Digitaalinen audio & video I



Samankaltaiset tiedostot
Digitaalinen audio & video, osa I. Johdanto. Digitaalisen audion sovellusalueet. Johdanto. Taajuusalue. Psykoakustiikka. Johdanto Digitaalinen audio

Digitaalinen audio & video, osa I

Digitaalinen Audio & Video I

Mitä on multimedia? Multimedia. Jatkuva-aikainen media. Yleisimmät mediatyypit. Jatkuvan median käsittelyvaiheet. Interaktiivuus

Multimedia. Mitä on multimedia? Mediatyypit. Siirtoformaatit. + Teksti + Grafiikka + Audio + Kuva + Video. Petri Vuorimaa 1

Mul$media. Jyry Suvilehto Alkuperäiset kalvot Petri Vuorimaa

Multimedia. Mitä on multimedia? Mediatyypit. Siirtoformaatit. Teksti Grafiikka Audio Kuva Video

Digitaalinen media. Petri Vuorimaa

Multimedia. Petri Vuorimaa

AV-muotojen migraatiotyöpaja - ääni. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

T DSP: GSM codec

Johdanto tieto- viestintäteknologian käyttöön: Äänitystekniikka. Vfo135 ja Vfp124 Martti Vainio

Multimedia. Mitä on multimedia? Mediatyypit. Teksti Grafiikka Audio Kuva Video

1. Perusteita Äänen fysiikkaa. Ääniaalto. Aallonpituus ja amplitudi. Taajuus (frequency) Äänen nopeus

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Kuvan pakkaus JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

1 Diskreettiaikainen näytteistys. 1.1 Laskostuminen. Laskostuminen

Puheenkoodaus. Olivatpa kerran iloiset serkukset. PCM, DPCM ja ADPCM

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

Dynamiikan hallinta Lähde: Zölzer. Digital audio signal processing. Wiley & Sons, Zölzer (ed.) DAFX Digital Audio Effects. Wiley & Sons, 2002.

Yleistä. Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet. Tentit. Kurssin hyväksytty suoritus = Harjoitustyö 2(2) Harjoitustyö 1(2)

Successive approximation AD-muunnin

Kuulohavainnon perusteet

Kanavointi ja PCM järjestelmä

Ongelma 1: Onko datassa tai informaatiossa päällekkäisyyttä?

Mono- ja stereoääni Stereoääni

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Matlab-tietokoneharjoitus

Laskuharjoitus 4 ( ): Tehtävien vastauksia

puheen laatu kärsii koodauksesta mahdollisimman vähän. puhe pakkautuu mahdollisimman pieneen määrään bittejä.

11. kierros. 1. Lähipäivä

Juha Henriksson. Digitaalinen äänentallennus Dr. Juha Henriksson Finnish Jazz & Pop Archive

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

Tiedonkeruu ja analysointi

Synteesi-analyysi koodaus

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Spektri- ja signaalianalysaattorit

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Kompleksiluvut signaalin taajuusjakauman arvioinnissa

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 14. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 14 () Numeeriset menetelmät / 55

ELEC-C Sovellettu digitaalinen signaalinkäsittely. Äänisignaalien näytteenotto ja kvantisointi Dither Oskillaattorit Digitaalinen suodatus

Videotekniikka. Videosignaali Kamerasensorit Värioppi Väritelevisio Laitteisto. Petri Vuorimaa 1

Tietoliikennesignaalit & spektri

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Tiedonkeruu ja analysointi

AV-muotojen migraatiotyöpaja - video. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Mitä on signaalien digitaalinen käsittely

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja. Laboratoriotyö 3 A/D- ja D/A-muuntimet

Digitaalinen audio

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Radioamatöörikurssi 2017

Radioamatöörikurssi 2016

Spektrianalysaattori. Spektrianalysaattori

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

SGN-4200 Digitaalinen audio

Kanavointi ja PCM järjestelmä. Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle

A/D-muuntimia. Flash ADC

LUT CS20A0650 Meluntorjunta 1. Tsunamin synty LUT CS20A0650 Meluntorjunta

5 Akustiikan peruskäsitteitä

Numeeriset menetelmät

Liitännät ja lisälaitteet

KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Tiedonkeruu ja analysointi Panu Kiviluoma

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Äänen laadun parantaminen puheensiirrossa keinotekoisella taajuuskaistan laajennuksella

Virheen kasautumislaki

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Tuntematon järjestelmä. Adaptiivinen suodatin

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

SGN Signaalinkäsittelyn perusteet Välikoe Heikki Huttunen

Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Äänen eteneminen ja heijastuminen

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

Organization of (Simultaneous) Spectral Components

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93

Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tiedonsiirron perusteita. Tiedonsiirron rakenneosat

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Kapeakaistainen signaali

PSYKOAKUSTINEN ADAPTIIVINEN EKVALISAATTORI KUULOKEKUUNTELUUN MELUSSA

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

Kohina. Havaittujen fotonien statistinen virhe on kääntäen verrannollinen havaittujen fotonien lukumäärän N neliö juureen ( T 1/ N)

T Sähkömittaustekniikka

Transkriptio:

Digitaalinen audio & video I Johdanto Digitaalinen audio + Psykoakustiikka + Äänen digitaalinen esitys Digitaalinen kuva + JPEG 1

Johdanto Multimediassa hyödynnetään todellista ääntä, kuvaa ja videota Lähteet on ensin muutettava signaaleiksi mikrofoni, kamera, videokamera Analogiset signaalit on muunnettava digitaalisiksi näytteistys, A/D-muunnos Usein informaatio halutaan vielä pakata 2

Johdanto (jatk.) Pakkausmenetelmä voi olla hukkaamaton (lossless) tai hukkaava (lossy) Pakattua tietoa voidaan tallentaa ja siirtää Pakattu tieto pitää purkaa ennen käyttöä Digitaalinen informaatio pitää myös muuttaa analogiseksi Tämän jälkeen signaali voidaan soittaa tai näyttää käyttäjälle 3

Digitaalisen audion sovellusalueet Tietokoneella tuotettu ääni Äänen tallennus ja käsittely Digitaalinen viestintä Vastaajapalvelu Puhesyntetisaattori Puheentunnistus Tietokoneistettu puhelinpalvelu Tiedon esittäminen äänenä (Sonification) 4

Psykoakustiikka Taajuusalue Dynaaminen alue Taajuusominaisuudet Ajan vaikutus Maskaus Vaihe Binauraalinen kuulo ja lokalisaatio 5

Taajuusalue Ihmisen kuuloalue on noin 20 Hz - 20 khz Kuulo heikkenee iän mukana Äänen korkeus ei ole suoraan verrannollinen äänen taajuuden kanssa 6

Dynaaminen alue Kipurajalla äänen amplitudi voi olla 1,000,000 kertaa kuulorajalla olevan äänen amplitudi Mittana käytetään desibeliä db = 20 log10 (A/B) Kuuloraja on 0 db ja kipuraja on n. 100-120 db Kuulo on aistihavainto, jota ei voi suoraan mitata kuultu äänenkorkeus muuttuu amplitudia muutettaessa voimakkuus riippuu äänen taajuudesta 7

8

Taajuusominaisuudet Luonnollinen ääni sisältää useiden taajuuksien siniaaltoja Taajuudet voidaan laskea Fourier-analyysin avulla Luonnollisten äänten taajuudet ovat tyypillisesti perustaajuuden monikertoja Korva on herkkä spektrin laaksoille ja kukkuloille Selkeästi erottuvia kohtia kutsutaan formanteiksi Esim. vokaalit erotetaan formanttien avulla 9

Klarinetin ääni 10

Taajuusmuoto 11

Ajan vaikutus Soittimien äänillä on kolme osaa: Attack, Steady-State ja Decay Yksinkertaisessa synteesissä generoidaan ääni taajuuskomponenttien avulla ja muutetaan voimakkuutta eri vaiheissa Oikeasti spektrin taajuuskomponenttien väliset suhteet muuttuvat ajan Kuulo on erityisen herkkä isku-vaiheessa 12

Maskaus Äänet voivat peittää toisensa osittain tai kokonaan Myös keskinäiset muutokset ovat mahdollisia Tietyllä taajuudella esiintyvä ääni nostaa kuulorajaa laajemmalla taajuusalueella Taajuuksien pitää olla yli kriittisen rajan päässä toisistaan, jotta äänet kuultaisiin erillisinä Kriittinen raja kasvaa taajuuden kasvaessa 13

Maskaus (jatk.) Amplitudi Taajuus 14

Vaihe Saman taajuuksisten äänten välillä voi olla vaihe-ero 180 asteen vaihe-ero kumoaa äänet keskenään On olemassa todisteita, että ihminen pystyy erottamaan äänten vaihe-eron 15

Binauraalinen kuulo ja lokalisaatio Ihminen pystyy määrittämään äänilähteen sijainnin voimakkuus, aika-ero, taajuus Kallo, korvalehdet ja kuuloelimet suodattavat ääntä Lisäksi äänten heijastumien vaikuttaa merkittävästi Äänilähteet on sijoitettava samaan paikkaan kuvallisen informaation kanssa 16

Äänen digitaalinen esitys Koodaus aikaulottuvuudessa Muunnokset Lineaarinen ennustus Parametrinen koodaus Digitaalisen audion siirto 17

Koodaus aikaulottuvuudessa Äänestä otetaan näytteitä näytetaajuudella Näytetaajuuden pitää olla vähintään kaksi kertaa maksimitaajuus (Nyquistin taajuus) Yleisiä näytetaajuuksia: 8, 44.1 ja 48 khz Signaalin amplitudi näytteenottohetkellä muutetaan numeroarvoksi 18

Laskostuminen (a) Sinisignaali (b) 1 x näytteenottotaajuus (c) 1,5 x näytteenottotaajuus (d) 2 x näytteenottotaajuus 19

Pulse Code Modulation (PCM) 20

Koodaus aikaulottuvuudessa (jatk.) Näytteiden otto aiheuttaa kvantisointivirheen Jokainen bitti parantaa signaalikohina-suhdetta: 20 log 10 2 = 6 db Yleisesti käytetään 16 bittiä 16 * 6 db = 96 db Ihmisen dynaaminen alue on kuitenkin enemmän (n. 120 db) 21

Koodaus aikaulottuvuudessa (jatk.) Muunnokset analogisten ja digitaalisten signaalien välillä tehdään A/D ja D/A-muuntimilla Lisäksi tarvitaan suodatusta Anti-alias ja Reconstruction -suodattimet Korkeatasoisissa järjestelmissä ne ovat virhelähde Ongelma voidaan ratkaista ylinäytteistyksellä (oversampling) Myös tietokone aiheuttaa helposti ylikuulumista 22

Muut koodausmenetelmät Deltamodulaatiossa (DPCM) koodataan vain peräkkäisten näytteiden välinen ero Adaptiivisessa deltamodulaatiossa (ADPCM) askelkoko voi muuttua 23

Muut koodausmenetelmät (jatk.) Puheessa käytetään yleisesti A-lakia (A = 87,6) y= Ax 1 lna, 0 x 1 A 1 ln Ax 1 lna, 1 A x 1 ja µ-lakia (µ = 255) y= ln 1 x ln 1, 0 x 1 24

Muunnokset Muunnosten avulla signaalit voidaan esittää toisessa esitysmuodossa Tavoitteena on saada signaalien siirto tehokkaammaksi ja robustisemmaksi 25

Fourier-muunnos Fourier-muunnoksen kertoimet esittävät signaalia taajuus-ulottuvuudessa Stationaariset signaalit voidaan esittää tarkasti Fourier-kertoimien avulla Muuttuvien signaalien tapauksessa käytetään diskreettiä Fourier-muunnosta Muunnos tehdään käyttäen Fast Fourier Transformation (FFT) -algoritmia 26

Taajuuskanavat Myös maskaus-efektiä voidaan hyödyntää koodauksessa Signaali jaetaan taajuusalueisiin, jotka koodataan erikseen (Subband Coding) Esim. Mini Disc -levyt (Sony), DCC-kasetit (Philips) ja MP3 Menetelmää on hyödynnetty myös puheen koodauksessa ja tunnistuksessa 27

MPEG-audio MPEG-audio hyödyntää Subband-koodausta Signaali jaetaan 32 kanavaan (Layer 1) Jako tehdään 384:n näytteen ryhmälle kerrallaan FFT-muunnoksen avulla erotellaan puhdasta sinivärähtelyä ja kohinaa sisältävät kanavat Vain kiinnostavat kanavat koodataan Kanavaa kohden käytettävä bittimäärä vaihtelee Layer I yli 128 kbps / kanava 28

Begin Subband analysis FFT analysis Quantization of samples Scale factor calculation Coding of scale factors Calculation of masking and required bit allocation Determination of nontransmitted subbands Adjustment to fixed bit-rate Coding of samples Coding of bit allocation Formatting and transmission End 29

MPEG-audio (jatk.) Layer 2 noin 128 kbps / kanava 1152 näytteen ryhmä 3 skaalauskerrointa 36 taajuuskanavaa Layer 3 (MP3) noin 64 kbps / kanava suodatinpankki Huffmann-koodaus koodaukseen käytettävien bittien lukumäärää voi vaihdella 30

Code-Excited Linear Prediction (CELP) Puhetta voidaan myös koodata synteesin avulla Dekoodeerin vastaanottaa ohjausdatan ja syöttää sen synteesisuodattimeen Synteesisuodatin matkii puhetta käyttäen lineaarista ennustusta yksinkertainen ohjaussignaali tuottaa puhetta Enkooderi kokeilee erilaisia syötesignaaleja ja valitsee lähinnä koodattavaa puhenäytettä olevan syötesignaalin 31

JPEG Tavoitteet Arkkitehtuurit DCT-koodaus ja kvantisointi Staattinen koodaus Hukkaamaton koodaus Tehokkuus 32

Tavoitteet Kompressiosuhde / kuvanlaatu voidaan valita Sopii mihin tahansa kuviin Sekä ohjelmisto että laitteisto Neljä eri moodia: sekventiaalinen koodaus (alkuperäinen järjestys) progressiivinen koodaus (monivaiheinen koodaus) hukkaamaton koodaus (täydellinen toisto) hierarkinen koodaus (monta eri resoluutiota) 33

Arkkitehtuurit Hukkaavissa moodeissa käytetään DCTkoodausta 8 x 8 pikselin lohkoille Sekventiaalisessa moodissa lohkojen DCTkertoimet lähetään lohko kerrallaan Progressiivisessa moodissa kertoimet talletetaan muistiin ja lähetetään ryhmissä Hierarkisessa moodissa valitaan erilaisia resoluutiota koodattavaksi 34

Sekventiaalinen JPEG 35

Progressiivinen JPEG 36

Hierarkinen JPEG 37

Hukkaamaton JPEG 38

DCT-koodaus ja kvantisointi Kertoimet voidaan esittää matriisina Kvantisointi tehdään kvantisointitaulukon määräämän taulukon mukaisesti Kertoimet järjestetään Zig-Zag muotoon Näin nolla-kertoimet saadaan koodin loppuun Run-Length -koodaus eliminoi nollat 39

DCT-koodaus 40

DCT-kertoimet 41

Staattinen koodaus Käytössä joko Huffman tai aritmeettinen koodaus Huffman koodaus edellyttää erillistä taulukkoa Aritmeettinen koodaus ei tarvitse taulukkoa, mutta vaatii enemmän laskentaa Lisäksi aritmeettisen koodauksen kompressioaste 5-10 % parempi 42

Hukkaamaton koodaus Hukkaamaton koodaus käyttää ennustusta Käytössä on seitsemän eri vaihtoehtoa kuinka monta ja mitä pikseliä käytetään Ennustava koodaus pääsee kompressiosuhteeseen 2:1 43

Tehokkuus 0,25-0,5 bpp: kohtalainen - hyvä laatu 0,5-0,75 bpp: hyvä - erittäin hyvä laatu 0,75-1,5 bpp: erittäin hyvä laatu 1,5-2,00 bpp: ei erotu alkuperäisestä 44