Âm thanh số - Chuẩn MPEG - 1 Layer III Phân tích và ứng dụng

MUÏC LUÏC Muïc luïc…….. 1 Lôøi môû ñaàu 5 Caùc thuaät ngöõ thöôøng duøng 6 PHAÀN 1 : LYÙ THUYEÁT 7 CHÖÔNG I: CAÙC ÑAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA AÂM THANH 7 I. Caùc ñaëc tính cô baûn cuûa aâm thanh 7 1. Taàn soá soùng aâm 7 2. Bieân ñoä soùng aâm 8 II. Khaùi quaùt veà aâm thanh soá 9 1. Laáy maãu rôøi raïc thôøi gian, tín hieäu audio töông töï 9 2. Löôïng töû hoaù vaø caùc maãu rôøi raïc thôøi gian 9 3. Tæ soá tín hieäu treân sai soá (Signal-to-error ratio) 10 CHÖÔNG II: GIÔÙI THIEÄU VEÀ MPEG 11 I. GIÔÙI THIEÄU 11 1. MPEG laø gì? 11 2. So saùnh caùc chuaån MPEG: 11 3. AÂm thanh MPEG 12 4. Hoaït ñoäng: 13 II. CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN VEÀ MPEG. 14 1. Löôïc ñoà maõ hoùa Perceptual Subband. 14 2. Giaûi thích veà hieäu quûa che (masking effect). 14 a. Neùn aâm thanh MPEG. 15 b. Hieäu quaû che. 16 3. Caùc lôùp aâm thanh MPEG. 17 a. Lôùp I (Layer I) 18 b. Lôùp II (Layer II) 18 c. Lôùp III (Layer III). 19 III. CAÙC THOÂNG SOÁ DUØNG TRONG MPEG. 20 1. Mode. 20 2. Sampling Frequency (toác ñoä laáy maãu). 21 3. Bit Rate. 21 CHÖÔNG III: MAÕ HOÙA THUÏ CAÛM 23 I. CÔ SÔÛ AÂM TAÂM LYÙ. 23 1. Ngöôõng nghe tuyeät ñoái (absolute threshold of hearing) . 23 2. Caùc baêng tôùi haïn(critical bands) . 23 3. Hieän töôïng che (masking) . 24 II. MAÕ HOÙA BAÊNG PHUÏ . 26 III. MAÕ HOAÙ BIEÁN ÑOÅI . 26 IV. MAÕ HOAÙ MP3 ( MP3 ENCODING) . 27 1. Phaân tích pheùp bieán ñoåi Fourier nhanh (FFT analysis) . 27 2. Ngöôõng che(Masking Threshold) . 28 3. Baêng loïc phaân tích (Analysis Filterbank) . 28 4. MDCT vôùi cöûa soå ñoäng . 28 5. Chia tæ leä vaø löôïng töû hoùa (Scaling vaø Quantization) . 29 6. Maõ hoùa Huffman vaø sinh ra doøng bit (Huffman Coding and Bitstream Generation) . 30 7. Thoâng tin (Side Information) . 32 CHÖÔNG IV: GIAÛI MAÕ MPEG1 LÔÙP 3 33 I. GIAÛI MAÕ MP3 (MP3 DECODING) . 33 1. Ñònh daïng khung (Frame Format) . 33 a. Tieâu ñeà . 34 b. Thoâng tin (side infomation). 38 c. Döõ lieäu chính (main data) 39 d. Döõ lieäu phuï (Ancillary Data) . 40 2. Giaûi maõ Huffman 40 3. Löôïng töû hoaù laïi (requantization) . 41 4. Saép xeáp laïi thöù töï ( reordering) . 42 5. Giaûi maõ stereo . 42 a.Giaûi maõ Stereo MS . 42 b.Giaûi maõ cöôøng ñoä stereo . 43 6. Giaûm bieät danh (Alias Redution) . 43 7. IMDCT . 44 8. Khoái loïc ña pha toång hôïp ( Synthesis Polyphase Filterbank) . 46 II. NHÌN CHUNG VEÀ HIEÄU QUAÛ CAÙC GIAÛI THUAÄT GIAÛI MAÕ MP3 . 46 1 . Giaûi maõ Huffman . 46 2 . Boä löôïng töû hoùa laïi (Requantizer) . 48 3. Pheùp bieán ñoåi cosin rôøi raïc caûi tieán ñaûo ngöôïc (IMDCT) 51 4. Baêng loïc ña pha ( Polyphase Filterbank) . 53 PHAÀN 2: XAÂY DÖÏNG PHAÀN MEÀM 57 CHÖÔNG I:GIAO DIEÄN VAØ THUYEÁT MINH CHÖÔNG TRÌNH 57 1. Thanh SkinProgress 58 2. Nuùt Minimize 58 3. Nuùt Colse 58 4. Timer 58 5. Toång thôøi gian 58 6 .Nuùt Open 58 7 .Nuùt Play 58 8. Nuùt Pause 59 9. Nuùt Stop 59 10. Thanh tieán trình 59 11. Nuùt Volume 59 CHÖÔNG II : LÖU ÑOÀ GIAÛI THUAÄT VAØ CAÁU TRUÙC DÖÕ LIEÄU 60 I. SÔ ÑOÀ KHOÁI 60 II. LÖU ÑOÀ GIAÛI THUAÄT 61 III. CAÁU TRUÙC DÖÕ LIEÄU 63 1. File Agrs.h 63 a. Lôùp MPArgs 63 b. Caáu truùc MPInfo 66 c. Caáu truùc frame 66 2. File Common.h 67 a. Caáu truùc ID3TagStruct 67 b. Caáu truùc gr_info_s 67 c. Caáu truùc bandInfoStruct 68 d. Caáu truùc III_sideinfo 68 3. File Elsound.h 69 a. Caáu truùc esInputMode 69 b. Caáu truùc esOutputMode 69 c. Caáu truùc esPlayerMode 69 d. Caáu truùc esPlayerError 69 4. File Huffman.h 70 IV. ÑÒNH NGHÓA 70 1. Caùc ñònh nghóa duøng trong taäp tin 70 2. Caùc ñònh nghóa duøng trong Player.h 71 3. Caùc ñònh nghóa duøng trong Resource.h 71 PHAÀN 3 : TOÅNG KEÁT 72 Taøi lieäu tham khaûo 73 LÔØI MÔÛ ÑAÀU Trong thôøi ñaïi buøng noå cuûa coâng ngheä thoâng tin, vieäc truyeàn taûi döõ lieäu laø nhu caàu caàn thieát. Ñaëc bieät laø vieäc gôûi döõ lieäu theo ñöôøng Internet, vì chaát löôïng ñöôøng truyeàn thaáp neân caàn phaûi neùn döõ lieäu nhoû goïn ñeå thuaän lôïi cho vieäc upload hay download. Ñoái vôùi lónh vöïc aâm nhaïc cuõng vaäy, nhu caàu gôûi taëng baøi haùt cho nhau , nghe nhaïc tröïc tuyeán treân maïng raát phoå bieán vì vaäy vieäc neùn file nhaïc voâ cuøng caàn thieát ñeå tieát kieäm ñöôøng truyeàn, thôøi gian vaø tieàn baïc. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy MPEG coù raát nhieàu chuaån ñeå neùn nhö MPEG 1, MPEG 2,… duøng ñeå neùn file theo nhieàu caùch khaùc nhau. Moät trong nhöõng chuaån phoå bieán laø chuaån MPEG 1, trong khuoân khoå ñeà taøi naøy chuùng em chæ tìm hieåu veà chuaån MPEG 1 Layer 3 hay coøn goïi laø mp3 vaø minh hoaï baèng moät chöông trình giaûi maõ file mp3, sau ñoù phaùt ra loa. CAÙC THUAÄT NGÖÕ THÖÔØNG DUØNG MDCT Modified Discrete Cosine Transform. IMDCT Inverse Modified Discrete Cosine Transform. Sample rate Toác ñoä laáy maãu. FFT Fast Fourier Transform. DFT Discrete Fourier Transform. Signal-to-noise (S/N) Tæ soá giöõa tín hieäu vaø nhieãu. CRC Cyclic Redundancy Check . ADC Analog to Digital Converter. CODEC CODer/DECoder. CPU Central Processing Unit. DCT Discrete Cosine Transform . DSP Digital Signal Processor. FS Sampling Frequency, e.g. 44100 Hz for CD audio. FIFO First in, first out. FLOP Floating-point operation. FPU Floating point unit. Hardware math acceleration. inside a CPU. ISO International Standards Organisation. MFLOPS Million floating-point operations per second. MPEG Motion Picture Expert Group. Working group within ISO. PCM Pulse Code Modulation. Output from an ADC. PHAÀN I : LYÙ THUYEÁT CHÖÔNG I : CAÙC ÑAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA AÂM THANH AÂm thanh ñöôïc taïo bôûi moät thöïc theå dao ñoäng. Khoâng coù dao ñoäng thì khoâng coù aâm thanh. Thöïc theå dao ñoäng thì ñöôïc goïi laø nguoàn aâm. Nguoàn aâm laøm cho caùc phaàn töû cuûa moâi tröôøng beân caïnh noù dao ñoäng. Caùc phaàn töû naøy laïi laøm cho caùc phaàn töû keá noù dao ñoäng. Baèng caùch naøy caùc phaàn töû cuûa moâi tröôøng truyeàn ñeán tai cuûa ngöôøi nghe. Khi chuùng ta caûm nhaän moät aâm thanh naøo ñoù, caùc phaàn töû dao ñoäng laøm cho maøng nhó cuûa chuùng ta cuõng dao ñoäng. Caùc dao ñoäng naøy ñöôïc tieáp nhaän vaø phaân tích bôûi boä naõo cuûa chuùng ta. AÂm thanh coù theå truyeàn qua moâi tröôøng khoâng khí, nöôùc hoaëc caùc caáu truùc xaây döïng… aâm thanh truyeàn ñi döôùi daïng soùng aâm, söï truyeàn aâm thanh thöïc chaát laø söï truyeàn naêng löôïng töø nôi naøy ñeán nôi khaùc. I. CAÙC ÑAËC TÍNH CÔ BAÛN CUÛA AÂM THANH Baát kyø aâm thanh ñôn giaûn naøo chaúng haïn nhö moät noát nhaïc ñeàu coù theå hoaøn toaøn ñöôïc moâ taû bôûi 3 ñaëc tính caûm nhaän sau: cao ñoä (pitch ), cöôøng ñoä (intensity), aâm saéc (timbre). Nhöõng ñaëc tính naøy laàn löôït töông öùng vôùi caùc ñaëc tính vaät lyù sau cuûa aâm thanh: taàn soá (frequency), bieân ñoä (amplitude), söï caáu thaønh cuûa caùc haøi (harmonic constitution). Taàn soá soùng aâm AÂm thanh ñöôïc truyeàn ñi döôùi daïng soùng aâm. Khi soùng aâm truyeàn ñi söï truyeàn dao ñoäng cuûa caùc phaàn töû dao ñoäng theo höôùng truyeàn soùng. Söï dòch chuyeån cuûa caùc phaàn töû cuûa moâi tröôøng taïo ra caùc vuøng coù maät ñoä phaàn töû cao thaáp khaùc nhau. Caùc vuøng coù maät ñoä phaàn töû cao ñöôïc goïi laø caùc vuøng ñaäm ñaëc (compression). Caùc vuøng coù maät ñoä phaàn töû thaáp ñöôïc goïi laø vuøng loaõng (rarefaction). Caùc vuøng loaõng vaø vuøng ñaäm ñaëc lan truyeàn theo höôùng truyeàn cuûa soùng. Caùc phaàn töû dao ñoäng khoâng lan truyeàn theo höùông truyeàn soùng, chuùng dao ñoäng xung quanh vò trí caân baèng cuûa chuùng. Moãi moät dao ñoäng hoaøn chænh ñöôïc goïi laø chu kyø dao ñoäng (töø ñieåm baét ñaàu cuûa noù, tôùi moät khoaûng caùch toái ña theo moät höùông, sau ñoù trôû veà vò trí ban ñaàu, tôùi moät khoaûng caùch theo höôùng ngöôïc laïi, vaø cuoái cuøng laø trôû veà vò trí ban ñaàu ). Soá chu kyø dao ñoäng ñöôïc thöïc hieän trong moät giaây ñöôïc goïi laø taàn soá dao ñoäng, ñaây cuõng chính laø taàn soá cuûa aâm thanh. Moät trong nhöõng khaùc bieät chính giöõa hai aâm thanh laø söï khaùc bieät veà cao ñoä, vaø cuõng chính taàn soá cuûa aâm thanh quyeát ñònh cao ñoä cuûa noù . Taàn soá ñöôïc tính baèng Hertz (Hz), KiloHertz (kHz,1kHz=1000Hz)…Moät ngöôøi bình thöôøng coù theå nghe ñöôïc caùc nguoàn aâm coù daûi taàn soá töø 20Hz ñeán 20kHz. Bieân ñoä soùng aâm Bieân ñoä soùng aâm chính laø khoaûng caùch dòch chuyeån toái ña cuûa caùc phaàn töû dao ñoäng. Töông quan giöõa bieân ñoä soùng aâm vôùi caùc vuøng loaõng vaø vuøng ñaäm ñaëc . Bieân ñoä cuûa soùng aâm theå hieän möùc ñoä dao ñoäng cuûa caùc phaàn töû cuûa moâi tröôøng taïo neân soùng aâm. Bieân ñoä soùng aâm caøng lôùn thì caùc phaàn töû dao ñoäng coù naêng löôïng caøng lôùn vaø aâm thanh seõ coù cöôøng ñoä caøng lôùn. Cöôøng ñoä aâm thanh tæ leä nghòch vôùi khoaûng caùch tính töø nguoàn aâm. Caøng xa nguoàn aâm cöôøng ñoä aâm thanh caøng giaûm, keát quaû laø tai ta nghe caøng khoù . Cöôøng ñoä aâm ñöôïc bieåu dieãn bôûi möùc aùp suaát aâm thanh SPL (Sound Pressure Level). Möùc SPL cuûa moät nguoàn aâm naøo ñoù ñöôïc tính nhö sau: SPL(dB)= 20 log(P/P0) Trong ñoù P : aùp suaát cuûa nguoàn aâm (N/m2) P0: aùp suaát chuaån qui chieáu, Po =2* 10-5 N/m2 Aâm thanh SPL(dB) Ngöôõng im laëng 0 Tieáng thì thaàm 10 Phoøng thu aâm 20 Noùi bình thöôøng 60 Tieáng la heùt 80 Tieáng xe taûi 90 Nhaïc rock 100 Ngöôõng caûm nhaän 120 Ngöôõng ñau 140 Moät soá möùc SPL cuûa vaøi daïng aâm thanh. II. KHAÙI QUAÙT VEÀ AÂM THANH SOÁ Laáy maãu rôøi raïc thôøi gian, tín hieäu Audio töông töï Tín hieäu audio töông töï thay ñoåi lieân tuïc theo thôøi gian, nghóa laø bieân boä cuûa tín hieäu thay ñoåi lieân tuïc theo thôøi gian. Laáy maãu tín hieäu audio töông töï laø xaùc ñònh bieân ñoä cuûa tín hieäu ôû nhöõng thôøi ñieåm theo nhöõng khoaûng thôøi gian caùch ñieàu nhau vì vaäy caùc maãu laø caùc xung coù bieân ñoä nhaát ñònh. Khoaûng thôøi gian caùch ñeàu naøy goïi laø chu kyø laáy maãu Ts , taàn soá laáy maãu (toác ñoä laáy maãu ) fs = (1 / Ts). Löôïng töû hoaù vaø caùc maãu rôøi raïc thôøi gian Löôïng töû hoaù laø bieåu dieãn bieân ñoä cuûa caùc xung tín hieäu thaønh 1 giaù trò soá söû duïng heä thoáng soá nhò phaân. Ngöôøi ta duøng moät töø ( word) coù ñoä daøi n bit ñeå bieåu dieãn caùc giaù trò ñoù. Soá bits n ñöôïc choïn tuøy thuoäc vaøo giaù trò cuûa caùc maãu vaø n ñöôïc goïi laø ñoä phaân giaûi löôïng töû hoaù( quantization resolution). Giaù trò cuûa 1 word xaùc ñònh 1 möùc luôïng töû hoaù (quantization level) vaø ñoä cheânh leäch giöõa 2 möùc lieân tieáp goïi laø khoaûng löôïng töû hoaù (quantization interval). Ví duï: ta söû duïng n=8 bit ñeå bieåu dieãn caùc giaù trò ñieän theá lieân tuïc töø 0 -> 25,5 V nhö sau: V1=0 thì word= 0000 0000 ( möùc 0) V2=0,1 thì word= 0000 0001 ( möùc 1) V3 = 0,2 thì word= 0000 0010 ( möùc 2) ……………………………………………………………………. V255= 25,5 thì word =1111 1111 (möùc 255) Giaû söû ta coù Va =0,15 V thì word ôû möùc 1 (0000 0001 ) hoaëc möùc 2 (0000 0010) tuyø thuoäc vaøo söï löïa choïn cuûa chuùng ta. Nhöng neáu V a =0.12 thì noù thuoäc möùc 1 vì gaàn giaù trò ôû möùc 1 hôn. Caùc giaù trò löôïng töû hoaù chæ laø xaáp xæ gaàn baèng giaù trò thöïc teá cuûa caùc maãu. Ñoä sai bieät giöõa giaù trò löôïng töû hoaù vaø giaù trò thöïc ñöôïc goïi laø sai soá löôïng töû hoaù ( quantization error). Tæ soá tín hieäu treân sai soá (Signal-to-error ratio) Ñeå ñaùnh giaù chaát löôïng cuûa heä thoáng löôïng töû hoùa, moät thoâng soá quan troïng ñöôïc ñònh nghóa laø tæ soá cuûa bieân ñoä tín hieäu cöïc ñaïi treân sai soá löôïng töû hoùa cöïc ñaïi, tæ soá naøy ñöôïc goïi laø tæ soá tæ hieäu treân sai soá (S/E). CHÖÔNG II: GIÔÙI THIEÄU VEÀ MPEG GIÔÙI THIEÄU 1. MPEG laø gì? MPEG, vieát taét cuûa cuïm töø ‘ Moving Picture Experts Group’, laø 1 nhoùm chuyeân nghieân cöùu phaùt trieån caùc tieâu chuaån veà hình aûnh soá vaø neùn aâm thanh theo chuaån ISO/IEC. Ngaøy nay, nhoùm laøm vieäc MPEG ñaõ phaùt trieån vaø phaùt haønh caùc tieâu chuaån MPEG-1, MPEG-2 vaø MPEG-4. Chuaån MPEG-3 ñöôïc keát hôïp vaøo MPEG-2 vaø khoâng coøn taùch rieâng nöõa. Nhoùm MPEG hieän nay ñaõ phaùt trieån ñeán chuaån MPEG-7. MPEG chæ laø moät teân rieâng, teân chính thöùc cuûa noù laø : ISO/IEC JTC1 SC29 WG11. ISO : International Organization for Standardization (Toå chöùc chuaån quoác teá) IEC : International Electro-technical Commission (Hoäi ñoàng kyõ thuaät ñieän töû quoác teá ) JTC1 : Joint Technical Committee 1 (Hoäi ñoàng kyõ thuaät lieân hôïp 1) SC29 : Sub-committee 29 (Hoäi ñoàng phuï 29) WG11: Work Group 11 (moving picture with audio). (Nhoùm laøm vieäc 11) 2. So saùnh caùc chuaån MPEG MPEG-1 ñònh nghóa moät tieâu chuaån cho vieäc löu tröõ vaø phuïc hoài caùc hình aûnh ñoäng vaø aâm thanh treân caùc thieát bò löu tröõ. Tieâu chuaån naøy ñònh nghóa raèng hình aûnh ñöôïc phaùt laïi ôû toác ñoä 30 frames moät giaây vaø aâm thanh ñöôïc phaùt laïi ôû chaát löôïng nhö CD-audio, ñoä phaân giaûi hình aûnh laø 352 x 240. Chuaån MPEG-1 ñöôïc duøng ñieån hình trong caùc phaàn meàm huaán luyeän baèng maùy tính, caùc game haønh ñoäng trong maùy tính, video chaát löôïng VHS, Karaoke.. MPEG-2 ñònh nghóa cho moät tieâu chuaån kyõ thuaät truyeàn hình soá. Chuaån MPEG-2 khaéc phuïc moät vaøi nhöôïc ñieåm cuûa chuaån MPEG-1. Ví duï, MPEG-2 coù theå taïo hình aûnh lôùn gaáp 4 laàn MPEG-1 vôùi ñoä neùt cao hôn vaø roõ hôn (720 x 480 vaø 1280 x 720). Caùc ñaëc tính cuûa MPEG-2 bao goàm hình aûnh chaát löôïng cao vaø aâm thanh noåi.. MPEG-3 ñònh nghóa moät tieâu chuaån cho High Difinition Television (HDTV), laø theá heä tieáp theo cuûa coâng ngheä truyeàn hình theo ñònh daïng soá ñaàu ñuû. Tieâu chuaån naøy ñaõ khoâng ñöôïc phaùt trieån hoaøn thieän vaø cuoái cuøng ñöôïc keát hôïp vaøo vôùi chuaån MPEG-2. MPEG-3 nhaém ñeán muïc tieâu laø caùc öùng duïng HDTV vôùi kích thöôùc maãu leân ñeán 1920x1080x30 Hz vaø ñöôïc maõ hoaù ôû toác ñoä bit 20 ñeán 40 Mbits/s. Cuoái cuøng ngöôøi ta ñaõ nhaän ra raèng vôùi moät vaøi ñieàu chænh thích hôïp, MPEG-1 vaø MPEG-2 laøm vieäc raát toát ñoái vôùi HDTV. MPEG-4 ñònh nghóa moät tieâu chuaån cho caùc öùng duïng Multi-media. Ñaëc bieät noù ñònh nghóa tieâu chuaån truyeàn cho doøng phöùc taïp caùc hình aûnh, aâm thanh vaø döõ lieäu ñoà hoaï vaø vieäc taùi hôïp chuùng treân thieát bò thu. MPEG-4 ñöôïc phaùt trieån theo 2 giai ñoaïn, 1 vaø 2. Chuaån MPEG-4 ñònh nghóa caùc ñoái töôïng hình aûnh maø trong ñoù caùc phaàn cuûa moät caûnh coù theå ñöôïc thao taùc trong khi nhöõng phaàn khaùc vaãn khoâng ñoåi. MPEG-5 vaø MPEG-6 vaãn chöa ñöôïc coâng boá. MPEG-7 ñònh nghóa moät tieâu chuaån veà vieäc bieåu dieãn noäi dung cho caùc nghieân cöùu thoâng tin hình aûnh vaø aâm thanh. Teân chính thöùc laø “Multimedia Content Description Interface”. Muïc tieâu cuûa MPEG-7 laø chuaån hoaù vieäc bieåu dieãn caùc moâ taû veà noäi dung nghe nhìn. Tuy nhieân chuaån khoâng ñònh nghóa caùc coâng cuï ñeå nhaän ra noäi dung nghe nhìn thaät söï. 3. AÂm thanh MPEG Veà cô baûn, aâm thanh MPEG seõ laøm giaûm kích thöôùc löu tröõ 1 taâp tin aâm thanh ñi raát nhieàu. Moät ñóa Audio-CD löu tröõ ñöôïc khoaûng 650 Mbyte döõ lieäu aâm thanh thoâ vôùi caùch maõ hoùa 16 bit (bitdepth) vaø taàn soá laáy maãu (sample rate) 44.1 kHz. Neáu ñem phaùt ra thì cuõng chæ ñöôïc 60 ñeán 72 phuùt. bitdepth: moâ taû möùc bieân ñoä lôùn nhaát maø moät maãu aâm thanh coù theå ñaït tôùi. Ví duï : 8 bit = 256 möùc, 16 bit = 65.536 möùc, veà hình aûnh thì ñoù chính laø ñoä phaân giaûi. sample rate: moâ taû soá maãu aâm thanh ñöôïc laáy trong 1 giaây. Ví duï : 22 kHz = 22.000 maãu / 1giaây. Phöông phaùp coå ñieån ñeå giaûm kích thöôùc löu tröõ laø giaûm löôïng thoâng tin. Neáu ñoåi caùch löu tröõ aâm thanh töø 16 bit sang 8 bit chuùng ta coù theå giaûm kích thöôùc löu tröõ ñi 1 nöûa, tuy nhieân nhö theá chaát löôïng aâm thanh cuõng seõ giaûm ñi 1 nöûa. 4. Hoaït ñoäng Khi ñöa ra phöông phaùp maõ hoùa aâm thanh, neàn taûng vaãn laø yeáu toá “heä thoáng nghe” cuûa con ngöôøi. Thaät khoâng may ñoù khoâng phaûi 1 thieát bò hoaøn haûo ñeå nhaän bieát aâm thanh nhöng laø thieát bò duy nhaát chuùng ta coù ñöôïc. Nhöng chuùng ta coù theå chuyeån nhöõng khuyeát ñieåm cuûa noù thaønh öu ñieåm : ñoù laø ñaëc tính phi tuyeán cuûa ngöôõng nghe vaø khaû naêng thích hôïp cuûa noù. MPEG hoaït ñoäng döïa treân heä thoáng nghe cuûa con ngöôøi, ñoù laø caûm giaùc veà aâm mang ñaëc tính sinh lyù vaø taâm lyù. AÂm thanh CD ghi laïi taát caû taàn soá, keå caû nhöõng taàn soá bò ‘che’. AÂm thanh MPEG chæ ghi laïi nhöõng taàn soá maø tai ngöôøi coù theå nghe. Nhö vaäy, MPEG seõ boû qua nhöõng thoâng tin khoâng quan troïng. Döïa treân nghieân cöùu veà nhaän thöùc aâm thanh cuûa con ngöôøi, boä maõ hoùa seõ quyeát ñònh nhöõng thoâng tin naøo laø caên baûn vaø nhöõng thoâng tin naøo coù theå boû qua. Hieäu quaû naøy ñaëc bieät quan troïng trong aâm nhaïc. Neáu trong moät daøn nhaïc coù moät nhaïc cuï chôi cöïc maïnh, laøm aùt tieáng cuûa caùc nhaïc cuï khaùc ta khoâng theå nghe ñöôïc. Nhöng maùy thaâu aâm vaãn ghi laïi ñaày ñuû taát caû taàn soá cuûa taát caû nhaïc cuï, nghóa laø thieát bò thaâu aâm hoaøn toaøn khoâng coù khaû naêng thích nghi ñoäng nhö con ngöôøi. Nhöng khi phaùt laïi, ta vaãn khoâng nghe ñöôïc aâm thanh cuûa nhöõng nhaïc cuï bò aùt. Vì vaäy vieäc löu tröõ / ghi laïi nhöõng taàn soá naøy laø thöøa, laøm chieám dung löôïng khaù nhieàu. Caùch ghi aâm tuyeán tính treân ñóa CD laø hoaøn toaøn khoâng hieäu quaû veà khía caïnh naøy. Do ñoù thay vì phaûi ghi laïi thoâng tin cuûa nhöõng aâm khoâng nghe ñöôïc, ta seõ daønh choã cho caùc aâm coù theå nghe ñöôïc. Theo caùch naøy, dung löôïng cuûa thieát bò ghi aâm caàn thieát coù theå xem nhö giaûm ñi maø khoâng laøm giaûm chaát löôïng aâm thanh. Tröôùc khi chuùng ta nghe ñöôïc ñieàu gì, thoâng tin seõ ñöôïc phaân tích bôûi boä naõo cuûa chuùng ta. Naõo boä seõ dòch aâm thanh vaø loïc boû nhöõng thoâng tin khoâng caàn thieát. Kyõ thuaät aâm thanh MPEG laøm vieäc naøy thay theá cho naõo boä. Nhö vaäy, nhöõng thoâng tin leõ ra phaûi ñöôïc loïc bôûi naõo boä baây giôø khoâng coøn caàn phaûi löu tröõ chieám giöõ khoâng gian ñóa nöõa. II. CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN VEÀ MPEG 1. Löôïc ñoà maõ hoùa Perceptual Subband Boä maõ hoùa aâm thanh theo “perceptual subband” phaân tích lieân tuïc caùc tín hieäu vaøo vaø xaùc ñònh ra ñöôøng cong che (masking curve), ñoù laø möùc ngöôõng maø nhöõng aâm thanh ôû döôùi noù khoâng theå nghe ñöôïc bôûi heä thoáng nghe cuûa con ngöôøi. Tín hieäu vaøo ñöôïc chia thaønh 1 soá daõi taàn soá, goïi laø “subband”. Moãi tín hieäu “subband” ñöôïc löôïng töû hoùa theo caùch maø söï löôïng töû hoùa tieáng oàn ñöôïc baét ñaàu bôûi vieäc maõ hoùa seõ khoâng vöôït quaù ñöôøng cong che cuûa subband ñoù. Söï löôïng töû hoùa phoå tieáng oàn vì theá thích nghi ñoäng vôùi phoå cuûa tín hieäu. Thoâng tin treân boä soá hoùa ñöôïc duøng trong moãi subband ñöôïc truyeàn doïc theo caùc maãu subband ñöôïc maõ hoùa. Boä giaûi maõ seõ giaûi maõ doøng bit (bitstream) maø khoâng caàn phaûi bieát caùch maø boä maõ hoùa xaùc ñònh nhöõng thoâng tin naøy. Ñieàu naøy cho pheùp boä maõ hoùa hoaït ñoäng vôùi nhöõng möùc ñoä khaùc nhau veà chaát löôïng vaø ñoä phöùc taïp, vaø cuõng cho pheùp söï phaùt trieån trong töông lai cuûa boä maõ hoùa. 2. Giaûi thích veà hieäu quaû che (masking effect) a. Neùn aâm thanh MPEG MPEG coù theå neùn 1 doøng bit 32 kbit/s ñeán 384 kbit/s. Moät doøng bit aâm thanh PCM thoâ thì khoaûng 705 kbit/s, do ñoù tæ soá neùn toái ña coù theå laø 22. Tæ soá neùn bình thöôøng laø 1:6 hay 1:7. 96 kbit/s laø xem nhö trong suoát cho haàu heát caùc muïc ñích thöïc teá. Coù nghóa raèng ta khoâng caàn phaûi löu taâm ñeán baát kyø söï khaùc bieät naøo giöõa tín hieäu goác vaø tín hieäu neùn ñoái vôùi nhaïc pop hay nhaïc rock’n roll. Ñoái vôùi moät soá öùng duïng khaùc nhö laø hoøa taáu piano, toác ñoä bit coù theå leân tôùi 128 kbit/s. Ñeå ñaït ñöôïc tæ soá neùn naøy, ñoái vôùi aâm thanh, veà cô baûn ta coù hai choïn löïa: hoaëc giaûm soá laàn laáy maãu, hoaëc giaûm soá bit ñeå löôïng töû hoaù. Con ngöôøi coù theå nghe aâm thanh vôùi taàn soá töø 20 Hz ñeán 20 kHz. Theo thuyeát cuûa Nyquist, ta phaûi laáy maãu aâm thanh ôû taàn soá toái thieåu laø hai laàn taàn soá cao nhaát maø ta muoán phaùt laïi. Taàn soá laáy maãu 44,1 kHz laø thích hôïp. Vaán ñeà coøn laïi laø phaûi choïn soá bit cho moät maãu maõ hoùa laø bao nhieâu. Thoâng thöôøng laø 16 bit. Lyù do ñeå choïn con soá 16 bit baét nguoàn töø tæ soá tín hieäu vaø nhieãu (S/N). Nhieãu noùi ôû ñaây sinh ra do quùa trình soá hoùa. Cöù moãi bit theâm vaøo, ta coù tæ soá S/N toát hôn 6dB (ñoái vôùi tai ngöôøi, 6 dB töông öùng vôùi möùc to gaáp ñoâi). AÂm thanh CD ñaït tôùi khoaûng 90 dB S/N. Möùc naøy phuø hôïp vôùi phaïm vi ñoäng cuûa tai ngöôøi coøn toát. Nghóa laø ta khoâng theå nghe ñöôïc baát kyø nhieãu naøo ñeán töø baûn thaân heä thoáng. Ñieàu gì xaûy ra neáu ta laáy maãu vôùi 8 bit? Ta seõ nghe thaáy raát nhieàu tieáng soâi trong baûn ghi. Deã daøng nghe thaáy nhieãu trong khoaûng nghæ cuûa baûn nhaïc hoaëc giöõa caùc töø neáu ta ghi aâm moät gioïng noùi. b. Hieäu quaû che Giaû söû coù moät aâm maïnh vôùi taàn soá 1000Hz, vaø moät aâm keøm theo coù taàn soá 1100Hz nhöng vôùi cöôøng ñoä aâm nhoû hôn 18dB. Ta seõ khoâng theå nghe thaáy aâm naøy vì noù ñaõ bò che hoaøn toaøn bôûi aâm chuû 1000Hz. Noùi moät caùch khaùc, moät aâm thanh yeáu gaàn moät aâm thanh maïnh seõ bò che. Neáu coù moät aâm thanh khaùc taàn soá 2000Hz cuõng coù möùc to thaáp hôn aâm 1000Hz laø 18dB thì ta seõ nghe ñöôïc aâm naøy. Ñeå khoâng nghe ñöôïc aâm naøy ta phaûi giaûm möùc to cuûa aâm naøy xuoáng coøn thaáp hôn 45dB so vôùi aâm chuû 1000Hz. Hieäu quûa che coù yù nghóa raèng ta coù theå gia taêng möùc oàn neàn xung quanh moät aâm maïnh maø vaãn khoâng nghe ñöôïc tieáng oàn vì chuùng seõ bò che hoaøn toaøn. Taêng möùc oàn neàn coøn coù nghóa laø duøng ít bit ñeå soá hoùa. Vaø ñieàu naøy cuõng gioáng nhö laø ta ñaõ neùn aâm thanh vaäy. Baây giôø haõy xem boä maõ hoaù aâm thanh MPEG hoaït ñoäng nhö theá naøo. Boä maõ hoùa chia phoå taàn soá (20Hz ñeán 20kHz) thaønh 32 daõi nhoû (sub-band). Moãi sub-band giöõ 1 phaàn nhoû cuûa phoå. Trong vuøng treân cuûa sub-band 8 ta phaùt moät aâm coù taàn soá 1000Hz vôùi möùc to 60dB. Boä maõ hoùa seõ tính toaùn hieäu quûa che cuûa aâm naøy vaø nhaän ra raèng coù moät ngöôõng che cho toaøn boä sub-band thöù 8 (taát caû nhöõng aâm coù cuøng taàn soá). Ngöôõng che naøy thaáp hôn aâm phaùt ra 35 dB. Tæ soá S/N coù theå chaáp nhaän ñöôïc laø 60 - 35 = 25 dB, töông ñöông vôùi 4 bit. Ngoaøi ra noù coøn aûnh höôûng treân caùc sub-band 9-13 vaø 5-7 vôùi hieäu quûa che giaûm daàn töø sub-band 8. Hôn nöõa, boä maõ hoùa cuõng xem xeùt möùc ñoä nhaïy caûm cuûa tai ñoái vôùi caùc taàn soá khaùc nhau. Tai ngöôøi ít nhaïy caûm vôùi caùc taàn soá cao vaø thaáp. Noù nhaïy caûm nhaát ñoái vôùi taàn soá 2-4 kHz, cuøng daõi taàn soá vôùi tieáng noùi con ngöôøi. Caùc sub-band neân phuø hôïp vôùi tai ngöôøi, nghóa laø moãi sub-band caàn coù caùc taàn soá coù cuøng caùc tính chaát aâm hoïc taâm lyù. Trong MPEG layer II, moãi sub-band coù ñoä roäng 625Hz, do ñoù caàn phaûi coù nhöõng boä loïc baêng thoâng phöùc taïp. Ñeå caùc boä loïc ñôõ phöùc taïp, ngöôøi ta theâm FFT (Fast Fourier Transform) vaøo song song vôùi boä loïc vaø söû duïng caùc thaønh phaàn phoå töø FFT nhö laø caùc thoâng tin theâm vaøo boä maõ hoùa. Baèng caùch naøy ta seõ laáy maät ñoä bit cao hôn ñoái vôùi caùc taàn soá thaáp maø tai ngöôøi nhaïy caûm hôn. Coøn nhieàu vaán ñeà caàn phaûi baøn tôùi. Chuùng ta chæ môùi giaûi thích söï che ñoàng boä, hieäu quûa che coøn xaûy ra tröôùc vaø sau moät aâm maïnh. Caùc lôùp aâm thanh MPEG Coù nhieàu söï nhaàm laãn veà lôùp aâm thanh MPEG. Taát caû caùc lôùp ñeàu döïa treân cuøng moät löôïc ñoà maõ hoùa (maõ hoùa theo nhaän thöùc). Möùc ñoä phöùc taïp cuûa boä maõ hoùa vaø giaûi maõ tuyø thuoäc vaøo moãi lôùp. Sau ñaây laø hình aûnh cho thaáy tæ soá neùn maø ta caàn phaûi ñaït tôùi 100% chaát löôïng CD vôùi caùc boä maõ hoùa vaø giaûi maõ khaùc nhau. Sau ñaây laø chi tieát veà caùc lôùp. a. Lôùp I (Layer I) Ñaây laø lôùp ñôn giaûn nhaát phuø hôïp cho öùng duïng cuûa ngöôøi duøng. Moâ hình aâm hoïc taâm lyù cuûa lôùp naøy chæ söû duïng caùc taàn soá che. Ñieàu naøy coù nghóa raèng noù seõ boû qua caùc taàn soá bò khuaát sau caùc taàn soá khaùc. Phaïm vi toác ñoä bit töø 32 kbit/s (mono) ñeán 448 kbit/s (stereo). Tuøy thuoäc vaøo möùc ñoä phöùc taïp cuûa boä maõ hoùa, moät aâm thanh chaát löôïng cao (gaàn vôùi aâm thanh CD) yeâu caàu toác ñoä bit khoaûng 256 - 384 kb/s treân moät chöông trình stereo. Khoâng neân maõ hoùa vôùi möùc neùn cao hôn 384 kb/s. Ñoä phöùc taïp cuûa boä giaûi maõ thaáp, ñoä phöùc taïp cuûa boä maõ hoùa cao hôn 1.5 - 3 laàn. Lôùp I ñöôïc duøng nhieàu trong DDC vaø Solid State Audio. b. Lôùp II (Layer II) Lôùp II ñeà nghò möùc ñoä neùn cao hôn lôùp I vaø möùc ñoä loïc saâu hôn. Noù coù nhöõng öùng duïng soá cho caû aâm thanh chuyeân nghieäp vaø nghieäp dö, nhö qua ñaøi phaùt thanh, TiVi…Phaïm vi toác ñoä bit töø 32 - 192 kb/s cho aâm thanh mono, vaø töø 64 - 384 kb/s cho aâm thanh stereo. Tuøy thuoäc vaøo möùc ñoä phöùc taïp cuûa boä maõ hoùa, moät aâm thanh chaát löôïng cao (gaàn vôùi aâm thanh CD) yeâu caàu toác ñoä bit khoaûng 256 - 384 kb/s treân moät chöông trình stereo. Möùc ñoä phöùc taïp cuûa boä giaûi maõ 25% cao hôn so vôùi lôùp I, vaø boä maõ hoùa coù möùc phöùc taïp cao hôn 2 - 4 laàn. c. Lôùp III (Layer III) Lôùp III coøn ñöa ra möùc ñoä neùn vaø loïc cao hôn caû lôùp II vaø söû duïng moät boä maõ hoùa Huffman. Layer Complexity Encoder Decoder I 1.5 – 3 1 II 2 – 4 1.25 III > 7.5 2.5 Trong baûng treân, ñoä phöùc taïp cuûa boä giaûi maõ lôùp I ñöôïc duøng ñeå so saùnh vôùi lôùp II vaø III. Lôùp III laø chuaån hieäu quaû nhaát vaø ñaõ trôû thaønh chuaån trong thöïc teá cho vieäc maõ hoaù chaát löôïng aâm thanh. Laäp luaän naøy daønh rieâng cho vieäc thöïc thi lôùp III cuûa chuaån MPEG 1 ñöôïc goïi laø MP3. Nhöõng caûi thieän cuûa lôùp 3 so vôùi lôùp 1 vaø lôùp 2 : Giaûm söï choàng phoå :Lôùp 3 cung caáp phöông phaùp xöû lyù caùc giaù trò MDCT ñeå loaïi boû söï dö thöøa do söï choàng laáp giöõa caùc baêng. Löôïng töû hoùa phi tuyeán :Boä löôïng töû hoùa lôùp 3 naâng caùc loái vaøo cuûa noù leân ¾ naêng löôïng tröùôc khi löôïng töû hoùa ñeå cung caáp tæ soá tín hieäu treân nhieãu (SNR) cao hôn. Maõ hoùa entropy caùc giaù trò döõ lieäu : Lôùp 3 söû duïng maõ Huffman ñeå maõ hoùa caùc maãu löôïng töû hoùa cho vieäc neùn döõ lieäu toát hôn . Söû duïng moät boä döõ tröõ bit (bit reservoir): Doøng bit lôùp 3 phuø hôïp hôn vôùi ñoä daøi thay ñoåi cuûa döõ lieäu ñöôïc neùn. Cuõng gioáng nhö lôùp 2, khung döõ lieäu lôùp 3 coù 1152 maãu. Lôùp 3 khoâng gioáng lôùp 2 ôû choã döõ lieäu maõ hoùa khoâng nhaát thieát phaûi vöøa vaën trong moät khung coá ñònh. Boä maõ hoùa coù theå laáy hoaëc möôïn caùc bit töø boä döï tröõ bit neáu caàn thieát . Söï phaân boá nhieãu hay söï phaân boá bit : Quaù trình phaân boá bit trong lôùp 1 vaø lôùp 2 chæ xaáp xæ löôïng nhieãu gaây bôûi löôïng töû hoùa theo soá bit cho tröôùc. Boä maõ hoùa lôùp 3 söû duïng moät voøng laëp phaân boá nhieãu. Theo caùch naøy , caùc boä löôïng töû hoùa ñöôïc thay ñoåi theo thöù töï , vaø löôïng töû hoùa coù ñöôïc laø do tính toaùn vaø ñöôïc phaân boá cho moãi baêng phuï. III. CAÙC THOÂNG SOÁ DUØNG TRONG MPEG Chuaån MPEG cho pheùp ta choïn löïa caùc thoâng soá cho vieäc neùn aâm thanh toát nhaát phuø hôïp vôùi öùng duïng maø ta söû duïng. Löôïc ñoà maõ hoùa cho caùc loaïi laø toång quaùt. Caùc thoâng soá coù theå choïn löïa trong boä maõ hoùa MPEG bao goàm : Mode, Sampling frequency, bitrate, vaø Layer. 1. Mode Chuaån MPEG coù 4 cheá ñoä: Mono. Dual channel. Stereo. Intensity Stereo (coøn goïi laø Joint Stereo). Cheá ñoä Mono roõ raøng ñöôïc duøng cho aâm thanh 1 keânh. Ñeå choïn cheá ñoä cho caùc öùng duïng 2 keânh, ñaàu tieân ta phaûi xaùc ñònh ñaâu laø tín hieäu traùi vaø ñaâu laø tín hieäu phaûi ñeå chia chuùng ra thaønh 2 files khaùc nhau, nhaèm sau naøy ta coù theå laøm vieäc ñoäc laäp treân keânh traùi hoaëc phaûi. Luùc ñoù ta seõ choïn cheá ñoä Mono. Neáu 2 keânh khoâng caàn hoaït ñoäng ñoäc laäp, ta choïn Stereo, Dual hay Intensity Stereo ñeå taïo moät file duy nhaát. Cheá ñoä Stereo hay keânh Dual laø hoaøn toaøn ñoàng nhaát khi chuùng cuøng sinh ra moät file duy nhaát cho tín hieäu stereo. Tuy nhieân moät bit chæ thò seõ nhaän daïng xem moät file laø ôû cheá ñoä naøo vaø coù theå ñöôïc duøng cho nhöõng aùp duïng naøo. Cheá ñoä Intensity Stereo xem xeùt söï dö thöøa giöõa caùc keânh traùi vaø phaûi nhaèm toái öu maõ. Chaát löôïng cuûa Intensity Stereo thay ñoåi theo noäi dung cuûa tín hieäu ñaõ maõ hoùa. Tuy nhieân noù ñaëc bieät thích hôïp cho toác ñoä truyeàn bit thaáp. 2. Sampling Frequency (toác ñoä laáy maãu) Moät soá toác ñoä laáy maãu: 32 kHz, 44.1 kHz vaø 48 kHz ñoái vôùi MPEG 1 (Tieâu chuaån ISO/IEC 11172-3). 16 kHz, 22.05 kHz vaø 24 kHz ñoái vôùi MPEG 2 (Tieâu chuaån ISO/IEC 13818-3). Khi choïn löïa toác ñoä laáy maãu caàn xem xeùt caùc vaán ñeà: Taàn soá laáy maãu caøng lôùn thì caøng nghe thuaän tai (ñoä daøi frame nhoû hôn). Baêng thoâng tín hieäu giôùi haïn ôû möùc 15 kHz khi laáy maãu ôû toác ñoä 32 kHz vaø 8 kHz ôû toác ñoä 16 kHz. Taàn soá laáy maãu (kHz) vaø toác ñoä cuûa aâm thanh maõ hoùa (kbps) coù theå choïn ñoäc laäp. Taàn soá laáy maãu 44.1 kHz hay 22.05 kHz laø khoâng thieát thöïc cho vieäc choïn loïc vì ñoä daøi frame (byte) laø thay ñoåi. Nhöõng file ñöôïc laáy maãu ôû nhöõng taàn soá khaùc nhau thì raát khoù khaên khi hoøa troän. Khi duøng ngoõ nhaäp soá AES/EBU, taàn soá laáy maãu bò coá ñònh bôûi tín hieäu nhaäp. Neáu khoâng baét buoäc, Digigram yeâu caàu laáy maãu ôû 48 kHz hoaëc 44.1 kHz cho phaùt thanh hay öùng duïng multimedia. Neáu ta phaûi söû duïng toác ñoä bit thaáp cho söï truyeàn coù hieäu quaû, toác ñoä 24 kHz laø thích hôïp. 3. Bit Rate Moãi Layer vaø cheá ñoä coù nhieàu caùch choïn löïa toác ñoä bit (bit rate). Vieäc choïn toác ñoä bit tuøy thuoäc tröôùc tieân vaøo chaát löôïng aâm yeâu caàu. Baêng thoâng tín hieäu laø heïp hôn neáu toác ñoä bit thaáp, khieán cho noù khoâng thöïc teá ñoái vôùi moät soá öùng duïng. Toác ñoä bit ñöôïc ño theo kilobits / sec(kbps). Khi choïn löïa toác ñoä bit caàn xem xeùt caùc vaán ñeà: Taïi 128 kbps treân moãi keânh (hay 256 kbps stereo), chaát löôïng aâm thanh CD seõ ñaït ñöôïc vôùi Layer I hay Layer II. Taïi 192 kbps treân moãi keânh, chaát ._.