Codificação de Informação

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1 Codificação de Informação Sumário: Codificação de som PCM (Pulse Code Modula?on) Perceptual Coding MIDI (Musical Instruments Digital Interface 26/10/09 1 O que é o som? Som é uma onda de pressão que a?nge o sistema audi?vo humano, é um valor conpnuo (analógico) Disposi?vos como os microfones, convertem a pressão numa tensão eléctrica É preciso converter este sinal para uma sequência de números (inteiros de preferência) A conversão analógico digital faz se amostrando periodicamente o sinal (n amostras por segundo) 26/10/09 2 1

2 Limitação da audição Humana Métodos de codificação de audio, têm em atenção as limitações do ouvido humano: Comportamento não linear Limiar adapta?vo de audição Tipo de onda Fonte de emissão Gama de freq. Efeitos Ondas infra sónicas Trovoadas, motores dos veículos, foguetes < 16 Hz Náuseas, apreensão Som audível Qualquerfonte sonora audível 16 Hz 20 KHz Depende da amplitude Ondas ultra sónicas Controlos remotos, sistemas de alarme > 20 KHz Perigosas uma vez que a respec?va amplitude real não é audível 26/10/09 3 decibels (db) Intensidade do som A intensidade de um som mede se em dbs, em relação a um som de referência 20*log 10 (Amplitude_Sinal_S/Amplitude_Sinal_Referencia_R) O sinal de referência R corresponde a um som de 1 KHz no limiar de audição É uma escala logaritmica: um som com 40 dbs é 10 vezes mais forte do que um com 20 dbs 26/10/09 4 2

3 Intensidade do som (exemplo) A = 86 db, ou seja a diferença entre A e sinal de referência é de 86 db A é superior à pressão de referência B diferença= 20 log 10 A/B = 86 log 10 A/B = 4.3 A/B = A/B ~ /10/09 5 Intensidade do som db Limiar de audição Sala silenciosa Conversa Rádio com volume alto Comboio numa estação Martelo pneumá?co Limiar do desconforto Limiar da dor Danos nos Pmpanos /10/09 6 3

4 Conversão analógico digital Sinais analógicos são funções conpnuas no tempo, são definidos para qualquer instante de tempo. A amplitude define se para qualquer valor do tempo Sinal digital é uma sequência de valores codificados em formato binário dependentes do tempo ou do espaço, que resulta da transformação de um sinal analógico. São discretos em amplitude e no tempo. Digitalização processo que permite obter sequências binárias através do sinal analógico num sinal digital 26/10/09 7 Conversão analógico digital Digitalização processo pelo qual se transforma um sinal analógico num sinal digital Digitalização é efectuada através da medição do valor da tensão do sinal em vários pontos ao longo do tempo, sendo a tradução da medição da voltagem um valor numérico (sampling) O disposi?vo u?lizado para o sampling é denominado de conversor analógico digital (A/D) 26/10/09 8 4

5 Ritmo de amostragem Amostrar uma onda sinusoidal Se amostrarmos a um ritmo igual à frequência do sinal podemos obter um valor constante Se amostrarmos a um ritmo que é 1.5 vezes a frequência do sinal podemos pensar que se trata de uma sinusóide de frequência inferior 26/10/09 9 Teorema de Nyquist Para conseguirmos recuperar o sinal com fidelidade temos de amostrar a um ritmo duas vezes superior à máxima frequência existente no sinal Outra forma de enunciar o teorema de Nyquist: O receptor pode reconstruir um sinal em que a máxima frequência é f desde que o sinal tenha sido amostrado a um ritmo igual ou superior a 2f 26/10/

6 Teorema de Nyquist Exemplo: Um sinal de voz que está limitado a 4 KHz, só necessita de ser amostrado 8000 vezes/segundo frequência de amostragem fa = 8 KHz (i.e. período de amostragem é de 1/8000 = 125 microsegundos Intensidade do som Ritmo de amostragem 26/10/09 0 Fs/2 Fs 11 PAM Pulse Amplitude Modula?on PCM Pulse Code Modula?on PAM: cada amostra A corresponde a um dado valor conpnuo (entre 0 e um valor máximo) PCM: cada amostra A é codificada em N, ou seja existem 2 n níveis diferentes 26/10/

7 PCM Pulse Code Modula?on PCM possui 2 fases: AMOSTRAGEM (discre?zação), retenção de um conjunto finito de valores assumido pelo sinal analógico. A retenção realiza se a intervalos de tempo regulares. QUANTIFICAÇÃO, processo pelo qual o sinal amostrado é conver?do no sinal quan?ficado. Este sinal assume apenas um determinado número de valores. Sinal quan?ficado pode ser codificado em binário. 26/10/09 13 Exemplos de uso de PCM Rede telefónica 8000 amostras/s 8 por amostra, não linear 64 Kbps CDs Frequência de amostragem 44.1 KHz 16 por amostra, linear Bit rate 44.1x16x2 /s > 1 Mbps 26/10/

8 Quan?ficação Processo de conversão de um sinal amostrado noutro sinal que apenas pode assumir um número limitado de valores (Sinal Quan?ficado) Objec?vo restringir o número de valores que o sinal digital poderá tomar, de modo a reduzir o espaço de armazenamento em bytes que o sinal digital ocupará 26/10/09 15 Quan?ficação Linear Sobre uma gama de amplitudes de sinais amostrados, são definidos tantos intervalos quanto o número de valores que se irá dispôr para quan?ficar as amostras step size = amplitude máx/ nº intervalos A quan?ficação do sinal corresponde a subs?tuir os valores das amostras pelo nível de quan?ficação correspondente sempre que amostra se situa no intervalo correspondente Aumento do nº de níveis de quan?ficação leva a um aumento do nº de que se u?liza para representar cada amostra 26/10/

9 Ruído e ruído de quan?ficação Em qualquer sinal analógico, flutuações aleatórias (ruído) somam se ao sinal. Quanto maior é a relação entre o sinal e o ruído melhor a qualidade do sinal A relação sinal ruído (SNR) mede se também em decibels (db) SNR = 20*log 10 ( Amplitude_Sinal / Amplitude Ruído) Cada amostra é quan?ficada de forma a representar um inteiro. O número de usado para representar cada amostra dá o número de níveis de quan?ficação (Vmax Vmin)/nº de níveis Tensão (em volt) Todos os valores entre e são codificados como 000. Há um erro que em média é ( * 0.5) Ruído ou Erro de quan;ficação 26/10/09 17 Ruído de quan?ficação O erro entre o sinal quan?ficado e o áudio original é o ruído de quan?ficação O ruído de quan?ficação usando n por amostra pode ser es?mado em: 2 n 1 a 2 n 1 Ruído de quan?ficação corresponde a ½ nível Relação sinal ruído (SNR)=20*log 10 (2 n 1 /(1/2)) =20*N*log 10 2 ~6.02*N db Um bit de quan?ficação corresponde a: 20*log 10 2 ~ 6 dbs Audio CD usa 16 de resolução o que dá uma relação SNR de ~96 db Para ouvir o ruído de quan?ficação, o nível de sinal teria de estar perto do limiar da dor! 26/10/

10 10 Qualidade de audio vs Ritmo de dados 26/10/ (max) 1200 (max) 24 (max) Até KHz (max) DVD audio canais 48 KHz DAT canais 44.1 KHz CD canais KHz Rádio FM KHz Rádio AM KHz Telefone Frequências reproduzidas (Hz) Ritmo de dados não comprimido (KByte/s) Bits por amostra Ritmo de amostragem 19 Codificação digital de audio PCM Codificação diferencial das amostras Codificação com previsão: prevê se que a amostra é igual à anterior e apenas se codifica a diferença DPCM (Differencial Pulse Code Modula?on) 26/10/09 20

11 Codificação em sub bandas O ouvido é mais sensível a algumas frequências do que a outras Muitos algoritmos de codificação de áudio exploram esta propriedade dividindo o espectro do som em sub bandas (análise de Fourier) Filtros Amostragem Quantificação Multiplex Áudio in Áudio codif. out Bit rates: 16x48000 =768 kbps 16x3x48000 =2304 kbps 16x3x16000 =768 kbps 4x3x16000 =192 kbps 26/10/09 21 Perceptual Coding Questão fundamental no desenho do codificador de uma sub banda: Quais devem ser os níveis de quan?ficação das sub bandas? O processo de quan?ficação introduz ruído e esse ruído deve ser impreceppvel O ruído deve estar abaixo do limiar do que é ouvido (Minimum Audible Field MAF) Portanto a questão é: Qual é o MAF em cada sub banda? Para esta es?ma?va, são usadas as curvas de Robinson Dadson 26/10/

12 Curvas de Igual Intensidade (Equal Loudness Curves) 26/10/09 23 Implicações da Quan?ficação Sound Pressure Level [db-spl] Peak Signal Level Threshold of Hearing /10/

13 Aplicação à codificação em sub banda Peak Signal Level Sound Pressure Level [db-spl] Threshold of Hearing /10/09 25 Psico acús?ca Melhorias substânciais ao codificador de subbanda podem ser conseguidos u?lizando psico acús?ca A psico acús?ca estuda a forma como o som é recebido pela combinação ouvido cérebro O limiar de audição não é constante MAF muda permanentemente devido ao mascaramento (masking) 26/10/

14 Mascaramento Na presença de sinal, o ruído é quase indetectável Devido à anatomia do ouvido, sons fortes mascaram (escondem) sons mais fracos nas frequências próximas O MAF (limiar de audição) é elevado pelo limiar de mascaramento (masking threshold) O limiar de mascaramento pode ser es?mado usando o modelo psico acús?co e isso pode ser explorado pelo codificador. 26/10/09 27 Limiar de mascaramento Signal Sound Pressure Level [db-spl] Masking threshold Threshold of Hearing Frequency [Hz] /10/

15 Limiar de mascaramento Sinal com frequência de 1 KHz faz subir o limiar de audibilidade abruptamente alterando a curva do limiar de audibilidade na gama de frequência entre 500 Hz e 5 KHz Som que se situa dentro desta gama de frequência e que seria audível em condições normais deixa de se conseguir ouvir se a respec?va intensidade for inferior à curva de mascaramento 26/10/09 29 Mascaramento 26/10/

16 Aplicação mascaramento Sound Pressure Level [db-spl] Masking threshold Bits por amostra em média = 3.92 Taxa de compressão = 16:3.92 = 4.1:1 Threshold of Hearing Frequency [Hz] 26/10/09 31 Aplicação mascaramento Banda dbs banda = 60 dbs, modelo psicoacús?co máscara de 12 dbs para banda 7 (anterior) e de 15 para a 8 (seguinte) 7 banda = 10 dbs < 12 dbs, codificador pode ignorar o coeficiente da banda 7, já que fica totalmente mascarado 9 banda = 35 dbs > 15 dbs, codificador vai codificar esta banda como 35 15=20 dbs (Signal to Mask Ra?o), necessitando de 4 26/10/

17 Informação adicional O sinal de áudio é processado em conjuntos de amostras chamadas audio frames Cada frame de cada sub banda está: Mul?plicada por um factor para normalizar o nível de pico do sinal Quan?ficada para o nível apropriado à relação sinal ruído corrente O receptor tem de saber o factor de escala e o nível de quan?ficação usado Esta informação está embebida nas frames O gasto adicional (overhead) é muito pequeno quando comparado com os ganhos ob?dos pela compressão 26/10/09 33 Diagrama de blocos Digital Audio In Sub-band filter bank FFT Masking thresholds Psychoacoustic model Scale and Quantise Code Side Info CODIFICADOR Multiplex and Data Format Coded Audio Out Coded Audio In De- Multiplex Decode Side Info Descale & Dequantise Inverse filter bank Digital Audio Out DESCODIFICADOR 26/10/

18 Codificação do som na norma MPEG O comité MPEG (Mo?on Picture Expert Group) define normas para a codificação de informação mul?média: imagem em movimento, som, outra informação Definidas uma série de normas; na parte do som são usadas as técnicas de compressão descritas atrás A norma MPEG1 define três subnormas para a codificação do som: camadas (layers) 1, 2 e 3 26/10/09 35 MPEG1 codificação do som (1) Layer 1 (.mp1) São usadas 32 sub bandas Cada frame contém 384 amostras (32 x 12) Uma versão da layer 1 foi usada Digital Compact Casse e (DCC) 26/10/

19 MPEG1 codificação do som (2) Layer 2 (.mp2) Um pouco mais complexa mas melhor qualidade que a layer 1 Comprimento da frame é de 1152 amostras (36x36) Formato das amostras e informação associada (factor de escala e SNR) codificado de forma mais eficiente Usando em Digital Audio Broadcas?ng (DAB) 26/10/09 37 MPEG1 codificação do som (3) Layer 3 (.mp3) Substancialmente mais complexa do que as layers 1 e 2 Consegue qualidade aceitável mesmo a bit rates muito baixos Usa 576 bandas de frequência. Algoritmos usados para codificar cada sub banda mais sofis?cados Codificação de Huffman aplicada às amostras Ficheiros MP3 muito populares 26/10/

20 Outros Perceptual Coders Os mesmos princípios são aplicados noutros codificadores de audio de uso geral Exemplos: Real Audio Formato WMA da Microso MiniDisc (ATRAC) 26/10/09 39 Norma MIDI MIDI (Musical Instruments Digital Interface), protocolo de comunicação que permite a comunicação entre instrumentos musicais (decada de 80) Não é um método de compressão de áudio, mas sim uma forma de representar simbolicamente conteúdos musicais que podem posterirmente dar origem a áudio digital quando sisnte?zados Foi introduzido na parte da codificação áudio da norma MPEG 4 26/10/

21 Vantagens do protocolo MIDI Espaço de armazenamento consumido. Ficheiros MIDI não contêm amostras de áudio mas apenas as instruções necessárias para permi?rem ao sinte?zador gerar e reproduzir os sons pretendidos Menor dimensão dos ficheiros conduz a uma menor largura de banda para a transmissão de dados Facilidade de edição de música e possibilidade de alteração da velocidade de reprodução de uma tonalidade (pitch) de uma nota de forma independente 26/10/09 41 Transmissão MIDI Fluxo de dados assíncrono unidireccional Débito binário de K/s 10 por cada byte de informação transmi?do (1 start bit; 8 data ; 1 stop bit) Interface MIDI possui 3 portas MIDI: IN, OUT e THRU 16 canais lógicos, que podem ser associado cada um a um instrumento diferente 26/10/

22 Mensagens MIDI Estrutura de uma mensagem Status byte e um máximo de 2 bytes dados Status byte O bit mais significa?vo é 1 4 de menor peso iden?ficam o canal a que se des?na (16 canais possíveis) Restantes 3 iden?ficam a mensagem O bit mais significa?vo de dados é sempre 0 26/10/09 43 Tipos de Mensagens Mensagens Midi Mensagens Channel Mensagens System Mensagens Voice Mensagens Mode Mensagens Common Mensagens Real Time Mensagens Exclusive 26/10/

23 Tipos de mensagens (2) Channel Voice messages Channel Mode messages 26/10/09 45 Tipos de mensagens (3) System messages 26/10/

24 Exemplo Exemplo da pressão do dó central (note on) 90 3C 40 Exemplo de soltar o dó central (note off) 80 3C 33 Running Status 92 3C E 92 3C E 92 3C C C 44 3C 00 26/10/