Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Orbis pictus 21. století Komprese digitálního televizního TV signálu Přednáška č.2 Obor: ElektriářRočník:3.Vypracoval:Ing. Ladislav Polák, doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. OB21-OP-EL-ELZ-KRAT-U-3-006 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3. OBSAH • Komprimace audia • Psychoakustický model lidského sluchu • Subpásmové a transformační kódování • Nejznámější komprimační metody používané pro kompresi audio signálu

4. Komprimace zvukového signálu Samotný obraz by dnes už divákům nestačil, a tak ho musí doprovodit i zvuk. Také audio se musí oprostit od nepotřebnosti, které by zbytečně prodlužovaly jeho přenos. Zvuk prochází podobnou procedurou jako před ním obraz. Lidský sluch má dynamický rozsah cca 140 dB a pásmo slyšení do cca 20 kHz. Vzorkovací frekvence 48 kHz a 16 bitová kvantizace vede k datovému toku 786 kbit/s na kanál (1.5 Mbit/s pro stereo signál). Úkolem následné komprimace je redukce datového toku audio signálu na (100 - 400) kbit/s.

5. Psychoakustický model sluchu Pro komprimaci audio signálu se opět využívá nedokonalost lidského sluchu, kterou je tentokrát psychoakustický maskovací jev. Velmi zjednodušeně se dá popsat tak, že určitý tón o určité intenzitě překryje slabší tóny, které pak buď nevnímáme, nebo nás jen ruší. Intenzivnější tón by měl zamaskovat tóny slabší. Celý proces je navíc ohraničen prahem slyšitelnosti, za který se obecně považuje pásmo 20 Hz až 20 kHz. Práh slyšitelnosti je u každého člověka trošku jiný a určuje, jak slyšíme určité frekvence.

6. Subpásmové kódování Všechny kompresní metody pro audio jsou založeny na psychoakustickém modelu a využívají nedokonalosti lidského sluchu k odstranění irrelevance a redundance dat z audio signálu (v DVB komprese MPEG-1 nebo MPEG-2). Subpásmové kódování MPEG Layer I, II Audio signál prochází bankou 32 filtrů (subpásmo šířky 750 Hz). Každý kanál obsahuje zvláštní kvantizér, který je řízený blokem FFT a psychoakustickým modelem. Kvantizér může úplně potlačit pásmo nebo snížit počet kvantizačních hladin. Kvůli rozdílnému prahu slyšitelnosti v každém pásmu lze provést pro každé pásmo rozdílnou alokaci počtu bitů a kvantizaci.

7. Blokové schéma subpásmového kódování zvuku

8. Transformační kódování Transformační kódování v MPEG Layer III a Dolby Digital AC-3 Transformační kódování nepoužívá banku filtrů pro subpásmové kódování. Rozdělení audio vzorků ve spektrální oblasti je ovlivněno pomocí DCT nebo MDCT (modifikovaná). Audio signál je zpracován tak, aby bylo získáno 256 nebo 512 spektrálních vzorků a ve stejné chvíli probíhá FFT spektrální analýza s vysokým frekvenčním rozlišením. Řízením pomocí psychoakustického modelu jsou spektrální vzorky audio signálu získané MDCT transformací podrobeny jemnější nebo hrubější kvantizaci nebo úplnému potlačení. Metoda nabízí vyšší frekvenční rozlišení než metoda subpásmového kódování.

9. Blokové schéma transformačního kódování Při kódování vícekanálového audia je nejdříve odstraněna irelevance mezi jednotlivými kanály. Všechny audio kanály jsou analyzovány a je zjišťována jejich vzájemná korelace. Ta je následně odstraněna a to tak, aby celkový dojem z vícekanálového zvukového doprovodu nebyl narušen.

10. Nejznámější komprimační metody používané pro kompresi audio signálu1/2 • MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) Je formát ztrátové komprese zvukových souborů, založený na kompresním algoritmu MPEG. Při zachování poměrně vysoké kvality umožňuje zmenšit velikost hudebních souborů v CD kvalitě přibližně na desetinu, u mluveného slova však dává výrazně horší výsledky. MP3 se snaží odstranit redundanci zvukového signálu na základě psychoakustického modelu. Využívá se principů časového a frekvenčního maskování. Komprese zvuku podle standardu MPEG-1 obsahuje 3 vrstvy, jež se liší kvalitou a obtížností implementace.Formát MP3 se stal oblíbeným při uchovávání a přehrávání hudby na počítačích, vyrábí se stolní a přenosné přehrávače tohoto formátu.

11. Nejznámější komprimační metody používané pro kompresi audio signálu2/2 • FLAC (Free Lossless Audio Codec) Je otevřený zvukový bezeztrátový kodek. FLAC není založen na principu odebrání částí „údajně neslyšitelných a překrývajících se zvuků“, jako formát MP3. FLAC je schopen jedno CD stlačit na zhruba 250-280 MB, při zachování absolutně identického zvuku. V blízké budoucnosti se předpokládá, že FLAC nahradí formát MP3 z 1. pozice nejpoužívanějších kodeků pro kompresi audio signálů.

12. Nejznámější kodeky

13. Použitá literatura • Vít, V. Televizní technika – přenosové barevné soustavy. BEN – technická literatura, Praha, 1997. • Fischer, W. Digital Video and Audio Broadcasting Technology. A practical Engineering Guide. Springer, 2009. • Reimers, U. DVB. The Family of International Standards for Digital Video Broadcasting.Springer, 2005. • www.tvfreak.cz – informační server ze světa digitální video a audio techniky • www. wikipedia.org – internetová encyklopedie

14. Děkujeme Vám za pozornost Ladislav Polák, Tomáš Kratochvíl Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky