Chuẩn MPEG cho phép ta chọn lựa các thông số cho việc nén âm thanh tốt nhất phù hợp với ứng dụng mà ta sử dụng. Lược đồ mã hóa cho các loại là tổng quát. Các thông số có thể chọn lựa trong bộ mã hóa MPEG bao gồm: Mode, Sampling frequency, bitrate, và Layer.
a. Mode.
Chuẩn MPEG có 4 chế độ: • Mono.
• Dual channel. • Stereo.
• Intensity Stereo (còn gọi là Joint Stereo).
Chế độ Mono rõ ràng được dùng cho âm thanh 1 kênh.
Để chọn chế độ cho các ứng dụng 2 kênh, đầu tiên ta phải xác định đâu là tín hiệu trái và đâu là tín hiệu phải để chia chúng ra thành 2 files
khác nhau, nhằm sau này ta có thể làm việc độc lập trên kênh trái hoặc phải. Lúc đó ta sẽ chọn chế độ Mono. Nếu 2 kênh không cần hoạt động độc lập, ta chọn Stereo, Dual hay Intensity Stereo để tạo một file duy nhất.
Chế độ Stereo hay kênh Dual là hoàn toàn đồng nhất khi chúng cùng sinh ra một file duy nhất cho tín hiệu stereo. Tuy nhiên một bit chỉ thị sẽ nhận dạng xem một file là ở chế độ nào và có thể được dùng cho những áp dụng nào...
Chế độ Intensity Stereo xem xét sự dư thừa giữa các kênh trái và phải nhằm tối ưu mã. Chất lượng chủ quan của Intensity Stereo thay đổi theo hình ảnh stereo của tín hiệu đã mã hóa. Tuy nhiên nó đặc biệt thích hợp cho tốc độ truyền bit thấp.
b. Sampling Frequency (tốc độ lấy mẫu). Một số tốc độ lấy mẫu:
32kHz, 44.1kHzvà 48kHz đối với MPEG1 (Tiêu chuẩn ISO/IEC 11172- 3).
16kHz, 22.05kHzvà24kHz đối với MPEG2 (Tiêu chuẩn ISO/IEC13818-3). Khi chọn lựa tốc độ lấy mẫu cần xem xét các vấn đề:
• Tần số lấy mẫu càng lớn thì chất lượng âm thanh càng cao(độ dài frame nhỏ hơn).
• Băng thông tín hiệu giới hạn ở mức 15 kHz khi lấy mẫu ở tốc độ 32 kHz và 8 kHz ở tốc độ 16 kHz.
• Tần số lấy mẫu (kHz) và tốc độ của âm thanh mã hóa (kbps) có thể chọn độc lập.
• Tần số lấy mẫu 44.1 kHz hay 22.05 kHz là không thiết thực cho việc chọn lọc vì độ dài frame (byte) là thay đổi.
• Những file được lấy mẫu ở những tần số khác nhau thì rất khó khăn khi hòa trộn.
• Khi dùng đường nhập số AES/EBU, tần số lấy mẫu bị cố định bởi tín hiệu nhập.
Nếu không bắt buộc, Digigram yêu cầu lấy mẫu ở 48 kHz hoặc 44.1 kHz cho phát thanh hay ứng dụng multimedia. Nếu ta phải sử dụng tốc độ bit thấp cho sự truyền có hiệu qủa, tốc độ 24 kHz là thích hợp.
c. Bit Rate.
Mỗi Layer và chế độ có nhiều cách chọn lựa tốc độ bit (bit rate). Việc chọn tốc độ bit tùy thuộc trước tiên vào chất lượng âm yêu cầu. Băng thông tín hiệu là hẹp hơn nếu tốc độ bit thấp, khiến cho nó không thực tế đối với một số ứng dụng. Tốc độ bit được đo theo kilobits/sec(kbps). Khi chọn lựa tốc độ bit cần xem xét các vấn đề:
• Tại 128 kbps trên mỗi kênh (hay 256 kbps stereo), chất lượng âm thanh CD sẽ đạt được với Layer I hay Layer II.
• Tại 192 kbps trên mỗi kênh, chất lượng âm thanh là hoàn toàn trong suốt.
Tốc độ 128 kbps/kênh được dùng phổ biến nhất trong phát thanh. Nó tương ứng với tỉ số nén 1:6 ở tốc độ lấy mẫu 48 kHz. Tốc độ thấp hơn 128 kbps/kênh được dùng trong các ứng dụng yêu cầu tỉ số nén lớn hơn do giới hạn của băng thông truyền hay thiết bị lưu trữ.
Một số tốc độ bit cung cấp bởi chuẩn âm thanh MPEG : • MPEG 1: 32 kHz, 44.1 kHz và 48 kHz
- Layer I :
32, 64, 96, 128, 160, 192, 224, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448 kbps. Những tốc độ này là có thể ở chế độ Mono hay stereo..
- Layer II :
32, 48, 56, 80 kbps chỉ có thể ở chế độ Mono; •64, 96, 112, 128, 160, 192 kbps có thể ở cả hai chế độ Mono và Stereo;•224, 256, 320, 384 kbps chỉ có thể ở chế độ Stereo.
• MPEG 2 : 16 kHz, 22.05 kHz và 24 kHz - Layer I :
32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 224, 256 kbps Những tốc độ này là có thể ở chế độ Mono hay stereo..
- Layer II :
8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160 kbps. Những tốc độ này là có thể ở chế độ Mono hay stereo. d. Layers.
Chuẩn MPEG có ba layer.
Khi chọn lựa tốc độ bit cần xem xét các vấn đề:
• Ở cùng tốc độ bit, Layer II mang lại chất lượng âm thanh tốt hơn Layer I. Kết luận này là chủ quan, vì sự chênh lệch là rất khó phân biệt ở tốc độ bit 128 kbps và lớn hơn.
• Dùng Layer I thì việc chọn lọc chính xác hơn Layer II bởi vì độ phân giải của Layer I gấp ba lần Layer II.
Resolution Table Sampling
frequency Layer I(384 samples) Layer II(1152 samples)
32 kHz 12 ms 36 ms
44.1 kHz # 8.71 ms # 26.12 ms
48 kHz 8 ms 24 ms
16 kHz 24 ms 72 ms
22.05 kHz # 17.42 ms # 52.24 ms
24 kHz 16 ms 48 ms
Các điểm kỹ thuật mấu chốt.
Chuẩn mã hóa âm thanh MPEG chỉ định việc ghi một số cố định các mẫu (384 cho Layer I và 1152 cho Layer II) để tạo ra một chuỗi các bytes gọi là “frame”. “Frame” là thực thể nhỏ nhất được điều khiển bởi một ứng dụng. Việc chọn tốc độ bit(kbps) thiết lập nên kích thước của frame đó theo byte.
Ví dụ:
Ở 48 kHz, 128 kbps, chế độ Mono, Layer II:
• 48,000 mẫu, tương ứng 1000 ms hay 1s, 1152 mẫu tương ứng 24 ms. • Ở tốc độ bit 128,000 bits/s, 3072 bits (384 bytes) cần cho 24 ms. • Chiều dài frame vì thế là 384 byte.
CHƯƠNG 5. CÁC GIẢI THUẬT NÉN ÂM THANH.
I. NỀN TẢNG LÝ THUYẾT THÔNG TIN.
Theo Shannon, entropy của một nguồn thông tin S được định nghĩa: H(S) = η = Σipilog2(1/pi)
Trong đó: - pi là xác suất mà ký hiệu Si xuất hiện trong S.
- log2(1/pi) chỉ ra số lượng thông tin chứa đựng trong Si, nghĩa là số bit cần thiết để mã hóa Si.
• Ví dụ: một hình ảnh được tô đều với cùng một cường độ màu xám, tức là pi=1/256, thì số bit cần thiết để mã hóa cho mỗi mức xám là 8 bits. Entropy của hình này là 8.
Giải thuật Shannon - Fano:
Ta dùng một ví dụ đơn giản để mô tả giải thuật:
Ký hiệu A B C D E
---
Số lần 15 7 6 6 5
Mã hóa cho giải thuật Shannon - Fano: Dùng cách tiếp cận từ trên xuống.
• Sắp thứ tự các ký hiệu theo tần số xuất hiện của nó, nghĩa là: ABCDE. • Chia thành hai phần, mỗi phần tương đương với cùng số lần đếm.
Hình 5.1
Ký hiệu Số lần log(1/p) Mã Cộng(số bit) --- --- --- --- --- A 15 1.38 00 30 B 7 2.48 01 14 C 6 2.70 10 12 D 6 2.70 110 18 E 5 2.96 111 15 Tổng cộng(số bit) : 89 II. CÁC GIẢI THUẬT NÉN KHÔNG CÓ TỔN THẤT. 1. Mã hóa Huffman.
• Khởi tạo: đưa tất cả các node vào danh sách OPEN theo thứ tự tại mọi thời điểm. Ví dụ: ABCDE.
• Lặp lại cho đến khi danh sách OPEN chỉ còn một node bên trái như sau: - Từ danh sách OPEN, chọn hai node có xác suất thấp nhất, tạo node cha cho chúng.
- Gán tổng các xác suất cho node cha và đưa node cha vào danh sách OPEN.
- Gán các mã 0, 1 vào các nhánh của cây, xóa các node con khỏi danh sách OPEN.
Hình 5.2
Ký hiệu Số lần log(1/p) Mã Cộng(số bit) --- --- --- --- --- A 15 1.38 0 30 B 7 2.48 100 14 C 6 2.70 101 12 D 6 2.70 110 18 E 5 2.96 111 15 Tổng cộng (số bit) : 87
• Việc giải mã cho cả hai giải thuật trên là tầm thường chừng nào mà bảng mã (thống kê) được gửi trước dữ liệu. Có một bit bên trên công việc truyền này, nhưng không đáng kể nếu file dữ liệu lớn.
• Tính chất tiền tố duy nhất: không có mã nào là tiền tố cho một mã khác (tất cả các ký hiệu đều là node lá) → rõ ràng là lớn đối với bộ giải mã. • Nếu việc thống kê có thể tiến hành được trước đó và với độ chính xác
cao, thì mã Huffman là rất tốt.
Trong ví dụ trên:Entropy=(15x1.38+7x2.48+ 6x2.7 + 6x2.7 + 5x2.96)/39 = 85.26 / 39 = 2.19.
Số bit cần thiết cho mã hóa Huffman là : 87 / 39 = 2.23 2. Mã Huffman sửa đổi.
(a) Các giải thuật trên đây yêu cầu kiến thức về thống kê là điều mà khó có thể thực hiện (ví dụ âm thanh, hình ảnh sống..).
(b) Ngay cả khi nếu điều đó là có thể làm được thì chi phí cho nó khá nặng, đặc biệt khi có nhiều bảng phải được truyền mà mô hình non-order() được sử dụng, nghĩa là việc đưa vào tính toán sự ảnh hưởng của các ký hiệu trước đó với xác suất của ký hiệu hiện hành (ví dụ: “qu” thường đi với nhau,..).
Giải pháp đưa ra là dùng giải thuật sửa đổi cho thích hợp. Như ví dụ, việc mã hóa Huffman sửa đổi được khảo sát sau đây với ý tưởng là làm thế nào có thể áp dụng vào các giải thuật nén thích hợp khác.
Bộ mã hóa
Initialize_model();
while ((c = getc (input)) != eof) { encode(c, output); update_model(c); } Bộ giải mã Initialize_model();
while ((c = decode (input)) != eof) {
putc(c, output); update_model(c); }
• Mấu chốt ở đây là cả hai bộ mã hóa và giải mã đều dùng cùng các hàm Initialize_model và update_model .
• Hàm update_model có hai lưu ý: (a) Tăng biến đếm.
(b) Cập nhật cây Huffman.
- Trong suốt qúa trình cập nhật, cây Huffman sẽ được duy trì tính kế thừa, các nodes (node trong và lá) được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của trọng lượng .
- Khi cần thiết trao đổi (swapping), node xa nhất với trọng lượng W được trao đổi với node mà trọng lượng của nó tăng lên 1 đơn vị W+1. Lưu ý: nếu node trọng lượng W có cây con bên dưới nó thì cây con đó cũng phải dời cùng với nó.
Cây Huffman có thể nhìn rất khác so với trước khi trao đổi, ví dụ trong cây thứ 3 , node A được trao đổi và trở thành node 5. Bây giờ nó được mã hóa chi bằng 2 bit.
3. Mã hóa số học.
Mã hóa Huffman sử dụng một số nguyên k các bit cho mỗi ký hiệu, vì thế k không bao giờ nhỏ hơn 1. Đôi khi, ví dụ phải truyền một hình ảnh 1 bit, thì không thể nén được.
Ý tưởng: giả sử mẫu tự là [X,Y] và P(X) = 2/3 P(Y) = 1/3.
• Nếu ta chỉ quan tâm với chiều dài mã hóa là 2 thông điệp, thì ta có thể ánh xạ tất cả thông điệp có thể có vào những đoạn trong phạm vi [0..1]
X Y
XX XY YX YY
• Để mã hóa thông điệp, chỉ dùng vừa đủ số bit cần thiết cho mỗi đoạn. • Tương tự, ta có thể ánh xạ tất cả chiều dài 3 thông điệp vào các đoạn
trong [0..1].
Ví dụ: Đoạn đầu tiên là 8/27, cần 2 bit→ 2/3 bit cho mỗi ký tự. Đoạn cuối là 1/27, cần 5 bit.
• Tóm lại, cần -[logp] bit để biểu diễn cho đoạn có kích thước p. • Vấn đề đặt ra là làm thế nào để xác định được xác suất?
Ý tưởng đơn giản là dùng mô phỏng: bắt đầu bằng việc đoán tần số của một ký hiệu. Cập nhật tần số cho mỗi ký hiệu mới.
4. Giải thuật Lempel-Ziv-Welch(LZW).
Giả sử chúng ta muốn mã hóa cho một cuốn tự điển Tiếng Anh 159,000 từ. Như vậy mỗi từ cần 18 bit để mã hóa.
Nhược: - Dùng qúa nhiều bit.
- Chỉ làm việc cho ký tự tiếng Anh.
Giải pháp: - Cần phải tìm một cách mã hóa cuốn từ điển cho thích hợp.
- Các phương pháp ban đầu được đề xuất bởi Ziv và Lempel vào năm 1978 và 1979. Terry Welch phát triển lược đồ vào năm 1981 và trở thành giải thuật LZW.
Giải thuật: w = NIL;
while (read a character k) {
if wk exists in the dictionary w = wk;
else
add wk to the dictionary; output the code for w; w = k;
}
LZW nguyên gốc sử dụng từ điển với 4K mục từ, 256 từ đầu tiên là mã ASCII.
Ví dụ: chuỗi ký tự là “^WED^WE^WEE^WEB^WET”. w k output index symbol --- NIL ^ ^ W ^ 256 ^W W E W 257 WE E D E 258 ED D ^ D 259 D^ ^ W ^W E 256 260 ^WE E ^ E 261 E^ ^ W ^W E ^WE E 260 262 ^WEE E ^ E^ W 261 263 E^W W E WE B 257 264 WEB B ^ B 265 B^ ^ W ^W E ^WE T 260 266 ^WET T EOF T
19 ký hiệu nhập được giảm xuống 7 ký tự và 5 mã. Mỗi mã/ký hiệu sẽ cần nhiều hơn 8 bit, ta lấy 9 bit.
Thông thường, công việc nén chỉ được bắt đầu khi có một số lớn byte được đọc vào (ví dụ >100).
Giải thuật giải nén LZW: read a character k; output k;
w = k;
while ( read a character k ) /* k could be a character or a code. */ {
entry = dictionary entry for k; output entry;
add w + entry[0] to dictionary; w = entry;
III. CÁC GIẢI THUẬT NÉN CÓ TỔN THẤT. 1. Các phương pháp nén âm thanh đơn giản: 1. Các phương pháp nén âm thanh đơn giản:
• Các phương pháp nén khảo sát ở trên không hiệu quả trong việc nén âm thanh.
• Sau đây là các phương pháp nén có tổn thất:
- Nén “silence” : dò các khoảng “yên lặng”, giống như mã hoá run- length.
- LPC (Linear Predictive Coding).
- CELP (Code Excited Linear Predictor). 2. Nén âm thanh dùng mô hình ââm - tâm lý.
a. Hệ thống nghe và phát âm của con người.
• Phạm vi nghe được từ 20 Hz đến 20 kHz, nhạy cảm ở 2 - 5kHz. • Phạm vi phát âm bình thường từ 500 Hz đến 2 kHz.
b. Che tần số (Frequency masking)
“Ngưỡng che” (Threshold masking): sinh ra từ hiệu ứng che, mỗi âm với một tần số và mức to (dB) xác định sẽ có một “ngưỡng che” (xem hình 4.3 và 4.4)
c. Băng giới hạn.
• Thước đo tần số đồng bộ không tương xứng với độ rộng của đường cong che.
• Băng giới hạn có độ rộng là 100Hz đối với các tần số che < 500Hz, và càng tăng lên đối với các tần số >500Hz.
• Định nghĩa một đơn vị mới cho tần số là bark ( Barkhausen) 1 Bark = bề rộng của băng giới hạn:
- Tần số <500Hz : 1 bark = freq/100.
- Tần số >500Hz : 1 bark = 9 + 4log(freq/1000). • Ngưỡng che trên thước đo băng giới hạn:
Hình 5.3
d. Che nhất thời (Temporal masking): che theo thời gian. Tai người cũng có đặc tính lưu âm.
Nếu có một âm thanh lớn, rồi ngưng nó lại, mãi một lúc sau ta mới có thể nghe được một âm lân cận nhỏ hơn (xem hình 4.5 và 4.6).
3. Nén âm thanh MPEG. Vài thông số:
• MPEG-1 : 1.5Mbits/s cho âm thanh và hình ảnh.
Khoảng 1.2 Mbits cho hình ảnh và 0.3Mbits/s cho âm thanh. Aâm thanh CD không nén dùng: (44,100 mẫu/s * 16bit/mẫu * 2 kênh) > 1.4