Loading…

Flash Player 9 (or above) is needed to view presentations.
We have detected that you do not have it on your computer. To install it, go here.

Like this document? Why not share!

Codifiche Audio Percettive

on

  • 1,034 views

Basi delel codifiche audio percettive. Fenomeno suono, sua percezione, codifica e compressione digitale

Basi delel codifiche audio percettive. Fenomeno suono, sua percezione, codifica e compressione digitale

Statistics

Views

Total Views
1,034
Slideshare-icon Views on SlideShare
1,033
Embed Views
1

Actions

Likes
0
Downloads
12
Comments
0

1 Embed 1

http://www.linkedin.com 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    Codifiche Audio Percettive Codifiche Audio Percettive Document Transcript

    • Le codifiche percettive ......... e la codifica MPEG_Audio1.. Caratteristiche del fenomeno suono2.. Introduzione alla percezione del suono3.. Richiami di audio digitale ... la codifica PCM4.. Le codifiche percettive... . ...MPEG_Audio ... Caratteristiche ... Applicazioni ... Sintassi
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 1.. Caratteristiche del fenomeno suono Il fenomeno acustico dal punto di vista fisico coinvolge sempre tre elementi: .... la sorgente corpo vibrante .... il mezzo qualsiasi mezzo elastico .... il ricevitore lapparato uditivo Trasformazione TrasformazioneSorgente in altra forma Trasmissione in variazioni energetica di pressione 2
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono INTERVALLO FENOMENO DI FREQUENZA PERCEPITO Hz 0 ... 20 Vibrazioni 20 ... 20000 Suoni 20000 ... 40000 Ultrasuoni..... tali limiti sono solo indicativi in quanto i valori reali dipendono da molti fattori sia fisici che psicologici : .. le caratteristiche genetiche dellindividuo .. la "dotazione fisica" dellapparato uditivo .. letà .. laffaticamento acustico .. lesperienza in ascolto Il suono è un particolare tipo di segnale che può essere rilevato dallapparato uditivo umano ed è caratterizzato da : ... intensità o ampiezza ... acutezza o frequenza ... timbro carattere che distingue lo stesso suono generato da sorgenti diverse 3
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono INTENSITÀ Può essere misurata in deciBelNel caso si usi il valore della minima intensità udibile di IRif=10-12 W/m2 o della minima pressione rilevabile di 2x10-5N/m2 prende il nome di dB SPL (Sound Pressure Level) 2 æ p ö I BEL = Log10 ç = Log10 çp I rif è rif 2 æ p ö p IDECIBEL = 10 Log10 ç = 20 Log10 = 10 Log10 çp prif I rif è rif140 dBSPL Aereo130 dBSPL Soglia del dolore110 dBSPL Moto in accelerazione 90 dBSPL Strada urbana 80 dBSPL Locale pubblico 60 dBSPL Traffico automobilistico 50 dBSPL Voce di conversazione 20 dBSPL Ticchettio orologio 10 dBSPL Fruscio foglie 4
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono RUMOREIl rumore è definito [ANSI S 1.1] come la somma dioscillazioni irregolari, intermittenti o statisticamente casuali. Percettivamente è un suono innaturale e disturbante. La soglia di percezione del rumore dipendedallintensità, dalla frequenza e , per rumori di tipo impulsivo anche dalla durata. Un suono si differenzia dal rumore solo per lesensazioni di piacere o sgradevolezza che suscita e non ne esiste una distinzione oggettiva. 5
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono COMPONENTI TONALI e NON TONALILe componenti tonali sono quelle componenti di un tono complesso che più assomigliano a toni puri.Un metodo semplificato per valutare la presenza dicomponenti TONALI in una emissione sonora è di effettuarne una analisi per bande di 1/3 di ottava: "se il livello di pressione sonora di una o più bande di 1/3 di ottava dello spettro sonoro supera per più di 5 dB quello delle due bande adiacenti, si è in presenza di componenti tonali." Tutte le componenti del segnale sonoro chedallanalisi non risultano essere TONALI vengonodette NON TONALI e possono essere assimilate a rumore. 6
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 2.. Introduzione alla percezione del suono.. orecchio esterno .. padiglione auricolare .. condotto uditivo esterno .. membrana timpanica.. orecchio medio .. cavità ossea con tre ossicini : martello, incudine e staffa .. finestra ovale .. due muscoli di smorzamento dei movimenti dei tre ossicini .. un canale di comunicazione con latmosfera per compensare le pressioni sulle due superfici della membrana timpanica (Tromba di Eustacchio).. orecchio interno .. vestibolo .. canali semicircolari detti labirinto .. coclea , canale colmo di un materiale elastico 7
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono Orecchio Esterno Orecchio Medio Orecchio Interno-- lorecchio esterno funzionando da risonatore per le frequenze tra 1000 e 7000 Hz produce un incremento di circa 10-12dB della pressione sonora-- nellorecchio medio la membrana timpanica mette in vibrazione martello, incudine e staffa, che, funzionando come un sistema di leve triplicano la forza applicata sulla finestra ovale-- a questo punto la pressione originaria esercitata sul timpano è stata amplificata di circa 90 volte e viene impressa sulla finestra ovale-- dalla finestra ovale il suono (sotto forma di variazione di pressione) giunge allorecchio interno dove attraverso il movimento del liquido cocleare dei canali vestibolare e timpanico la membrana base mette in risonanza le cellule situate nellorgano di Corti. 8
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono-- le cellule del Corti producono dei segnali di tipo elettrochimico che attraverso il nervo uditivo giungono al cervello secondo un processo non ancora ben conosciuto. In tutto il processo di percezione uditiva vengono coinvolti numerosi fenomeni soggettivi. La percezione di un suono può avvenire anche per via ossea (soprattutto per quello auto prodotto).Caratteristica FISICA Fenomeno PERCEPITO Frequenza Pitch Intensità Livello percepito o Loudness Forma spettrale, Intensità, Fluttuazioni,Modulazione, Frequenza Rigidezza Tempo Durata soggettiva 9
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 10
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono BANDE CRITICHE Il concetto delle bande critiche è basato sullacomprovata assunzione che il nostro sistema uditivo analizza lo spettro di un segnale audio dividendolo in sottobande (dette bande critiche). Banda Critica [Aarts]: La banda di frequenze più larga in cui lintensità di un rumore distribuito casualmente nella stessa banda di intensità energetica costante (SPL) è indipendente dalla sua larghezza di banda.B an d eC r it ic h e 0 5000 10000 15000 20000 25000 11
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono LOUDNESSIndica lintensità percepita di un suono e dipende dallintensità energetica e dalla frequenza, in particolare le definizioni sono [Aarts]: Loudness: Attributo di sensazione uditiva secondo cui un suono può essere ordinato in una scala da lieve a intenso Livello di Loudness: livello della pressione sonora di riferimento, scelta come unonda sinusoidale di frequenza 1KHz proveniente dal fronte dellascoltatore e che è giudicato da una persona con udito sano di uguale intensità al suono di raffronto. Il loudness può essere misurato in Phon 12
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono IL MASCHERAMENTOIl mascheramento è definito come il livello di pressione sonora o dB SPL di un tono di riferimento necessario perché questo possa essere udito in presenza di un mascherante.La percettibilità di un tono puro in assenza di altri segnali dipendeprincipalmente da : .. intensità .. frequenza .. durata .. dotazione fisica dellindividuo .. età .. affaticamento .. stato fisico .. stato psichico dellindividuo SOGLIA STATICA 13
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono SOGLIA DINAMICA .... nella frequenza 14
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono ... nel tempo Il mascheramento temporale si distingue in simultaneo e NON simultaneo. NON SIMULTANEO Fenomeno secondo cui un tono "copre" quelli vicini nel tempo sia passato che futuro. SIMULTANEOI contributi di mascheramento si sommano secondo criteri non ancora del tutto noti. 15
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono ... nella frequenza e tempo PERCEZIONE DI VARIAZIONI DI INTENSITÀLe variazioni in intensità vengono percepite solo se superiori a 5 dB (più di un raddoppio dellenergia sonora). La sensazione di raddoppio dellintensità soggettiva corrisponde ad un incremento di 10 dB (corrispondente a unamplificazione dellenergia iniziale di 10 volte !). 16
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 3.. Richiami codifica di audio digitale LSNR (Signal to Noise Ratio) Il rumore di quantizzazione può essere più o meno udibile aseconda della sua intensità rispetto a quella del segnale audio in ogni intervallo di campionamento. Segnale SNR = 20 Log10 dB Rumore Se si usa un numero B di Bit per la quantizzazione su livelli equiampi, lSNR vale: SNR ≅ 6 B + 1. 74 dBSi noti che per quantizzare un segnale analogico caratterizzato da unrumore intrinseco di 20 dB sarebbe del tutto inutile usare più di 4 bit per la quantizzazione digitale. Condizione sufficiente affinché il rumore di quantizzazione non sia udibile è che il valore di SNR sia superiore al valore in dB tra segnale e soglia di mascheramento per ogni banda critica. 17
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suonoLa rappresentazione numerica ottenuta campionando e quantizzando un segnale analogico può essere codificata secondo una qualsiasi sintassi. Ogni rappresentazione permette però una diversa accuratezza nei processi di quantizzazione e campionamento determinando lefficienza del sistema in termini di: ... larghezza di banda ... rapporto segnale rumore ... accuratezza ... sensibilità agli errori 18
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono Il sistema PCM ... viene universalmente accettato come una codifica efficiente peraudio ad alta qualità, offrendo buoni parametri in termini di larghezzadi banda, intervallo di dinamica e dimensioni della rappresentazione.N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N BitSinistr Destro Sinistro Destro Sinistro Destro Sinistro Destro Sinistr Destro Sinistro Destro o o Capacità di canale richiesta: Se la larghezza di banda del segnale è di 20000Hz e si vuole usare la rappresentazione PCM con un rapporto segnale-rumore (SNR) di almeno 90dB (16 Bit) è necessario una capacità di 768KBit/sec. per ogni canale monofonico: 16(Bit) *48000 (frequenza di Campionamento) = 768 000 Bit/sec. ... la memorizzazione in PCM necessita di costose apparecchiature e canali trasmissivi di complessa progettazione. Si è dovuto ricorrere a dispositivi ottici (Compact Disc) e magnetici (DAT: Digital Audio Tape) di alta precisione. La distribuzione radiofonica in formato PCM rimane pressoché irrealizzabile a bassi costi. 19
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suonoNecessità di codifiche compresse 20
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 4.. Le codifiche percettive ..... .....codifica MPEG_Audio La codifica MUSICAM (alias MPEG_Audio layer II) è stata sviluppata per il DAB. MUSICAM è stata definita allinterno del progetto EUREKA EU 147 da :CCETT (Centre Commun d Ètudes de Télédiffusion et Télécommunications -Francia-)IRT (Institut fùr Rundfunktechnik -Germania-)PHILIPS Consumer Electronics (-Olanda-).il cui sviluppo è stato iniziato nel 1986 ed ha richiesto 4 anni (1987-1991) per un totale di 360 anni-uomo.Grazie alle sue caratteristiche è stata adottata e standardizzata da MPEGper la diffusione su larga scala dellaudio associato alle immagini (ISO- IEC/JCT1/SC29/WG11, 1992) 21
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suonoI concetti alla base della codifica sono: -- La compressione avviene per gruppi di 1152 campioni per ogni canale monofonico. -- Il processo di codifica trova la rappresentazione dei 1152 campioni PCM con altrettante componenti divise su 32 sottobande equiampie. -- Per ogni banda si ottengono 1152:32=36 componenti di sottobanda. -- La sequenza codificata memorizza i valori dei campioni e alcune informazioni per la loro corretta interpretazione. STRUTTURE DATI INTERO SENZA [CH][SBLIMIT] Indici della tabella contenente i BIT ALLOCATION SEGNO livelli di quantizzazione per ogni sottobanda INTERO SENZA [CH][SBLIMIT] Codifica dei fattori di scala per SCFSI SEGNO eliminarne la irrilevanza percettiva entro 6 dB INTERO SENZA [CH][3][SBLIMIT] Indice della tabella contenente i SCALEFACTOR SEGNO valori quantizzati dei fattori di O scala FATTORE DI SCALA INTERO SENZA [CH][3][SCALE_BLOCK][SBLIMIT] Campioni di sottobanda SAMPLE SEGNO Osservazioni Sulle Strutture Dati Dal valore dei BIT_ALLOCATION in ogni sottobanda dipende : .. il numero di livelli di quantizzazione dei campioni di sottobanda .. loccupazione in bit di ogni campione nella sequenza compressa .. i coefficienti da usare per la quantizzazione e dequantizzazione .. la presenza delle informazioni SCFSI 22
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono .. la presenza degli indici di scalamento IL FRAME FRAME AUDIO HEADER [CRC_ERRORI] DATI_AUDIO [DATI AUSILIARI]La sua dimensione è fissa in quanto i campioni PCM vengono ricevuti edevono essere forniti ad una frequenza uguale a quella di campionamento, per ilfunzionamento in tempo reale. Tradotto in formule...... 1 * 1152 = 24 m sec. 48000 cioè ogni secondo di musica viene codificato su un numero di 1 = 41, 666667 Frame . 0 . 024Ad esempio per un bitrate di 256KBit/sec. e modalità Single_Channel si hanno adisposizione 256.000 Bit al secondo per produrre i 41,666667 Frame ovvero ogniFrame ha dimensione di 256000 = 6144 Bit = 768 Byte 41, 666667Semplificando e generalizzando le formule precedenti si può esprimere ladimensione di ogni Frame in una nuova unità di misura detta SLOT che equivalea 1 Byte per i layer II,III e a 4 Byte per il layer I: æ Bitrate ö Dimensione _ frame _ layer _ I = ç12 ç Freq. _ Camp. Slot è æ Bitrate ö Dimensione _ frame _ layer _ II _ III = ç144 ç Slot è Freq. _ Camp. 23
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suonoLe differenze principali della sintassi di codifica del layer II rispetto aglialtri livelli sono:LAYER I - non si usa la codifica dei fattori di scala con la struttura SCFSI - i livelli di quantizzazione non seguono nessuna tabella di transcodifica e quindi non si fa nessun grouping di campioni dato che il numero di passi di quantizzazione è sempre un multiplo di due ed è indicato direttamente da 2^(bit_alloc[CH][i]) - la BIT_ALLOCATION ha sempre dimensione di 4 bit indipendentemente dalla sottobandaLAYER III - viene usata una codifica addizionale di Huffmann per i campioni di sottobanda - vengono utilizzate strutture dati aggiuntive che rendono la sintassi di codifica completamente diversa da quella esposta 24
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono SNR : Signal to Noise Ratio Il valore di SNR dipende esclusivamente dal numero di bit usati per quantizzare il segnale e quindi, solo dal valore di bit allocation. SMR : Signal to Mask Ratio _ Differenza in dB tra il segnale ed il valore di soglia di mascheramento. MNR : Mask to Noise Ratio _Differenza in dB tra il valore di maschera e rumore di quantizzazione. MNR = SNR - SMR Segnale SMR ( b_a) MascheraSNR [quant] MNR = SNR - SMR Noise 25
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono Massimo segnale nella banda dB SPL Minimo della soglia nella banda F E SMRBanda N B=D G Funzione di eccitazione C Soglia statica Soglia statica Soglia statica A Funzione di Banda N-1 Banda N Banda N+1 mascheramento A- funzione di mascheramento B- minimo della funzione di mascheramento C- minimo della soglia statica D- massimo tra i due valori dei punti B e C E - massimo livello del segnale F - valore di SMR. G - impulso di eccitazione 26
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono Ingresso di 1152 MODELLO Uscita 32 valori di SMR campioni PCM PERCETTIVONel modello psicoacustico 1 il calcolo dell SMR procede comedi seguito: 1.. Calcolo della FFT per la rappresentazione frequenziale dei campioni PCM 2.. Calcolo livello del segnale (in deciBel SPL) in ogni sottobanda 3.. Confronto con la soglia statica in quiete (tabulata) 4.. Identificazione delle componenti tonali (simili al seno) e non tonali (simili a rumore) 5.. Decimazione dei toni di mascheramento per ottenerne solo i rilevanti 6.. Calcolo soglia di mascheramento individuale per ogni componente spettrale 7.. Calcolo soglia globale 8.. Calcolo minimo della soglia di mascheramento in ogni sottobanda 9.. Calcolo dellSMR in ogni sottobanda. 27
    • 1.. Caratteristiche del fenomeno suono 28