Digitaalinen audio & video, osa I

Samankaltaiset tiedostot
Digitaalinen audio & video I

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

Digitaalinen Audio & Video I

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

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

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

Multimedia. Petri Vuorimaa

Digitaalinen media. Petri Vuorimaa

Mul$media. Jyry Suvilehto Alkuperäiset kalvot Petri Vuorimaa

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

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

Kuvan pakkaus JPEG (Joint Photographic Experts Group)

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

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

T DSP: GSM codec

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

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

Signaalien datamuunnokset

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

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

Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

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

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

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

Mono- ja stereoääni Stereoääni

Ongelma 1: Onko datassa tai informaatiossa päällekkäisyyttä?

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

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

Kanavointi ja PCM järjestelmä

1 Diskreettiaikainen näytteistys. 1.1 Laskostuminen. Laskostuminen

Successive approximation AD-muunnin

Laskuharjoitus 4 ( ): Tehtävien vastauksia

Spektri- ja signaalianalysaattorit

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

A/D-muuntimia. Flash ADC

Digitaalinen audio

Videotekniikka. Videosignaali Kamerasensorit Värioppi Väritelevisio Laitteisto. Petri Vuorimaa 1

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

YLEISIMMÄT MIKROFONITYYPIT

THE audio feature: MFCC. Mel Frequency Cepstral Coefficients

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

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

SGN-4200 Digitaalinen audio

Synteesi-analyysi koodaus

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

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

Kuulohavainnon perusteet

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

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

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

5 Akustiikan peruskäsitteitä

Kuvan- ja videontiivistys. Mikko Nuutinen

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

Spektrianalysaattori. Spektrianalysaattori

Tiistai klo Jari Eerola

Kanavointi ja PCM järjestelmä. Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle

Tuntematon järjestelmä. Adaptiivinen suodatin

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Tiedonkeruu ja analysointi

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

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

Numeeriset menetelmät

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

Perusmittalaitteet 2. Spektrianalyysi. Mittaustekniikan perusteet / luento 4. Spektrianalyysi. Logaritmiasteikko ja db (desibel) Spektrianalysaattori

Kapeakaistainen signaali

1. Määritä pienin näytelauseen ehdon mukainen näytetaajuus taajuus seuraaville signaaleille:

Matlab-tietokoneharjoitus

Tietoliikennesignaalit & spektri

Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

LUT CS20A0650 Meluntorjunta 1. Tsunamin synty LUT CS20A0650 Meluntorjunta

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Åbo Akademi klo Mietta Lennes Nykykielten laitos Helsingin yliopisto

Radioamatöörikurssi 2016

9 Multimedian elementtejä: ääni Webissä

Mitä on signaalien digitaalinen käsittely

Onnittelut PRO-JECT-DA-muuntimen hankkimisesta. Lue huolellisesti tämä ohje, jotta kytket laitteen oikein ja saat siten parhaan äänenlaadun.

Virheen kasautumislaki

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Tiedonkeruu ja analysointi

Organization of (Simultaneous) Spectral Components

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Kompleksiluvut signaalin taajuusjakauman arvioinnissa

Äänen eteneminen ja heijastuminen

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

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

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

11. kierros. 1. Lähipäivä

A / D - MUUNTIMET. 2 Bittimäärä 1. tai. A / D muunnin, A/D converter, ADC, ( Analog to Digital Converter )

Äänitiedostoista. 1 Äänen tallentaminen

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Transkriptio:

Digitaalinen audio & video, osa I Johdanto Digitaalinen audio + Psykoakustiikka + Äänen digitaalinen esitys Digitaalinen kuva +JPEG Petri Vuorimaa 1

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

Johdanto 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 Petri Vuorimaa 3

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

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

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

Dynaaminen alue Kipurajalla äänen amplitudi voi olla 1,000,000 kertaa kuulorajalla olevan äänen amplitudi Mittana käytetään desibeliä db = 20 log 10 (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 Petri Vuorimaa 7

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 Petri Vuorimaa 9

Klarinetin ääni Petri Vuorimaa 10

Taajuusmuoto Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 13

Maskaus (jatk.) Amplitudi Taajuus Petri Vuorimaa 14

Vaihe Saman taajuuksisten äänten välillä voi olla vaiheero 180 asteen vaihe-ero kumoaa äänet keskenään On olemassa todisteita, että ihminen pystyy erottamaan äänten vaihe-eron Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 16

Äänen digitaalinen esitys Koodaus aikaulottuvuudessa Muunnokset Lineaarinen ennustus Parametrinen koodaus Digitaalisen audion siirto Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 18

Pulse Code Modulation (PCM) Petri Vuorimaa 19

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) Petri Vuorimaa 20

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 Petri Vuorimaa 21

Muut koodausmenetelmät Deltamodulaatiossa (DPCM) koodataan vain peräkkäisten näytteiden välinen ero Adaptiivisessa deltamodulaatiossa (ADPCM) askelkoko voi muuttua Petri Vuorimaa 22

Muut koodausmenetelmät (jatk.) Puheessa käytetään yleisesti A-lakia (A = 87,6) y ja µ -lakia ( µ = 255) y = = Ax 1, ( 0 x ) 1+ ln A A 1+ ln( Ax) 1,( + A A x 1) 1 ln ln( 1+ µ x) x ln( 1+ ),( 0 1 ) µ Petri Vuorimaa 23

Muunnokset Muunnosten avulla signaalit voidaan esittää toisessa esitysmuodossa Tavoitteena on saada signaalien siirto tehokkaammaksi ja robustisemmaksi Petri Vuorimaa 24

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 Petri Vuorimaa 25

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 Petri Vuorimaa 26

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 Petri Vuorimaa 27

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

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 Petri Vuorimaa 29

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 Petri Vuorimaa 30

Digitaalisen äänen siirto Siirto digitaalisessa muodossa toivottavaa Ammattilaiskäyttö vaatii CD-levyjä parempaa laatua Useita näytetaajuuksia ja resoluutioita Näytetaajuuksien muuntoa varten olemassa konverttereja Käytössä useita siirtostandardeja Petri Vuorimaa 31

Siirtoformaatit Audio Engineering Society / European Broadcast Union (AES/EBU) PCM-formaatti 16-20 bittiä / näyte stereo kello mukana status (näytetaajuus ym.) Multichannel Audio Digital Interface (MADI) 56 kanavaa 24 bittiä / näyte lisäksi lukuisia valmistajakohtaisia formaatteja Petri Vuorimaa 32

JPEG Tavoitteet Arkkitehtuurit DCT-koodaus ja kvantisointi Staattinen koodaus Hukkaamaton koodaus Tehokkuus Petri Vuorimaa 33

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) Petri Vuorimaa 34

Arkkitehtuurit Hukkaavissa moodeissa käytetään DCT-koodausta 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 Petri Vuorimaa 35

Sekventiaalinen JPEG Petri Vuorimaa 36

Progressiivinen JPEG Petri Vuorimaa 37

Hierarkinen JPEG Petri Vuorimaa 38

Hukkaamaton JPEG Petri Vuorimaa 39

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 Petri Vuorimaa 40

DCT-koodaus Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 42

Hukkaamaton koodaus Hukkaamaton koodaus käyttää ennustusta Käytössä on seitsemän eri vaihtoehtoa + kuinka monta ja mitä pikseliä käytetään Ennustava koodaus pääsee kompressiosuhteeseen 2:1 Petri Vuorimaa 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 Petri Vuorimaa 44