Digitalizace akustického signálu
Počítačové zpracování řeči
Luděk Bártek
Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno
podzim 2023
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.
a 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
o
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu
• digitální zpracování zvuku
© audio CD
• mp3 - navíc použita ztrátová komprese
9 miniDisc - navíc použita ztrátová komprese ATRAC o 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(řHÍ>(T)^
n=—oo
právě tehdy když je vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené ve vstupním signálu. • Důsledky:
9 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
9 ...
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
o 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
Vzorkování
Digitalizace akustického signálu Kvantizace
Kódování průběhu vlny
Způsoby kódování 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,
9 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
a 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