras de banda dos filtros no banco de

filtros devem unificar com as sub-bandas críticas Mais pequenas na gama inferior de frequências Maiores na gama superior Para simplificar o desenho do codificador

Existem 32 sub-bandas de igual largura Os filtros são relativamente simples

Boa resolução no tempo e uma resolução razoável na frequência

O banco de filtros não é reversível Mesmo que os coeficientes de sub-banda não

sejam quantificados, o sinal de áudio reconstruído não é igual ao original

Page 34: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

MPEG camada 1,2 e 3Codificação de camada

Filtro sub-banda 3

Filtro sub-banda 2

Filtro sub-banda 1

Filtro sub-banda 32

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

12Amostras

AmostrasAgrupadas

AmostrasÁudio

.

.

.

Quadro da camada 2 e 3Quadro da camada 1

Page 35: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação do MPEG-1 camada 3

Banco de

Filtros

da

Camada 1

e da

Camada 2

Redução

do

Aliasing,

Quantificação

e

codificação

Janela MDCT

Janela MDCT

Janela MDCT

MDCT

MDCT

MDCT

.

.

.

.

.

.

EntradaÁudioPCM

ÁudioCompactado

1

32

Page 36: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Norma MPEG-2

Define duas normas MPEG-2 BC

BC (Backward Compatible) Extensão da norma MPEG-1

Inclui codificação multi-canal e multilingue É permitida codificação a frequências abaixo de 32

KHz

MPEG-2 AAC ACC (Advanced Audio Coding)

Codificador áudio altamente avançado com um desempenho de compressão superior

Page 37: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

MPEG-2 AAC 3 Perfis ou Modos

Modo Low Complexity (LC) Aplicações em que o gargalo é a velocidade

de processamento e a memória Modo Main

Quando há capacidade de computação e memória disponíveis

Mode SSR (Scalable Sample Rate) Quando as aplicações precisam de

descodificação escaláveis.

Page 38: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificador MPEG-2 AACEsquema simplificado

Modelo

Perceptual

Processo de

Controlo da Taxa

de Distorção

Banco de Filtros

Calibragem do ruído temporal

Previsão

Factores de Escala

Quantizador

Codificação sem ruído

Multiplexador da

Sequência de bits

Entrada do Sinal Áudio

Sequênciacodificada de bits áudio

Page 39: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Normas de Compressão Áudio ACÁudio Digital Áudio

O codificador AC-3 é largamente utilizado para transportar Áudio multi-canal em aplicações como

Vídeo DVDTV Digital TV de alta definição (HDTV)Aplicações de éstudio

O codificador AC-3 foi precedido por AC-1e AC-2.AC-1: Utiliza modulação delta adaptativa combinada com compandinganalógica. Não é um codificador perceptual.AC-2: Um codificador perceptual que usa uma transformada de baixa Complexidade TDAC (Time domain alias cancellation) transform. Usa MDCT, MDST.Àudio de alta qualidade a um débito de 256 kbps por canal.AC-3: Superior ao AC-2. Alta qualidade a 384 kbps/seis-canais

Page 40: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificador AC-3Esquema simplificado

Empacotador do sequência

de bits

Alocação de bits

Qunatificador da mantissa,

Vírgula flutuante em

bloco

Transformação TDAC Expoentes

MantissasQuantificadas

Coeficientesde transformada

Mantissas

ÁudioCodificado

AmostrasÁudio

Page 41: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Codificação de Expoente

exp2* xs

Os expoentes são valores de 5 bits que indicam o número de zeros da

frente

Os valores dos expoentes variam de 0 a 24

São codificados de forma diferencial

Os diferentes expoentes são combinados em grupos no bloco áudio

A Estratégia do expoente define como os diferentes expoentes são codificados

Page 42: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Descodificador AC-3Esquema simplificado

Desempacotador do expoente

Alocação de bits

Desempacotador da mantissa, Normalização

Ponto flutuante para fixo

Transformação inversa TDAC

Canais 5.1 de saída

Sequência de bits codificada

Page 43: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Comparação de algoritmosDébito(em Kb/seg)

Qualidade Aplicação Disponível desde

MPEGCamada 1

32-448 Boa a 192 Kbps/canal

DCC 1991

MPEGCamada 2

32-384 Boa a 256 Kbps/canal

Difusão de Áudio Digital, CD-I, DVD

1991

MPEGCamada 3

32-320 Boa a 96 Kbps/canal

1993

AC-3 Dolby

32-640 Boa a 384 Kbps/5.1 canais

HDTV, Cabo, DVD

1991

Page 44: Compressão de Áudio Digital Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

Formatos Áudiotípicos para armazenamento de som

Extensão/ tipo de ficheiro

Comentários

aiff Áudio não compactado, tipicamente 16 bits/amostra. Pode ter outra resolução, tipicamente usado em Mac/Unix

au Usa compressão mu-law. Usado em plataformas Sun

mov Vídeo QuickTime

mpa/mp2 Formato MPEG áudio. São usadas várias camadas para compromisso entre a complexidade e o desempenho

mp3 Camada 3 do MPEG áudio

qt Formato QuickTime. Proprietário da Apple

Ra,ram Formato Real Áudio. Proprietário da Real Networks. Suporta áudio ao vivo na Internet

wav Áudio não compactado, tipicamente 16 bits/amostra

wma Áudio usado no Windows Media. Proprietário da MicrosoftFormatos usados para cadeias de áudio na Internet