nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn mpeg -2 và các ứng dụng

MỞ ĐẦU Trong năm qua, với kỹ thuật số hoá audio, kỹ thuật nén mang lại nhiều thành tựu tốt đẹp Nó góp phần khơng nhỏ tạo điều kiện cho việc xử lý, truyền, lưu trữ thơng tin đạt hiệu cao Việc số hố tín hiệu giải mâu thuẫn khối lượng thông tin khổng lồ, giải thông thiết bị có mức độ Q trình nén tín hiệu biện pháp hiệu cao việc giảm bớt dịng thơng tin nâng cao chất lượng âm Sự phát triển kỹ thuật số việc ứng dụng công nghệ số vào lĩnh vực kỹ thuật, làm cho khái niệm “nén” trở thành đề tài nóng hổi nhữnh năm gần Nhiều kỹ thuật nén không thông tin phát triển nhiều năm qua, có số Ýt chúng áp dụng cho việc nén tín hiệu audio số Những tiêu chuẩn nén audio số mà ta thường gặp MPEG, AC-3, hệ thống âm hệ thống âm có hình ảnh kèm, tiêu chuẩn nén audio dùng phổ biến tiêu chuẩn nén dòng số liệu audio sè MPEG Trong lĩnh vực truyền thanh, truyền hình mạng đa dịch vụ khác, audio số xu phát triển mạnh, đặc biệt nước ta từ năm 2005 Đứng trước nhu cầu bách thực tế, đề tài “ Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG -2 ứng dụng” mà tơi chọn, nhằm góp phần hồn thiện việc tập trung kiến thức, thông tin đầy đủ kỹ thuật audio số, đồng thời mở hướng nghiên cứu để tiếp cận nhanh với công nghệ đại thời đại ngày Đồ án trình bày chương: Chương 1: Cơ sở xử lý tín hiệu âm Chương trình bày số nét điển hình sở lý luận xử lý tín hiệu âm (audio) Đó vấn đề lý luận chủ yếu liên quan tới q trình số hố tín hiệu, biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, từ ứng dụng nén tín tín hiệu audio Chương 2: Nén tín hiệu au dio số hố Chương sâu số vấn đề cơng nghệ nén, từ làm sở cho cơng việc nén tín hiệu audio số hố Đồng thời đưa sơ tiêu chuẩn nén tín hiệu audio Chương 3: Nén tín hiệu âm theo tiêu chuẩn MPEG-2 Đây nội dung đề tài Trong chương trình bày trình phát triển tiêu chuẩn MPEG, phương pháp “nén” “giải nén” audio tiêu chuẩn MPEG, đồng thời sâu phân tích kỹ tiêu chuẩn nén MPEG-2 Mặt khác đưa ứng dụng thực tế tiêu chuẩn nén Do điều kiện thời gian có hạn, Đồ án chưa thể sâu vào nhiều khía cạnh lý thuyết thực tế công nghệ nén audio sè Song vấn đề mà luận văn đề cập tới yếu tố quan trọng thực đưa vào sử dụng Nhân dịp này, thân xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình PSG-TSVũ Đức Lý, tồn thể thầy cô Khoa điện tử viễn thông giảng dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện cho tơi hồn thành đồ án này./ Chương I Cơ sở xử lý tín hiệu âm Để xử lý tín hiệu âm thanh, người ta sử dụng nhiều tới lý thuyết tín hiệu Đặc biệt vấn đề xử lý tín hiệu như: biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, số hố tín hiệu, khâu lấy mẫu mã hoá khâu ảnh hưởng trực tiếp tới nội dung chất lượng xử lý, từ để nén âm đảm bảo chất lượng cao 1.1 Âm đặc tính âm 1.1.1 Âm Âm vật thể rung động, phát tiếng lan truyền khơng khí, tai ta nghe âm nhờ có màng nhĩ, nối liền với hệ thống thần kinh Âm lan truyền chất khí, chất lỏng, chất rắn, v.v khơng lan truyền khoảng chân không Một số chất truyền dẫn âm kém, thường loại mềm xốp, bông, cỏ, , gọi chất hót âm Vận tốc truyền lan âm phụ thuộc vào chất truyền âm Ví dụ khơng khí 340 m/s, nước 1480 m/s, sắt 5000 m/s Trong khơng khí, tốc độ truyền lan phụ thuộc vào nhiệt độ tính theo cơng thức: Trong đó: T0 - nhiệt độ tuyệt đối khơng khí (1.1) Như nhiệt độ cao âm truyền nhanh Người ta thường chọn C = 340 m/s, tốc độ tương ứng với T0 = 290 K (tức 170C) 1.1.2 Các đặc tính âm * Tần số: Tần số biểu thị độ cao âm thanh: tiếng trầm có tần số thấp, tiếng bổng có tần số cao Tai người nghe thấy tần số thấp tới 16 Hz tần số cao tới 20 KHz Dải tần số từ 16 Hz đến 20KHz gọi giải tần số âm thanh, gọi tắt âm tần Những âm có tần số 16 Hz gọi hạ âm, âm có tần số 20KHz gọi siêu âm Dịng điện có tần số khoảng 16Hz đến 20KHz gọi dòng điện âm tần Trong dải âm tần, người ta chia ra: tiếng trầm từ 16Hz đến 300Hz, tiếng trung từ 300Hz đến 3000Hz, tiếng từ 3000Hz đến 20000Hz *áp suất âm thanh: Sóng âm không dạng nhiễu loạn vật lý khơng khí, mơi trường đàn hồi Độ lớn tức thời sóng thời điểm riêng khơng gian thời gian biểu diễn theo cách khác Tuy nhiên, tính chất sử dụng đo rộng rãi sóng âm áp suất âm thanh, thăng giáng áp suất khí sóng gây ra, áp suất âm gọi tắt áp, áp suất đo âm tạo thêm điểm gọi áp điểm Đơn vị đo áp là: Bar Mét bar áp tác động lên diện tích 1cm mét lực đin, hay bar = đin/cm Ngày nay, người ta thường sử dụng đơn vị Pascan (Pa) đo áp Với: bar = 100 KPa ; 1Pa = N/m *Mức áp suất âm thanh: áp suất âm quan trọng kỹ thuật điện tử nằm khoảng từ tiếng ồn yếu vốn gây nhiễu cho ghi âm tới âm mạnh mà màng loa phát ra, khoảng xấp xỉ 10 Do áp suất âm thường vẽ thang loga, gọi mức áp suất âm biểu thị theo đexiben (dB) Đexiben đơn vị dược dùng cho nhiều mục đích kỹ thuật điện tử, bắt nguồn từ kỹ thuật âm tần (trong điện thoại) gọi theo tên A.G.Bell áp suất chuẩn âm khơng khí, tương ứng với 0dB, định nghĩa áp suất âm 20 àPa (trước 0,00002đin/cm2 ) Đó áp suất âm chuẩn p0 Như mức áp suất âm LP theo đexiben tương ứng với áp suất âm p định nghĩa bởi: LP = 20 log (p/p0) dB(1.2) (1.2) áp suất chuẩn P0 xấp xỉ áp suất âm nghe yếu 2000Hz Do đó, phần lớn giá trị dB mức áp suất âm có dấu dương *Cơng suất âm thanh: Cơng suất âm lượng âm qua diện tích S thời gian giây Cơng suất âm tính cơng thức: P = p.s.v(1.3) (1.3) Trong đó: p áp, v tốc độ dao động phần tử khơng khí s diện tích Cơng suất âm tính theo t (W) Cơng suất âm nói chung tỉ lệ với bình phương áp suất âm Tăng gấp đôi áp suất âm làm tăng gấp cường độ trường âm thanh, đòi hỏi gấp lần công suất từ nguồn âm *Cường độ âm thanh: Cường độ âm I công suất âm qua đơn vị diện tích cm2 I = P/S = p.v(1.4) (1.4) Ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm gắn liền với Cả ba biểu thị độ lớn nhỏ âm Âm có lượng lớn cơng suất, cường độ áp suất âm lớn *Phổ âm thanh: Phổ tần âm mô tả phân giải thành thành phần tần số khác biên độ khác Thông thường: trục hoành thang tần số loga thang dải bát độ (hoặc phần bát độ) với điểm vẽ trung bình nhân tần số giới hạn dải, thang tung độ mức áp suất âm Hiệu pha thường bỏ qua (trừ chúng ảnh hưởng tới mức âm thanh) chóng thay đổi thật lớn theo vị trí đo, mơi trường phản xạ Phổ vạch đồ thị vạch âm chiếm ưu thành phần tần số rời rạc Phổ liên tục đường cong cho biết phân bố mức áp suất âm bên dải tần với thành phần bó chặt, tung độ đuờng cong phổ liên tục thường gọi mức phổ Phổ tổ hợp thích hợp nhiều âm thành phần vạch mạnh chồng chập lên phông phổ liên tục tản mạn Phổ octave (quãng tám) tung độ mức áp suất âm dải rộng octave, thuận tiện để đo đặc trưng thiếu chi tiết phổ tinh tế *Đặc trưng đáp ứng méo: Các tỉ số Ra/Vào phụ thuộc tần số khổ liệu thông dụng kỹ thuật điện tử âm tần Thang tần số âm tần (20Hz đến 20KHz) thường thang loga, tung độ mức âm điện theo đexiben tần số thay đổi theo tín hiệu vào điện âm khơng khơng đổi, tỉ số tín hiệu tín hiệu vào (biểu thị theo đexiben) chõng chúng liên hệ tuyến tính bên khoảng đo Khi đo đặc tuyến tần số vào lọc từ đầu ra, suy đặc tuyến méo tần Nó lọc tiếp để thu đường cong cho hài cần 1.2.Tín hiệu hệ thống 1.2.1.Tín hiệu Tín hiệu audio trường hợp riêng tín hiệu, sở sở tín hiệu nói chung Về mặt tốn học, tín hiệu hàm biểu diễn trạng thái vật lý hệ thống, nhìn chung tín hiệu hàm phức tạp nhiều thông số Để đơn giản, người ta coi tín hiệu hàm biến thời gian Tín hiệu có dạng sau: -Tín hiệu liên tục: Là tín hiệu biểu diễn hàm số có biến số thời gian độc lập -Tín hiệu rời rạc: Cịn gọi tín hiệu trích mẫu Là dãy giá trị liên tục thời điểm rời rạc tín hiệu biểu diễn dạng dãy số Tín hiệu gặp đầu mạch lượng tử theo thời gian (mạch trích mẫu) -Tín hiệu rời rạc lượng tử theo biên độ: Là tín hiệu rời rạc lượng tử theo biên độ, thực chất dãy giá trị mẫu qui tròn theo mức lượng tử biên độ Tín hiệu gặp đầu lượng tử biên độ -Tín hiệu số: Là tín hiệu lượng tử theo biên độ mã hố Như người ta phân chia tín hiệu làm loại: tín hiệu liên tục, tín hiệu rời rạc tín hiệu số Các loại tín hiệu có mặt vị trí sơ đồ biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số, hình 1.1 L­ỵng tư theo thêi gian Tín hiệu Tớn hiuTớn hiu Lượng tử theo biên độ Mà hoá TÝn hiÖu rời rạc lượng tử theo biên độ hiÖu Tớn hiu Tín số Tín hiệu liờn tc rạc lợng tử theo biên độ rời số Hỡnh 1.1 S biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số Hình 1.2 biểu diễn cụ thể dạng tín hiệu tương tự (hinh1.2.a), tín hiệu rời rạc (hình 1.2.b), tínhiệu rời rạc theo biên độ (hình1.2.c) tín hiệu sè (hình1.2.d) a)t t b)t t c)t t 100 001 001 110 111 110 100 001 001 100 111 110 100 100 d)t t Hình 1.2 Các dạng tín hiệu biến đổi số 1.2.2.Hệ thống xử lý tín hiệu Q trình xử lý tín hiệu q trình qua người ta thu tin tức định từ tín hiệu xử lý, thực biến đổi mục đích định Người ta phân chia hệ thống xử lý làm bốn loại: -Hệ thống xử lý tín hiệu tương tự -Hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc -Hệ thống xử lý tín hiệu số -Hệ thống xử lý tín hiệu tương tù - số Đối với tín hiệu số, coi phận nằm tín hiệu rời rạc, lý thuyết kỹ thuật xử lý tín hiệu rời rạc bao hàm cho tín hiệu số Một hệ thống xử lý tín hiệu tương tù - số hệ thống kết hợp hệ thống xử lý tín hiệu tương tự tín hiệu số Có thể mơ tả mơ hình hệ thống x lý tớn hiu trờn hỡnh 1.3 Mạch tương tự Lấy mẫu Mạch rời rạc Khôi phục VoRa Ra AD M¹ch sè DA Tín hiệu sốTín hiệu Tín hiệu rời rạc TÝn hiƯu lượng tử theo Tín hiệu tương tựbiên lợng tử theo biên độ Hỡnh 1.3.Mụ hỡnh cỏc hệ thống xử lý tín hiệu 1.2.3.Các hệ thống sử lý tín hiệu rời rạc Một hệ thống xử lý tín hiệu xác lập mối quan hệ nhân tín hiệu tín hiệu vào Tín hiệu vào gọi tác động, cịn tín hiệu gọi đáp ứng, hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc thực qua điều kiện ràng buộc phép biến đổi T[ ] Mơ hình hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc 10 Dữ liệu phụ Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch giải mã audio lớp-1 v lớp-2 Tách kênh phát lỗi,sửa sai Giải mà Huffman Giải lư ợng tử DCT Quá trình ngược băng lọc (32 băng phụ) Giải mà th«ng tin phơ Dữ liệu Tín hiệu TÝn hiƯu audio audio audio mã hoá stereo stereo Dữ liệu phụ 74 Hình 3.11 Sơ đồ khối mạch giải mã audio líp-3 3.4.2 Chuẩn nén MPEG-2 Chuẩn MPEG-2 dự án giai đoạn uỷ ban ISO/IEC MPEG MPEG-2 hướng tới ứng dụng rộng rãi có tốc độ bit cao MPEG-1, bao gồm điện tử viễn thơng truyền hình số hệ Nội dung kỹ thuật đúc kết vào tháng 11/1993 thành dự thảo ISO/IEC 13818 tên gọi “ Mã hoá chung ảnh động audio kèm ”, hoàn thành thức vào năm 1994 Chuẩn MPEG-2 bao gồm phần chính: -Các hệ thống ( ISO/IEC 13818-1 ) -Video ( ISO/IEC 13818-2 ) -Audio ( ISO/IEC 13818-3 ) -Các hệ thống kiểm tra ( ISO/IEC 13818-4 ) Phần đưa cấu trúc kết nối phức tạp liệu audio video đồng thời gian thực Phần đưa cách mã hố tín hiệu video trình giải mã để tái tạo lại khung ảnh Phần cấu trúc mã hố tín hiệu audio Phần hệ thống kiểm tra yêu cầu đặt MPEG-2 Chuẩn MPEG-2 đảm bảo mã hoá kênh audio chất lượng cao, mục đích để phục vụ ứng dụng tuyến tính có độ phân giải cao HDTV-T, HD-SAT, ATV, HD-MAC, phương tiện lưu trữ số Chuẩn nén audio MPEG-2 đặc trưng mở rộng từ đến kênh audio kênh nhấn tầng thấp LFE, đồng thời có tính tương thích MPEG-1 Tính tương thích thể hai chiều, tính tương 75 thích ngược (Backward Compatibility) tính tương thích xi (Forward Compatibility) Tính tương thích ngược với tiêu chuẩn audio kênh stereo ISO/MPEG-2 nhu cầu cần thiết, vào thời điểm tồn nhiều giải mã ISO/MPEG có khả giải mã kênh audio Các giải mã âm stereo MPEG-1 nhận đầu vào dòng liệu MPEG-2 cho tín hiệu âm stereo, cách thực trộn xuống (Down Mix ) 5.1 kênh audio MPEG-2 để tạo kênh âm stereo Nguyên lý tương thích ngược MPEG-2 với ISO/IEC 11172-3 thể hình 3.12 Tương thích xi chỗ giải mã đa kênh giải mã dòng bit âm stereo 2/0 MPEG-1 Tiêu chuẩn MPEG-2 đa năng, cho phép đạt chất lượng cao, tốc độ truyền số liệu nhanh thiết bị phức tạp Chất lượng audio thay đổi phạm vi rộng tuỳ thuộc vào tốc độ dòng bit từ thấp đêns cao, tốc độ số liệu từ 32 đến 1066 Kb/s Phạm vi rộng thực việc chia khung số liệu audio MPEG-2 thành phần, phần dịng bit gốc thích ứng MPEG-1 (384Kb/s líp-2 ), phần cịn lại dịng bit mở rộng Với líp-3 cho tốc độ dịng bit 64 Kb/s kênh, nén tín hiệu có tốc độ 320 Kb/s tức có LLo=L+xC+yLs Lo’ Lo=L+xC+yLs Ro’ Ro=R+xC+yRs Lo’ Ma trËn RRo=R+xC+yRs Ro’ CT T3=C Basic Stereo Decode Basic Stereo Decode Gi¶i ma trËn 76 LsT T4=Ls (ISO 11172-3) (ISO 11172-3) RsT T5 =Rs L’ L’ R’ MC-Eucode C’ C’ Ls’ Ls’ Rs’ LFE Multichannel Decoder (ISO 13818-3) Hình 3.12 Ngun lý tương thích ngược (Giữa MPEG-2 audio với ISO/IEC 11172-3) thể mã hoá tín hiệu có độ rộng dải thơng kênh audio Điều nói lên có thuật tốn mã hố dùng phía máy phát mà khơng cần thay đổi phía máy thu Ancillary Ancillary Data Bit Header CRC allocation Data Scale SCFS factors Sub-band Samples I Lo/Ro Basic stereo Lo/Ro Basic stereo 77 Multi-lingual commentary MC MC MC Bit MC Header CRC allocation SCFS MC predictor MC Sub-band Samples I Munti-channel (MC) audio data information Sub-band samples: Các mẫu băng phụ Lo/Ro Basic stereo: Kênh âm trái, phải Multi-lingual commentary: Chú thích đa âm MC predictor: Dự báo đa kênh Multi-channel (MC) audio data infomation: Thông tin số liệu audio đa kênh Hình 3.13 Định dạng dòng bit số liệu audio chuẩn MPEG-2 mở rộng chuẩn MPEG-1 Trong tiêu chuẩn MPEG-2 có thêm tần số lấy mẫu như: 16KHz, 22,05KHz, 24KHz Nã cho phép truyền băng tần khoảng 7,5 đến 11KHz cho chất lượng cao tốc độ dòng số liệu nhỏ 64 Kb/s cho kênh Khả ứng dụng đa kênh ( tốc độ bit đa kênh mở rộng từ 1Mb/s đến tốc độ cho chất lượng cao ), số liệu gửi khoảng trống dành cho số liệu phụ cấu trúc khung số liệu audio MPEG-1, hình 3.13 Đối với tiêu chuẩn MPEG-2, việc phân líp thực tiêu chuẩn MPEG-1, tức phân làm líp Điểm khác 78 chuẩn MPEG-2 chuẩn MPEG-1 thay đổi bảng tốc độ bit hoạch định bit Hình 3.14 giới thiệu tóm tắt cách khái quát việc phân líp chuẩn MPEG-1 MPEG-2 MPEG-2 Mono v kờnh MPEG-1 kênh Stereo Tần số thấp MC Mono Stereo 32; 44,1; 48KHz18; 22,05; 24KHz32; 44,1; 48KHz 32; 48KHz líp Líp144,1; Líp Líp1 Líp 18; 22,05; 24KHz líp Líp1 Líp líp Hình 3.14 Các líp chuẩn nén audio MPEG-1 MPEG-2 3.4.3 Chuẩn nén MPEG-4 Các chuẩn nén MPEG-1 MPEG-2 lấy khung video làm sở có kèm theo tiếng (audio), tới hoàn thiện nhiều bị hạn chế khung video Mục tiêu quan trọng MPEG-1 MPEG-2 làm cho việc nén, truyền lưu giữ thơng tin có hiệu cao, chưa ý thích đáng tới người sử dụng kết thông tin MPEG-4 đời 79 nhằm giải mục tiêu Nó coi tiếng hình cảnh thể thống mơ tả liệu dễ dàng cho việc cắt rời, lưu giữ sử dụng sau đối tượng tiếng-hình (Audio-Visual Objects = AV-Objects) Với kết vậy, MPEG-4 ứng dụng tốt cho điện thoại ảnh, thông tin quảng bá Thông tin quảng bá khả trao đổi thông tin Audio-Visual Các thông tin loại tự nhiên hay tổng hợp, loại thời gian thực hay không thực người sử dụng cần có tác động tương tác với phần tử tin khác nhau, cần trình bày kết tương tác theo cách phù hợp với yêu cầu họ MPEG-4 không chuyên nâng cao chất lượng nén truyền, song q trình xử lý thơng tin MPEG-4 thân mang lại hiệu cao cho việc nén truyền tin MPEG-4 đời với số đặc trưng quan trọng sau: -Nó đảm bảo độc lập với mạng vật lý (Physical Network Independence) Tất nhiên thích hợp với líp lớn mạng, mạng Internet với giao thức -MPEG-4 đảm bảo tính tương tác cao (Interactinty), tương tác người dùng với thông tin thực mức Audio-Visual object (đối tượng tiếng-hình) Nghĩa người dùng trích phần tiếng-hình thành phận độc lập để sử dụng vào mục đích khác -Đảm bảo khả sử dụng phần mềm khác, giải mã việc mã hoá MPEG-4 Sự thành cơng Internet cịng cho ta thấy dùng công cụ phần mềm lấy từ Internet xuống để sử dụng cho MPEG-4 Cấu trúc tổng quát MPEG-4 mơ tả hình 3.15 80 M U X Configuration inf Class.Difinition AV objectsAV objects Control Configuration inf Class.Request & DECODER ENCODER AV objects D E M U X Data Component (AV-Objects) Data Data Component (user interaction) use interaction Down loaded Down loaded Down loaded Class Library Class Library Class Library Localled Standard Class.Library Hình 3.15 Cấu trúc tổng quát MPEG-4 Trong cấu trúc MPEG-4, AV-Objects (AV-Đối tượng) với quan hệ không gian, thời gian chúng đưa tới từ nguồn tới giải mã MPEG-4 Tại nguồn, AV-Đối tượng mã hoá, sửa sai thấy cần, sau 81 trộn (Multi plexed) tạo thành Downstream cần truyền Tại giải mã, AV-Đối tượng giải điều chế sửa lỗi cần, đưa đến cho người dùng Người dùng can thiệp vào việc trình bày Thơng tin tương tác xử lý chỗ truyền theo Upstream tới giải mã để thực tác động Để đảm bảo hoạt động đồng nguồn mã hố-giải mã cần trao đổi thơng tin cấu (Configuration information), đó: -Nguồn xác định líp cấu trúc, cơng cụ đối tượng khác mà giải mã- mã hoá cần đêr xử lý AV-Đối tượng Mỗi líp đối tượng xác định cấu trúc liệu mã khả thi Các líp cơng cụ ạnp từu Internet xuống Các líp trùm lên, thay líp, cơng cụ định trước cài đặt trước giải mã -Khi làm nhiệm vụ giải mã, giải mã yêu cầu để nguồn cung cấp líp phụ đặc biệt cách truyền với số liệu Nếu MPEG-1 MPEG-2, thơng tin video có dạng hình chữ nhật với kích thước cố định đưa vào thời gian nháat định MPEG-4 người ta đưa vào khái niệm mới, như: Đối tượng Video – VO (Video Objects), Líp đối tượng Video – VOL (Video Objects Layer) khái niệm Mặt phẳng Video – VOP (Video Objects Plane) Trong VOP biểu tức thời VO cho VO VOP thể dòng bit mà người dùng truy nhập thao tác chúng Về phần Audio MPEG-4, có phần gần giống MPEG-2, gọi MPEG-2 audio tiên tiến – AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding), có tốc độ bit 64 Kb/s kênh âm nhạc đơn MPEG-1 tốc độ 128 Kb/s, MPEG-4 tốc độ bit giảm xuống nhỏ 64 82 Kb/s Những nguyên lý khác trình nén audio MPEG-4, như: nén không gian, nén phổ thời gian không khác chuẩn MPEG-1 MPEG-2 Hình 3.16 sơ đồ khối tổng quát MPEG-4 audio Small steps enhencement modul Signalanalysis and control Preproc Signal partitioning Parametric core ABS core T/F core Large steps enhencement modul Hình 3.16 Sơ đồ khối tổng quát MPEG-4 audio Ngoài ra, cần thấy rằng, nhiệm vụ MPEG-4 dùng ngơn ngữ mơ hình hoá thực - VRML (Virtual Reality Modeling Language), để mơ hình hố hình ảnh nhân tạo, khơng dạng tĩnh vật mà dạng động vẻ mặt người Đứng khía cạnh audio, mục tiêu phải chuẩn hoá mạng tham số việc tương tác tiếng hình tổng hợp nhân tạo 3.4.4 Chuẩn nén MPEG-7 Khoảng năm trước đây, MPEG đưa giải pháp để giải 83 vấn đề tìm liệu cần thiết ( thông tin quan trọng ) nguyên trang Web mở rộng toàn cầu (World Wide Web) Đây vấn đề nhiều người quan tâm, nhiên lĩnh vực nghe nhìn việc nhận dạng thơng tin cực khó Bản thảo MPEG có tên gọi “Multimedia Content Description”-Giao diện mô tả truyền thông đa phương tiện-được gọi tắt tiêu chuẩn MPEG-7, hay ký hiệu ISO/IEC SC29/WG11 Tiêu chuẩn tận dụng băng tần siêu liệu việc sản xuất chương trình, đồng với tiêu chuẩn MPEG trước đây, cho phép miêu tả kiểu thông tin riêng biệt, cho phép tìm kiếm liệu cho quyền lợi người dùng cách nhanh chóng hiệu MPEG-7 khơng dùa vào cách mã hố liệu, xây dùng MPEG-4, tiêu chuẩn cung cấp cách mã hố liệu có mối liên hệ với thời gian khơng gian Vì đặc trưng MPEG-7 mang đầy đủ ý nhĩa phạm vi ứng dụng, chúng khác với lĩnh vực người dùng dùng khác ứng dụng khác Chó ý liệu giống dùng kiểu khác đặc trưng phù hợp với phạm vi ững dụng Đối với Audio: giọng nói tâm trạng, nhịp độ, thay đổi nhịp độ, vị trí không gian âm thanh, tất vấn đề tiến trình mã hố theo cách có hiệu (hiệu cho việc tìm kiếm), mức trung gian khái niệm trừu tượng tồn Các mức liên hệ với đặc trưng: vài đặc trưng mức thấp chép tự động đầy đủ, đặc trưng mức cao lại cần thiết nhiều cho hoạt động người Bên cạnh mức cịn cần đến kiểu thơng tin liệu truyền thông đa dụng Tiêu chuẩn MPEG-7 sử dụng độc lập với tiêu chuẩn khác MPEG MPEG-7 giống MPEG-4 chỗ định nghĩa cách miêu tả 84 liệu nghe nhìn phạm vi vật thể Sự đại diện co sở để xử lý theo loại MPEG-7 dùng để cải tiến chức MPEG trước Tuy nhiên, MPEG-7 khơng thể thay hồn tồn MPEG-1, MPEG-2 MPEG-4 3.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG NÉN AUDIO THEO TIÊU CHUẨN MPEG Các tiêu chuẩn nén MPEG nói chung tiêu chuẩn nén audio MPEG nói riêng, sử dụng tương đối rộng rãi thiết bị dân dụng, đặc biệt sử dụng cách có hiệu lớn việc phát số mặt đất, qua vệ tinh DAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình cáp phát sóng mặt đất kỹ thuật số.v.v Đối với nhà sản xuất người sử dụng, việc sử dụng chương trình phần mềm thường có giá thành cao, phức tạp đem lại hiệu thấp, đặc biệt thời gian để thực công đoạn nén giải nén Trong sử dụng “chip” sản xuất sắn MPEG giá thành hạ, việc thực đơn giản thời gian xử lý nhanh Trong thực tại: có cơng ty lớn sản xuất bảng mã hoá giải mã theo tiêu chuẩn MPEG, : IBM, Sigma, C-Cube, Future Tel, Sony, Philips, v.v Việc thực mã hoá giải mã dùa sở phần cứng IC Ví dụ sản phẩm: MPEG Super Suite, Sony’s RTE 3000, MPEG-2 model 2000, Minerva Publisher, v.v Tuy nhiên việc giải mã theo tiêu chuẩn MPEG chương trình phần mềm ngày phát triển, có vi xử lý tốc độ cao Các thiết bị sử dụng rộng rãi chuẩn nén MPEG như: Compact Disc: có dải tần âm từ 20Hz-20KHz, méo hài nhỏ 0,01%, tần số lấy mẫu 44,1KHz, sử dụng chuẩn nén MPEG-1, số kênh âm Stereo kênh, máy cho tín hiệu Digital Analog Digital Audio Tape (DAT): Có khả nén giải nén tín hiệu audio 85 lớn ghi băng từ, cho phép truy cập xác Micro/s, tần số lấy mẫu 44,1KHz 48KHz, số kênh âm kênh sử dụng MPEG-1 kênh kênh sử dụng MPEG-2, dải tần âm từ 20Hz-20KHz Video-CD :Đối với tín hiệu Audio giải nén audio theo chuẩn MPEG-1, đọc đĩa CD giải nén líp-2, đọc Video CD giải nén líp-3, tần số lấy mẫu 44,1 KHz, dải tần âm 20Hz-20KHz, số kênh âm kênh DVD: Đối với tín hiệu âm giải nén audio theo chuẩn MPEG-2, tần số lấy mẫu 44,1KHz 48KHz, dải tần âm 20Hz-20KHz, số kênh âm kênh kênh Một số thiết bị cụ thể kể trên, thiết bị thường gặp q trình sử dụng, thực nén giải nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG, ngồi cịn nhiều thiết bị khác sử dụng tiêu chuẩn nén Điều nói lên việc sử dụng chuẩn nén audio MPEG rộng rãi cho ta kỹ thuật âm chất lượng cao Tương lai sau chuẩn nén Audio MPEG tiếp tục phát triển mạnh mẽ áp dụng rộng rãi kỹ thuật âm 86 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, luận văn tập trung trình bày số vấn đề tổng quan tín hiệu âm thanh, trình nén tiêu chuẩn nén audio MPEG Với nội dung trình bày, luận văn hoàn thành mục tiêu đề ra, cụ thể: 87 Đưa số nét điển hình sở lý luận xử lý tín hiệu âm (audio) Đó vấn đề lý luận chủ yếu liên quan tới q trình số hố tín hiệu, biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số từ để nén tín tín hiệu audio Đi sâu số vấn đề cơng nghệ nén, từ làm sở cho việc nén tín hiệu audio số hố Đồng thời đưa sơ tiêu chuẩn nén tín hiệu audio Phần nội dung đề tài đề cập đến trình phát triển tiêu chuẩn MPEG, phương pháp nén giải nén audio tiêu chuẩn MPEG, đồng thời sâu phân tích kỹ tiêu chuẩn nén MPEG Mặt khác đưa ứng dụng thực tế tiêu chuẩn nén Do thời gian hạn hẹp trình độ thân cịn nhiều hạn chế nên vấn đề luận văn đề cập đến chưa sâu sắc khó tránh khỏi sai sót Bản thân mong tiếp tục đóng góp q báu thầy đồng nghiệp Tuy nhiên, việc tìm nghiên cứu tiêu chuẩn nén audio MPEG đem lại kết cho kiến thức trợ giúp q trình cơng tác thân sau Nếu có điều kiện tiếp tục tìm hiểu sâu thêm công nghệ nén audio việc ứng dụng tiêu chuẩn nén vào điều kiện thực tế Bản thân hy vọng luận văn dùng làm tài liệu tham khảo cho quan tâm đến lĩnh vực Cuối lần thân tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS-TS Nguyễn Duy Bảo thầy khoa Vô tuyến điện tử, Trung tâm Đào tạo sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân tận tình giúp đỡ tạo điều kiện suốt trình học tập q trình hồn thiện luận văn này./ 88 ... từ ứng dụng nén tín tín hiệu audio Chương 2: Nén tín hiệu au dio số hoá Chương sâu số vấn đề công nghệ nén, từ làm sở cho cơng việc nén tín hiệu audio số hoá Đồng thời đưa sơ tiêu chuẩn nén tín. .. tín hiệu audio Chương 3: Nén tín hiệu âm theo tiêu chuẩn MPEG- 2 Đây nội dung đề tài Trong chương trình bày trình phát triển tiêu chuẩn MPEG, phương pháp ? ?nén? ?? “giải nén? ?? audio tiêu chuẩn MPEG, ... rạc tín hiệu số Các loại tín hiệu có mặt vị trí sơ đồ biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số, hình 1.1 L­ỵng tư theo thêi gian Tín hiệu Tín hiệuTín hiệu L­ỵng tử theo biên độ Mà hoá Tín hiệu