MULTIMEDIA MULTIMEDIA MULTIMEDIA Lecturer: Nguyen Duy Nhat Vien July, 2006. N N Ộ Ộ I DUNG I DUNG • TỔNG QUAN • KỸ THUẬT AUDIO • KỸ THUẬT VIDEO K K ỹ ỹ thu thu ậ ậ t Audio t Audio N N ộ ộ i dung i dung • GIỚI THIỆU • MÃ HOÁ AUDIO CẢM QUAN • PHÂN TÍCH TÂM LÝ ÂM HỌC • KỸ THUẬT NÉN AUDIO • MPEG-1 • MPEG-2 • AC-3 (DOLBY DIGITAL) • APT-X100 • MÃ HOÁ ÂM THANH NỔI Gi Gi ớ ớ i thi i thi ệ ệ u u • Âm thanh: • Dạng lan truyền của sóng trong không gian, • Sóng âm khi ñến tai người nghe, ñập vào màng nhĩ, làm cho người ñó cảm nhận ñược sự rung ñộng này • Con người có khả năng phân biệt với các âm thanh khác dựa vào một số ñặc tính như tần số, nhịp ñiệu, mức áp lực • Mục ñích của các hệ thống audio: • Xử lý, tạo hiệu ứng, nén tín hiệu audio từ tín hiệu thu nhận từ nguồn. • Audio số: • Chuỗi các giá trị số ñược biểu diễn bằng mức âm thanh theo thời gian. Ứ Ứ ng d ng d ụ ụ ng ng • Các hệ thống thông tin không dây: – Truyền hình phân giải cao (HighDensity TV HDTV), Âm thanh quảng bá số (Digital Broadcast Audio DBA), Vệ tinh quảng bá trực tiếp (Digital Broadcast Satelite DBS). • Các môi trường mạng: – Âm thanh theo yêu cầu (chuyển mạch gói, Internet), Truyền hình cáp (CATV) các tuyến studio. • Các ứng dụng ña môi trường: – CD-R, ðĩa ña năng số (DVD). • Cinema: – Dolby AC-3 (5 kênh, @384kbps), APT-x100. • Lưu trữ khối: – MiniDisc, DCC. Audio s Audio s ố ố • Hệ thống audio tương tự và số • Hệ thống audio tương tự, việc xử lý tín hiệu gặp phải một số vấn ñề như khả năng của linh kiện (về mặt tần số), lưu trữ, phức tạp từ ñó méo phi tuyến cao, SNR bé. • Hệ thống audio số, việc thu nhận, hiệu chỉnh, xử lý và phát lại trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Các kỹ thuật tổng hợp và nhận dạng phát triển một cách nhanh chóng, tương thích máy tính và con người trở nên phong phú hơn. • Ưu ñiểm của audio số là: ðộ méo tín hiệu nhỏ (0,01%), Dải ñộng âm thanh lớn gần mức tự nhiên (>90dB), Dải tần rộng hơn (20Hz ñến 20kHz), ðáp tuyến tần số bằng phẳng, Cho phép ghi âm nhiều lần mà không giảm chất lượng, Thuận tiện lưu trữ, xử lý, Tăng dung lượng kênh truyền, Khả năng xử lý bằng hệ phi tuyến Qu Qu á á tr tr ì ì nh thu nh nh thu nh ậ ậ n audio s n audio s ố ố Hình 2-1 Quá trình thu nhận âm thanh số Tín hiệu vào tương tự L Tín hiệu vào tương tự R Khuếch ñại tuyến tính Tạo Dither Lấy và giữ mấu Lọc thông thấp Mã hóa Khuếch ñại tuyến tính Lấy và giữ mấu Lọc thông thấp Mã hóa Ghép kênh Xử lý Tín hiệu ra số L L ấ ấ y m y m ẫ ẫ u v u v à à lư lư ợ ợ ng t ng t ử ử ho ho á á • Lấy mẫu và giữ mức: Lấy mẫu là quá trình rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian và giữ cho biên ñộ trong khoảng thời gian lấy mẫu không ñổi. • Lượng tử hóa: Lượng tử hóa là quá trình rời rạc tín hiệu về mặt biên ñộ. Tại mỗi mẫu, biên ñộ ñược chia thành các mức gọi là các mức lượng tử Hình 2-2 Lấy giữ mẫu và lượng tử Tín hiệu vào Lượng tử Dither Dither • Nguyên nhân: Lượng tử hóa  méo. Tín hiệu có biên ñộ càng nhỏ thì méo lượng tử càng cao. • Khắc phục: Cộng âm thanh trước khi lấy mẫu với một tạp âm tương tự  Ngẫu nhiên hóa các ảnh hưởng méo lượng tử ñể phân phối ñều méo lượng tử thành các lỗi ngẫu nhiên chứ không tập trung nhiều vào phần có biên ñộ thấp. • Khái niệm: Dither là một nhiễu ñược cộng vào tín hiệu âm thanh. • Mục ñích: Loại bỏ méo lượng tử. • Cơ sở: Dither làm cho tín hiệu âm thanh bị biến ñổi giữa các mức lượng tử gần nhau, ñiều này làm giảm ñộ tương quan của lượng tử hóa tín hiệu, loại các ảnh hưởng của lỗi và mã hóa các biên ñộ tín hiệu thấp hơn một mức lượng tử. • Nhược ñiểm: Cộng nhiễu vào tín hiệu. Dither Dither Hình 2-3 Dither và không dither Dither Tín hiệu gốc Tín hiệu lấy mẫu Không dither Tín hiệu gốc Tín hiệu lấy mẫu Tín hiệu sau khi lọcTín hiệu sau khi lọc Mã h Mã h ó ó a v a v à à mã h mã h ó ó a kênh a kênh • Mã hoá – là quá trình chuyển các mức rời rạc thành một chuỗi các mẫu số nhị phân (hoặc các hệ ñếm khác) theo một quy luật nhất ñịnh. – Sau mã hóa nhị phân, ta ñược tín hiệu ñiều xung mã PCM. – Tín hiệu PCM không thích hợp ñể lưu trữ hoặc truyền dẫn vì vẫn còn tồn tại thành phần một chiều  mã hóa kênh. • Mã hóa kênh – biến ñổi dữ liệu với mục ñích ñạt ñược mật ñộ bit cao trong giới hạn băng thông của kênh truyền. – Giảm sự tổn hao trong khi truyền hoặc lưu trữ. – Cải thiện dải thông, dữ liệu truyền dẫn có ñặc tính tối ưu. – Làm cho phổ tín hiệu âm thanh số ít méo. Gh Gh é é p kênh p kênh – Tín hiệu âm thanh số thường bao gồm nhiều kênh, ví dụ hệ thống âm thanh 5.1 gồm các kênh trái, phải, trung tâm, trái vòm, phải vòm và siêu trầm, ngoài ra còn có các tín hiệu mã phụ, mã ñồng bộ… – Nguyên lý ghép kênh có thường ñược áp dụng ñó là ghép kênh phân chia theo thời gian, mỗi kênh sử dụng một khe thời gian ñược ấn ñịnh trước. L R L R Ghép kênh L+R Hình 2-4 Ghép kênh tín hiệu audio MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN • Giới thiệu Mục ñích: Biểu diễn chuỗi số ngắn gọn. Tốc ñộ bit thấp. Chất lượng cao ðộng cơ: Giảm tốc ñộ dữ liệu. Giảm chi phí truyền dẫn (BW). Giảm các yêu cầu lưu trữ. Mạnh. Các yêu cầu: Cảm nhận trong suốt. ðộc lập nguồn. Có khả năng ña kênh. ðộ phức tạp bất ñối xứng. ðộ trễ hợp lý. MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN Mã hoá nguồn không thực tế với tín hiệu audio, do ñó, trong audio, người ta tiến hành - Khai thác các ñặc tính thu ñược. - Loại bỏ các thành phần không thích hợp với cảm nhận. - Giảm các dư thừa thống kê. Thoại Audio Băng thông 200-3400Hz 20Hz-20kHz Tốc ñộ lấy mẫu 8kHz 44.1kHz/48kHz Số bits trên mẫu 8bits 16+bits Tốc ñộ bit thô 64kbps 768kbps Số kênh 1 1-6+kênh Mô hình hiệu quả nguồn Có Không Sức chịu ñựng nguồn Có thể yêu cầu Yêu cầu Chất lượng mong ñợi Méo do bị giới hạn Chất lượng “CD” Tính ña dạng của phổ Harmonic, V/UV/TR Không thể phân loại MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN • Các tiêu chuẩn lấy mẫu theo các yêu cầu cụ thể khác nhau - Chất lượng. - ðộ trễ. - Băng thông. - Tốc ñộ … 20Khz192.0 kbytes/sStereo16 bits/mẫu48 kHzDAT 20kHz176.4 kbytes/sStereo16 bits/mẫu44.1 kHzCD 10kHz88.2 kbytes/sStereo16 bits/mẫu22.05 kHzFM radio 5kHz11.0 kbytes/sMono8 bits/mẫu11.025 kHzAM radio 4Khz8 kbytes/sMono8 bits/mẫu8 kHzðiện thoại Băng tầnTốc ñộMono/stereoSố bits/mẫuTốc ñộ lấy mẫu Tiêu chuẩn MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN  Băng lọc số: Băng lọc số là một tập hợp các bộ lọc số có chung ñầu vào nhiều ñầu ra hoặc chung ñầu ra nhiều ñầu vào. Băng lọc số phân tích là tập hợp các bộ lọc số có ñáp ứng tần số H k (e jω ) có chung ñầu vào và nhiều ñầu ra Ngõ ra gồm M tín hiệu X k (n) chiếm dải tần liên tiếp nhau gọi là các tín hiệu băng con (subband). Các bộ lọc H 0 (e jω ): thông thấp, H M-1 (e jω ): thông cao, H i (e jω ): thông dải, với i từ 1 ñến M-2 H 0 (e jω ) H 1 (e jω ) H M-1 (e jω ) … X 0 (e jω ) X 1 (e jω ) X M-1 (e jω ) x 0 (n) x 1 (n) x M-1 (n) x(n) X(e jω ) MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN Băng lọc số tổng hợp: Là tập hợp các bộ lọc số có ñáp ứng tần số G k (e jω ) có chung ñầu ra Các bộ lọc : G 0 (e jω ): thông thấp, G M-1 (e jω ): thông cao, G i (e jω ): thông dải, với i từ 1 ñến L-2 Băng lọc số nhiều nhịp hai kênh và băng lọc gương cầu phương QMF (Quadrature Mirror Filter Bank): Băng lọc số nhiều nhịp là sự kết hợp của băng lọc số phân tích, băng lọc số tổng hợp với bộ phân chia và bộ nội suy. Với số bộ lọc của băng lọc phân tích và tổng hợp bằng 2 thì ta có băng lọc số nhiều nhịp hai kênh. G 0 (e jω ) G 1 (e jω ) G L-1 (e jω ) … X 0 (e jω ) X 1 (e jω ) X L-1 (e jω ) x 0 (n) x 1 (n) x L-1 (n) x(n) X(e jω ) + + MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN • H0(e jω ), G0(e jω ) :Lọc thông thấp. H1(e jω ), G1(e jω ) :Lọc thông cao. • Lý tưởng: • Nếu |H0(e jω )|=|H1(e jω )| và nếu chọn tần số cắt cho 2 bộ lọc là π/2 thì ta thấy |H0(e jω )|là ảnh của |H1(e jω )| qua gương ñặt ở vị trí π/2. Băng lọc nhiều nhịp hai kênh với ñặc tính như vậy gọi là băng lọc gương cầu phương. • Nếu giống dạng tín hiệu ngõ vào thì ta gọi là băng lọc gương cầu phương khôi phục hoàn hảo PRQMF (Perfect Reconstructure QMF) 0 ˆ ( ) ( ) x n cx n n = − H 0 (e jω ) ↓2 ↑2 G 0 (e jω ) H 1 (e jω ) ↓2 ↑2 G 1 (e jω ) + x(n) x 0 (n) x 1 (n) v 0 (n) v 1 (n) y 1 ’ (n) ˆ ( ) x n y 0 ’ (n) y 0 (n) y 1 (n) ˆ ( ) ( ) x n x n = MÃ HO MÃ HO Á Á AUDIO C AUDIO C Ả Ả M QUAN M QUAN • Mã hoá băng con và cấu trúc bộ lọc QMF – Mã hoá băng con • Sử dụng bộ lọc số ñể mã hoá băng con • Thuận lợi cho việc nén tín hiệu âm thanh vì phổ tập trung không ñồng ñều. Từ ñó, ta có ñược sự phân bố hợp lý, vừa hiệu quả, vừa ñạt chất lượng cao. H 0 (e jω ) ↓2 ↑2 G 0 (e jω ) H 1 (e jω ) ↓2 ↑2 G 1 (e jω ) + x(n) x 0 (n) x 1 (n) v 0 (n) v 1 (n) y 1 ’ (n) ˆ ( ) x n y 0 ’ (n) y 0 (n) y 1 (n) v 0 (n) v 1 (n) Kênh truyền dẫn Mã hoá Giải mã . trữ hoặc truyền dẫn vì vẫn còn tồn tại thành phần một chiều  mã hóa kênh. • Mã hóa kênh – biến ñổi dữ liệu với mục ñích ñạt ñược mật ñộ bit cao trong giới hạn băng thông của kênh truyền. –. trong giới hạn băng thông của kênh truyền. – Giảm sự tổn hao trong khi truyền hoặc lưu trữ. – Cải thiện dải thông, dữ liệu truyền dẫn có ñặc tính tối ưu. – Làm cho phổ tín hiệu âm thanh số ít méo. Gh Gh é é p. (chuyển mạch gói, Internet), Truyền hình cáp (CATV) các tuyến studio. • Các ứng dụng ña môi trường: – CD-R, ðĩa ña năng số (DVD). • Cinema: – Dolby AC -3 (5 kênh, @38 4kbps), APT-x100. • Lưu trữ