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Fundamentos de udio

Sistemas Telemticos

Ano Lectivo 2002/2003LESI

Grupo de Comunicaes por Computador

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Sumrio

Sistema de Audio Humana

Fsica do Som

Gravao e Reproduo Analgica Sim Digital

Compresso udio Mtodos de compresso simples MPEG

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Materias utilizados

Dr. Ze-Nian Lis course material at:http://www.cs.sfu.ca/CourseCentral/365/li/

MPEG Audio:http://www.mpeg.org/MPEG/audio.html

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A fsica do Som

Audio Humana O nosso sistemaauditivo converteenergia sonora em

energia mecnica paraum impulso nevorso que transmitido para ocerbro.

O ouvido tem trspartes: externa, mdia einterna.

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A fsica do Som

Audio humanaO ouvido externoO ouvido externo

O ouvido externo compreende opavilho auricular e o meato acsticoexterno. O pavilho capta os sons,tendo papel importante na localizaoespacial da fonte sonora,

extremamente importante paraouvirmos em ambientes ruidosos. Omeato acstico externo conduz ossons at a membrana timpnica.

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A fsica do som

Audio humanaOuvido internoOuvido interno

Serve para transformar aenergia sonora emvibraes internas doestrutura ssea da orelhamdia

As vibraes sotransformadas em ondasde compresso

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A fsica do som

Audio Humana O ouvido mdio compreende a

membrana timpnica, a cadeia deossculos (martelo ,bigorna e estribo) e

os espaos areos do osso temporal,particularmente o antro mastide e asclulas mastideas adjacentes.

O ouvido mdio desempenha o papel

de um transformador, que evita aperda de energia das ondas sonoras aopassar de um meio gasoso (ar) a ummeio lquido (a perilinfa da orelha

interna).

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A fsica do som

Audio HumanaO ouvido internoO ouvido interno

Serve para transformar aenergia da onda decompresso num fludointerno do ouvido emimplusos do nervo no

fludo interno quepodem ser transmitidoao crebro

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Efeito de dissimulao

Quando um som forte numa determinadafrequncia estimula os pelos da cclea

As frequncias prximas no so ouvidas casosejam menos significativas (de menoramplitude)

Apesar do nosso ouvido captar uma certa

amplitude de frequncias, parte delas no soprocessados por causa do processo de masking

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Termos e Conceitos bsicosNo mbito do nosso sistema de audio

Sensibilidade s frequncias Mais sensveis de 1-3 KHz

Directividade De onde nos chega determinado som?

0.2-3kHz

Dissimulao (masking) temporal Tambm acontece no domnio dos tempos

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A fsica do som

Ondas sonoras Uma onda mecnica uma perturbao que

viaja atravs dum meio transportando energiadum local para outro.

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A fsica do som

Ondas sonoras Uma onda produz reas de alta e baixa presso

Quando a onda de alta presso atinge o timpano ele

move-se para dentro Quando a onda de baixa presso atinge o timpano ele

move-se para fora.

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A fsica do som Ondas sonoras

A amplitude o mximo deslocamentopositivo.

Quanto maior a amplitude mais alto som medido em decibis (db)

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A fsica do som

Ondas sonoras O comprimento de onda (wavelength) a

distncia entre dois pontos adjacentes na onda

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A fsica do som

Ondas sonoras A frequncia da onda o nmero de comprimentos

de onda por ciclo (normalmente um segundo)

medida em Hertz (ondas por segundo)

Quanto maior a frequncia maior o tom

0 secs time 1 sec

1 wave 2 waves

2 Hz

t

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Representao do som

Domnio do tempo Representao da variao da amplitude do

sinal ao longo do tempo Domnio da frequncia

Representao da amplitude das diferentesfrequncias do sinal num determinadoinstante

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A fsica do somA forma como os humanos se apercebem do somcomo forte ou fraco depende no s da frequnciamas tambm da amplitude (intensidade).

Limiar da audio(1% dos humanos)

Maioria dos humanos(Limiar)

Limiar da dor

Voz Humana

Frequncia Fundamental

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A fsica do som

A gama normal de audio humana entre 20Hze 20000Hz.

Aqui esto vrias frequncias (0 dB) 60 Hz 440 Hz

4000 Hz (-6dB: half power) (+6dB: double power)

13000Hz 20000Hz

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A fsica do som

A percepo do som inclui trs aspectos: Intensidade (amplitude);

Tom (frequncia); e, Timbre

Porqu que o violino e o piano a tocar a mesmanota so to diferentes?

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A fsica do som

Timbre Definido vagamente como tom, cor, textura do

som que permite ao crebro distinguir um tomde outro

Afectado pelas propriedades acsticas doinstrumento e da sala

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Timbre

Formas de onda complexa so construdascombinando um certo nmero de formas de

onda mais simples de diferentes amplitudese frequncias

por esta razo que conseguimos perceber

tons altos e baixos simultaneamente.

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Timbre

O som caracterstico duma forma de onda(produzido por um piano ou um violino) chamado o seu timbre.

O timbre, tambm designado como a cor dumtom, considerado rico ou cheio se o som incluirmuitas frequncias.

Um som duma onda sinusoidal consideradomontono por incluir apenas uma frequncia

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Timbre

As diferentes frequncias dum som,combinadas com as suas amplitudes

variveis, constituem o contedo espectralda forma de onda.

O contedo espectral (um termo maiscientfico para timbre) varia normalmentecom o tempo.

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Timbre

A variao das caractersticas espectrais como tempo para uma forma de onda a

assinatura dum tom que permite a suadescrio com uma string.

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Gravao e Reproduo Analgica

Um microfone converte as mudanas depresso no ar em mudanas na tensoelctrica.

Produz-se um sinal analgico. Se se comparar as mudanas de presso do

ar e as mudanas de tenso elctrica so

bastante similares .

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Para gravar um som com ummicrofone, podemos envi-lo para

uma fita magntica que podeguardar uma rplica do sinalanalgico.

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Para reproduzir a sua gravao necessita dealgo que crie as diferenas de presso no ar deforma ao nosso ouvido poder interpret-lo

como um som, isto um altifalante udio. Os altifalantes funcionam movendo um cone

de uma posio para outra de forma

consistente..

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Para mover o cone para frente e para trs oaltifalante tem que ser alimentado por umacorrente elctrica

Durante a reproduo, o gravador ou o gira-discos geram a corrente que alimenta umamplificador

Quando ligada ao altifalante a corrente permitereproduzir as mudanas de presso sentidas pelomicrofone durante a gravao.

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At recentemente o som era gravado emcomo um sinal analgico numa cassete de

fita magntica ou num disco de vinil. Um problema com este tipo de gravao

a dificuldade de gravar o sinal analgicosem adicionar rudo.

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Quando se copia gravaes analgicas temque se converter a gravao magntica

num sinal elctrico e tornar a gravar o queadiciona ainda mais rudo.

A edio de som em fita linear.

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Digitalizao do Som

Quando se trabalha com audio digital hduas questes que precisam de resposta: Que qualidade necessria? Que dbito de dados pode ser tolerado?

H 3 categoriais de udio digital : Alta fidelidade

Comunicao telefnica Voz compactada

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Digitalizao do Som

udio Digital baseado em dois aspectos: Amostragem (tempo)

Quantificao (nvel)

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Amostragem

O som natural analgico

O som digital digital

Para converso de analgico para digital necessria a amostragem

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Amostragem

Uma gravao analgica (ie fita magntica) baseadano registo da voltagem como padres de magnetizaonas partculas xidas da fita.

Uma gravao digital converte as voltagens emnmeros binrios

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Amostragem

Uma onda analgica pode ser amostrada comum nmero de bits pr-determinado

Isto chamado a resoluo em bits do sistema

Quanto mais bits maior a clareza.

8 bits correspondem a 256 nveis

16 bits correspondem a 65,536nveis, etc..

Ganham-se 6db por cada bit 8 bits 256 nveis = 48 dB, 16 bits 65,536

nveis = 96 dB. Para determinar a gama

dinmica de um sistema, multiplique a

taxa de bits por 6.

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Frequncia de amostragem

A o ritmo de obteno de amostras dum ondaanalgica designada porfrequncia deamostragem

o nmero de amostras obtidas por segundo.

A frequncia de amostragem determina alargura de banda do sistema.

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Frequncia de amostragem Quanto maior for a frequncia de amostragem

maior a possibilidade de capturar as altasfrequncias.

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Frequncia de amostragem Uma onda deve ser amostrada duas vezes para se obter

uma verdadeira representao (Teoria de Nyquist)

A frequncia de amostragem deve ser pelos menos odobro da mais alta frequncia do sinal

Como a gama de audio humana varia de 20 Hz a 20kHz, uma frequncia de amostragem de 44.1 Khzsatisfaz teoricamente as necessidades de audio.

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Frequncia de amostragem

versus armazenamento Quando aumenta a frequncia deamostragem melhora a qualidade daamostra .

Com o aumento da qualidade aumenta aquantidade de espao de armazenamentonecessrio.

Uma velocidade de amostragem de 44.1 kHz comgravao de 16 bit usa aproximadamente 5Mb porminuto. (10Mb para stereo). NOTA: norma CD.

A 22.05 kHz metade.

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Exemplos de amostragem

44.1kHz

22.05kHz

16kHz

8kHz

6Hz

Msica de 35 Segundos

Onda sonora gerada para estes 35 segundos.

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udio de alta fidelidade

O udio Digital apareceu com o CD (CompactLaser Disc)

A superfcie dum CD virgem reflecte (espelhada)

A informao digital armazenada como buracosna superfcie.

Os dados so armazenados com uma nica pistaem espiral desde o interior para fora. Leitura a

1.2 m/s. Dados armazenados a 1 Mbit/mm2

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Mtodos Simples de

Compresso Compresso de silncios Adaptative Diferential Pulse Code

Modulation (ADPCM) CTTITT G.721 --- 16 or 32 Kbits/sec.

Linear Predictive Coding (LPC)

Code Excited Linear Predictor (CELP)

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Modelo Psico-Acstico

Audio e Voz Humana

Sensibilidade da Audio humana

Limiar da Audio Dissimulao na Frequncia

Dissimulao no Tempo

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Limiar da Frequncia

Experincia :Uma pessoa num quarto em silncio. Aumente a intensidade

dum tom de 1 Khz at ele se tornar audvel. Varia afrequncia e v registando

2 4 6 8 10 12 14 16

0

10

20

30

40

bB

Frequency (KHz)

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Dissimulao na Frequncia

Experincia:Coloque um tom a 1 kHz (tom para dissimulao) com uma

amplitude fixa (60 dB). Coloque o tom de teste numa

frequncia (1.1 kHz) e aumente a sua intensidade at sepoder distinguir. Varia a frequncia do tom de teste ecoloque o valor de limiar de audio.

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Frequency Masking (Contd.) Repeat previous experiment for various frequencies of

masking tones

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Temporal Masking Se ouvirmos um som e o pararmos demora tempo

at podermos ouvir um tom prximo na frequncia.

Enuncie a experincia a realizar

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Efeito total da dissimulao:

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MPEGAudio

As duas tcnicas avanadas de codificao udioso baseadas em Codificao de sub-banda (SBC)

Codificao de Transformada Adaptativa A codificao MPEG de Audio

Tem trs camadas independentes de compresso udio Cada um tem o seu codificador SBC

Correspondncia entre Tempo e Frequncia Modelo Psico-Acstico Quatificador

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MPEG Audio

Camada 1 usa codificao de sub-banda

Camada 2 usa codificao de sub-banda com quadrosmaiores e maior nvel de compresso

Camada 3

Usa tanto codificao de sub-banda como detransformada

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MPEG MPEG-1 Audio

Est concebido para tomar um sinal udio de entradaem PCM e dependendo da camada

Amostr-lo a 32, 44.1 ou 48 kHz

Codific-lo de 32 a 192 Kbps por canal udio

MPEG-1 dbito 1.5 Mbit/seg para udio e vdeo

1.2 para vdeo e 0.3 para udio Audio CD no compactado tem 44,100 amostras por

segundo*16 bits/amostra * 2 canais > 1.4 Mbits/seg

Factor de Compresso 2,7 a 24

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MPEG Com compresso 6:1

Amostragem a 48 KHz de 16 bits stereo reduzidas a 256 Kbits/seg Sob condies tptimas de audio, ouvintes experimentados no

conseguem distinguir o clip original e codificado

Suporta um ou dois canais de udio num dos seguintesmodos1. Monofnico um simples canal de udio

2. Monofnico dual 2 canais independentes por ex. Portugus eIngls

3. Stereo para 2 canais stereo que partilham bits mas no usam uma

codificao stereo conjunta4. Juno stereo- tira partido da correlao entre os dois canais

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Algoritmo de Codificao MPEG

Filter intoCritical Bands

(Sub-band filtering

ComputeMasking

(PsychoacousticModel)

Allocate bits(Quantization)

FormatBitStream

InputOutput

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Exemplo de Masking e Quantificao

Banda 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Nvel 0 8 12 10 6 2 10 60 35 20 15 2 3 5 3 1

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MPEG Coding Specifics

AudioSamples

Sub-bandfilter 0

Sub-bandfilter 1

Sub-bandfilter 2

Sub-bandfilter 31

.

.

.

12samples

12samples

12samples

12samples

12samples

12samples

Layer IFrame

Layer II, IIIFrame

.

.

.

.

.

.

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Especificidades da codificao MPEG

Camada 1 do MPEG O filtro aplicado um quadro (12x32 = 384 amostras) de cada vez.

A 48 kHz, cada quadro contm 8ms de som.

Usa a FFT com 512 pontos para obter uma informao espectral

detalhada do sinal (filtro de sub-banda). Usa uma faixa defrequncia igual em cada banda.

Modelo psico-acstico usa apenas o masking na frequncia.

Aplicaes tpicas Gravao digital em tapes, discos que podem suportar um dbito alto.

Melhor qualidade conseguida com dbito de 384kbps.

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Camada 2 do MPEG Usa 3 quadros no filtro (anterior, actual e seguinte com um total

de 1152 amostras). A 48 kHz, cada quadro transporta 24 ms desom.

Modela um pouco o masking temporal.

Usa a FTT com 1024-pontos para uma melhor resoluo nafrequncia. Usa uma faixa de frequncia idntica em cada banda.

Maior qualidade conseguida com um dbito de 256 k bps.

Aplicaes tpicas Difuso udio, TV, Gravao profissional e Multimedia

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MPEG Layer III Usa melhores filtros nas bandas crticas

No usa sub-bandas iguais Uses non-equal frequency bands

O modelo psico-acstico Inclui efeitos de dissimulao temporal

Tira partido da redundncia steero

Codificador de Huffman

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MPEGCamada 3

Codificao da Redundncia Stereo

Codificao da intensidade stereo --- nos canais de frequnciasuperior codificar a soma dos sinais da direita e esquerda em vez

de os considerar de forma independente. Codificao Stereo Middle/Side codificar a soma e a subtrao

dos sinais da esquerda e da direita

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