V. Nén trong ảnh
1. Mã hoá kênh truyền
Đ−ợc sử dụng trong các hệ số vμ truyền dẫn nhằm lμm cho các đặc tính của dữ liệu sau mã hoá nguồn phù hợp với các đặc tính của máy ghi hay kênh truyền, mã kênh truyền sẽ sửa đổi dữ liệu gốc nhằm đạt đ−ợc mật độ bit cao
nhất có thể đ−ợc trong giới hạn đặc tính của dải thông kênh truyền.dòng điện một chiều hay các tần số thấp sẽ đ−ợc chuyển đổi trong quá trình nμy trong truyền dẫn, dữ liệu truyền dẫn phụ thuộc vμo tốc độ chuyển đổi thông tin phải nhỏ hơn dung l−ợng kênh truyền, dẫn đến sự không thích ứng với kênh truyền, dải thông kênh truyền phải đ−ợc cải thiện khi dữ liệu truyền dẫn đạt đ−ợc có đặc tính tốt nhất do đó giải thích cho quá trình mã hoá kênh truyền. Mã hoá kênh truyền lμ lμm cho hình dạng phổ tín hiệu audio số bị méo nhỏ nhất.
Hai tổ chức AES vμ EBU đã đ−ợc đ−a ra các tiêu chuẩn truyền dẫn tín hiệu audio số nh− tiêu chuẩn AES3-1992, ANSIS4-1992, IEC-1958.
2. Đặc điểm của tín hiệu số liệu AES/EBỤ
Đặc tr−ng dao diện của định dạng chuyên dùng AES/EBU
Định dạng :Sự truyền dẫn nối tiếp của hai khung số liệu đ−ợc lấy mẫu vμ mã hoá tuyến tính.
Các thông số phát:
• Tín hiệu cân bằng.
• Các bộ nối XLR (ổ cắm) với chân đực vμ châncáị Chân 1 :Đầu cáp, tín hiệu mát(đất).
Chân 2 chân tín hiệu (không phân biệt) Chân 3 chân tín hiệu (không phân biệt) Trở kháng nguồn: 110 ±20%.
Cân bằng <-30dB (6MHz).
Biên độ tín hiệu ra từ hai đến 7v qat tải lμ 110 ohm. Cân bằng .
Thời gian quá độ lên xuống 5 đến 30 ns. Các thông số thụ
Đầu vμo cân bằng.
Các bộ nối XLR(ổ cắm XLR ) Chân 1 đầu cáp chân mát đất
Chân 2 chân tín hiệu (không phân biệt ) Chân 3 chân tín hiệu (không phân biệt ) Trở kháng vμo: 110 ±20%.
Hệ số thu tin cậy: Quá 7v tại 20 Khz. Mức tín cập cực đại 7v.
3. Các đặc điểm dao diện kênh chuẩn AES/EBỤ
Định dạng kênh ng−ời ta sử dụng đ−ợc dùng trong thiết bị CDS vμ RDATS (CD- Compact RISK vμ RDAT-Rotari Drgital-audio tabe-bằng audio số quay ) với tín hiệu số vμo đầu rạ Nó cũng đ−ợc biết đến trong dao diện số
Định dạng:
• Truyền dẫn nối tiếp của hai kênh số liệu đ−pợc lấy mẩu vμ mã hoá tuyến tính.
Các thông số phát.
• Tín hiệu ra không cân bằng
• Các bộ nối (rắc cắm âm thanh RCA)
• Biến đổi tín hiệu ra:500mv ứng với tải 75v Thông số thu :
• Tín hiệu vμo không cân bằng
• Các bộ nối rắc cắm âm thanh
• Trở kháng vμo 75 om
4. Giải mã và các kênh tín hiệu AES/EBỤ
Bộ giải mã BPM đ−ợc dùng để khôi phục chuổi tín hiệu audio số AES/EBU đã mã hoá BPM thμnh dòng số liệụ Sau đó, các tín hiệu số liệu hai kênh của bộ ghép dọng số liệu đ−ợc tách ra thμnh hai bit số liệu audio song song. Các bit phụ (V, U, C, P) cũng đ−ợc trích từ mỗi khung con để điều chỉnh quá trình sử lý vμ đồng bộ các khung phụ vμ toμn bộ khung
Bộ xen số liệu, khi có sự hiện diện của tạp âm, đ−ợc giới thiệu nh− một bộ biến động tại bên thụ Bộ biến động đ−ợc hiểu lμ có đặc tính dễ thay đổi trong thời gian truyền dẫn của bộ giải mã bít. Bộ lọc đ−ợc sử dụng để loại trừ tạp âm tr−ớc khi xen số liệụ
CK CK CKData Xén số liệu Syne(dong) V.ỤC.D bit
H33. Bộ giải mã và tách kênh dòng bít số liệu audio AES/EBU nối tiếp 5. Đồng bộ audio số.
Các tín hiệu audio số đ−ợc tạo từ các mẫu rời rạc.Nếu ta muốn chèn, trộn hay ghép các tín hiệu audio số từ các nguồn khác nhau, đòi hỏi phải có tín hiệu đồng bộ của mổi mẫu từ nguồn chuẩn.
Tín hiệu audio cần phải đ−ợc bổ xung nhằm tạo ra một tín hiệu audio số đầy đủ, trong đó không còn các sự cố nh− tiếng lách cách hay ồn trong tín hiệụ Sự phức tạp của đồng bộ hoá có thể thay đổi tuỳ theo vấn đề quan tâm lμ đồng bộ giữa các nguồn tín hiệu audio hay giữa các nguồn tín hiệu audio vμ Videọ
6. Đồng bộ giữa các tín hiệu audio số .
Tiêu chuẩn AESII-1991 đã chỉ rõ khả năng đồng bộ hoá cả tần số vμ pha của các thiết bị vận hμnh trong audiọ Các máy phát chuyên dụng phân phối các tín hiệu chuẩn rất ổn định vμ phục vụ cho việc đồng bộ hoá tần số tạo điều kiện cho ch−ơng trình audio lớn. Trong tr−ờng hợp nμy thiết bị sản xuất các thiết bị con, còn các máy phát chuẩn lμ máy chủ. Trong các audio nhỏ, có thể dùng tín hiệu ra của bộ thiết bị khác thông qua bộ khuếch đại phân phối tín hiệu số. Tiêu chuẩn AESII chỉ rõ các mẫu tín hiệu audio số phải cùng pha với tín hiệu chuẩn, Độ lệch pha cho phép của khung audio tại đầu phát lμ ±5% vμ tại đầu thu ±25%.
Chuyển đổi Lọc Giải mã đánh dấu l−ợng Chuyển đổinối tiếp – song song vμ tách kêng Bộ đệm kênh 1 Bộ đệm kênh 2 Khôi phuc xung clock
Hai tín hiệu của ádio số có tần số lấy mẫu khác nhau hoậc không thể đồng bộ cùng nhau thì các bộ chuyển đổi tốc độ lấy mẫu vμ đồng bộ đ−ợc sử dụng. Quá trình đồng bộ thực hiện đ−ợc khi tốc độ của hai dòng số liệu đ−ợc kiểm soát vμ có mối quan hệ với nhau độ phức tạp vμ chi phí của thiết bị cao hơn khi quá trình đồng bộ không đ−ợc thực hiện. Vì các mẫu tín hiệu ở đầu phát vμ đầu thu không có mối liên hệ nμọ
7. Đồng bộ giữa tín hiệu audio số và tín hiệu videọ
Trong truyền hình tín hiệu âm thanh số chuẩn cần phải đ−ợc đồng bộ với tín hiệu video chuẩn nhằm ngăn chặn hiện t−ợng trễ giữa tín hiệu audio vμ tín hiệu video, vμ cho phép chuyển mạch giữa tín hiệu audio vμ tín hiệu video không có tiếng lách tách.
Trong hệ thống 625/50, số l−ợng các mẫu audio trên một khung video đ−ợc quy định chính xác (1920 mẫu audio với tần số lâý mẫu 48KHz). Mối quan hệ về pha giữa tín hiệu audio vμ tín hiệu video đ−ợc duy trì một cách rễ dμng. Tín hiệu âm thanh tiêu chuẩn audio AES 3 có thể giữ đồng bộ với tín hiệu video bởi vì tín hiệu chuẩn 48 KHz nhận đ−ợc từ tín hiệu video chuẩn trong hệ thống 625 dòng.
7.1 Ghi audio số.
Định dạng băng audio số DAT (digital audio tape) đầu tiên đ−ợc phát truyển cho máy ghi âm dân dụng (đầu từ quay nên còn gọ lμ R-DAT, Rotary digital audio tape). Tuy nhiên DAT có chất l−ợng cao, nên đ−ợc dùng cho mục đích chuyên dụng.
Các tín hiệu vμo t−ơng tự đ−ợc số hoá, mã hoá kênh (điều chế 8-10) tr−ớc khi ghi âm trên băng kim loại 3,81mm. Định dạng R-DAT gồm 4 mode ghi/phát, lấy mẫu 48KHz, vμ 2 mode phát lại tốc độ lấy mẫu 44,1KHz.
• Các đặc tr−ng của R-DAT Đặc tr−ng chung:
• Số kênh audio:2
• Thơi gian ghi:2h (4h, 32KHz, mode2).
• Đầu từ không tiếp đất, đầu ghi trùng với đầu phát.
• Thời gian dò mμnh :200 lần so với bình th−ờng
• Kích th−ớc Casselte:73x54x10,5mm. Đặc tr−ng điện:
• Đáp ứng tần số:phẳng 10Hzữ22KHz (fS=48KHz)
• Tần số lấy mẫu • 32KHz • 44,12Khz • 48KHz (chất l−ợng cao) Lấy mẫu: • 16 bit tuyến tính, 48vμ44,1Khz
• 12 bit phi tuyến,32 KHz(mode)
• Méo:<0,005% Đặc tr−ng cơ: • 30mm trống đầu từ,900 • Trống:2000r/min(1000r/min*32Khz mone2) • Tốc độ bằng:8,15monls (4,075mm/s*32KHz,mode2) • Độ rộng rãnh: 13,591mm • Độ rộng băng: 3,81mm • Độ dầy băng: 13mm .Cơ sở về nén audiọ
7.2. Khái niệm kỹ thuật nén số liệu audiọ
Ngμy nay, trong các hệ thống truỳên hình đã đ−ợc sữ dụng các hệ thống âm
thanh đa kênh tới tận hộ gia đình. Khi dung l−ợng l−u trữ vμ độ rộng kênh truyền số liệu đ−ợc quan tâm đúng mức, tốc độ dòng số liệu của các tín hiệu âm thanh nμy sẽ có đủ độ lớn để giữ đ−ợc mức âm thanh trung thực. Ví dụ với 16 bit mã hoá tín hiệu audio lấy mẫu tại tần số lấy mẫu 48KHz tạo ra dòng số liệu có tốc độ 1,54 Mbit/s. Nh− vậy, tốc độ dòng số liệu trong hệ thống âm thanh đa kênh đạt đ−ợc tổng cộng lμ 4,5Mbit/s. Tuy nhiên thời gian l−u trữ vμ giá thμnh thiết bị rất caọ Vậy để giảm giá thμnh vμ tốc độ l−u trữ lμ ta phaie nén dòng số liệu audio số. Hệ thống nén tín hiệu âm thanh lμ loại bỏ đi những thμnh phần thông tin d− thừa trong các tins hiệu audiọ Tín hiệu audio đã đ−ợc nén đ−ợc tổ hợp trong máy tính tạo cho các ứng dụng đa truyền thông nh− phân phối ch−ơng trình trên đĩa Cd- ROMS vμ qua mạng. Vμ nó cũng có thể đem sử dụng trong truyền hình quảng bá qua vệ tinh(DSB)
7.3. Kỹ thuật nén số liệu audiọ
Kỹ thuật mã hoá nguồn đ−ợc dùng để loại bỏ độ d− thừa của tín hiệu audio vμ
nhận dạng vμ loại bỏ nội dung không thích hợp (các maaux không phải lμ audio). Có hai kỹ thuật nén dữ liệu chính sau đâỵ
7.3.1. Nén không tổn haọ
Nén không tổn hao cho phép khôi phục thông tin dữ liệu gốc sau bộ giải nén mμ không gây ra tổn hao (ng−ợc lại với nén ). Nó loại bỏ độ d− thừa thống kê tồn tại trong tín hiệu audio bằng các giá trị dự báo từ các mẫu tr−ớc. Có thể đạt tỷ lệ nén thấy (tốt nhất lμ2:1)vμ phụ thuộc vμo độ phức tạp của tín hiệu audio gốc.
Nhờ mã hoá dự báo miền thời gian mμ ta có thể nén không tổn haọ
• Thuật toán vsai: Tín hiệu audio có chứa các âm lặp lại cũng nh− số l−ợng lớn độ d− thừa vμ các âm thanh không thích hợp. Dữ liệu lặp lại đ−ợc loại bỏ trong quá trình mã hoá vμ đ−ợc khôi phục lại tại phần giải mã. Kỹ thuật DPCM (điều xung mã visai) cũng đ−ợc sử dụng trong tín hiệu audiọ Tín hiệu audio đ−ợc tách ra thμnh một số các băng tần con có chứa một số âm rời rạc. Sau đó mã hoá bằng DPCM vμ bộ dự báo thích hợp cho các tín hiệu có chu kỳ ngắn. Loại mã hoá thích nghi nμy thực hiện trên cơ sở quan sát năng l−ợng tín hiệu đầu vμo nhằm sữa chữa kích cỡ b−ớc l−ợng tử phù hợp. B−ớc nμy đ−ợc gọi lμ thích nghi DPCM(ADPCM).
• Bộ mã hoá entropy tách độ d− thừa bằng cách biểu diễn các hệ số l−ợng tử hoá của băng tần con nhằm nâng cao hiệu quả mã hoá. Các hệ số nμy đ−ợc truyền theo bậc tăng tần số, tạo các giá trị lớn tại các tần số thấp vμ b−ớc chạy dμi của các giá trị nhỏ hoặc gần bằng 0 cho các tần số caọ
• Các thông số quá tải khối dữ liệu: Các giá trị nhị phân từ quá trình biến đổi(số sang t−ơng tự)Adc, đ−ợc nhóm thμnh các khối dữ liệu cả trong miền thời gian lẫn trong miền tần số.
7.3.2. Nén tín hiệu số có tổn haọ
Nén có tổn hao nhờ kết hợp hai hay nhiều kỹ thuật sử lý để sử dụng đặc điểm các HAS lμ tách các thμnh phần phổ có biên độ nhỏ giữa các thμnh phần phổ có biên độ lớn. Ph−ơng pháp giảm số liệu xử lý cao có hệ số nén từ 2:1 đến 20:1 nó phụ thuộc vμo quá trình nén vμ giải nén, vμ về yêu cầu chất l−ợng audiọ
Hệ thống nén số liệu có tổn hao sử dụng kỹ thuật mã hoá thụ cảm, nguyên lý của nó lμ loại bỏ độ d− thừa trong tín hiệu audio bằng cách bỏ đi những tín hiệu
hằm d−ới đồ thị ng−ỡng âm. Do đó ng−ời ta gọi các hệ thống nén số liệu có tổn hao lμ mất các thμnh phần âm.
Nén có tổn hao kết hợp nhiều kỹ thuật
*.Kỹ thuật “mákinh-che” che phủ miền thời gian vμ tần số các thμnh phần tín hiệu
*.Che phủ nhiễu l−ợng tử cho mổi âm audio bằng cách xắp xếp đủ các bit để lμm cho mức nhiễu l−ợng tử luôn d−ới đồ thị che mặt nạ. Tại các tần số gần tín hiệu audio, tỉ số SNR=20ữ30 db (độ phân giải 4ữ5 bit)
*. Mã hoá nối (Joint Coding). Kỹ thuật nμy tách độ d− thừa trong hệ thống đa kênh audio (một số đáng kể dữ liệu giống nhau tồn tại trong tất cả các kênh). Do đó, giảm dữ liệu đ−ợc thực hiện nhờ mã hoá các dữ liệu giống nhauvμ chỉ thị cho bộ giải mã lặp lại
8.Nén tín hiệu audio theo chuẩn MPEG
Hiện nay trên thế giới tồn tại nhiều hệ âm thanh dùng trong truyền hình nh− hệ MICAM số, hệ MUSICAM số, A-2 (Two audio) t−ơng tự hệ AC-3 (audio coding 3) số con nén.
8.1 Tiêu chuẩn nén MPEG-1 (ISO/LEC 11172)
Tiêu chuẩn nén MPEG-1 đ−ợc phát truyền vμ dùng cho “má hoá ảnh động vμ tín hiệu audio kèm theo cho l−u trữ với tốc độ khoảng 1,5M bit/s” chuẩn MPEG-1 dựa vμo nguyên lý nén tín hiệu audio của tiêu chuẩn MPEG
Chuẩn MPEG sử dụng tần số lấy mẫu của CD-DA (Com pact Disc Digital Audio) vμ DAT (Digital audio tape). Bên cạnh các tần số lấy mẫu nμyMPEG còn sử dụng các tần số :44,1 KHz, 32KHz để lấy mẫu vμ tất cả đều sử dụng 16 bits. Đối với số liệu audio trên đĩa Compact thì cả hai kênh đầu có tần số lấy mẫu lμ 44,1 KHz với 16bits/mẫu, khi đó tốc độ số liệu audio lμ 1,4Mbit/S. Do vạy chúng cần phải đ−ợc nén lạị
H34. Sơ đồ cấu trúc của bộ mã hoáMPEG tín hiệu audio
Dữ liệu phụ
H35. Sơ đồ cấu trúc của bộ mã hoáMPEG tín hiệu audio
8.2 Thuật toán nén tín hiệu audio MPEG bao gồm các b−ớc sau:
8.2.1. Audio đ−ợc chuyển về miền tần số, vμ toμn bộ dải phổ của nó đ−ợc chia thμnh 32 băng con thông qua bộ lọc băng con.
*.Lọc băng con:Phổ tín hiệu đ−ợc chia thμng các băng con có độ rộng dải thông bằng nhau, thμnh các băng tới hạn có thể thay đổi, nó tăng tới vμi KHz khi tần số trên 10Khz, tần số d−ới 500Hz độ rộng băng lμ 100Hz, một băng con có tới vμi băng tới hạn.
C h u y ể n đ ổ i t ừ m i ề n t h ờ i g i a n s a n g m i ề n t ầ n s ố M ã h o á k h ớ p n ố i B í t c h ỉ đ ị n h l−ợ n g t ử h o á m ã h o á T ạ o k h u n g b ộ n h ớ s ố l i ệ u D ò n g b í t m ã h o á M ô h ì n t â m s i n h l ý n h g e C á c m ã a u d i o P C M 3 2 / 4 4 1 / 4 8 K h z S ố l i ệ u p h ụ Khung không đóng gói Tái tạo khôi phục Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời
gian Dòng bít mã hoá C á c m ã a u d i o P C M 3 2 / 4 4 1 / 4 8 K h z
Bộ lọc băng con có một pgần gối lên nhau vμ th−ờng sử dụng cho các mẫu kề nhau trong miền thời giạ VD trong mức II của chuẩn MPEG một khung audio có 1152 mẫu gốc đ−ợc chia thμng 32 băng con có độ rộng bằng nhau (750Hz* tần số lấy mẫu 48KHz) mỗi băng con có 36 mẫụ
Sau đó mỗi tín hiệu băng con đ−ợc l−ơng tử hoá đều có các bít chỉ định đặc tr−ng đẻ bảo vệ băng con bằng tỷ số tích cực masking trên tạp âm (MNR). Tỷ số có tích cực khi đ−ờng cong các mức chặn ở trên mức tạp âm.
*. Băng chuyển đổi:Thuật toán sửa đổi DCT(MDCT) đ−ợc sử dụng để biến đổi tín hiệu:audio từ miền thời gian sang miền tần số thμnh một số l−ợng lớn các bít con, giống nh− bộ lọc băng con chuyển đổi các băng con cũng nằm kề nhaụ
Lọc băng ghép: Đây lμ sự kết hợp giữa bộ lọc băng con vμ bộ lọc băng chuyển đổị Tín hiệu đ−ợc chia thμnh 32 băng con do bộ lọc bâ−ng, sau đó thuật toán sửa đổi MDCT đ−ợc áp dụng cho 18 mẫu trong từng băng con tạo ra tổng cộng 576 băng con đạt đ−ợc độ phân tích thời gian lμ 3,8ms
Đặc tính quan trọng của bộ lọc băng lμ độ phân tích có tính thoả hiệp. Một bộ lọc băng có độ phân tích thấp sẽ cho số l−ợng nhỏ các băng con vμ thμnh phần âm của phổ tín hiệu audio nằm trong băng con. Khi kỹ thuật mức ng−ỡng masking giảm đi thì cần rất nhiều bit cho l−ợng tử hoá tín hiệu của mổi băng con, số l−ợng các băng con giẩm đi trong bộ lọc dẫn đến độ phức tạp của bộ mã hoá vμ giải mã giãm đi trong khi đạt đ−ợc độ phân tích trong khoảng thời gian ngắn.
Một bộ lọc băng có độ phân tích cao cho ra một l−ợng lớn các băng tần con vμ