Codificación de audio MPEG...2020/03/31 · Se utilizan códigos de Huffman para codificar las...
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Codificación de audio MPEG
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Codificación de audio MPEG
¿Qué es el sonido?
La sensación detectada por el oído y procesada por el cerebro
Una perturbación en el aire
Propiedades físicas del sonido
Amplitud Frecuencia Velocidad
Características del sistema auditivo
La sensibilidad del oído es logarítmico respecto a la frecuencia Varía con la frecuencia La discriminación en frecuencia es de 2Hz (a 1kHz) Cambios de intensidad por encima de 1dB son detectados El oído humano es sensible a frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz Existen una conjunto de bandas críticas en frecuencia. Algunos
fenómenos perceptivos son consistentes con las existencia de estas bandas. Por ejemplo, la percepción de una señal en presencia de otra da diferentes resultados si ambas están en una misma banda crítica o no.
Introducción al estándar de compresión de audio MPEG-1
Es un estándar genérico para la compresión de audio.– No hace ninguna hipótesis respecto a la fuente de
audio. Puede ser: voz, música, etc.– Explota las características de sistema auditivo para
eliminar componentes perceptualmente irrelevantes (que no son percibidas) y de esta forma reducir la cantidad de información.
– Puede codificar cualquier señal que deba ser escuchada por el oído humano.
Características de la compresión de audio MPEG-1
Las frecuencias de muestreo son: 32, 44.1 y 48 kHz Cuatro modos de codificación
– Monofónico– Doble Monofónico (dos canales independientes)– Estéreo– Estéreo conjunto (usa la correlación entre los dos canales)
Soporta bitrates desde 32 kbps a 224 kbps que equivalen a una factor de compresión entre 24 y 2.7.
Características de la compresión de audio MPEG-1: Modos de compresión
Capa 1 (MP1)– Es la más simple. – Funciona bien con bitrates mayores 128 kbps– Ejemplo: Philips Digital Compact Cassette (DCC) 192 kbps
Capa 2 (MP2)– Complejidad intermedia– Pensada para 128 kbps por canal
Capa 3 (MP3)– La más compleja pero de mejor calidad de audio– Funciona correctamente alrededor de 64 kbps por canal
Estructura del codificador
Calcula las partes perceptualmente irrelevantes del sonido de entrante
Pasa el sonido PCM de entrada al dominio de la frecuencia
dividiéndolo en 32 subbandas
Aloja bits a cada subbanda de acuerdo al
modelo psicoacústico
Genera el bitstream de salida en formato MPEG
El Filtro Polifase 1
Es común a los tres modos de codificación Divide a la señal de audio en 32 bandas frecuenciales
de igual ancho La descomposición tiene buena resolución temporal y
razonable definición frecuencial Se utiliza una ventana de 512 muestras para el
procesamiento. Se utiliza un buffer de 512 muestras y en cada ciclo de
introducen 32 nuevas muestras
El Filtro Polifase 2: Ejemplo de codificación en subbandas
SubmuestreoFiltrado
Q
Q
Q
Cuantificación Multiplexado
16x48kHz =768 kbps 16x3x48kHz=2304 kbps
16x3x16kHz=768 kbps
“El truco es elegir donde gastar los bits”Aumentó del bitrate!!!
16x16kHz + 8x16kHz + 4x16kHz=448 kbps !!!
El Filtro Polifase 3
La salida para subanda i es:
Se puede escribir como:
511
0
][][][n
i nHntxiS
]64[]64[]][[][63
0
7
0
jkXjkCkiMiSk j
64
)16)(12(cos]][[ kikiM
Ventana de análisis
Muestras
Coeficientes del filtro de análisis
64
)16)(12(cos][][ ninhnHi
El Filtro Polifase 4
1. Se enventana la señal
3. Cálculo parcial
6. Se calculan las 32 subbandas
511,...,0 ][][][ iiXiCiZ
63,...,0 ]64[][7
0
ijiZiYj
63
0
]][[][][k
kiMiYiS
El Filtro Polifase 5
El Filtro Polifase 6: h[n]
El Filtro Polifase 7: Problemas
El proceso no es reversible sin pérdidas Existe solapamiento entre las diferentes bandas Las bandas no se corresponden con las bandas críticas
A baja frecuencia una banda crítica es cubierta por varias subbandas
Psicoacústica
La compresión se basa en la eliminación de información perceptualmente irrelevante.
Es decir en la incapacidad del sistema auditivo para detectar los errores de cuantificación en condiciones de enmascaramiento.
El enmascaramiento ocurre cuando la presencia de una señal “fuerte” hace que una señal “más débil” cercana, en frecuencia o en el tiempo, no sea percibida.
Se sabe que la resolución del sistema auditivo es limitada y dependiente de la frecuencia. Esta dependencia con la frecuencia se puede formular en función de las bandas críticas.
Las bandas críticas tiene un ancho de unos 100 Hz a bajas frecuencias y 4000 Hz en altas frecuencias.
Psicoacústica 1
En función de la existencia de las bandas críticas, el umbral de detección del ruido de cuantificación depende únicamente de la potencia de la señal en un entorno de la misma.
El estándar MPEG divide la señal en bandas de frecuencia que se aproximan a las bandas críticas, y luego cuantifica cada subbanda en función del umbral de detección del ruido dentro de esa banda.
Psicoacústica 2: Enmascaramiento en frecuencia
Se obtiene haciendo escuchar un tono en silencio. Se aumenta la amplitud hasta que comienza a ser audible.
Se fija un tono enmascarador de cierta amplitud (ejemplo 1kHz 60 dB). Para cada tono de test cercano se aumenta la amplitud hasta que sea apenas audible y así se define el umbral de enmascaramiento.
Psicoacústica 3: Enmascaramiento en el tiempo
Si escuchamos un sonido fuerte demoramos unos segundos en poder detectar sonidos más débiles.
Premasking Postmasking
El modelo psicoacústico
El modelo psicoacústico analiza la señal de audio y calcula la cantidad de ruido que se puede introducir en función de la frecuencia.
Esto es equivalente a decir que calcula la “cantidad de enmascaramiento” en función de la frecuencia.
El codificador usa esta información para decidir la mejor manera de gastar los bits disponibles.
El estándar provee dos modelos psicoacústicos de diferente complejidad.
El modelo psicoacústico: 1) Representación frecuencial
Utiliza una representación frecuencial diferente al filtro polifase dado que requiere mayor resolución en frecuencia para poder calcular los umbrales de enmascarameinto. Utiliza la transformada de Fourier.
El modelo I utiliza 512 muestras y el modelo II utiliza 1024 muestras.
El modelo psicoacústico: 2) Separación tonal – no-tonal
Se separan las componentes espectrales en tonales y no-tonales dado que el fenómeno de enmascaramiento es diferente en cada caso.
– El modelo I identifica los componentes tonales mediante la detección de los picos en el espectro. Luego junta todo el resto y los etiqueta como componentes no-tonales dentro de cada banda crítica.
– El modelo II define un índice de tonalidad en función de la frecuencia. Luego se usa este índice para interpolar entre tono enmascarando ruido y ruido enmascarando tono.
El modelo psicoacústico: 3) Cálculo de los umbrales de enmascaramiento
En función de los umbrales calculados para las bandas críticas se deben extraer umbrales para cada subbanda.
Los modelos I y II implementan diferentes técnicas. Esencialmente buscan el umbral mínimo en cada
subbanda. En función de estos umbrales se calcula la relación
señal/enmascaramiento. – (Energía de la señal)/(umbral mínimo de la subbanda)
El modelo psicoacústico: Ejemplo
Señal original en frecuencia
Umbral de enmsacaramiento sin umbral absoluto y con umbral absoluto
-El umbral absoluto aumenta el umbral de enmsacaramiento en altas frecuencias,
-La sinusoide enmascara las frecuencias adyacentes.
Relación señal/enmascaramiento
Se puede aumentar el ruido de cuantificación
MPEG Layer 3: MP3
Mejora los resultados del filtro polifase mediante la utilización de una transformada MDCT (Modified DCT) para mejorar la precisión en frecuencia.
La mejorar resolución frecuencial empeora la resolución temporal (esto introduce problemas de pre-eco que son predecidos y corregidos).
Se utilizan códigos de Huffman para codificar las muestras cuantificadas.
La distribución de los bits se hace en forma iterativa para reducir la cantidad de ruido.
