Digitalizace akustického signálu
Počítačové zpracování řeči
Luděk Bártek
Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno
podzim 2019
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Q Digitalizace akustického signálu
• Vzorkování
• Kvantizace
o Kódování průběhu vlny
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu
Kódování průběhu vlny
• 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/reálných čísel. O Kódování - způsob uložení a kódování posloupnosti hodnot
získaných v kroku 2.
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu
Kódování průběhu vlny
• Transformace spojitého časové závislého signálu s(t) na časově diskrétní posloupnost sn(T) = 0, 1,2, ...
• T - perioda vzorkování.
9 Pokud nemá dojít ke ztrátě informace, musí být vzorkovací frekvence aspoň dvojnásobkem nejvyšší 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.
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
digitální zpracování zvuku o audio CD
• mp3 - navíc použita ztrátová komprese
• miniDisc - navíc použita ztrátová komprese ATRAC
• DAT
• ...
digitální zpracování signálu obecně (digitalizace dat z různých analogových měřících zařízení, digitální zpracování obrazu, ...)
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Shannonův vzorkovací teorém
Analogový signál s(t) lze rekonstruovat z hodnot vzorků sn(T) následovně:
s(t)    t Sn(Tf^l
n=—oo v / J
právě tehdy když je vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené ve vstupním signálu. Důsledky:
• Vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvojnásobkem
nejvyšší frekvence vstupního signálu. 9 Je-li menší dochází ke zkreslení složek vyšších frekvencí, o Spor příznivců a odpůrců audio CD - je 44kHz dostačující
vzorkovací frekvence pro hudbu?
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu Kvantizace
Kódování průběhu vlny
• Převod reálných navzorkovaných hodnot na celočíselné hodnoty.
o 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). o 8bitová kvantizace - 256 kvantizačních úrovní
• kvantizační krok = = 1 [mA].
o Běžně používané kvantizace - 8, 16, 24, 32 bitů.
• Realizováno pomocí A/D převodníků
• součást zvukových karet
• mobilních telefonů
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Běžně používané parametry digitalizace zvuku
• 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
9 6 (5.1, 5 směrových kanálů + basy)
Luděk Bártek
Počítačové zpracování řeči
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu
• PCM - přímé ukládání hodnot získaných kvantizací.
o Výhody - jednoduché na zpracování, nedochází k další
ztrátě informací. • Nevýhody:
• často malé rozdíly mezi hodnotami sousedních vzorků -značná redundance dat,
o 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
Kódování průběhu vlny
Řešení nevýhod PCM
o Diferenční PCM
9 Uchovávání rozdílů sousedních vzorků místo uchovávání jejich hodnot.
o 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