MP3 VS AAC. Filipe Paredes, Francisco Silva, Gonçalo Teixeira

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1 MP3 VS AAC Filipe Paredes, Francisco Silva, Gonçalo Teixeira Instituto Superior Técnico - Campus do Taguspark Av. Prof. Dr. Cavaco Silva, Porto Salvo, Portugal {filipe.paredes, francisco.matias, ABSTRACT Os últimos anos mostraram-nos a expansão a nível global de ficheiros.mp3, tanto de origens legais como ilegais. Apesar do grande sucesso deste método de compressão de áudio, outro método com melhorias significativas em relação ao mp3 emergiu, o Advanced Audio Coding AAC. Este novo formato apesar de não ser tão popular é utilizado em muitos sistemas recentes. Este artigo confronta os métodos e processos de codificação utilizados pelo MP3 e pelo AAC evidenciando as diferenças entre os dois formatos. Ambos aplicam a normas MPEG, o MP3 aplica a camada 3 da norma MPEG-1 e o AAC aplica a norma MPEG-2. caminho para numerosos fabricantes de produtos electrónicos. 3. SINAIS ÁUDIO PCM O formato digital convencional para os sinais áudio é o PCM (Pulse Code Modulation), com taxas de amostragem e resoluções de amplitudes (bits PCM por amostra) como mostra a Tabela INTRODUÇÃO MP3 - MPEG-1 Audio Layer 3 - e AAC - Advanced Audio Coding - são dois formatos de codificação digital áudio muito usados nos dias de hoje. Utilizam algoritmos de compressão com perdas que exploram o modelo psicoacústico, resultando na remoção, idealmente, de sons inaudíveis ao ouvido humano. A codificação da restante informação é feita de forma eficiente, o que permite criar ficheiros de áudio de tamanho relativamente pequeno com qualidade bastante aceitável. 2. O CRESCIMENTO DO MP3 Inicialmente, o MPEG Layer-3 era usado em codecs baseados em DSP (processamento de sinais digitais) para aplicações de estúdio, permitindo que profissionais usassem linhas telefónicas ISDN (Integrated Services Digital Network, RDIS em português) para transmitir áudio de alta qualidade. No primeiro semestre de 1995, começaram a ser partilhados ficheiros MP3 na Internet. Leitores de áudio como o Winamp, em 1997, mpg123, em 1999, ou o serviço de partilha de ficheiros peer-to-peer conhecida como Napster (1999), fizeram crescer exponencialmente a popularidade do MP3. A Internet teve, portanto, um papel fulcral no uso do MP3. A título de curiosidade, a palavra.mp3 suplantou, em Julho de 1999, a palavra sexo no topo das palavras pesquisadas na Internet [1]. Em 1998, o MPMAN [2] foi o primeiro leitor MP3 portátil, abrindo Tabela 1 O CD (compact disc) é, hoje em dia, o produto mais utilizado para armazenamento e representação de dados (digitais) áudio. No entanto, o CD precisa de um overhead grande em relação à informação áudio armazenada. De facto, o débito binário áudio do CD, = 1.41 Mbit/s, pode crescer para /16 = 4.32 Mbit/s devido ao uso de um código para sincronização e correcção de erros que gasta 49 bits por cada 16 bits de áudio. Tipicamente, as amostras áudio estão estruturadas em tramas de 2352 bytes a um ritmo de 75 trama/s o que corresponde a = 1.41 Mbit/s. Interessa reduzir o ritmo binário dos sinais áudio para minimizar custos de transmissão ou para permitir armazenamentos baratos, permitindo a transmissão através de canais rádio, ou para suportar redes de baixo débito, por exemplo. Interessa, no entanto, que esta redução do ritmo binário do sinal áudio não diminuía significativamente a qualidade sonora. Se se conseguir uma taxa de compressão elevada sem perda aparente de qualidade do sinal, tanto melhor. Neste sentido, o codificador perceptivo tem um papel fulcral.

2 4. O CODIFICADOR PERCEPTIVO O diagrama de blocos de um codificador de MPEG camada 3 é tipicamente o da Figura 1. Figura 1 Diagrama de blocos de um codificador perceptivo típico 4.1 Banco de filtros O banco de filtros usado no MP3 pertence à classe dos bancos de filtro híbridos. É construído usando dois tipos diferentes de banco de filtros em cascata: primeiro, um banco de filtros multifaseado (como se usa na camada 1 e na camada 2) e segundo, um banco de filtros MDCT (DCT Modificada). O banco de filtros multifaseado torna a camada 3 mais parecida com a camada 1 e com a camada 2. A subdivisão da banda de frequência de cada multifase em 18 sub-bandas mais estreitas aumenta a probabilidade de remoção por redundância, levando a uma melhor eficiência de codificação para sinais tonais. Outro efeito positivo da maior resolução de frequência é que o sinal de erro pode ser melhor controlado, permitindo uma localização mais precisa do limiar de mascaramento. O banco de filtros pode ser mudado para uma resolução de frequência mais baixa para evitar pré-ecos. 4.2 Modelo perceptivo O modelo perceptivo determina principalmente a qualidade da implementação do codificador. O modelo perceptivo pode usar um banco de filtros separado ou combinar o cálculo de valores de energia (para os cálculos do mascaramento) com o banco de filtros principal. O resultado final do modelo perceptivo consiste em valores para o limiar de mascaramento ou no ruído permitido para cada partição do codificador. Na camada 3, estas partições do codificador são de grosso modo equivalentes às bandas críticas do aparelho auditivo humano. Se o ruído de quantificação puder ser mantido abaixo do limiar de mascaramento, para cada partição do codificador, então a compressão resultante deve ser indistinguível do sinal original. 4.3 Quantificação e codificação A quantificação é feita de modo a que os maiores valores sejam automaticamente codificados com menos precisão, introduzindo logo algum ruído no processo de quantificação. Os valores quantificados são codificados pela codificação de Huffman. Para adaptar o processo de codificação às estatísticas localizadas dos sinais de música, escolhe-se a tabela de Huffman ideal de entre algumas hipóteses. A codificação de Huffman opera com pares, e, no caso de números muito pequenos, quádruplos. Para se adaptar ainda melhor, a tabela de Huffman pode ser escolhida para diferentes zonas do espectro. Como a codificação de Huffman é um método de comprimento de código variável e porque o ruído tem de ser camuflado para manter a quantificação de ruído abaixo do limiar de mascaramento, são aplicados antes da quantificação propriamente dita um valor de ganho global (que determina o passo de quantificação) e factores de escala. O processo para encontrar o ganho óptimo, os factores de escala para um dado bloco, ritmo binário e saída do modelo perceptual é normalmente feita com dois ciclos encadeados: Ciclo interno da iteração Se o número de bits resultante de uma operação de codificação exceder o número de bits disponível para codificar um bloco de dados, pode-se corrigir ajustando o ganho global para resultar num passo de quantificação maior, levando a menores valores de quantificação. Esta operação é repetida com diferentes tamanhos de passo de quantificação até que o número de bits exigido pela codificação de Huffman seja suficientemente pequeno. Este ciclo chama-se ciclo de ritmo, já que modifica o ritmo até ser suficientemente pequeno Ciclo externo da iteração Para disfarçar o ruído de quantificação com o limiar de mascaramento, são aplicados factores de escala a cada banda de factores de escala. O sistema começa com um factor de 1,0 para cada banda, por omissão. Se o ruído de quantificação exceder o limiar de mascaramento, o factor de escala para esta banda é ajustado para reduzir o ruído de quantificação. Como, obter menor ruído de quantificação requer um maior número de passos de quantificação e logo um maior ritmo binário, então o ciclo de correcção do ritmo tem de ser repetido sempre que se usam novos factores de escala. Ou seja, o ciclo de ritmo está encadeado dentro do ciclo de controlo de ruído. O ciclo externo é executado até que o ruído actual (calculado a partir da diferença entre os valores espectrais originais e os valores quantificados) esteja abaixo do limiar de mascaramento para todas as bandas de factores de escala. Apesar de o ciclo interior convergir sempre, a combinação de ambos os ciclos da iteração nem sempre converge. Se o modelo perceptivo requisitar passos de quantificação tão pequenos que o ciclo de ritmo tenha que aumentá-los sempre para permitir codificação ao ritmo requisitado, ambos podem continuar para sempre. Para evitar esta situação, podem ser verificadas várias condições para parar as iterações mais cedo. Contudo, para codificação rápida e bons resultados de codificação, deve-se evitar uma condição destas. Esta é a razão pela qual um codificador MPEG Layer-3 normalmente precisa de regular os parâmetros do modelo perceptivo para cada ritmo binário. [7]

3 5. MODELO PSICO-ACÚSTICO Como já foi dito, o desenho de codificadores e descodificadores de áudio digital (como MP3 e o AAC) para música são baseados na percepção auditiva humana. A compressão de alta qualidade de áudio digital é obtida usando o modelo psico-acústico (baseado nas normas ISO/IEC MPEG, Type I e Type II). O modelo psico-acústico emprega modelos do sistema auditivo humano para estimar uma distribuição aceitável de ruído introduzido pela codificação ao longo do tempo e da frequência. [4] O nosso sistema auditivo tem algumas propriedades que nos permitem comprimir áudio digital sem que haja percepção de perdas no sinal de áudio. O ouvido humano apenas consegue captar sons com frequências entre 20Hz e 20kHz. Ao longo desta banda, a sensibilidade do aparelho auditivo varia, sendo que os sons intermédios são os mais facilmente perceptíveis e os sons nos extremos aqueles que necessitam de maior amplificação. Com o envelhecimento, a sensibilidade aos sons mais agudos diminui. Vídeo: Codificação de vídeo com débito até cerca de 1.15 Mbit/s. Áudio: Codec de compressão para codificação de sinais áudio perceptíveis. A norma define três camadas, ou layers, com diferentes níveis de complexidade de codificação áudio MPEG: 1. MP1 ou MPEG-1 Part 3 Layer 1 (MPEG-1 Audio Layer I), 2. MP2 ou MPEG-1 Part 3 Layer 2 (MPEG-1 Audio Layer II), 3. MP3 ou MPEG-1 Part 3 Layer 3 (MPEG-1 Audio Layer III). Testes de conformidade: Testes de conformidade para os fluxos binários e descodificadores. Software de referência: Implementação em software MPEG-1: As três camadas Áudio As três camadas áudio do MPEG-1 especificam a representação codificada de um sinal áudio monofónico ou de um par estereofónico, assim como o processo de descodificação, definindo 3 camadas de codificação: Camada Débitos Atraso mínimo de codificação Previstos kbit/s ( x32)/48k 19 ms kbit/s ( x32+3)/48k 35 ms kbit/s ( x2x32x2)/48k 59 ms Tabela 2 Débitos Previstos e Atraso mínimo de codificação para as 3 camadas áudio do MPEG-1 Figura 2 Sensibilidade do ouvido humano em função da frequência [3] O sistema acústico humano adapta-se ao ambiente em que está inserido. Na presença de sons fortes, por exemplo, os sons mais fracos são mascarados. O processo de mascaramento ocorre quando um som é inaudível devido à presença de outro som. 6. MPEG-1: CODIFICAÇÃO ÁUDIO O MPEG (Moving Pictures Expert Group), pertencente à ISO (International Organization os Standadization), definiu um grupo de normas de codificação e compressão áudio e vídeo conhecidos como MPEG-1, MPEG-2 e MPEG-4, entre outros. O MPEG-1 está dividido em cinco partes[5][6]: Sistema: Multiplexagem de vários fluxos de áudio e vídeo codificados num único fluxo binário com sincronização. Como se pode constatar através da Tabela 2, cada camada oferece um compromisso débito/qualidade/complexidade. Camadas mais altas têm maior complexidade, atraso e eficiência de compressão. O descodificador da camada N descodifica o fluxo da camada N-1 (hierarquia) Objectivo O MPEG tem em vista a codificação eficiente de áudio, mono ou estéreo, com elevada qualidade, a kbit/s por canal, usando frequências de amostragem de 32, 44.1 e 48 khz, visando a gravação digital de conteúdo audiovisual a 1.5 Mbit/s. A qualidade pretendida para o áudio é a qualidade do CDROM alcançada a 256 kbit/s para sinais estereofónicos Requisitos Elevada qualidade do sinal descodificado independentemente do espectro e níveis de amplitude do sinal a codificar. Baixo atraso de codificação/descodificação. Integridade espacial para sinais estereofónicos e multicanal. Resistência a erros uniformes e de rajada e a perdas de pacotes.

4 Degradação suave da qualidade para taxas crescentes de erros. Resistência a codificações e descodificações encadeadas. Capacidade de edição, mistura, etc. Baixa complexidade de implementação. Baixo consumo de energia MPEG-1: A Terceira Camada O MP3 corresponde à terceira camada áudio do MPEG-1. Codifica blocos de 1152 amostras de áudio (2 grupos de 576 amostras cada) Sobreposição das janelas - A MDCT é aplicada com 50% de sobreposição para diminuir o efeito de bloco o que significa que a MDCT é aplicada a conjuntos de 12 ou 36 amostras das sub-bandas. Mais vocacionado para codificação a débito variável (útil em certas aplicações). Qualidade transparente em relação ao CD com 128 kbit/s ou seja um factor de compressão de MPEG-1: Codificação Áudio da Camada 3 do MPEG De seguida são descritas as funções básicas e alguns dos detalhes necessários para compreender as implicações das opções de codificação em termos de qualidade de som: Flexibilidade Pretende-se que o MPEG seja aplicável a cenários aplicacionais muito distintos. Desta forma, o grupo MPEG definiu uma representação de dados que incluem diversas opções Modo de Operação O MPEG-1 Audio funciona tanto para sinais mono como sinais estéreo. A codificação estéreo (joint stereo coding) é uma técnica de codificação que explora o facto de ambos os canais de um sinal estéreo conterem substancialmente a mesma informação para reduzir o débito de codificação. Os cinco modos de operação são: Mono. Dual Stereo - Canais codificados independentemente, p.e., 2 línguas. Stereo - Codificação independente mas com partilha de campos comuns na trama codificada. Joint Stereo - A dependência entre canais é explorada através da técnica intensity stereo; acima de 2 khz, envia-se o sinal L+R e factores de escala para os 2 canais (L e R) uma vez que o ouvido é pouco sensível. Mono/Stereo (MS) (só camada 3) - Os 2 canais são codificados como L+R (middle) e L-R (side) o que permite controlar melhor a localização espacial do ruído de quantização. O modo de operação Mono/Stereo (MS) pode levar a uma alteração da imagem sonora original Frequência de Amostragem A compressão de áudio MPEG utiliza diferentes frequências de amostragem. O MPEG-1 define compressão áudio a 32 khz, 44.1 khz e 48 khz Ritmo Binário O MPEG Audio não funciona apenas para rácios fixos de compressão. A escolha do ritmo binário para a compressão de áudio é, dentro de certos limites, deixada ao critério de quem implementa ou opera o codificador de áudio MPEG. Para a terceira camada, a norma define o intervalo do ritmo binário (bit rate) entre 8 kbit/s e 320 kbit/s. Para além disso, os descodificadores da camada 3 têm de suportar a alteração dinâmica de ritmo binário para cada trama áudio. Juntamente com a tecnologia de reserva de bits, isto permite tanto VBR (variable bit rate) como CBR (constant bit rate) para qualquer valor fixado dentro dos limites estabelecidos na norma Normativo versus Informativo Uma propriedade muito importante nas normas MPEG é o princípio de minimização da quantidade de elementos normativos na norma. No caso do MPEG Audio, isto levou a que apenas a representação de dados, isto é, o formato do áudio comprimido, e o descodificador sejam normativos. O facto de os codificadores não serem normativos possibilita e estimula a concorrência; o fabricante que fizer um melhor codificador terá uma vantagem competitiva no mercado Descodificador Mesmo o descodificador não é especificado para uma exactidão ao nível do bit. Neste sentido, é dada uma fórmula para a maior parte do algoritmo, e a conformidade é definida pelo máximo desvio do sinal descodificado em relação ao respectivo descodificador Codificador A codificação de Audio MPEG é deixada ao critério de quem implementa a norma. Como forma de guia, as normas ISO contêm uma descrição de codificadores exemplo. 7. MPEG-2 AAC O MPEG-2 define-se como a segunda fase do MPEG. Este introduziu novos conceitos na codificação de vídeo, pelo que a sua principal aplicação é na área da televisão digital. A norma original do MPEG-2 Audio (ISO/IEC ) foi

5 finalizada em 1994 e consistia em duas extensões do MPEG-1 Audio: Codificação de áudio multicanal, que introduz capacidades de 5.1 surround, mantendo compatibilidade inversa com o MPEG-1 estéreo, sendo possível descodificar um fluxo estéreo a partir de um fluxo codificado com 5 canais MPEG-2. Codificação de amostras em baixas frequências esta extensão permite codificar amostras em frequências de 16kHz, 22.05kHz e 24kHz em adição à amostragem de frequências do MPEG-1 de 32kHz, 44.1kHz e 48kHz, melhorando a eficiência na codificação para ritmo binários mais baixos. [7][8] No início de 1994, testes de verificação mostraram que novos algoritmos de codificação, sem compatibilidade inversa com o MPEG-1, possibilitavam uma melhoria significativa na eficiência da codificação. Isto era desejável, uma vez que o formato original de codificação MPEG-1 já tinha sido explorado até ao limite e o número de melhorias possíveis a fazer era já reduzido. Como resultado, foi definida uma nova norma de codificação de áudio para o MPEG, o MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC). A norma foi finalizada em 1997 (ISSO/IEC ). O AAC é um esquema de codificação de áudio de segunda geração para codificação de sinais estéreo e multicanal, suportando de 1 a 48 canais de áudio com frequências de amostragem de 8kHz até 96kHz. [7] Disponibiliza também 3 diferentes perfis de codificação: Main Profile Utiliza todas as ferramentas de codificação disponíveis do AAC; Low Complexity (LC) Profile Omite certas ferramentas para reduzir a complexidade no codificador; Scaleable Sampling Rate (SSR) Profile Divide o áudio em 4 bandas de frequência discretas, onde qualquer número pode ser descodificado para redução de largura de banda. [8] 7.1 Codificador MPEG-2 AAC A figura 3 mostra um diagrama de blocos do codificador MPEG-2 AAC. O codec é modular, ou seja, está dividido em módulos, que podem ser activados ou desactivados durante o processo de codificação/descodificação, dependendo da complexidade e do perfil a utilizar. O princípio básico da divisão de banda continua a ser aplicado, seguido pela introdução de compressão preditiva, quer a nível temporal quer a nível espectral, requantificação e codificação de Huffman. [8] Figura 3 Diagrama de blocos de um codificador MPEG-2 AAC Banco de Filtros O AAC remove o banco de filtro multifaseado e substitui-o por uma amostragem MDCT rigorosa com 50% de sobreposição dos blocos (para diminuir o efeito de bloco), tendo, como em MPEG-1 Layer III, 2 tamanhos diferentes. O comprimento dos blocos produzidos pela transformada pode ser de 256 ou de 2048 amostras. Os dois tamanhos dos blocos dão resoluções temporais de 21ms e 2.6ms e resoluções de frequência de 23Hz e 187Hz, respectivamente. [8] Temporal Noise Shaping, TNS Esta técnica permite camuflar o ruído no domínio do tempo. Esta nova técnica provou ser um sucesso no melhoramento da qualidade da voz em ritmos binários baixos. [1] Módulo de codificação preditivo intra-bloco Este módulo tenta reduzir a redundância entre os coeficientes das frequências para um dado bloco através do uso de predições. Recebe cada coeficiente de frequência por ordem e tenta prever o que vai acontecer nesse bloco. À predição é subtraído o valor real, enviando apenas o resíduo, que pode ser 0 no caso de um sinal ser completamente previsível. No descodificador, um processo de predição análogo reconstrói o sinal. [8] Intensity/coupling stage Este é um módulo opcional e é usado apenas para ritmos binários muito baixos. Remove a informação espacial presente, de forma a manter a distorção baixa, e envia códigos de amplitudes para reconstrução. [8] Módulo de codificação preditivo inter-bloco Este módulo está relacionado com o módulo de codificação preditivo intra-bloco, mas, adicionalmente, consegue encontrar redundância em sinais estacionários dos coeficientes de frequência discretos sobre blocos sucessivos, usando predição baseada nos 2 blocos anteriores (após terem

6 sido quantificados) e enviando apenas o resíduo. São criadas bandas de factores de escala dos coeficientes para serem multiplicados posteriormente na requantificação, pelo mesmo factor de escala. Este módulo pode ser activado ou desactivado em cada banda de factor de escala, dependendo do ganho resultante ou não na codificação. Os dois processos de predição estão ligados e são ocasionalmente repostos de forma a evitar deslocamentos e erros em bits. [8] Codificação middle/side Em alguns casos é possível obter um melhor resultado convertendo o sinal para middle/side (L+R / L-R) antes de se quantificar, pois os sinais estéreo contêm informação espacial e o seu mascaramento é menos eficiente quando se tenta mascarar distorção numa localização diferente do estéreo. Este módulo decide se codifica em middle/side ou em L/R (left/right), dependendo do ganho resultante ou não na codificação. Pode ser diferente de bloco para bloco. [8] Requantificação Até este estado toda a compressão tem sido sem perdas e é apenas neste módulo que se descartam dados. Coeficientes dentro da mesma banda de factores de escala, que foram divididos no módulo de codificação preditivo inter-bloco, são agora multiplicados pelo mesmo factor de escala. A diferença do ganho entre os passos do factor de escala é de 1.5dB, 0.5dB melhor que no MPEG-1. O AAC mantém também a quantificação não linear do MPEG-1 Layer III, mas com um intervalo de ±8191 passos. Temos assim a codificação de Huffman onde se inicia um processo iterativo de forma a optimizar a compressão para o ritmo binário disponível. Existe também um buffer, semelhante à técnica de reserva de bits em MPEG-1 Layer III, que permite obter temporariamente ritmos binários mais elevados, para o caso de picos de entropia, mantendo bits disponíveis. [8] 7.2 Alterações comparativamente com a camada 3 As seguintes modificações, em comparação com a camada 3, ajudam a obter a mesma qualidade para ritmos binários mais baixos: Maior resolução de frequências O número das linhas de frequências em AAC é 1024 em comparação com as 576 da camada 3. Predição Uma predição inversa opcional, calculada linha a linha, alcança melhor eficiência de codificação, especialmente para muitos sinais tonais (ex: sinal de chamada dos telefones). Esta funcionalidade está apenas disponível no Main Profile. Codificação de Joint Stereo melhorada Em comparação com a camada 3, tanto a codificação dos canais middle/side como a codificação intensity são mais flexíveis, permitindo assim a aplicação das duas, de forma a reduzir mais frequentemente o ritmo binário. Codificação de Huffman melhorada Em AAC, a codificação de Huffman opera com quádruplos das linhas de frequência mais frequentemente. Para além disso, o uso das tabelas de codificação de Huffman para codificar partições pode ser muito mais flexível. Com o conjunto de pequenos melhoramentos, o AAC atinge em média a mesma qualidade que a camada 3 em cerca de 70% do ritmo binário. [1] 8. QUALIDADE O facto de um codificador estar perfeitamente em conformidade com a norma áudio MPEG não garante de forma nenhuma a qualidade da música comprimida. A qualidade áudio difere para elementos diversos, dependendo de parâmetros básicos como, por exemplo, o ritmo binário do áudio comprimido ou da sofisticação de diferentes codificadores (mesmo que estes trabalhem com o mesmo conjunto de parâmetros básicos). Existem alguns elementos típicos passíveis de causar erros associados aos codificadores perceptivos de áudio. Os codificadores perceptivos, quando trabalham a ritmos binários reduzidos ou com parâmetros errados podem exibir deficiências sonoras que são na maioria dos casos diferentes do ruído ou distorções características a que estamos habituados. Isto deve-se ao modo como o codificador trabalha: o erro introduzido para uma resolução de frequência elevada é melhor modelado por um erro variante ao longo do tempo para certas frequências, mas não limitado às harmónicas do sinal musical. O sinal pode soar: distorcido, mas não como distorções de harmónicas; com ruído, mas com ruído introduzido apenas numa gama específica de frequências; irregular, sendo este irregular na maioria dos casos subjectivo pois o erro altera as suas características a cada 20ms Perda de Largura de Banda Quando um codificador não tem bits para codificar um bloco de dados musicais com a fidelidade necessária dentro dos limites do ritmo binário disponível, algumas linhas de frequência podem ser apagadas (a valer zero). Na maioria dos casos em que esta situação se verifica, o conteúdo de uma linha de frequência elevada é perdido. Se a perda de largura de banda não for constante, mas mudando de trama para trama (por exemplo, a cada 24ms), o efeito torna-se mais evidente que no caso de uma redução constante da largura de banda Pré-ecos Os pré-ecos são uma razão muito comum para distorções ou erros nos sistemas de codificação perceptivos para resolução

7 de alta frequência. O ruído é espalhado ao longo de algum tempo mesmo antes da ocorrência do evento musical que o causa. Quando se codifica na frequência um bloco de amostras onde um silêncio seja seguido de um sinal forte, a síntese do sinal pode alterar significativamente a parte do silêncio (de forma mais ou menos intensa, consoante a quantificação). Para limitar este fenómeno, podem usar-se janelas de amostras com dimensão variável que o codificador escolhe consoante as características do sinal a codificar. Figura 4: Exemplo de um pré-eco. A Curva de baixo (energia do sinal de ruído) mostra a forma na janela de análise Irregularidade, Double-speak Especialmente a baixos ritmos binários e a baixas frequências, existe um desfasamento entre a resolução temporal do codificador e os requisitos para seguir a estrutura temporal de alguns sinais. Este efeito é mais perceptível para sinais de voz e quando se ouve em auscultadores. O efeito tem o nome de double-speak pois uma única voz soa como se a mesma gravação fosse feita duas vezes e sobreposta. AAC tem uma tecnologia, denominada Temporal Noise Shaping (TNS) que fornece camuflagem de ruído no domínio do tempo e, consequentemente, melhora a resolução temporal do banco de filtros. [7] 9. FORMATO DO FICHEIRO Para além de definir uma representação dos dados áudio, a norma MPEG define também como é que o áudio codificado é incluindo num bitstream, com informação suficiente sobre sincronização e cabeçalho para um descodificador concretizar uma descodificação apropriada sem precisar de mais nenhuma informação adicional MPEG-1/2 Layer-3 Formato do Cabeçalho MPEG-1/2 define um cabeçalho obrigatório que está presente em todas as tramas (em cada 24ms numa frequência de amostragem de 48 khz). Contém, entre outras coisas, os seguintes dados: Palavra de Sincronização Ao contrário de outras normas, a palavra de sincronização pode também ocorrer dentro dos dados áudio. Como tal uma rotina de sincronização apropriada deve verificar se existem uma ou mais palavras de sincronização na distância correcta e deve re-sincronizar completamente apenas se não existirem mais palavras de sincronização na distância certa (de acordo com o ritmo binário e a frequência de amostragem). Ritmo Binário O ritmo binário é sempre dado para o stream de áudio completo e não para cada canal. No caso da camada 3, a alteração do ritmo binário pode ser dinâmica (codificação VBR). Frequência de Amostragem Isto permite ao descodificador hardware (ou software) alterar a sua frequência de amostragem, como 32 khz, 44.1 khz ou 48 khz (no caso do MPEG-1). Camada O cabeçalho contém informação referente à camada em causa (bitstream 1, 2 ou 3) e sobre se a codificação para frequências de amostragem baixas é MPEG-1 ou MPEG-2. Modo de Codificação Permite diferenciar entre codificação mono, dual mono, stereo ou join stereo coding. Protecção contra Cópia Cada cabeçalho contém dois bits SCMS (Serial Copy Management Scheme). No entanto, como é bastante fácil manipular estes bits via software, esta forma de protecção não tem grande vantagem MPEG-2 AAC Formato do transporte áudio Enquanto no MPEG-1 o formato de áudio básico e a sintaxe de transporte para a sincronização e para os parâmetros de codificação são inseparáveis, na norma MPEG-2 AAC são definidos ambos, mas a escolha da sintaxe de transporte do áudio é deixada ao critério da aplicação. A norma define dois exemplos para o transporte de dados de áudio: ADIF (Audio Data Interchange Format) O controlo de dados é passado para o descodificador (como frequência de amostragem, modo de operação, etc.) num único cabeçalho que precede o stream áudio. Isto é útil para partilha de ficheiros, mas não permite a descodificação a partir de qualquer ponto no tempo (como no formato MPEG-1). ADTS (Audio Data Transport Stream) Formata pacotes de dados AAC para tramas com cabeçalhos muito semelhantes ao formato do

8 Tabela 2 - Custos de licenciamento de MP3 e AAC cabeçalho MPEG-1/2. O AAC é sinalizado como Layer-4 do MPEG Audio. Ao contrário da camada 3, o ritmo das tramas é variável, contendo sempre os dados áudio para uma trama completa entre duas ocorrências da palavra de sincronização. O ADTS também permite o começo da descodificação no meio de um bitstream áudio. Este formato tornou-se normativo para um grande número de aplicações que usa o AAC. 10. CUSTOS DE LICENCIAMENTO O MP3 tem a vantagem de ter um suporte praticamente universal em termos de dispositivos electrónicos e software; o AAC tem a vantagem de alguma melhoria da qualidade áudio para o mesmo ritmo binário. Por outro lado, o MP3 cobra royalties por distribuição electrónica de música, enquanto o AAC não cobra royalties por distribuição [4]. A Tabela 2 tem como objectivo efectuar uma comparação entre MP3 e AAC. Os preços de licenciamento para AAC estão explicados em muito maior detalhe. Um produto para profissionais é um produto tipicamente usado para um ambiente de produção ou dentro do contexto de um sistema de distribuição (por exemplo, codificadores broadcast, aplicações de workstation). Em produtos para consumidores, incluem-se produtos como telemóveis, aplicações para criar e gerir bibliotecas pessoais de música digital, leitores áudio portáteis, leitores DVD, ou receptores de canais de televisão. [9] De uma maneira geral, pode-se concluir que o AAC é relativamente mais barato que o MP3, principalmente por não cobrar royalties pela distribuição electrónica de música. [5][6] são as primeiras a nível internacional no campo da compressão digital áudio de alta qualidade. O MP3 cobre a codificação de sinais áudio estereofónicos a altas frequências de amostragem com qualidade transparente (isto é, com perdas de informação imperceptíveis ao ouvido humano). Adicionalmente, o MPEG-2 também oferece codificação multi-canal com e sem compatibilidade inversa para MPEG-1 (e MP3), fornecendo uma imagem acústica melhorada para aplicações exclusivamente áudio e para sistemas de televisão e vídeo-conferência. A codificação áudio MPEG-2 sem compatibilidade inversa (AAC) oferece as taxas de compressão mais elevadas. 12. REFERÊNCIAS [1] Karlheinz Brandenburg, MP3 and AAC explained, Fraunhofer Institute for Integrated Circuits FhG-IIS A, Erlangen, Germany, pp. 1 [2] Thomson Consumer Electronics, mp3 licensing, About mp3, endereço: [3] Miroslava Raspopovic, Design of Perception Based Audio Codec Final Report, University of Massachussets Lowell, Department of Electrical Engineering, 25 de Maio de 2001 [4] Sonic: Compression, an audio compression resource, endereço: [5] Thomson Consumer Electronics, Royalty Rates, mp3 licensing, endereço: [6] Via Licensing, MPEG-4 AAC License Fees, endereço: duct=mpeg-4aac [7] K. Brandenburg, H. Popp, An introduction to MPEG Layer- 3, Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS), EBU technical review, Junho 2000 [8] Stephen Bunting, A subjective comparison of MPEG-4 AAC codecs, 4B Technical Project 2004/05 [9] Fernando Pereira Gravação Digital de Vídeo (Português), Instituto Superior Técnico, pp CONCLUSÃO O grupo MPEG desenvolveu uma série de normas audiovisuais conhecidas como MPEG-1 e MPEG-2, nas quais se incluem o MP3 (MPEG-1 Audio Layer3) e o AAC (Advanced Audio Coding), respectivamente. Estas normas

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