Bài giảng Truyền thông đa phương tiện - Chương 2: Kỹ thuật Audio & Video - Trần Bá Nhiệm

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT AUDIO & VIDEO Nội dung • Tổng quan • Kỹ thuật audio • Kỹ thuật video Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 2 Tổng quan • Âm thanh – Dạng lan truyền của sóng trong không gian – Sóng âm khi đến tai người nghe, đập vào màng nhĩ, làm cho người đó cảm nhận được sự rung động này – Con người có khả năng phân biệt với các âm thanh khác dựa vào một số đặc tính như tần số, nhịp điệu, mức áp lực, • Mục đích của các hệ thống audio: xử lý, tạo hiệu ứng, nén tín hiệu thu nhận từ nguồn • Audio số: chuỗi các giá trị số được biểu diễn bằng mức âm thanh theo thời gian Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 3 Ứng dụng • Các hệ thống thông tin không dây – Truyền hình độ phân giải cao (High-Density TV) – Âm thanh quảng bá số (Digital Broadcast Audio DBA) – Vệ tinh quảng bá trực tiế (Digital Broadcast Satelite DBS) • Các môi trường mạng – Âm thanh theo yêu cầu (chuyển mạch gói, Internet) – Truyền hình cáp (CATV) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 4 Ứng dụng • Các ứng dụng đa môi trường – CD-R – Đĩa đa năng số (DVD) • Cinema – Dolby AC-3 (5 kênh, 384kbps) – APT-x100 • Lưu trữ khối – Minidisc – DCC Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 5 Audio số • Hệ thống audio tương tự và số – Hệ thống audio tương tự gặp phải một số vấn đề khi xử lý tín hiệu như khả năng của linh kiện (về mặt tần số), lưu trữ, phức tạp, từ đó dẫn đến méo phi tuyến cao, SNR (Signal Noise Ratio) bé – Hệ thống audio số có nhiều ưu điểm trong thu nhận, hiệu chỉnh, xử lý và phát lại. Các kỹ thuật nhận dạng và tổng hợp phát triển nhanh chóng, tương thích máy tính và con người Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 6 Audio số • Ưu điểm của audio số: – Độ méo tín hiệu nhỏ (0,01%) – Dải động âm thanh lớn gần mức tự nhiên (>90dB) – Dải tần rộng hơn (20Hz đến 20kHz) – Đáp tuyến tần số bằng phẳng – Cho phép ghi âm nhiều lần mà không giảm chất lượng – Lưu trữ, xử lý thuận tiện, dễ dàng – Tăng dung lượng kênh truyền – Khả năng xử lý bằng hệ phi tuyến Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 7 Quá trình thu nhận audio số Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 8 Rời rạc hóa • Các hệ thống liên tục có nhiều nhược điểm như cồng kềnh, không hiệu quả và chi phí cao. • Các hệ thống truyền tin rời rạc có nhiều ưu điểm hơn, khắc phục được những nhược điểm trên của các hệ thống liên tục và đặc biệt đang ngày càng được phát triển và hoàn thiện dần những sức mạnh và ưu điểm của nó. • Rời rạc hoá thường bao gồm hai loại: Rời rạc hoá theo trục thời gian, còn được gọi là lấy mẫu (sampling) và rời rạc hoá theo biên độ, còn được gọi là lượng tử hoá (quantize). Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 9 Lấy mẫu và lượng tử hóa • Lấy mẫu và giữ mức: là quá trình rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian và giữ cho biên độ trong khoảng thời gian lấy mẫu không đổi • Lượng tử hóa: là quá trình rời rạc tín hiệu về mặt biên độ. Tại mỗi mẫu, biên độ được chia thành các mức gọi là các mức lượng tử Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 10 Rời rạc hóa • Lấy mẫu (Sampling) – Lấy mẫu một hàm là trích ra từ hàm ban đầu các mẫu được lấy tại những thời điểm xác định. – Vấn đề là làm thế nào để sự thay thế hàm ban đầu bằng các mẫu này là một sự thay thế tương đương, điều này đã được giải quyết bằng định lý lấy mẫu nổi tiếng của Shannon. Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 11 Rời rạc hóa (tt) • Định lý lấy mẫu của Shannon – Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành phần tần số lớn hơn max (= 2fmax) có thể được thay thế bằng các mẫu của nó được lấy tại những thời điểm cách nhau một khoảng t  /max, hay nói cách khác tần số lấy mẫu F  2fmax s(t) Chứng minh: t  / smax max  t  1 / (2fmax)  1/ t  2 fmax  f ≥ 2 f smin max t  hay F  2fmax Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 12 Kỹ thuật truyền tín hiệu • Tốc độ bit (Bit rate): D = 1/Tb bit/s trong đó Tb là thời gian truyền 1 bit • Tốc độ điều chế (Modulation rate): số lượng tín hiệu truyền trong mỗi giây R = 1/Ts symbol/s hoặc baud/s trong đó Ts là thời gian truyền 1 tín hiệu Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 13 Kỹ thuật truyền tín hiệu • Định luật Shannon cho biết khả năng của kênh truyền băng lọc thông thấp có ảnh hưởng của nhiễu trắng Gaussian: C = B log2(1 + SNR) bit/s trong đó B là băng thông (Hz), S: năng lượng của tín hiệu – signal (W), N: năng lượng của nhiễu - thermal noise (W), SNR là tỷ số tín hiệu/nhiễu, C: giới hạn trên của tốc độ truyền bit Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 14 Kỹ thuật truyền tín hiệu • Công thức liên hệ giữa tốc độ điều chế và tốc độ bit là: D = R x n • Định lý Nyquist cho biết giới hạn trên của tốc độ điều chế kênh có băng lọc thông thấp: R  2B trong đó B là băng thông của kênh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 15 Rời rạc hóa (tt) • Lượng tử hoá (Quantize) – Biên độ của các tín hiệu thường là một miền liên tục (smin, smax). Lượng tử hoá là phân chia miền này thành một số mức nhất định, chẳng hạn là smin = s0, s1, ..., sn = smax và qui các giá trị biên độ không trùng với các mức này về mức gần với nó nhất. – Việc lượng tử hoá sẽ biến đổi hàm s(t) ban đầu thành một hàm s’(t) có dạng hình bậc thang. Sự khác nhau giữa s(t) và s’(t) được gọi là sai số lượng tử. Sai số lượng tử càng nhỏ thì s’(t) biểu diễn càng chính xác s(t). Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 16 Rời rạc hóa (tt) s(t) smax smin t Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 17 Dither • Nguyên nhân: lượng tử hóa  méo tín hiệu. Tín hiệu có biên độ càng nhỏ thì méo lượng tử càng cao • Khắc phục: cộng âm thanh trước khi lấy mẫu với một tạp âm tương tự  ngẫu nhiên hóa các ảnh hưởng để phân phối đều méo lượng tử thành các lỗi ngẫu nhiên chứ không tập trung nhiều vào phần có biên độ thấp Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 18 Dither • Định nghĩa: dither là một nhiễu được cộng vào tín hiệu âm thanh • Mục đích: loại bỏ méo lượng tử • Cơ sở: dither làm cho tín hiệu âm thanh bị biến đổi giữa các mức lượng tử gần nhau, điều này làm giảm độ tương quan của lượng tử hóa tín hiệu, loại các ảnh hưởng của lỗi và mã hóa các biên độ tín hiệu thấp hơn một mức lượng tử • Nhược điểm: cộng nhiễu vào tín hiệu Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 19 Dither Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 20 Mã hóa và mã hóa kênh • Mã hóa: – Là quá trình chuyển các mức rời rạc thành một chuỗi các mẫu số nhị phân (hoặc các hệ đếm khác) theo một quy luật nhất định – Sau mã hóa nhị phân ta được tín hiệu điều xung mã PCM – tín hiệu PCM không thích hợp để lưu trữ hoặc truyền dẫn vì vẫn còn tồn tại thành phần một chiều  mã hóa kênh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 21 Mã hóa và mã hóa kênh • Tiếng nói cần được chuyển đổi từ hình thức tương tự sang số để có thể truyền qua mạng kỹ thuật số • Thiết bị thực hiện chức năng này được biết đến với tên gọi codecs (coder/decoder) • Phương pháp Pulse Code Modulation (PCM) số hoá tín hiệu tiếng nói bằng cách lấy mẫu tín hiệu trong các khoảng thời gian đều đặn Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 22 Mã hóa và mã hóa kênh • Các giai đoạn của PCM – Lấy mẫu: tạo ra một dãy các mẫu gọi là các xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) – Lượng tử hoá: • Tách khoảng biên độ của tín hiệu tiếng nói thành V mức • Lượng tử hoá làm méo tín hiệu do phép xấp xỉ • 128 mức cho chất lượng số hoá tốt – Mã hoá nhị phân: mã hoá các giá trị được lượng tử hoá thành dạng nhị phân, 011001100100001101000111100110000011 (4 bit) Truyền thôngTrần Bá đa Nhiệm phương tiện 23 Mã hóa và mã hóa kênh Truyền thôngTrần Bá đa Nhiệm phương tiện 24 Mã hóa và mã hóa kênh • Nhược điểm của PCM là tốc độ bit cao, không phù hợp với các hệ thống truyền thông không dây • Differential PCM – Cho biểu diễn nhị phân của sự chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp – Giảm được tốc độ bit nếu sự chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp có thể mã hoá sử dụng số bit nhỏ hơn số bit cho mã hoá chính mẫu • Adaptive DPCM – Phán đoán giá trị của mẫu dựa trên giá trị của các mẫu trước Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 25 Mã hóa và mã hóa kênh • Mã hóa kênh – Biến đổi dữ liệu với mục đích đạt được mật độ bit cao trong giới hạn băng thông của kênh truyền – Giảm sự tổn hao trong khi truyền hoặc lưu trữ – Cải thiện dải thông, dữ liệu truyền dẫn có đặc tính tối ưu – Làm cho phổ tín hiệu âm thanh số ít méo Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 26 Ghép kênh • Tín hiệu âm thanh số thường bao gồm nhiều kênh. Ví dụ: hệ thống âm thanh 5.1 gồm các kênh trái, phải, trung tâm, trái vòm, phải vòm và siêu trầm; ngoài ra còn có các tín hiệu mã phụ, mã đồng bộ, • Nguyên lý ghép kênh thường được áp dụng đó là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), mỗi kênh sử dụng một khe thời gian được ấn định trước Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 27 Ghép kênh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 28 Mã hóa audio cảm quan • Mục đích – Biểu diễn chuỗi số ngắn gọn – Tốc độ bit thấp – Chất lượng cao • Động cơ – Giảm tốc độ dữ liệu – Giảm chi phí truyền dẫn (băng thông) – Giảm các yêu cầu lưu trữ Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 29 Mã hóa audio cảm quan • Các yêu cầu – Cảm nhận trong suốt – Độc lập nguồn – Có khả năng đa kênh – Độ phức tạp bất đối xứng – Độ trễ hợp lý Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 30 Mã hóa audio cảm quan • Mã hóa nguồn không thực tế với tín hiệu audio, do đó người ta muốn thực hiện phải tiến hành: – Khai thác các đặc tính thu được – Loại bỏ các thành phần không thích hợp với cảm nhận – Giảm các dư thừa thống kê Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 31 Mã hóa audio cảm quan Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 32 Tiêu chuẩn lấy mẫu – Băng thông – Chất lượng – Tốc độ – Độ trễ Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 33 Băng lọc số • Là một tập hợp các bộ lọc số có chung đầu vào nhiều đầu ra hoặc chung đầu ra nhiều đầu vào • Băng lọc số phân tích là tập hợp các bộ lọc số j có đáp ứng tần số Hk(e ) có chung đầu vào và nhiều đầu ra Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 34 Băng lọc số • Ngõ ra gồm M tín hiệu Xk(n) chiếm dải tần liên tiếp nhau gọi là các tín hiệu băng con (subband) j j • Các bộ lọc H0(e ): thông thấp, HM-1(e ): thông j cao, Hi(e ): thông dải (với i từ 1 đến M – 2) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 35 Băng lọc số tổng hợp • Là tập hợp các bộ lọc số có đáp ứng tần số j Gk(e ) có chung đầu ra j j • Các bộ lọc G0(e ): thông thấp, GM-1(e ): thông j cao, Gi(e ): thông dải (với i từ 1 đến L – 2) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 36 Băng lọc số nhiều nhịp 2 kênh và băng lọc gương cầu phương QMF (Quadrature Mirror Filter Bank) • Băng lọc số nhiều nhịp là sự kết hợp của băng lọc số phân tích, băng lọc số tổng hợp với bộ phân chia và bộ nội suy • Với số bộ lọc của băng lọc phân tích và tổng hợp bằng 2 thì ta có băng lọc số nhiều nhịp 2 kênh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 37 Băng lọc số nhiều nhịp 2 kênh và băng lọc gương cầu phương QMF (Quadrature Mirror Filter Bank) • Các bộ lọc H0(ej), G0(ej): thông thấp, H1(ej), G1(ej): thông cao • Lý tưởng: = () Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 38 Băng lọc số nhiều nhịp 2 kênh và băng lọc gương cầu phương QMF (Quadrature Mirror Filter Bank) • Nếu ( ) = ( ) và nếu chọn tần số cắt cho 2 bộ lọc là /2 ta thấy ( ) là ảnh của ( ) qua gương đặt ở vị trí /2. Băng lọc nhiều nhịp 2 kênh như vậy gọi là băng lọc gương cầu phương • Nếu = c( − ) giống dạng tín hiệu ngõ vào thì ta gọi là băng lọc gương cầu phương khôi phục hoàn hảo PRQMF (Perfect ReconstructureQMF) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 39 Mã hóa băng con và cấu trúc bộ lọc QMF • Dùng bộ lọc số • Thuận lợi trong việc nén tín hiệu âm thanh vì phổ tập trung không đồng đều. Từ đó ta có được sự phân bố hợp lý, vừa hiệu quả vừa đạt chất lượng cao Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 40 Cấu trúc dạng cây đơn phân giải Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 41 Cấu trúc dạng cây đa phân giải Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 42 Các phương pháp mã hóa chuyển đổi • FFT (Fast Fourier Transform) • DFT (Discrete Fourier Transform) • DCT (Discrete Cosine Transform) • MDCT (Modified DCT) • Wavelets Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 43 DCT (Discrete Cosine Transform) • DCT là phép biến đổi trực giao, là một thuật toán hiệu quả cho các đặc tính nén mạnh và giảm độ tương quan Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 44 MDCT (Modified DCT) • MDCT là phép biến đổi trực giao tuyến tính được sửa đổi từ DCT Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 45 Wavelests • Wavelests có thể được xem như một bộ phân tích băng con với cây không cân bằng, nghĩa là các tần số được chia một cách không đồng nhất • Băng lọc tương đồng với dải tới hạn Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 46 DWT (DiscreteWaveletTransform) • Mở rộng và dịch chuyển “hàm mẹ” h(t) bằng cách định nghĩa một cơ sở trực giao, wavelet cơ sở: -m/2 -m hn.m(t) = 2 h (2 t – n) Trong đó: n là tỷ lệ, m là độ dời và t là thời gian • Hệ số n chỉ thị độ rộng của các wavelet và hệ số vị trí m xác định vị trí của nó. Với hàm mẹ h(t) ta được một tập hàm wavelet trực giao cơ sở Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 47 DWT (DiscreteWaveletTransform) • Trực giao: f(t), g(t) là hai vector thuộc không gian L2(a, b), t [a, b]. Hai vector là trực giao khi tích vô hướng của chúng bằng 0 • Cơ sở trực giao: tập các vector {vk} = {v1, , vn} được gọi là cơ sở trực giao nếu chúng trực giao từng đôi một và có độ dài bằng 1 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 48 DWT (DiscreteWaveletTransform) • = mn • Hay • Hàm delta: • Chuyển đổi wavelet: • Chuyển đổi wavelet ngược: Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 49 Phân tích tâm lý âm học • Hệ thống thính giác của con người – Được chú trọng khai thác trong audio cảm quan – Trong dải 20Hz đến 20kHz thì khả năng nghe không đồng nhất với các tần số - việc cảm nhận phụ thuộc vào mức áp lực và tùy thuộc vào từng người – Dải 20Hz  20kHz được chia thành các dải con không đồng nhất và không tuyến tính. Cảm nhận tốt trong khoảng 2kHz đến 4kHz và ngưỡng nghe đến ngưỡng đau khoảng 96dB Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 50 Phân tích tâm lý âm học • Hệ thống thính giác của con người – Phụ thuộc vào môi trường nghe, với môi trường nhiễu lớn thì hạn chế khả năng nghe và khả năng phân biệt các âm thanh khác nhau – Vậy phân tích tâm lý nghe là xét các vấn đề: • Độ nhạy của tai, khả năng đáp ứng của các cường độ khác nhau • Đáp ứng của tai với các tần số khác nhau • Nghe một âm khi có mặt một âm khác Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 51 Ngưỡng nghe tuyệt đối • Ngưỡng nghe tuyệt đối - ATH (Absolute Theshold of Hearing) – Thí nghiệm: để một người trong phòng kín, im lặng, phát âm kiểm tra với tần số xác định (1kHz), tăng mức âm thanh cho đến khi có thể nghe được, ghi lại các giá trị và lặp lại với tần số khác – Vẽ đồ thị, ta được ngưỡng nghe tuyệt đối – Thử với người khác, ghi kết quả Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 52 Dải tới hạn (critical bankwidth) • Fletcher thí nghiệm và thấy việc nghe của con người giống như dùng các bộ lọc tâm sinh lý có độ rộng gần bằng một giá trị tới hạn và Fletcher gọi độ rộng của bộ lọc tới hạn là dải tới hạn • Dải tới hạn biểu diễn công suất xác định của tai cho các tần số hay dải tần số liên tục Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 53 Dải tới hạn (critical bankwidth) • Các thí nghiệm cho thấy rằng: – Với các tần số che nhỏ hơn 500Hz thì dải tới hạn không đổi với độ rộng khoảng 100Hz – Với các tần số che lớn hơn 500Hz thì dải tới hạn có độ rộng tăng tương đối tuyến tính theo tần số • Vậy thang tần số không tuyến tính  thang bark (Barkhausen) • Flecher chia băng thông âm thanh thành 25 dải tới hạn Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 54 Dải tới hạn (critical bankwidth) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 55 Dải tới hạn (critical bankwidth) • Bark là đơn vị để biểu diễn một dải tới hạn, 1 bark = 1 độ rộng dải tới hạn • Công thức chuyển đổi: • Hoặc: 1 bark = 13 arctg(0,76f) + 3,5 arctg(f/7500) • Hoặc: 1 bark = 13 arctg(0,76f) + 3,5 arctg(f2/65,25) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 56 Kỹ thuật che (masking) • Con người khi nghe một âm với sự có mặt của một âm khác sẽ cảm nhận yếu đi khi âm này có tần số gần với âm cần nghe hoặc biên độ lớn • Che tần số (frequency masking) : – Thí nghiệm: Để một người trong phòng kín, phát ra một âm che (maskingtone) với tần số xác định (1,1kHz) ở một mức nào đó (60dB); tăng mức âm thanh cho đến khi có thể nghe được; thay đổi âm kiểm tra, vẽ ngưỡng nghe, lặp lại với âm che khác Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 57 Kỹ thuật che (masking) • Che thời gian (temporal masking) : – Thí nghiệm: Phát ra một âm che với tần số 1kHz, biên độ 55dB, thêm một âm kiểm tra 1,1kHz, biên độ 20dB trước và sau âm che. Âm kiểm tra không thể nghe được (nó đang bị che) – Lặp lại các mức khác của âm kiểm tra và vẽ – Với thí nghiệm này, âm 1,1kHz với 20dB bị che trước khoảng 15ms và che sau khoảng 50ms Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 58 Kỹ thuật che (masking) • Che thời gian (temporal masking) : Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 59 Kỹ thuật nén audio • Cơ sở: – Âm thanh trung thực và chất lượng dịch vụ thỏa mãn thì tốc độ dòng dữ liệu phải lớn – Ví dụ: hệ thống âm thanh đa kênh mã hóa 16 bit, tần số lấy mẫu 48kHz (6 kênh) sẽ có tốc độ 48x16x6=4,5Mbps – Tốc độ cao  khó khăn lưu trữ, truyền dẫn và giá thành thiết bị; do vậy cần phải nén Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 60 Kỹ thuật nén audio • Nén không tổn hao – Khôi phục đúng thông tin ban đầu sau khi giải nén – Loại bỏ dư thừa thống kê, các thông tin xuất hiện trong tín hiệu mà có thể dự báo trước – Tỷ số nén thấp, khoảng 2:1; phụ thuộc vào mức độ phức tạp của nguồn – Thường dùng kỹ thuật mã hóa dự đoán trong miền thời gian Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 61 Kỹ thuật nén audio • Thuật toán vi sai – Tín hiệu âm thanh có đặc tính lặp đi lặp lại nên xuất hiện sự dư thừa số liệu. Thông tin lặp lại sẽ được loại bỏ trong quá trình mã hóa và được đưa vào lại trong quá trình giải mã dùng kỹ thuật DPCM – Các tín hiệu audio đầu tiên được phân tích thành tập hợp các dải băng con bao gồm một số lượng âm thanh rời rạc, sau đó DPCM được dùng để dự báo các tín hiệu lặp lại theo chu kỳ. Nếu dùng ADPCM sẽ cho kết quả còn tốt hơn nữa Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 62 Kỹ thuật nén audio • Mã hóa Entropy – Tận dụng độ dư thừa trong cách miêu tả các hệ số băng con đã lượng tử hóa nhằm cải thiện tính hiệu quả của quá trình mã hóa. Các hệ số lượng tử được gửi đi theo sự tăng dần của tần số – Kết quả nhận được là bảng mã tối ưu thống kê các giá trị miền tần số thấp và cao – Dùng mã hóa Hufman, Lempel-Zip để nén Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 63 Kỹ thuật nén audio • Nén tổn hao – Hệ thống thính giác của con người không thể phân biệt các thành phần phổ có biên dộ nhỏ giữa các thành phần phổ có biên độ lớn – Hệ số nén lớn, khoảng 20:1 phụ thuộc vào quá trình nén và chất lượng audio yêu cầu Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 64 Kỹ thuật nén audio • Nén tổn hao – Các kỹ thuật: • Kỹ thuật che đ/v các thành phần tín hiệu trong miền thời gian và tần số • Che mức tạp âm lượng tử cho từng âm độ của tín hiệu âm thanh bằng cách chỉ định số bit vừa đủ để chắc chắn rằng mức nhiễu lượng tử luôn nằm dưới mức giá trị cần che • Mã hóa ghép: khai thác độ dư thừa trong hệ thống audio đa kênh với các thành phần số liệu trong các kênh giống nhau. Mã hóa một phần số liệu chung trên một kênh và chỉ định cho bộ giải mã lặp lại tín hiệu đó trên các kênh còn lại Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 65 MPEG-1 • Được phát triển trên cơ sở phối hợp chuẩn ISO/IEC 11172 • Dùng tần số lấy mẫu của CD-DA với fs = 32kHz hoặc 44kHz hoặc 48kHz; mã hóa 16bit/mẫu tín hiệu Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 66 MPEG-1 • Tốc độ bit: 32 – 768kbps/channel • Các kiểu: Mono, dual-mono, dual-stereo, joint- stereo • Xác định các tham số khác nhau về tốc độ, dòng số sau khi nén, số mẫu trong header cho một kênh, cấu trúc thời gian khung, phương pháp mã hóa dự đoán và các chế độ làm việc Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 67 MPEG-1 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 68 MPEG-1 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 69 MPEG-1 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 70 MPEG-1 • Thuật toán cơ bản – Tiến hành chia ngõ vào thành 32 băng con bởi các băng lọc: Lấy 32 mẫu PCM trong cùng một thời điểm, kết quả là 32 hệ số tần số ở ngõ ra – Trong MPEG-1 lớp I thì tập 32 giá trị PCM được kết hợp vào trong khối gồm 12 nhóm 32 mẫu này – MPEG-1 lớp II và III thì gồm 3 khối 12 nhóm này – Phân bố bit đảm bảo rằng mọi nhiễu lượng tử nằm ở dưới các ngưỡng che Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 71 MPEG-1 • Thuật toán cơ bản – Với mỗi băng con, xác định mức biên độ và mức nhiễu bằng mô hình tâm sinh lý nghe. SMR (signal mask rate) được dùng để xác định số bit cho quá trình lượng tử hóa đ/v mỗi băng con với mục đích giảm thiểu dung lượng – Ví dụ: sau khi phân tích, mức của 16 băng con đầu là: Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 72 MPEG-1 • Thuật toán cơ bản – Nếu mức của băng con thứ 8 là 60 thì nó che 12dB ở băng con thứ 7 và 15dB ở băng con thứ 9 – Băng con thứ 7 có mức 10dB<12dB: loại. Băng con thứ 9có mức 35dB>15dB: gửi đi  chỉ có các mức lớn hơn mức che là được gửi đi  thay vì dùng 6 bit để mã hóa, ta chỉ cần dùng 4 bit  tiết kiệm – MPEG LayerI: bộ lọc DCT 1 khung và tần số bằng phẳng trong mỗi băng con. Mô hình tâm sinh lý nghe dùng che tần số Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 73 MPEG-1 • Thuật toán cơ bản – MPEG LayerII: có 3 khung trong bộ lọc (trước, hiện tại và kế), tổng là 1125 mẫu. Sử dụng bài bit để che thời gian – MPEG LayerIII: dùng bộ lọc tới hạn để đáp ứng tốt hơn. Mô hình tâm sinh lý nghe dùng che thời gian, che tần số, tính toán độ dư thừa stereo và mã hóa Huffman Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 74 MPEG-1 • Cấu trúc khung – Header info: bao gồm 12 bit đồng bộ, 20 bit thông tin hệ thống chỉ thị tốc độ bit, tần số lấy mẫu, dạng nhấn, 16 bit CRC với đa thức sinh x16 + x15 + x2 + 1 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 75 MPEG-1 • Cấu trúc khung – Side info: có phân bố bit như sau: lớp 1 với 4 bit tuyến tính cho các băng con, lớp II 4 bit cho các băng con tần thấp, 3 bit tần trung và 2 bit tần cao; hệ số tỷ lệ là 6 bit/băng con kết hợp với phân bố bit và các bit mã hóa cho băng con đó để xác định giá trị, lớp III mã hóa âm thanh nổi – Subband sample: 32 x 12 mẫu đối với lớp I và 32 x 36 mẫu đối với lớp II và lớp III – Aux data: dữ liệu bổ sung Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 76 MPEG-2 • Mở rộng MPEG-1 cho các ứng dụng mới • Có khả năng áp dụng nhiều tốc độ khác nhau từ 32 đến 1066kbps. Tần số lấy mẫu có thể giảm một nửa so với MPEG-1 (16; 22,05; 24kHz) • Khả năng đa kênh, tốc độ bit mở rộng có thể lên đến 1 Mbps cho các ứng dụng tốc độ cao. Cho phép nén đồng thời nhiều kênh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 77 MPEG-2 • Chất lượng âm thanh tùy thuộc ứng dụng • Hỗ trợ khả năng lồng tiếng, bình luận nhiều ngôn ngữ trong phần bit mở rộng • Sử dụng khả năng mã hóa cường độ cao, giảm xuyên âm, mã hóa dự đoán liên kênh và mã hóa ảo ảnh kênh trung tâm để nhận được tốc độ bit kết hợp 384kb/s • Khung được chia làm 2 phần, phần đầu là MPEG- 1 stereo, phần mở rộng MPEG-2 chứa tất cả những dữ liệu surround khác Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 78 MPEG-2 Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 79 MPEG-2 • Mã hóa và giải mã Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 80 MPEG-2 • Mã hóa và giải mã – Trong đó: – Với R: phải, L: trái, C: trung tâm, LS: trái vòm, RS: phải vòm  dễ dàng trong mã hóa thuận/nghịch – Cấu trúc khung Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 81 AC-3 (Dolby Digital) • Chuyển tải âm thanh đa kênh trong các ứng dụng như DVD-video, DTV và DBS • Phát triển từ AC-1, AC-2 • Mã hóa âm thanh từ 1 đến 6 kênh, thông thường cung cấp âm thanh 5.1 kênh: trái, phải, trung tâm, trái vòm, phải vòm và 1 kênh hiệu ứng tần số thấp (âm trầm) • 6 kênh yêu cầu 6 x 48kHz x 18 bit = 5,184 Mb/s chưa nén có thể được mã hóa tối thiểu với tốc độ 384kb/s (tỷ lệ 13:1) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 82 AC-3 (Dolby Digital) • Tuy nhiên AC-3 hỗ trợ tốc độ từ 32 đến 640kb/s • Cung cấp khả năng tự chọn mức âm thanh cho thính giả • Cho phép giảm dữ liệu bằng quá trình lượng tử biểu diễn trong miền tần số của tín hiệu âm thanh Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 83 AC-3 (Dolby Digital) • Bộ mã hóa dùng băng lọc phân tích chuyển các mẫu PCM thành các hệ số trong miền tần số. Mỗi hệ số biểu diễn ký hiệu mũ nhị phân gồm phần số mũ và phần định trị. Các tập số mũ được mã hóa thô qua phổ tín hiệu và xem như là đường bao phổ. Dùng phân phối bit xác định số bit cần mã hóa mỗi định trị dựa vào đường bao phổ. Đường bao phổ và các định trị được lượng tử cho 6 khối âm thanh (1536 mẫu âm thanh) được định dạng thành khung rồi chuyển đi Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 84 AC-3 (Dolby Digital) • Mã hóa Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 85 APT-X100 • Cho tỷ lệ nén 4:1 • Dùng để truyền dẫn, lưu trữ các tín hiệu mono, stereo hay đa kênh chất lượng cao • Không hẳn dựa vào mô hình tâm sinh lý nghe, cũng không trực tiếp loại các thành phần không thích hợp trong tín hiệu audio mà ngầm hiểu một mô hình đáp ứng nghe bằng việc phân phối ít bit ở tần số cao Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 86 APT-X100 • Thuật toán hoàn toàn trong miền thời gian, dùng mã hóa dự đoán tuyến tính trong các băng con • Hoạt động với bất kỳ tần số lấy mẫu nào với ngõ ra 16 bit/từ mẫu • Tín hiệu audio chia thành 4 băng con với băng thông đều như nhau dùng các bộ lọc QMF Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 87 APT-X100 • Tín hiệu được phân tích trong miền thời gian: dùng mã hóa dự đoán tuyến tính ADPCM để lượng tử mỗi băng theo nội dung và loại bỏ độ dư thừa trong các băng con • Mã hóa sự khác biệt của mẫu hiện thời và mẫu trước • Giải mã được tiến hành ngược lại cách trên Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 88 Mã hóa âm thanh nổi Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 89 Mã hóa âm thanh nổi • Mã hóa Trái-Phải (LR) – Không loại bỏ độ dư thừa – Các kênh riêng biệt được mã hóa độc lập – Ngưỡng che không liên quan – Hiệu quả với âm thanh rất khác biệt giữa kênh trái và kênh phải Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 90 Mã hóa âm thanh nổi • Join Stereo Middle-Side – Khuynh hướng của Join Stereo không chỉ là kết hợp các định dạng của chuẩn nén MP3 (MPEG-1 lớp III) mà còn kết hợp các dạng nén khác như MPEG và AAC – Middle-Side Stereo xét 2 kênh dữ liệu theo 2 phương diện khác nhau. Thay vì lưu trữ một dữ liệu âm thanh theo 2 kênh Left-Right ta chỉ cần lưu trữ một chuỗi tương tự số trung bình Average và sự sai biệt Difference (của Left và Right) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 91 Mã hóa âm thanh nổi • Join Stereo Middle-Side – Middle-Side có thể lấy Middle=(L+R)/2 và Side=(LR)/2 – Dấu của Side rất quan trọng, nếu dương thì nghĩa là tín hiệu L lớn hơn R – Hoàn toàn có thể tái tạo 2 kênh L, R như sau: L=Middle + Side, R=Middle  Side Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 92 Mã hóa âm thanh nổi • Join Stereo Middle-Side – Ưu điểm là sự khác biệt tương đối của các tín hiệu audio của các kênh L và R. Kết quả kênh Middle lớn hơn nhiều so với Side. Việc mã hóa kênh Side dùng ít bit hơn để giải phóng tài nguyên để có thể triển khai hữu hiệu hơn trên kênh Middle. Khi tải định dạng lại L, R thì kết quả sẽ thể hiện tín hiệu gốc ngõ vào “thực” hơn Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 93 Mã hóa âm thanh nổi • Join Stereo Middle-Side – Tính chất: • Kênh Side dùng số bit rất ít • Loại bỏ độ dư thừa cho tín hiệu mono trong thực tế • Có thể được áp dụng trong miền thời gian lẫn tần số • Độ lợi mã hóa cao phụ thuộc tín hiệu – Biến đổi ngược: tổng/hiệu chuẩn hóa Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 94 Mã hóa âm thanh nổi • Stereo ghép cường độ cao (Intensity Stereo) – Mục đích: tối thiểu hóa thông tin stereo để nhận được tốc độ bit thấp nhất nếu có thể – Mã hóa tín hiệu tổng các kênh+ các hướng của kênh. Truyền đường bao, sau đó là tỷ lệ theo các kênh – Kiểm chứng dựa trên việc cảm nhận của con người kém đối với tần số trên 3kHz – Biên độ và pha không quan trọng Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 95 Mã hóa âm thanh nổi • Stereo ghép cường độ cao (Intensity Stereo) – Giảm gần 50% lượng dữ liệu – Không đảm bảo thông tin về pha của tín hiệu – Có thể cảm nhận một số vấn đề méo tín hiệu – Dùng trong các ứng dụng có tốc độ bit thấp Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 96 Mã hóa âm thanh nổi • Stereo ghép cường độ cao (Intensity Stereo) Trần Bá Nhiệm Truyền thông đa phương tiện 97