Digitalizace akustického signálu
Počítačové zpracování reči
Luděk Bártek
Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno
podzim 2016
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Q Digitalizace akustického signálu o Vzorkovaní
• Kvantizace
• Kódovaní průběhu vlny
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Digitalizace zvuku
9 Cíl - převod spojitého signálu na posloupnost digitálních hodnot vhodných pro uchování v počítači.
• Postup digitalizace:
O Vzorkování - převod reálných vstupních hodnot na posloupnost
diskrétních reálných čísel. Q Kvantizace - převod posloupnosti reálných čísel na posloupnost
celých čísel.
O Kódování - způsob uložení a kódování posloupnosti celočíselných hodnot získaných v kroku 2.
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Vzorkování
• Transformace spojitého časové závislého signálu s(t) na časově diskrétní posloupnost sn(T) = 0, 1, 2, ...
• T - perioda vzorkování.
• Pokud nemá dojít ke ztrátě informace, musí být vzorkovací frekvence aspoň dvojnásobkem nej vyšší frekvence, která je signálu obsažena.
• Po čase T je sejmuta a dána na výstup (ke kvantizaci) hodnota ze vstupního snímače.
• většinou okamžitá úroveň napětí nebo proudu na vstupu. o Oblasti použití
• digitální zpracování zvuku
• audio CD
• mp3 - navíc použita ztrátová komprese
• miniDisc - navíc použita ztrátová komprese ATRAC
• DAT
• ...
digitální zpracování signálu obecně (digitalizace dat z různýc analogových měřících zařízení, digitální zpracování obrazu, . .
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu	Vzorkování Kvantizace Kódování průběhu vlny
Ukázka digitalizovaného signálu	
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
• Analogový signál s(t) lze rekonstruovat z hodnot vzorků sn(T) následovně:
právě tehdy když je vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nej vyšší frekvence obsažené ve vstupním signálu.
9 Důsledky:
9 Vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvojnásobkem nej vyšší frekvence vstupního signálu.
• Je-li menší dochází ke zkreslení složek vyšších frekvencí.
• Spor příznivců a odpůrců audio CD - je 44kHz dostačující vzorkovací frekvence pro hudbu?
n=—oo
n)
"))
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Kvantizace
• Převod reálných navzorkovaných hodnot na celočíselné hodnoty.
• Počet celočíselných hodnot = počet úrovní kvantování
• 256
• 65 536
• 16 777 216
• Kvantizační krok - reálný interval přiřazený kvantizované jednotce.
• Na vstupu je signál s amplitudou 128 mA (-128 - 127 mA). 8bitová kvantizace - 256 kvantizačních úrovní
• kvantizační krok = 25^^ = 1[at7/4].
• Běžně používané kvantizace - 8, 16, 24, 32 bitů.
• Realizováno pomocí A/D převodníků
• součást zvukových karet
• mobilních telefonů
• ...
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Běžně používané parametry digitalizace zvuku
9 Vzorkovací frekvence:
• 8 kHz - telefonní kvalita
• 16 kHz - běžná řeč
• 22 kHz - rozhlasová kvalita
• 44 kHz - audio CD
• 48 kHz - DVD
• Kvantizace:
• 8 bitů
• 16 bitů
• 24 bitů
• 32/64 bitů v pohyblivé řádové čárce
• Počet audio kanálů
• 1
• 2
• 4
• 6 (5.1, 5 směrových kanálů + basy)
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Způsoby kódování signálu
PCM - přímé ukládání hodnot získaných kvantizací.
• Výhody - jednoduché na zpracování, nedochází k další ztrátě informací.
• Nevýhody:
• často malé rozdíly mezi hodnotami sousedních vzorků -značná redundance dat,
• konstantní hodnota kvantizačního kroku (závisí na parametrech AD převodníku) - v případě malé amplitudy vstupního signálu - ztráta informace (signál nepřekročí kvantizační krok), v případě velké amplitudy - hodnota překročí rozsah - zkreslení signálu. Oba případy brání kvalitní rekonstrukci původního signálu.
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
	Vzorkování
Digitalizace akustického signálu	Kvantizace
	Kódování průběhu vlny
Kódování průběhu vlny	
Řešení nevýhod PCM	
• Diferenční PCM
• Uchovávání rozdílů sousedních vzorků místo uchovávání jejich hodnot.
Hodnota rozdílu bývá podstatně menší než hodnota vzorku -lze uchovat pomocí méně bitů.
• Adaptivní PCM
• Kvantizační krok se určuje na základě amplitudy vstupního signálu.
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči