Tổng quan audio - video
Audio – Video Overview Kramerelectronics PHẦN I AUDIO OVERVIEW CHƯƠNG I TÍN HIỆU ÂM THANH VÀ SỰ CẢM THỤ TÍN HIỆU ÂM THANH 1.1 Khái quát a Nguồn âm - Nguồn âm điểm: Kích thước nguồn âm d = 120 dB: chói tai (đau tai) - Tốc độ dao động âm: v’ = 10-7 m/s - Cường độ âm thanh: I = P/S, với P công suất âm 1.3 Sự thụ cảm quan thính giác Sự thụ cảm quan thính giác phụ thuộc vào: - Tần số - Cường độ I = P/S, từ suy âm lượng âm K = 10 lg(I/Io), với Io = 10-12 W/m2 - Khoảng cách - Xác định vị trí nguồn âm (Hiệu ứng tham gia) - Xác định hướng nguồn âm 1.4 Dải động tín hiệu âm - Dải động máy tăng âm thường 50 – 70 dB - Dàn nhạc giao hưởng 90 – 120 dB 1.5 Sự lấn át tín hiệu âm - Do tạp âm: Trong q trình xử lí tín hiệu âm bên cạnh tín hiệu có ích thiết bị nhận thêm tạp âm có hại Để tính tốn mối quan hệ tín hiệu có ích tạp âm người ta đưa cơng thức tính là: Tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) dB KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics - Lấn át theo tần số: Khi phát tín hiệu có băng thơng định tín hiệu khác có băng thơng khác có xen lẫn băng thông -> tạo phách tần số ( Do hệ thần kinh trung ương cảm thụ) Ví dụ : tần số f1 tần số f2 tai nghe nf1± mf2 làm tai ta khó phân biệt tần số f1 tần số f2 Từ đưa độ lấn át theo tần số (dB) M= N’0 – N0 đó: + N0 : ngưỡng nghe khơng có tạp âm ( khơng có tác động tần số tạp âm cả) + N’0 : ngưỡng nghe có tạp âm ( có f2 ) 1.6 Độ rõ tín hiệu âm Đây khái niêm mang tính thống kê Ví dụ: Trong gian phịng chia người ta đọc trăm từ, nghĩa từ không liên quan với – tách rời Cho người ngồi vị trí khác -> vị trí khác ghi số từ Nếu từ ngồi ở chỗ ghi - 80 từ trở lên : Chất lượng phòng tốt - 40 – 60 từ : Chất lượng phịng trung bình - nhỏ 40 từ: Chất lượng phòng 1.7 Hiệu ứng stereo Là hiệu ứng mà người xác định vị trí nhiều nguồn âm sơ cấp- > Tạo nên hệ thống âm lập thể (2 kênh nhiều kênh) Trong điện ảnh kênh đến kênh 1.8 Tai người thụ cảm cịn mang tính phi tuyến - Nếu τ < 50 ms tai ta khơng phân biệt hai âm - Nếu τ > kích thước nguồn âm) mức âm suy giảm dần 1.11 Ảnh hưởng thời tiết khí hậu - Hầp thụ lượng mơi trường khơng khí tần số cao độ suy giảm lớn - Nhiệt độ - Độ ẩm Khi nhiệt độ độ ẩm tăng suy giảm lượng âm lại bớt - Ảnh hưởng gió 1.12 Hiện tượng nhiễu xạ Trên đường lan truyền trực tiếp từ nguồn âm đến đến người nghe microphone, sóng ân thường gặp vật cản, thí dụ cột, tường, bàn ghế, tạo tượng nhiễu xạ sóng âm tương tự tượng nhiễu xạ ánh sáng Có ảnh hưởng nhỏ đến âm mà tai người microphone thu 1.13 Hiện tượng hấp thụ âm Khi sóng âm gặp vật liệu hút âm phần lượng bị hấp thụ vào vật liệu phần phản xạ trở lại không gian Năng lượng âm bị hấp thụ, phần chuyển thành nhiệt vật liệu, phần truyền qua tường xạ qua phòng bên cạnh Khơng có loại vật liệu có khả hấp thụ tần số âm Có thể chia chủng loại vật liệu hút âm sau: KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics + Vật liệu hút âm trầm (khoảng 250Hz) + Vật liệu hút âm trung (khoảng 250Hz đến 1000Hz) + Vật liệu hút âm cao (khoảng 1000Hz) 1.14 Hiện tượng âm vang Trong phòng (nhất phòng lớn tường cứng) âm nguồn âm tắt, cịn ngân dài nhờ tượng phản xạ sóng âm; ta gọi tượng âm vang Tiếng vang có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm âm phòng Trong biểu diễn âm nhạc, nhờ có tiếng vang mà chỗ dừng - dấu lặng – âm khơng bị cắt cụt cách khơ khan; bù đắp phần lượng trường phản âm – âm quan cảnh Chính phần tín hiệu quang cảnh cho ta thông tin đặc diểm âm học khơng gian biểu diễn ( phịng hoà nhạc, studio hay nhà thờ, ) So với trực âm, tiếng vang đến tai ngưòi nghe hay microphone phải sau khoảng thời gian t gọi trễ - Hiện tượng âm vang bao gồm giai đoạn: khởi vang, đồng vang kết vang 1.15 Những yêu cầu ảnh âm lập thể (stereo) Giữ cân đối lập thể: Xét phân bố âm lượng cho nguồn âm phân bố phương vị cho nguồn âm Có phương vị dựng ảnh âm: TRÁI (L), NỬA TRÁI (HL), GIỮA (M), NỬA PHẢI (HR), PHẢI ( R) Tận dụng tối đa chiều rộng dựng ảnh âm Tạo cảm giác không gian rõ rệt Đảm bảo tính tương thích (đối với chương trình dùng cho phát truyền hình) 1.16 Tiếng nói việc nhận dạng tiếng nói Hiện nay, có phương pháp sau để nhận dạng tiếng nói: Nhận dạng tiếng nói phương pháp Markop ẩn, mạng nơ ron trí tuệ nhân tạo 1.17 Nguyên lý ghi âm KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics Với analog có phương pháp ghi sau: a Ghi giới Là phương pháp dùng thiết bị giới để khắc tín hiệu âm thanh, thành dạng rãnh vòng tròn đĩa nhựa Khi cần phát lại âm ghi, cho kim đĩa hát chuyển động rãnh vịng Phương pháp dùng sản xuất đĩa hát b Ghi âm quang học Là phương pháp dùng micrô điều chế quang, để đưa âm cần ghi vào phiến nhựa cảm quang Sau đưa phiến nhựa định hình ghi âm, khống chế ánh sáng đèn quang học chiếu tới, để phát tín hiệu ban đầu Phương pháp ghi âm quang học thường dùng điện ảnh c Ghi âm từ Là phương pháp dùng dòng điện âm tần tác động lên băng từ để lại từ dư băng theo quy luật dong điện âm tần Lúc phát lại mức từ dư băng qua đầu từ đọc lại biến thành dòng điện âm tần Phương pháp ghi âm từ dùng truyền đời sống Nguyên lý ghi âm từ dựa đặc tính hạt sắt từ bị nhiễm từ, chịu tác động từ trường giữ lại mức từ dư, khỏi từ trường Hiện nay, người ta thưòng dùng băng từ băng nhựa có phủ lớp bột sắt từ Với digital Định dạng băng audio số DAT phát triển cho máy ghi âm dân dụng (đầu từ quay – nên gọi R-DAT : Rotary – Digital Audio Tape) Tuy nhiên DAT có chất lượng cao nên dùng muc đích chuyên dụng CHƯƠNG II KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics XỬ LÝ TÍN HIỆU ÂM THANH SỐ 2.1 Tín hiệu âm số ? Ở dạng gốc, tín hiệu âm (tín hiệu âm tần) tín hiệu tương tự (analog) tức tín hiệu có đường biểu diễn tần số biên độ liên tục Tín hiệu analog tín hiệu liên tục thời gian trị số Tín hiệu âm digital tín hiệu gồm mẫu lấy từ tín hiệu gốc analog số hố theo mã quy định, tín hiệu rời rạc, xét mặt thời gian giá trị Mỗi mẫu rời rạc biễu diễn mã nhị phân Việc xử lí mẫu nhị phân rời rạc theo quy luật kỹ thuật số gọi phương pháp xử lí tín hiệu âm số Mạch xử lí tín hiệu âm số chủ yếu mạch trữ, mạch chuyển tiếp mạch thuật toán 2.2 Tại cần xử lí tín hiệu âm theo cơng nghệ số a Phương pháp xử lí tín hiệu cơng nghệ tương tự thường có hạn chế - Dải tần - Dải động - Độ méo - Độ suy hao - Suy giảm chất lượng chép thông tin, b Một hệ truyền tín hiệu ( nói ngắn gọn kênh ) đặc trưng tính chất kỹ thuật sau Tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) Yếu tố gây nhiễu thường gặp tạp âm sinh linh kiện điện tử ( linh kiện thụ động tích cực ) Những điện áp tạp âm phân bố suốt dải âm tần, từ thấp lên cao Khi nghe phát loa ta thường có cảm giác chúng xuất vùng tần số cao Sở dĩ dải thông vùng tần số thấp đường đặc tuyến biên độ tần số hẹp nhiều so với vùng tần số cao Mặt khác khả cảm thụ tai người phụ thuộc vào tần số KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics - Tiêu chuẩn cho máy HiFi : (S/N) >= 54dB Dải động Dải động kênh truyền dẫn cho biết mức điện áp cực đại cực tiểu mà không bị ảnh hưởng tạp âm, biểu thị dB Giá trị cực đại phụ thuộc vào khả điều chế hệ thống, giá trị tạp nhiễu phụ thuộc vào độ nhiễu tạp âm tồn kênh Khi truyền tín hiệu âm với dải động tự nhiên kênh đủ rộng (thí dụ tác phẩm khí nhạc cho dàn nhạc hoà tấu: concerto, symphony, ) qua kênh truyền dẫn có dải động hẹp tín hiệu đầu bị ép lại Dải tần Tín hiệu truyền thường bị giới hạn khoảng tần số, tuỳ thuộc chất lượng kênh Tín hiệu tần số thấp, thành phần điện áp chiều tần số cao (ở cuối dải tần) thưịng khơng chuyển tải đầy đủ bị hoàn toàn Độ tuyến tính Trên kênh truyền dẫn lý tưởng tín hiệu đầu phải biến đổi tuyến tính vói tín hiệu đầu vào Nếu khơng tạo méo tín hiệu Kênh truyền dẫn thường tạo méo tuyến tính (méo đường thẳng) méo phi tuyến tính (méo khơng đường thẳng) Méo đường thẳng xuất đặc tuyến biên độ - tần số hệ truyền không phẳng Méo không đường thẳng tạo thành phần tần số khơng có tín hiệu gốc Dạng méo đặc tuyến công tác linh kiện không thẳng, sinh hài Độ méo biểu hệ số méo, tức tỷ số hiệu dụng thành phần hài bậc cao méo tạo tín hiệu tổng Note : Trên sở tóm tắt đặc tính kỹ thuật kênh thơng tin ta thấy ngay: tín hiệu analog bị ảnh hưởng nhiều tình trạng kênh q trình chuyển tải thơng tin KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY Audio – Video Overview Kramerelectronics Để giảm tới mức thấp ảnh hưởng kênh lên tín hiệu, người ta chuyển tín hiệu âm sang dạng số 2.3 Ưu, nhược điểm công nghệ xử lý âm số a Ưu điểm Nhiễu khơng thể xâm nhập vào tín hiệu Với kỹ thuật analog ta tách nhiễu khỏi tín hiệu bị xâm nhập, mặt khác tỉ số S/N bị thu hẹp Trong kỹ thuật digital, với phương pháp hạn biên (limit) ta hồn tồn tách nhiễu khỏi điện áp vuông góc để tái tạo tín hiệu gốc hồn tồn Nhờ đó, lọc tất can nhiễu hệ thống truyền dẫn Phương pháp xử lí tín hiệu số đạt S/N > 90 dB đạt dải động lớn Ưu điểm cho phép chép nhiều lần thông tin âm từ băng hay đĩa sang băng hay đĩa khác mà không làm giảm chất lượng Trong cơng nghệ analog, q trình in lại băng đĩa làm tăng tạp âm rõ rệt Điều hồn tồn khơng tồn cơng nghệ digital Tóm lại XLTH âm cơng nghệ số có ưu điểm sau: Tỷ số S/N lớn Mở rộng dải động Có khả chép thông tin vô hạn định mà không làm giảm chất lượng Không bị ảnh hưởng dao dộng nhiệt độ điện áp công tác Không bị méo tín hiệu Có khả tái lập thành phần điện áp chiều tín hiệu Đặc tuyến tần số phẳng b Nhưng công nghệ số có nhược điểm sau 1.Tín hiệu dạng liệu số thưòng dễ bị tổn thất Chỉ vài bit liệu dẫn tới lỗi tín hiệu âm Sửa lỗi liệu tốn phần mềm phần cứng KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 10 Audio – Video Overview Kramerelectronics PHẦN III TRUYỀN HÌNH VÀ ĐA TRUYỀN THƠNG I GIỚI THIỆU Kỹ thuật truyền hình bao gồm cơng viêc sản xuất truyền dẫn chương trinh audio video Kỹ thuật số xuất cho phép tín hiệu xử lý thời gian thực chương trình chun xử lý số có giá thành cao Máy tính cá nhân thiết kế nhằm tạo văn bản, độ hoạ, trò chơi, ứng dụng có nhiệm vụ lặp lặp lại khác Sự kết hợp truyền hình máy tính dẫn đến xuất hệ thống sử dụng máy tính lĩnh vực sản xuất chương trình Những nhu cầu đòi hỏi cấu trúc phần cứng phần mềm máy tính phải tăng tính bền vững tốc độ xử lý cao Đa truyền thông bắt đầu việc đưa số liệu audio vào máy tính Các bo mạch audio lắp ráp chíp tổng hợp âm Việc sử dụng bo máy tính, cho phép tạo lưu trữ đĩa khung video đơn từ tín hiệu video động đầy đủ thay việc xử lý dòng quét, việc chèn thêm văn hay cấu trúc khác tư liệu Số hoá tín hiệu audio video tạo thành dịng số liệu dung lượng lớn Q trình xử lý tích hợp số liệu audio video động đầy đủ hình máy tính địi hỏi phải có kỹ thuật nén giải nén, nhằm giảm tốc độ dòng bit theo hệ số nén từ đến 100 Các chip nén dựa thuật toán nén JPEG ( Joint Photographic Experts Group) cho phép phát triển ứng dụng đa truyền thông giới hạn thấp tiêu chuẩn CD-I ( tiêu chuẩn đĩa compact chứa hình tiếng máy TV máy đọc đĩa CD-I) tiêu chuẩn tương tác video số (DVI ) Tiếp theo việc phát triển thuật toán nén theo tiêu chuẩn MPEG, bao gồm chương trình phần mềm, KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 15 Audio – Video Overview Kramerelectronics tạo khả thiết kế bo mạch video audio làm việc thời gian thực với xử lý có tốc độ theo khả máy tính cá nhân Có khu vực cần quan tâm nhà thiết kế hệ thống đa truyền thông bao gồm vấn đề như: + Các trạm làm việc + Các khái niệm mạng + Các phần mềm liên quan II CƠNG NGHỆ ĐA TRUYỀN THƠNG Đa truyền thơng đươc tạo thành từ xuất kỹ thuật như: - Số hố hình ảnh âm thanh: Các hình ảnh audio video tương tự số hố định dạng nhằm truyền dẫn thông tin phục vụ cho mục đích ứng dụng Các card thu nhận tín hiệu audio video chế tạo sử dụng với mức độ tiêu chất lượng khác - Nén số liệu audio – video: Việc giảm số liệu tạo khả lưu trữ xử lý thời gian thực phần cứng Các card nén giải nén tín hiệu audio – video có thị trường đáp ứng nhu cầu ứng dụng khác - Các xử lý thời gian thực tốc độ cao: Chỉ tiêu máy tính cải thiện nhờ cải tiến cấu trúc xử lý việc phát triển xử lý, bus giao diện tốc độ cao - Các hệ thống lưu trữ dung lượng lớn - Dải thông lớn - Cấu trúc tương hợp: Cấu trúc OMFI (Open Media Framework Initíative), định dạng file mở rộng có khả trao đổi thơng tin số bình diện qua ứng dụng III PHẤN CỨNG VÀ HỆ THỐNG ĐA TRUYỀN THÔNG Các trạm làm việc PC (đã thơng dụng, tự tìm hiểu) KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 16 Audio – Video Overview Kramerelectronics Hệ thống xử lý tín hiệu audio video Các tín hiệu audio video thu từ camera,VCR, đòi hỏi kết hợp với card thu giữ video va audio Những card kết hợp với với chuyển đổi ADC tín hiệu gốc tương tự Cũng vậy, việc trạm máy tính địi phân phối chương trình sản xuất đa phương tiện từ hỏi phải có card giao diện cho lưu trữ phân phối mạng Các chuyển đổi DAC yêu cầu sử dụng cho ứng dụng Các tín hiệu audio,video số phải nén nhằm tạo hiệu cho trình xử lý, lưu trữ phân phối Sự phối hợp tiêu chuẩn nén JPEG, MPEG tiêu chuẩn nén khác Lưu trữ đĩa băng Server Cầu trúc Server gồm phần: - Hệ thống gồm nhiều ổ đĩa có khả truy cập số liệu nhanh đồng thời Bộ điều khiển dãy đĩa quản lý việc phân phối giao tiếp liệu với đĩa - Các giao diện giao tiếp liệu nhanh ổ đĩa mạng: Sử dụng CPU tốc độ cao, ghép CPU bus, chuyển mạch định tuyến Các giao diện bao gồm nén giải nén - Phần mềm OS có khả điều khiển việc ghép dịng sồ liệu audio/video số chế độ ghi phát lại đảm bảo viêc truy cập quản lý file cách xác Camera Sử dụng camera số Đầu máy video (VCR) Các VCR sử dụng tín hiệu analog, cần phái số hoá trước đưa vào sử dụng hệ đa truyền thông CD-ROM, VCD, DVD, KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 17 Audio – Video Overview Kramerelectronics IV KẾT NỐI ĐA PHƯƠNG TIỆN Khi kết nối đa truyền thông cần quan tâm đến thông số sau: - Dải thơng: Dải thơng phụ thuộc vào độ phân tích ảnh, tốc độ khung hình nhu cầu chất lượng ảnh - Các thông tin lỗi tự do: Các giao thức truyền số liệu có khả phát sửa lỗi xuất dòng bit - Độ trễ truyền dẫn: Do tương tác ứng dụng đa truyền thông, nên cần quan tâm đến độ trế truyền dẫn - Thao tác thành phần: Đây yêu cầu nhằm đảm bảo truyền số liệu thiết bị đa truyền thông thông qua giao diện mạng khác - Khả phân phối dòng bit video liên tục - Khả chuyển mach từ dịng bit có nén sang dịng bit khác luồng khơng có đường nối liền - Khả phân cấp lớp nén giải nén - Đồng kênh truyền : Tín hiệu audio/video liệu tương ứng phải đồng bên thu - Đồng : Các file liệu hay gói liệu xuất xác liên chu kỳ Do đó, gói liệu hay file liệu tương ứng có độ trễ truyền dẫn riêng - Đẳng thời (isochronous): Các file liệu gói lặp lại cách xác với chu kỳ độ rộng theo thời gian Độ trễ truyền dẫn cố định file liệu Thời gian truyền gói cố định phải sửa lỗi có lỗi đường truyền Một ví dụ tốt cho file liệu đẳng thời truyền dẫn số video số, gói phải truyền liên tục với độ trễ nhằm loại trừ độ trễ liệu video, làm gián đoạn hay chập chờn hình ảnh Do đó, việc truyền số liệu audio video thời gian thực qua mạng đòi hỏi truyền đẳng thời với độ rộng băng tần thời gian trễ đảm bảo Hơn nữa, truyền liệu đẳng thời địi hỏi thơng tin KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 18 Audio – Video Overview Kramerelectronics Header gói liệu, nhằm liên kết với nhiều liệu cực đại hố thơng lượng liệu qua mạng Có kiểu kết nối theo vị trí vật lý hệ thống truyền số liệu là: - Kết nối thiết bị đa truyền thơng phịng Trong trường hợp này, liệu trao đổi thông qua giao diện - Kết nối trạm làm việc đa truyền thông nhà nhà khác nhau, liệu trao đổi thông qua mạng Note: Một số tiêu chuẩn mạng ( Ethernet, FDDI, ATM) phát triển phương thức trao đổi thẻ nhỏ thay cho file liệu số lớn ứng dụng video * Giao diện : Ethernet, ADSL, ISDN, * Phần mềm đa truyền thơng Ví dụ : Quicktime, Windows(hộp công cụ đa truyền thông), phần mềm hoạt hình, V HỆ THỐNG ĐA TRUYỀN THƠNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG Hệ thống đa truyền thông phối hợp toàn cấu trúc thành phần hỗ trợ truyền thơng, âm thanh, hình ảnh, đồ họa, văn bản, tín hiệu video động đầy đủ, hoạt hình; vào ứng dụng đa truyền thơng Các trạm làm việc đa truyền thơng tính tốn xử lý thơi gian thực tiến trình đồng hố thiết bị hỗ trợ truyền thơng, cho phép truyền phân phối tới người sử dụng Hệ thống phân phối quảng bá gồm có vệ tinh, cáp TV, máy phát TV, CD-ROM, đường điện thoại Ngày nay, người tiêu dùng trang bị máy tính cá nhân máy thu hình tận dụng dịch vụ đa truyền thông Trong dịch vụ mới, khả tương thích đa phương tiện phát triển cách nhanh chóng Các dịch vụ đa truyền thơng phát triển cách nhanh chóng nguyên nhân sau: KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 19 Audio – Video Overview Kramerelectronics - Sử dụng chương trình đào tạo video có hiệu văn đồ họa - Các thông tin đĩa CD buồng quảng cáo không đắt hệ thống máy tính - Sự phát triển nhanh chóng mạng Internet, KRAMER SIMPLE CREATIVE TECHNOLOGY 20 ... TECHNOLOGY 16 Audio – Video Overview Kramerelectronics Hệ thống xử lý tín hiệu audio video Các tín hiệu audio video thu từ camera,VCR, đòi hỏi kết hợp với card thu giữ video va audio Những card... tai (đau tai) - Tốc độ dao động âm: v’ = 1 0-7 m/s - Cường độ âm thanh: I = P/S, với P công suất âm 1.3 Sự thụ cảm quan thính giác Sự thụ cảm quan thính giác phụ thuộc vào: - Tần số - Cường độ I... hiệu audio video chế tạo sử dụng với mức độ tiêu chất lượng khác - Nén số liệu audio – video: Việc giảm số liệu tạo khả lưu trữ xử lý thời gian thực phần cứng Các card nén giải nén tín hiệu audio