BÀI TIỂU LUẬN MÔN AN NINH CƠ SỞ DỮ LIỆU NÉN ÂM THANH SỐ

GIỚI THIỆU Trong bài tiểu luận này, em xin trình bày về Nén âm thanh số. Bài trình bày đi vào tìm hiểu về âm thanh số, các phương pháp nén âm thanh số, độ an toàn của nén âm thanh số cũng như là các ứng dụng của nén âm thanh số. Trong bài tiểu luận em đi sâu vào nghiên cứu định dạng nén có mất mát “AAC – Advanced Audio Coding”, là một bước kế tiếp so với chuẩn nén MP3 mà rất phổ biến hiện nay. Cuối bài, em xin giới thiệu một chương trình nén file từ định dạng không nén (wav) sang định dạng aac và đồng thời giải nén theo hướng ngược lại (từ định dạng mp3 sang định dạng aac). Bài tiểu luận của em được trình bày theo những điều em tìm hiểu được, hoặc được trích dẫn lại từ các website mà em tham khảo. Có điều gì chưa đúng, mong thầy góp ý để bài tiểu luận của em hoàn thiện hơn, chính xác hơn. Em xin chân thành cảm ơn Học viên: Nguyễn Khắc Minh NỘI DUNG GIỚI THIỆU 2 CÁC THUẬT NGỮ 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ÂM THANH SỐ 3 1.1. Âm thanh số 3 1.2. Các định dạng của âm thanh số 3 CHƯƠNG 2. NÉN DỮ LIỆU ÂM THANH SỐ 3 2.1. Các phương pháp nén 3 2.1.1. Nén dữ liệu không mất mát 3 2.1.2. Nén có mất mát 3 2.2. So sánh nén không mất mát với nén có mất mát 3 2.3. Một phương pháp nén dữ liệu âm thanh số AAC 3 2.3.1. Các khối trong kiến trúc của AAC 3 2.3.2. Những cải tiến so với chuẩn Layer3 3 2.4. Độ an toàn của phương pháp nén dữ diệu âm thanh số 3 2.4. Ứng dụng của phương pháp nén dữ diệu âm thanh số 3 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH NÉN ÂM THANH SỐ 3 3.1. Giới thiệu 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 CÁC THUẬT NGỮ TừThuật ngữ Viết đầy đủTừ tiếng Anh Giải thíchTham chiếu Âm thanh số Digital audio Âm thanh được lưu trữ dạng số ADC Analog To Digital Converter Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

BÀI TIỂU LUẬN MÔN AN NINH CƠ SỞ DỮ LIỆU

NÉN ÂM THANH SỐ

GV hướng dẫn : PGS TS Trịnh Nhật Tiến

Học viên : Nguyễn Khắc Minh

Lớp : K19HTTH

GIỚI THIỆU

Trong bài tiểu luận này, em xin trình bày về Nén âm thanh số Bài trình bày đi vào tìmhiểu về âm thanh số, các phương pháp nén âm thanh số, độ an toàn của nén âm thanh sốcũng như là các ứng dụng của nén âm thanh số Trong bài tiểu luận em đi sâu vào nghiêncứu định dạng nén có mất mát “AAC – Advanced Audio Coding”, là một bước kế tiếp sovới chuẩn nén MP3 mà rất phổ biến hiện nay

Cuối bài, em xin giới thiệu một chương trình nén file từ định dạng không nén (wav)sang định dạng aac và đồng thời giải nén theo hướng ngược lại (từ định dạng mp3 sangđịnh dạng aac)

Bài tiểu luận của em được trình bày theo những điều em tìm hiểu được, hoặc đượctrích dẫn lại từ các website mà em tham khảo Có điều gì chưa đúng, mong thầy góp ý đểbài tiểu luận của em hoàn thiện hơn, chính xác hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Nguyễn Khắc Minh

NỘI DUNG

GIỚI THIỆU 2

CÁC THUẬT NGỮ 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ÂM THANH SỐ 3

1.1 Âm thanh số 3

1.2 Các định dạng của âm thanh số 3

CHƯƠNG 2 NÉN DỮ LIỆU ÂM THANH SỐ 3

2.1 Các phương pháp nén 3

2.1.1 Nén dữ liệu không mất mát 3

2.1.2 Nén có mất mát 3

2.2 So sánh nén không mất mát với nén có mất mát 3

2.3 Một phương pháp nén dữ liệu âm thanh số - AAC 3

2.3.1 Các khối trong kiến trúc của AAC 3

2.3.2 Những cải tiến so với chuẩn Layer-3 3

2.4 Độ an toàn của phương pháp nén dữ diệu âm thanh số 3

2.4 Ứng dụng của phương pháp nén dữ diệu âm thanh số 3

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH NÉN ÂM THANH SỐ 3

3.1 Giới thiệu 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

CÁC THUẬT NGỮ

Từ/Thuật

ngữ Viết đầy đủ/Từ tiếng Anh Giải thích/Tham chiếu

Âm thanh số Digital audio Âm thanh được lưu trữ dạng

sốADC Analog To Digital Converter Bộ chuyển đổi từ tín hiệu

tương tự sang tín hiệu sốDAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi từ tín hiệu số

sang tín hiệu tương tự

liệu không mất mát, được công bố thành bài báo của 2 tác giả Abraham Lempel và Jacob Ziv năm 1977

không mất mát toàn cục, tạo bởi Abraham Lempel, Jacob Ziv và Terry Welch

PPM Prediction by Partial

Matching Kĩ thuật nén dữ liệu thống kê thích nghi, dựa trên mô hình

ngữ cảnh và dự đoán

hoặc việc nén dữ liệu Một fileZIP chứa một hoặc nhiều file được nén, để giảm kích thước,được lưu trữ ở file có đuôi mởrộng zip Một định dạng file ZIP cho phép nhiều thuật toánnén

Mã hóa Encrypt Là cách thức thay đổi dữ liệu

được trình bày, bằng cách sử dụng phương thức hoặc khóa hạn chế, có tính toán chuyên sâu Nó thường dùng để che giấu dữ liệu với một số người,trong khi không che giấu với một số người khác

liệu được trình bày, nhưng là bảo toàn dữ liệu, và dễ dàng hồi phục sau một số loại

chuyển đổi.

CD Compact Disc Là loại đĩa quang, có thể lưu

trữ 80 phút âm thanh hoặc 700MB dữ liệu máy tính được

mã hóa theo kĩ thuật sốDVD Digital Versatile Disc, hoặc

Digital Video Disc

Là định dạng lưu trữ đĩa quang, để lưu trữ video và dữ liệu, có dung lượng lớn hơn đĩa CD

Codec Compressor-Decompressor,

hoặc Coder-Decoder, hoặc Compression/Decompression

algorithm

Là thiết bị, hoặc chương trình

có khả năng mã hóa và giải

mã một dòng dữ liệu hoặc tín hiệu

MPEG The Moving Picture Experts

Group

Hội phim ảnh thế giới, là một sản phẩm nhóm mang tính ISO/IEC được phát triển cho các thiết bị âm thanh và hình ảnh bằng cách nén dữ liệu chuẩn Tên chính thức của MPEG là ISO/IEC

JTC1/SC29 WG11PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung

DPCM Differential Pulse Code

Modulation Điều chế mã xung khác biệtADPCM Adaptive Differential Pulse

Water

making

Là quá trình nhúng thông tin vào tín hiệu số được dùng để xác minh tính xác thực hoặc nhận dạng tác giả…

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ÂM THANH SỐ

1.1 Âm thanh số

Âm thanh là những gì chúng ta nghe thấy bằng tai Những âm thanh đó là sóng do áp lựccủa không khí truyền tới tai qua không khí Nếu không có không khí, chúng ta không thểnghe thấy gì cả Và cũng không có âm thanh trong không gian Chúng ta nghe thấy âmthanh vì tai của chúng ta nhạy cảm với những dạng sóng áp lực đó Sóng có thể ở dạng sựkiện như tiếng vỗ tay hoặc theo chu kì như tiếng bấm chuông, lắc đồng hồ

Hình vẽ dưới đây mô phỏng một dạng sóng đã được lượng tử hóa và loại bỏ các giá trịngưỡng 0 (Sóng âm thanh, là đường màu xám)

Figure 1: Sóng âm thanh (Nguồn tham khảo:

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_audio)

Âm thanh số là việc tái tạo lại âm thanh bằng cách sử dụng điều chế mã xung và tín hiệu

số Hệ thống âm thanh số gồm bộ chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC), chuyển đổi từ

số sang tương tự (DAC), lưu trữ số, các thành phần xử lý và truyền dữ liệu Thuận lợichính của việc sử dụng âm thanh số là khả năng lưu trữ, truy xuất và truyền tín hiệu màkhông có tổn thất nhiều về chất lượng

Figure 2: Hệ thống chuyển đổi âm thanh số (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_audio)

Những âm thanh mà chúng ta nghe thấy thường là những âm thanh có tần số nằm trongkhoảng 20Hz-20kHz Có 2 yếu tố xác định chất lượng của việc ghi âm số gồm:

 Tỉ lệ lấy mẫu (sample rate): Tỉ lệ mà các mẫu được ghi âm hoặc phát lại, đo bằngđơn vị Hertz (Hz), hoặc số lượng mẫu trong mỗi giây Một đĩa âm thanh số thường

có tỉ lệ mẫu là 44,100Khz, được viết tắt thành 44kHz

 Định dạng mẫu hoặc gọi là kích thước mẫu: Nó là số bit để thể hiện dạng số chomỗi mẫu Nếu coi tỉ lệ lấy mẫu là độ chính xác theo chiều ngang của sóng âmthanh số, thì kích thước mẫu sẽ là độ chính xác theo chiều dọc Một đĩa CD âmthanh có kích thước mẫu thường là 16 bits, tương ứng với 5 số thập phân

Ngoài ra, thì có nhiều thuộc tính khác với một file âm thanh số, như

 Định dạng file

 Số kênh (mono – đơn kênh, stereo hoặc nhiều kênh)

 Tốc độ dữ liệu

 Định dạng nén hoặc không nén

Âm thanh số có thể được lưu trữ hoặc truyền đi Các thiết bị lưu trữ âm thanh số có thể là

CD, digital audio player, ổ cứng, ổ cứng di động USB, CompactFlash, hoặc bất cứ thiết

bị lưu trữ số liệu nào khác Tín hiệu số có thể được chỉnh sửa theo một quy trình gọi là xử

lý tín hiệu số, nó có thể được lọc hoặc áp dụng các hiệu ứng khác

Có 3 loại file âm thanh số cơ bản:

 Dạng không nén, là các hệ thống phổ biến, như định dạng WAV, ví dụ như cácfile CD audio

 Các định dạng sử dụng kĩ thuật nén, nhưng không mất dữ liệu khi nén, được gọi là

kĩ thuật nén không mất mát Ví dụ như các loại định dạng file flac, aif, wav

 Các định dạng mà bị mất một vài thành phần dữ liệu gốc, nhưng vẫn đảm bảođược chất lượng tương đối, được gọi là nén có mất mát Các kĩ thuật nén dữ liệu

âm thanh số, ví dụ như MP3, Advanced Audio Coding (AAC), Ogg Vorbis, hoặcFLAC là các kĩ thuật phổ biến để giảm kích thước file Âm thanh số có thể đượctruyền trực tiếp sang các thiết bị khác

1.2 Các định dạng của âm thanh số

Các file âm thanh số thường gồm 2 phần: phần tiêu đề và phần dữ liệu âm thanh Phầntiêu đề thường gồm thông tin về file, bao gồm độ phân giải, tỉ lệ lấy mẫu và loại nén.Thường thì những wrapper dùng để thêm các chức năng, như thông tin về bản quyền vàkhả năng streaming cho các file âm thanh số này

Định dạng của file âm thanh số là kiểu dữ liệu âm thanh số sẽ được lưu trong file Kiểufile mô tả cấu trúc dữ liệu trong file đó Thường thì có thể các file có cùng định dạngđược sử dụng bởi một hoặc nhiều loại kiểu file Ví dụ, định dạng PCM được tìm thấy ởtrong cả các loại file WAV và AIFF

Bảng các định dạng file phổ biến:

Kiểu file Phần file mở rộng Codec

AU (Sun/Next) au *u-law

Layer-IIIWindows Media

ở trong khoảng 160 và 320kb/s, so với 1411.2kb/s của các file WAV, nhưng với rất nhiềungười, sự mất mát chất lượng âm thanh đó là không đáng chú ý, đặc biệt với những ngườinghe không có nhu cầu đòi hỏi chất lượng âm thanh cao

AAC – Advanced Audio Coding

Ra đời năm 1997 từ Fraunhofer Institue (Đức) kết hợp với một số công ty như AT&T,Sony, Dolby; là một định dạng file âm thanh số khác cũng là định dạng phổ biến thời kìinternet Nó là hệ thống nén file mới hơn so với MP3 và được phổ biến bởi chất lượng âmthanh tốt hơn so với tỉ lệ nén giống như MP3.

Vorbis

Định dạng Vorbis là định dạng ít được biết đến hơn, nhưng vẫn có tính chất phổ biếnrộng rãi, là định dạng âm thanh số, tương tự với MP3 hoặc AAC Vorbis được hình thànhnhư một dạng kết hợp của MP3, khi đó khi đó có nguy cơ rằng MP3 sẽ trở thành địnhdạng file phải trả tiền bản quyền Vorbis file được gắn đuôi mở rộng ogg, và ở wrapperđược coi là Ogg Vorbis file Chất lượng của Vorbis có thể so sánh được với MP3, một sốngười còn nói rằng nó tốt hơn trong một vài tình huống – nhưng thành công của nó xuấtphát từ thực tế là nó không có bằng sáng chế Vorbis thường phổ biến trong cộng đồng

mã nguồn mở

WAV

Wav là định dạng mặc định cho âm thanh số trên máy tính Windows cá nhân Những fileWAV thường được mã hóa ở định dạng PCM, có nghĩa là chúng không được nén vàchiếm rất nhiều không gian Các file WAV cũng có thể được mã hóa ở định dạng khác, ví

Âm thanh truyền trực tuyến

Những âm thanh truyền trực tuyến tránh được rất nhiều vấn đề của các file âm thanh lớn.Thay vì phải đợi để tải xuống toàn bộ file lớn, bạn có thể nghe âm thanh ngay khi chúng

được tải xuống máy tính của bạn Trình chơi âm thanh truyền trực tuyến lưu vài giây dữliệu đáng giá trong bộ đệm trước khi bắt đầu phát lại.

Những định dạng chuẩn

Những định dạng chuẩn làm cho những người phát triển phần mềm và nhà sản xuấtphương tiện dễ dàng sản xuất sản phẩm với chi phí rẻ hơn và tương thích nhiều với cácphần khác hơn Tính tương thích cung cấp những định dạng chuẩn giúp đảm bảo kháchhàng sao cho nhạc của họ và các thiết bị không bị lạc hậu Băng cassette, đĩa nén và PCM

là những ví dụ của định dạng âm thanh chuẩn mà phù hợp với cả khách hàng và nhà sảnxuất

PCM

PCM (Điều biến mã xung) là một phương pháp phổ biến để lưu trữ và truyền dữ liệu âmthanh số không nén Vì nó là loại định dạng chung, nó có thể được đọc bởi hầu hết cácứng dụng âm thanh – tương tự với cách file văn bản thuần túy được đọc bởi các ứng dụng

xử lý văn bản PCM được sử dụng trong Audio CDs và băng âm thanh số (DAT) PCMcũng là định dạng phổ biến trong các file AIFF và WAV PCM cũng là cách thể hiện rõràng của những dãy số nhị phân cho các giá trị mẫu (1s và 0s) Khi âm thanh PCM đượctruyền, mỗi byte ‘1’ sẽ được thể hiện bằng xung điện áp dương và mỗi giá trị ‘0’ được thểhiện bởi sự có mặt của một xung

DPCM

DPCM (Điều biến các mã xung khác biệt) là dạng đơn giản của nén có mất mát mà chỉlưu trữ sự khác nhau giữa các mẫu liên tiếp DCPM sử dụng 4 bits để lưu trữ sự khácnhau, bất kể độ phân giải của file gốc Với DPCM, một file 8-bit sẽ có tỉ lệ nén là 2=1, vàmột file 16bit sẽ có tỉ lệ nén là 4=1

ADPCM

ADPCM (Điều chế mã xung khác biệt thích ứng) tương tự với DPCM ngoài trừ số bitđược sử dụng để lưu trữ sự khác nhau giữa các mẫu thay đổi phụ thuộc vào độ phức tạpcủa tín hiệu ADPCM hoạt động bằng cách phân tích một mẫu tiếp theo trong các mẫu và

dự đoán giá trị của mẫu tiếp theo Nó sau đó lưu sự khác giữa các giá trị tính được và giátrị thực tế.

Nén u-law

u-law (phát âm là mew-law) là loại nén mất mát phổ biến, tương tự với ADPCM, có thểđược dùng trong AU, AIFF, và WAV files

Âm thanh MPEG

Âm thanh MPEG là dòng thuộc chuẩn mở cho nén âm thanh mà bao gồm MP2, MP3 vàAAC

CHƯƠNG 2 NÉN DỮ LIỆU ÂM THANH SỐ

ra để giải quyết Ví dụ với dữ liệu âm thanh, không thể được nén tốt với các thuật toánnén giả sử dữ liệu quy ước là văn bản

Việc nén không mất mát quan trọng khi dữ liệu nén và dữ liệu nguyên gốc cần phải đảmbảo giống nhau, Chương trình điển hình là các chương trình chạy, source code Một vàifile ảnh lớn, đáng chú ý là PNG, chỉ sử dụng nén không mất mát, trong khi các loại ảnhkhác như TIFF và MNG có thể sử dụng hoặc nén mất mát hoặc không mất mát GIF sửdụng phương pháp nén không mất mát nhưng hầu hết các cài đặt của GIF thì không đầy

đủ trong việc thể hiện đầy đủ các màu, do vậy họ lượng tử hóa ảnh xuống 256 hoặc ítmàu hơn trước khi mã hóa thành ảnh gif (việc lượng tử hóa thường là dithering-phốimàu) Việc lượng tử hóa màu sắc là quy trình mất mát, nhưng việc khôi phục lại ảnh màu

và lượng tử hóa lại nó không tạo ra mất mát nào thêm

Hầu hết các chương trình nén không mất mát sử dụng 2 loại thuật toán khác nhau: mộttạo ra mô hình thống kê cho dữ liệu đầu vào và một sẽ ánh xạ dữ liệu đầu vào thành dãybit sử dụng mô hình này theo cách mà dữ liệu có thể sẽ tạo ra output ngắn hơn, là dữ liệukhông chắc chắn Thường, chỉ một thuật toán chính sẽ được gọi tên, trong khi cái thứ hai

sẽ là ngầm định (ví dụ, các loại chuẩn hóa) hoặc không được chỉ ra

Các thuật toán mô hình hóa thống kê cho dữ liệu text (hoặc dữ liệu nhị phân dạng textnhư các file chạy) gồm:

 Chuyển đổi Burrows-Wheeler (việc xử lý sắp xếp các khối làm cho việc nén hiệuquả hơn)

để mã hóa chúng thành dạng vài bit Phương pháp này được gọi là mã hóa Delta

2.1.2 Nén có mất mát

Một phương pháp nén có mất mát thì dữ liệu được nén và sau đó quá trình giải nén dữliệu sẽ trả lại dữ liệu không giống với nguyên gốc, nhưng đủ gần để có thể sử dụng hiệuquả theo cách nào đó Nén dữ liệu có mất mát được sử dụng thường xuyên trên Internet

và đặc biệt là trong việc truyền thông đa phương tiện (streaming media) và các ứng dụng

điện thoại (telephony) Những phương pháp này thường ám chỉ tới các codec Hầu hếtcác định dạng nén mất mát thì đều có mất mát chung, việc nén lặp lại và giải nén file sẽgây ra quá trình mất mát chất lượng Nó tương phản với phương pháp nén không mấtmát.

Có 2 kiểu nén mất mát cơ bản:

 Trong các codec chuyển đổi có mất mát, các mẫu ảnh hoặc âm thanh được lấy,phân chia thành các đoạn nhỏ, chuyển sang không gian cơ bản và lượng tử hóa.Kết quả lượng tử hóa được mã hóa entropy

 Trong codec dự đoán mất mát, dữ liệu trước và sau đó được sử dụng để dự đoánmẫu âm thanh hoặc khung ảnh hiện tại Lỗi giữa dữ liệu dự đoán và dữ liệu thực,cùng với bất cứ thông tin thêm mà cần thiết trong quá trình tái tạo, sẽ được lượng

với một chút mất mát chất lượng hiển thị, ở tỉ lệ 300:1 Việc nén ảnh có mất mát thường

để ở 1/10 kích thước gốc, so với audio, nhưng việc chất lượng giảm thì đáng kể hơn, đặcbiệt khi kiểm tra kĩ

Khi người dùng mong muốn một file nén có mất mát (ví dụ, để giảm thời gian download)thì file mà được yêu cầu sẽ khác với file gốc ở mức độ bit trong khi vẫn khó phân biệt vớitai hoặc mắt người dùng ở hầu hết các mục tiêu thực tế Nhiều phương pháp thường tậptrung vào đặc tính của cơ thể con người, ví dụ, có tính đến là mắt người chỉ có thể nhìnđược ở một dải bước sóng ánh sáng xác định Các mô hình tâm lý-âm thanh sẽ mô tả âmthanh có thể được nén ở tỉ lệ nào mà vẫn đảm bảo chất lượng nhận được không bị giảmnhiều Những sai sót gây ra trong quá trình nén mà có ảnh hưởng đáng kể tới mắt hoặc taingười thì được coi là những nhiễu/thành phần lạ của việc nén

Các thuật toán nén không mất mát thường khai thác việc giảm bớt/nén theo thống kê nhưvậy để đảm bảo dữ liệu của người gửi chính xác hơn, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng/độhoàn hảo Việc nén không mất mát là có thể bởi vì hầu hết dữ liệu thực tế thì đều có dựphòng thống kê Ví dụ, trong văn bản tiếng Anh, kí tự e thì thường phổ biến hơn kí tự z,

và xác suất mà kí tự q theo sau kí tự z là rất nhỏ

Một loại nén khác, gọi là nén dữ liệu có mất mát, là có thể nếu một vài mất mát của thôngtin đúng là chấp nhận được Ví dụ, khi một người xem một bức ảnh hoặc đoạn video trêntivi có thể không để ý nếu có một vài chi tiết bị loại bỏ hoặc thể hiện không hoàn hảo.Tương tự, 2 clips của audio có thể được nhận thức là giống nhau thậm chí có một đoạnthiếu thông tin mà được tìm thấy ở audio còn lại Các thuật toán nén dữ liệu có mất mátđược giới thiệu là có sự khác biệt nhỏ và việc thể hiện ảnh, video hoặc audio sử dụngthiếu vài bit

Các chiến lược nén không mất mát lại ngược lại, do vậy mà dữ liệu nguyên gốc có thểđược khôi phục, trong khi chiến lược nén mất mát chấp nhận một số mất mát về dữ liệu

để có thể đạt được tỉ lệ nén tốt hơn Các thuật toán nén không mất mát sẽ không nén đượcmột vài file; bất cứ thuật toán nén nào cũng thất bại khi nén bất cứ loại dữ liệu nào mà