Phương pháp mã hoá và nén âm thanh theo chuẩn Mpeg potx

Sự phát triển ồ ạt này đã dẫn tới ngành công nghệ phần cứng đã không thể đáp ứng được những đòi hỏi về lưu trữ, đồng hành với sự phát triển này là mạng máy tính đó chính là Internet ngày

Ph ương pháp mã hoá và

nén âm thanh theo

Lời nói đầu

Công nghệ thông tin là ngành công nghiệp mũi nhọn của thế giới nói chung và của việt nam nói riêng, nó đã phát triển mạnh mẽ không ngừng trong những năm gần đây Khi đời sống được nâng lên khoa học kỹ thuật phát triển nhu cầu về giải trí cũng đa dạng lên, các loại hình giải trí không ngừng gia tăng

và ngày càng phong phú, đa dạng các loại hình giải trí như: trò chơi điện tử, nghe nhạc xem phim, xem ca nhạc(video), và đặc biệt là những trong chơi dạng không gian ba chiều Sự phát triển ồ ạt này đã dẫn tới ngành công nghệ phần cứng đã không thể đáp ứng được những đòi hỏi về lưu trữ, đồng hành với sự phát triển này là mạng máy tính đó chính là Internet ngày càng phát triển số lượng người tham gia truy cập ngày càng lớn và nhu cầu của họ thì ngày càng phong phú và đa dạng về tất cả các loại hình nói trên Do đó tốc độ truy cập, tốc

độ truyền tải trên mạng được quan tâm hơn để cho người dùng không phải sốt ruột ngồi chờ những trang web mà mình truy cập, họ không phải bực mình khi download những file âm thanh và những bài hát mà họ ưa thích vì đường truyền quá chậm trong khi công nghệ phần cứng đã phát triển mạnh Chính vì vậy các nhà nghiên cứu phần mềm đã chú ý đến việc phát triển phần mềm để hỗ trợ phần cứng Họ đã tạo ra những chương trình phần mềm hỗ trợ tích cực phần cứng, từ

đó đã ra đời những phần mềm nén âm thanh, hình ảnh, nén video, tách âm thanh

từ những file video…để tạo ra những dạng âm thanh, hình ảnh, video như mindi, mpeg, mp3, mp4… những file ảnh dạng gif, jpeg…với dung lượng lưu trữ vô cùng nhỏ mặc dù chất lượng có giảm đi đôi chút nhưng không đáng kể so với những gì nó đạt được để truyền tải, truy cập nhanh hơn

Sự tồn tại của chuẩn JPEG (Joint Photographic Experts Group) chỉ để giảm tốc độ bit và chủ yếu phục vụ cho hình ảnh, rõ ràng là không đủ đáp ứng cho hình ảnh động có kèm âm thanh Để đáp ứng nhu cầu của thị trường, một nhóm các chuyên gia về hình ảnh động (Moving Picture Experts Group), gọi tắt

là MPEG, được thành lập để nghiên cứu đưa ra những lược đồ mã hóa phù hợp

cho việc truyền hình ảnh động và ghi lại chúng theo tiêu chuẩn trong các thiết bị lưu trữ số như CD-ROM, Video CD

Phần trình bày của luận văn chỉ nằm trong khuôn khổ "Aâm thanh" Do

đó mọi vấn đề liên quan tới hình ảnh sẽ không được đề cập tới, dù chuẩn MPEG

là dùng cho cả âm thanh và hình ảnh

Mục tiêu của đề tài chủ yếu chỉ để tìm hiểu về các phương pháp mã hoá

và nén âm thanh theo chuẩn Mpeg, từ đó dựa trên một số source code (viết bằng C) đã có trên mạng Internet viết lại bằng ngôn ngữ Visual C++, nhằm hiểu sâu hơn về giải thuật, đồng thời tạo ra một giao diện thân thiện hơn

Do trình độ và kiến thức có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong thầy tham gia và giúp đỡ em để em hoàn thành được tốt hơn

Em xin chân thành cám ơn thầy đã tạo điều kiện thuân lợi nhất giúp em hoàn thành báo cáo này

PHẦN I

LÝ THUYẾT CƠ BẢN

CHUƠNG 1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ÂM THANH

I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - SÓNG CƠ

1.1 Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi

a Định nghĩa:

Các môi trường chất khí, chất lỏng, chất rắn là môi trường đàn hồi Môi trường đàn hồi có thể coi là những môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau, lúc bình thường mỗi phân tử có một vị trí cân bằng bền

b Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi:

 Do tính chất của môi trường đàn hồi, cho nên nếu tác dụng lên phân tử nào đó của môi trường thì phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền

 Do tương tác, các phân tử lân cận một mặt kéo phân tử A về vị trí cân bằng, mặt khác nhận một phần năng lượng do phân tử A truyền sang, do đó cũng dao động theo, hiện tượng này xảy ra liên tiếp tạo thành sóng Sóng đàn hồi (sóng cơ) là sự lan truyền dao động trong môi trường đàn hồi Sóng cơ không thể truyền được trong chân không, vì chân không không phải là môi trường đàn hồi

 Cần lưu ý trong khi truyền dao động, các phân tử của môi trường không di chuyển theo các dao động được lan truyền mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của nó

c Một số khái niệm về sóng:

 Nguồn sóng: là ngoại vật gây ra kích động sóng

 Tia sóng: là phương truyền sóng

 Môi trường sóng: là không gian mà sóng truyền qua

 Mặt sóng: là mặt chứa những điểm (phân tử) có cùng trạng thái dao động tại một thời điểm nào đó Tia sóng luôn vuông góc với mặt sóng

 Sóng cầu: mặt sóng là những mặt cầu phân bố đều trong không gian, tâm là nguồn sóng Trong môi trường đồng chất và đẳng hướng sẽ

có sóng cầu Đối với sóng cầu tia sóng trùng với bán kính của mặt cầu

 Sóng phẳng: mặt sóng là những mặt phẳng song song nhau, tia sóng vuông góc với mặt sóng Nếu nguồn sóng ở rất xa môi trường đang xét thì mặt sóng có thể coi là những mặt phẳng song song

 Sóng dọc: là sóng trong đó các phân tử của môi trường dao động quanh vị trí cân bằng trên phương trùng với tia sóng Khi có sóng dọc, trên phương của tia sóng các phân tử của môi trường khi thì bị nén chặt, khi thì giãn ra làm cho các phân tử của môi trường có chỗ dày chỗ thưa

 Sóng ngang: là sóng trong đó các phân tử của môi trường dao động quanh vị trí cân bằng trên phương vuông góc với tia sóng

d Nguyên nhân gây ra sóng ngang và sóng dọc:

 Tùy tính chất của môi trường đàn hồi mà trong đó có thể xuất hiện sóng ngang hay sóng dọc

- Khi một lớp của môi trường bị lệch đối với lớp khác làm xuất hiện các lực đàn hồi có xu hướng kéo lớp bị lệch về vị trí cân bằng thì trong môi trường đó có thể truyền được sóng ngang Vậy vật rắn là một môi trường có tính chất đó

- Nếu trong môi trường không có các lực đàn hồi khi các lớp song song bị lệch đối với nhau thì sóng ngang không thể hình thành được Chất lỏng và chất khí là những môi trường đó

- Khi bị biến dạng nén hay căng mà trong môi trường có các lực đàn hồi xuất hiện thì trong môi trường đó có thể truyền được sóng dọc Chẳng hạn khi bị nén, chất lỏng hay chất khí sẽ tăng áp suất, lực nén giữ vai trò lực đàn hồi

 Như vậy trong chất lỏng và chất khí chỉ có sóng dọc truyền được, còn trong chất rắn có thể truyền được cả hai loại sóng

1.2 Các đặc trưng của sóng

a Vận tốc truyền sóng (C) :

Là quãng đường mà sóng truyền được trong một đơn vị thời gian

b Bước sóng :

Là quãng đường mà sóng truyền được sau một thời gian bằng 1 chu

kỳ T Như vậy  là khoảng cách bé nhất giữa các phân tử dao động cùng pha Theo định nghĩa ta có :  = CT

2.1 Dao động âm và sự truyền dao động

 Sóng âm là một loại sóng cơ có biên độ dao động nhỏ mà thính giác nhận biết được Thí dụ dao động phát ra từ dây đàn, mặt trống đang rung động Sóng âm là một loại sóng cơ nên mọi khái niệm và hiện tượng

về dao động và sóng cơ trên đây đều áp dụng cho sóng âm

 Trong khơng khí cũng như trong mọi chất khí khác, những dao động truyền đi dưới dạng sĩng dọc, khi đến tai người những dao động cĩ tần số từ 16 đến 20000 Hz sẽ gây cảm giác đặc biệt về âm

 Các dao động đàn hồi cĩ tần số f>20.000 Hz là sĩng siêu âm

 Các dao động đàn hồi cĩ tần số f<16 Hz là sĩng hạ âm

 Mỗi âm cĩ một tần số riêng, đơn vị của tần số là héc (Hz) với định nghĩa:”Héc là tần số của một qúa trình dao động âm trong đĩ mỗi giây thực hiện được một dao động”

1 Héc (Hz) = 1 dao động / 1 giây

 Việc phân chia sĩng hạ âm, sĩng siêu âm và sĩng âm (âm thanh) liên quan tới khả năng sinh lý của thính giác

2.2 Đơn vị vật lý của âm thanh

 Âm thanh hay tiếng động mà con người nhận biết được do tác động của sĩng âm lên màng nhĩ tai

 Các dao động âm phát ra từ nguồn lan truyền trong mơi trường đàn hồi như khơng khí dưới dạng sĩng đàn hồi gọi là sĩng âm Sĩng âm đến kích động màng nhĩ tai gây cảm giác về âm, do đĩ cần phân biệt hai loại đại lượng về âm:

- Đại lượng âm khách quan: những đại lượng thuần túy vật lý, khơng phụ thuộc vào tai người

- Đại lượng âm chủ quan: những đại lượng tâm lý vật lý phụ thuộc vào tai người

2.2.1 Đơn vị âm khách quan:

a Aùp suất âm:

Khi sĩng âm tới một mặt nào đĩ, do các phân tử mơi trường dao động tác dụng lên mặt đĩ một lực gây ra áp suất Aùp suất ở đây là áp suất

dư do sĩng âm gây ra ngồi áp suất khí quyển

Trong phạm vi nghe được, áp suất âm trong khoảng từ 2.10-4 đến 2.102 bar, chênh lệch 106 lần, đĩ là một phạm vi rất rộng

b Cường độ âm (I):

- Cường độ âm ở một điểm nào đĩ trên phương đã cho trong trường

âm là số năng lượng âm đi qua đơn vị diện tích của mặt S vuơng gĩc với phương truyền âm, tại điểm đĩ trong đơn vị thời gian

- Một vài cường độ âm đáng chú ý:

Người nĩi thường I = 2.10-3 W/m2

- Trong điều kiện chuẩn (to = 20oC, áp suất 760mmHg):

Vận tốc âm trong khơng khí : C = 340 m/s  = 0,00121 gr/cm3

 = Cp/Cv = 1,4

- Trong tính tốn người ta quy ước lấy âm đơn tần số f = 1000 Hz làm chuẩn để so sánh (gọi là âm chuẩn)

- Đối với âm chuẩn, trong phạm vi nghe được

Áp suất âm nhỏ nhất Pmin = 2.10-4 bar Cường độ âm nhỏ nhất Imin = 10-16 W/cm2

- Aùp suất âm và cường độ âm lớn nhất mà tai người cĩ thể chịu được là:

- Cơng suất âm nhỏ nhất cĩ thể nghe thấy được Wmin = 10-12 Watt 2.2.2 Đơn vị âm chủ quan:

 Tai người trung bình cĩ thể nhận được những sĩng âm cĩ tần số

từ 16 đến 20000 Hz, hiệu qủa này cĩ liên quan tới khả năng sinh lý của tai người

 Như vậy, âm thanh là một hiện tượng tâm lý vật lý, khơng phải bất cứ sĩng âm nào tới tai cũng gây ra cảm giác âm thanh như nhau Aâm

cĩ tần số khác nhau gây ra cảm giác khác nhau

 Cường độ âm nhỏ nhất của một sóng âm xác định mà tai người nghe thấy được gọi là “Ngưỡng nghe” Aâm có tần số khác nhau giá trị ngưỡng nghe cũng khác nhau Tai người thính nhất với âm có tần số trong khoảng từ 1000 đến 3000 Hz, trong phạm vi này cường độ âm ngưỡng nghe nhỏ nhất Những tần số khác, tai kém thính hơn, ngưỡng nghe có giá trị lớn hơn

 Đối với âm chuẩn, cường độ và áp suất ở ngưỡng nghe bằng:

Po = 2.10-5 N/ m2

Io = 10-12 W/m2

 Do cảm giác âm thanh phụ thuộc vào đặc tính sinh lý của tai người, cho nên phải có một số đại lượng đặc trưng cho cảm giác âm thanh phụ thuộc vào tai người, những đại lượng như vậy gọi là đại lượng âm chủ quan

a Bel và decibel (db):

Theo định lý sinh lý của Vebe-Fécne, cảm giác nghe to đối với một

âm không tỉ lệ thuận với cường độ âm của âm đó Khi cường độ âm tăng

từ Io tới I thì cảm giác nghe to tăng tỉ lệ với lg(I/Io) Do đó người ta dùng thang lô-ga-rít cơ số 10 để đo mức cảm giác so với mức ngưỡng

Mức ngưỡng gọi là mức zero qui ước : lg(I/Io) = lg(10-12/ 10-12) = 0 bel

Đơn vị là Bel hay db 10db = 1 bel

P :áp suất âm có ích của âm đang xét (N/m2)

Po:áp suất âm của âm chuẩn ở ngưỡng nghe

Thực tế áp suất âm là đại lượng cơ bản hơn cường độ âm, nên thường dùng mức áp suất âm sau đó suy ra mức cường độ âm Đơn vị chung là bel hay db Đơn vị này cũng dùng để đo mức công suất, mức năng lượng âm

Vài mức áp suất âm đáng chú ý :

2.2.3 Quãng độ cao (quãng tần số):

 Quãng tần số của hai âm là khoảng cách tần số của hai âm đó Nếu một âm tần số là f1, một âm khác tần số là f2 (f2 > f1) thì f2 / f1 = 2x

Khi x=1 tức f2 / f1 = 2 gọi là 1 quãng tần số (hay 1 ốc-ta)

Khi x=1/2 tức f2 / f1 = 1.41 gọi là nửa ốc-ta

Khi x=1/3 tức f2 / f1 = 1.26 gọi là 1/3 ốc-ta

- Mức áp suất âm của 1 ốc-ta bằng mức áp suất âm của 1/2 ốc-ta cộng thêm 3db

- Mức áp suất âm của 1 ốc-ta bằng mức áp suất âm của 1/3 ốc-ta cộng thêm 5db

 Vì quãng tần số của một âm qui định độ cao của âm đó nên còn gọi là quãng độ cao Theo tập quán âm nhạc thì quãng độ cao gọi là quãng

8 (bát độ)

 Chẳng hạn âm LA, tần số f=440 Hz tăng 1 bát độ là tăng gấp đôi tần số, tức là 880 Hz

 Trong thực tế thường gặp những âm phức tạp bao gồm nhiều tần

số Tập hợp tất cả những tần số cấu tạo trong một âm thanh gọi là “tần phổ” của âm đó, tần phổ có thể gián đoạn hay liên tục Một âm có tần phổ liên tục được đặc trưng bằng “Mức tần phổ B” với định nghĩa:

2.3 Đặc tính sinh lý về sự cảm thụ âm thanh

2.3.1 Mức to, độ to, mức âm cảm giác:

 Mức áp suất âm, mức cường độ âm trên đây vừa mang tính chất chủ quan vừa mang tính chất khách quan vì những đại lượng này xác định

từ những đại lượng thuần túy vật lý Vấn đề có ý nghĩa to lớn trong thực

tế là cần biết được sức mạnh của âm thanh đo bằng tai người

 Mức to, độ to của một âm là sức mạnh cảm giác do âm thanh gây nên trong tai người, nó không những phụ thuộc vào áp suất âm mà còn phụ thuộc vào tần số của âm đó Thí dụ 2 âm có tần số 100 Hz và

1000 Hz áp suất âm đều bằng 0,02 bar nhưng nghe to nhỏ khác nhau, âm

1000 Hz nghe to hơn âm 100 Hz Muốn nghe to bằng âm 1000 Hz thì âm

100 Hz phải có áp suất bằng 0,25 bar Như vậy tai người không nhạy đối với âm 100 Hz bằng âm 1000 Hz Tần số càng thấp tai người càng kém nhạy

a Mức to:

- Để biểu thị mức to trên cảm giác chủ quan, ta dùng đại lượng

“mức to”, đơn vị là “Fôn” với định nghĩa như sau :

Fôn là mức to của âm chuẩn, về giá trị bằng mức áp suất âm của

âm chuẩn tức là :

- Vậy mức to của một âm bất kỳ đo bằng Fôn, về giá trị bằng mức

áp suất âm của âm chuẩn đo bằng db có cùng mức to với âm đó Thí dụ:

âm có tần số 500 Hz mức áp suất âm bằng 25 db và âm có tần số 50 Hz mức áp suất âm bằng 64 db sẽ có cùng mức to bằng 20 Fôn, bằng mức to của âm 1000 Hz mức áp suất bằng 20 db

- Muốn biết mức to của một âm bất kỳ phải so sánh với âm chuẩn

- Đối với âm chuẩn, mức to ở ngưỡng nghe là 0 Fôn, ngưỡng chói tai là 120 Fôn

- Cùng một giá trị áp suất, âm tần số càng cao, mức to càng lớn

b Độ to:

- Khi so sánh âm này to hơn âm kia bao nhiêu lần, dùng khái niệm

“độ to” đơn vị là “Sôn” với định nghĩa như sau:

Số lượng Sôn biểu thị số lần mạnh hơn của một âm nào đó so với

âm chuẩn mà tai người có thể phân biệt được

- Độ to là một thuộc tính của thính giác, cho phép phán đoán tính chất mạnh yếu của âm thanh Căn cứ vào độ to mà sắp xếp âm từ nhỏ tới

to

- Mức to tăng 10 Fôn thì độ to tăng gấp đôi và ngược lại

2.3.2 Aâm điệu và âm sắc:

 Âm điệu chỉ âm cao hay thấp, trầm hay bổng Âm điệu chủ yếu phụ thuộc vào tần số của âm, tần số càng cao, âm nghe càng cao, tần số càng thấp âm nghe càng trầm

 Âm sắc chỉ sắc thái của âm du dương hay thô kệch, thanh hay rè, trong hay đục Âm sắc phụ thuộc vào cấu tạo của sóng âm điều hòa, biểu thị bằng số lượng các loại tần số, cường độ và sự phân bố của chúng quanh âm cơ bản Âm sắc có quan hệ mật thiết với cường độ, âm điệu và thời gian âm vang, sự trưởng thành và tắt dần của trường âm

 Khi hai ca sĩ cùng hát một câu ở cùng một độ cao, ta vẫn phân biệt được giọng hát của từng người Khi đàn ghi-ta, sáo, kèn cùng tấu lên một đoạn nhạc ở cùng một độ cao, ta vẫn phân biệt được tiếng của từng

nhạc cụ Mỗi người, mỗi nhạc cụ phát ra những âm có sắc thái khác nhau

mà tai ta phân biệt được Đặc tính đó của âm chính là âm sắc

 Âm sắc là một đặc tính sinh lý của âm, được hình thành trên cơ

sở các đặc tính vật lý của âm là tần số và biên độ Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f1 thì đồng thời cũng phát

ra các âm có tần số f2=2f1, f3=3f1

 Âm có tần số f1 gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất, các âm

có tần số f2 , f3 gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba Âm cơ bản bao giờ cũng mạnh nhất, các họa âm có tác dụng quyết định âm sắc của âm cơ bản, giúp ta phân biệt các nguồn âm khác nhau Chẳng hạn tiếng đàn Pi-a-

nô và tiếng sáo tuy cùng một âm cơ bản nhưng lại rất dễ phân biệt, nguyên nhân là do số lượng, cấu trúc những họa âm quanh âm cơ bản của chúng khác nhau Họa âm càng nhiều âm nghe càng du dương phong phú

3 Thính giác định vị (hiệu ứng Stereo):

 Khi nghe âm tuy mắt không nhìn thấy nguồn âm nhưng có thể xác định chính xác vị trí của nguồn âm Đặc điểm này là kết qủa của hai tác dụng:

- Do cường độ, độ to, âm sắc của âm đến hai tai không giống nhau

- Do âm đến hai tai lệch pha nhau, vì thời gian đến hai tai không giống nhau

 Cường độ, độ to của âm đến hai tai chênh lệch nhau là do nhiễu

xạ gây ra Âm có tần số f < 1000 Hz sự chênh lệch cường độ do nhiễu xạ gây ra rất bé nhưng ở những tần số cao, sự chênh lệch này có thể đạt tới

 Tương tự như tác dụng lưu ảnh của mắt, tai người cũng có tác dụng lưu âm

 Thí nghiệm với nhiều thính giác bình thường cho thấy rằng, nếu hai âm như nhau đến tai người cách nhau < 50 ms thì tai người không phân biệt được, nghe như một âm duy nhất

 Với Multimedia Windows, hãng Microsoft đã thực hiện được ba điều :

 Định nghĩa một tiêu chuẩn phần cứng tối thiểu cho loại máy Multimedia PC (viết tắt là MPC) Tiêu chuẩn này dựa trên chức năng tổng quát hơn là sản phẩm cụ thể Ví dụ nếu PC có thêm ổ đĩa CD-ROM và một card âm thanh thì trở thành MPC cấp 1

 Microsoft đã cung cấp phần mềm Multimedia Extension cho Windows 3.0 và đã được ghép luôn vào hệ điều hành Windows từ phiên bản 3.1 Phần mềm này bao gồm các bộ điều khiển thiết bị dành cho việc truy xuất đến các phần cứng gắn thêm vào MPC

 Microsoft đưa ra công cụ phát triển Multimedia Development Kit (MDK) Lập trình viên kết hợp công cụ trên với bộ Windows Software Development Kit (SDK) để viết các ứng dụng về Multimedia

 Có hai dạng xử lý âm thanh số hóa trên Windows Loại thứ nhất microsoft gọi là “Wave Form Audio” (Aâm thanh dạng sóng), dựa trên nguyên tắc số hóa sóng âm, MPC lưu chúng trên bộ nhớ hay tập tin

.WAV trên đĩa Các dữ liệu số này có thể thông qua phần cứng biến đổi lại thành âm thanh

 Dạng thứ hai là MIDI Khác với âm thanh dạng sóng, MIDI chỉ lưu lại những thông điệp điều khiển bộ tổng hợp phát ra âm thanh Do đó kích thước của tập tin MID nhỏ hơn nhiều so với tập tin.WAV

II CẤU TRÚC WAVE FILE

1 RIFF file

Wave File là tập tin chứa các dữ liệu của mẫu âm thanh đã được số hóa Phương pháp số hóa âm thanh hiện nay là phương pháp PCM Phương pháp này sẽ lấy mẫu âm thanh với tần số khoảng 11.025 kHz cho đến 44.1 kHz Mỗi lần lấy mẫu, số liệu này lại được lượng tử hóa bằng một hay hai byte cho một mẫu âm thanh Như vậy tần số lấy mẫu càng cao, số byte dùng lượng tử hóa càng nhiều thì âm thanh phát lại càng trung thực, nhưng lại tăng số byte cần lưu trữ Với một mẫu âm thanh phát ra trong một phút cần phải lưu trữ ít nhất 660 kB Đó là lý do tại sao các File Wave luôn có kích thước khá lớn so với MIDI File

Cấu trúc của Wave File thuộc vào lớp file được sử dụng bởi các hàm Multimedia của Windows: đó là RIFF FILE RIFF là chũ viết tắt của Resource Interchange File Format (dạng file trao đổi tài nguyên) Một RIFF file gồm một hoặc nhiều loại chunks, trong mỗi chunk lại chứa con trỏ chỉ đến chunk kế tiếp Mỗi chunk bao gồm loại chunk và dữ liệu theo sau loại chunk đó Một ứng dụng muốn đọc RIFF file có thể đi qua lần lượt từng chunk, đọc dữ liệu ở chunk nó quan tâm và có thể bỏ qua các chunk mà nó không quan tâm, một chunk của RIFF file luôn bắt đầu bởi một header có cấu trúc như sau:

Typedef struct

2 Cấu trúc Wave file

Wave file bắt đầu là chunk loại “RIFF”

Hai subchunk trong wave chunk đặc tả thông tin về âm thanh của wave file và tiếp đó là dữ liệu của từng subchunk Đó là subchunk “fmt”

Giá trị này báo cho phần mềm đang đọc Wave File biết kiểu mã hóa dữ liệu âm thanh sang dữ liệu số là kiểu mã hóa PCM Hiện nay đây

là kiểu mã hóa duy nhất của Wave file

- nChannels: có hai giá trị bằng 1 cho âm thanh mono và bằng 2 cho âm thanh stereo

- nSamplesPerSec: cho biết tốc độ lấy mẫu, có các giá trị:

Ta thấy trong WAVEFORMAT chưa có thông tin về số bit dùng để lượng tử hóa một mẫu dữ liệu của sóng âm Thực tế Wave File sẽ xác lập

số bit dùng cho một mẫu dữ liệu bằng một trường gắn vào cuối cấu trúc của WAVEFORMAT Cấu trúc đó như sau:

Typedef struct pcmwaveformat_tag

b Subchunk “data”

Dữ liệu của “data” subchunk của wave file chứa các số liệu của âm thanh đã được số hóa Đối với mẫu âm thanh 8 bit, dữ liệu của “data” subchunk bao gồm các giá trị 1 byte (có giá trị từ 0 – 255) của các mẫu

âm thanh Đối với mẫu âm thanh 16 bits, mỗi mẫu dữ liệu gồm 2 bytes (có giá trị từ – 32768 đến 32767) Điều này không có nghĩa là file wave

16 bits sẽ nghe to hơn 256 lần file wave 8 bits, mà nó có nghĩa là âm thanh được lượng tử hóa chính xác hơn, nghe trung thực hơn

Trong mẫu mono 8 bits, dữ liệu của subchunk “data” gồm chuỗi các giá trị 1 byte Với stereo 8 bits, mỗi mẫu gồm 2 bytes, dữ liệu sẽ được sắp xếp xen kẽ (interleave), với byte đầu (byte chẵn) là mẫu âm thanh của kênh bên trái, byte sau (byte lẻ) là của kênh bên phải

Tóm laị cấu trúc của Wave File như sau:

của file wave (thường là

PCM)

WORD nFormatTag

2 - stereo

WORD nChannels

III ĐỌC RIFF FILES

 Để làm việc với file RIFF, ta phải mở nó và “descend” vào chunk mà ta cần Điều này có nghĩa là ta cần phải định vị được chunk này, rồi chuyển con trỏ file vào đầu khối dữ liệu của chunk Khi làm việc xong với 1 chunk, ta phải “ascend” ra khỏi chunk và “descend” xuống chunk khác

 Các hàm dùng xử lý RIFF file đều có tiền tố là mmio và làm việc với file handle dạng HMMIO, để bắt đầu, ta phải mở file bằng đoạn

mã sau:

HMMIO h;

If ((h=mmioOpen(path,NULL,MMIO_READ))==NULL) {

/*báo lỗi*/

return(0);

} Thông số path chứa đường dẫn của file wave Cờ MMIO_READ báo cho mmioOpen mở file để đọc Ta cũng có thể mở nó để ghi bằng thông số MMIO_WRITE hay cả đọc và ghi bằng thông số MMIO_READWRITE Nếu mở file thành công, mmioOpen sẽ trả về một

mmioClose(h,0);

/* báo lỗi */

return(0);

} Cấu trúc của MMCKINFO chứa các thông tin về chunk Nó được định nghĩa trong MMSYSTEM.H như sau:

Typedef struct {

Trường cksize định nghĩa kích thước tính bằng byte của chunk Đối số thứ ba của mmioDescend là cờ MMIO_FINDRIFF Cờ này chỉ thị cho mmioDescend tìm một file có ID là RIFF với loại chunk được

xác định bởi ckid Nếu muốn tìm một chunk trong Wave file ta cho cờ này

{ mmioClose(h,0);

/* báo lỗi */

return(0);

} Đến đây ta đã có thể bắt đầu đọc dữ liệu từ Wave File Đoạn mã sau đọc đối tượng PCMWAVEFORMAT từ fmt subchunk:

/* báo lỗi */

return(0L);

} if(waveformat.wf.wFormatTag !=WAVE_FORMAT_PCM) {

 Sau khi đã đọc nội dung của chunk, ta đi ra khỏi chunk để chuẩn

GLOBALHANDLE wavehandle;

HPSTR wavepointer;

MmSub.ckid=mmioFOURCC(‘d’,’a’,’t’,’a’);

If(mmioDescend(h,(LPMMCKINFO)&mmSub, (LPMMCKINFO)&mmParent,MMIO_FINDCHUNK))

{ mmioClose(h,0);

/* báo lỗi */

return(0);

} if((wavehandle=GlobalAlloc(GMEM_MOVEBLEIGMEM_ SHARE, mmSub.cksize))==NULL)

mSub.cksize) {

Theo qui ước chung, tín hiệu được coi là hàm theo một biến độc lập

và là biến thời gian

Tín hiệu số (Digital signal) là tín hiệu rời rạc (theo biến độc lập thời gian) đồng thời có biên độ cũng rời rạc hóa (lượng tử hóa)

2 Đáp ứng xung trong hệ tuyến tính bất biến

Tín hiệu vào x(n) được gọi là tác động, tín hiệu ra y(n) được gọi là đáp ứng của hệ xử lý Ta có quan hệ:

y(n) Tx(n)

T : phép biến đổi x(n) y(n)

Một hệ thống là tuyến tính nếu thỏa nguyên lý xếp chồng: giả sử

y1(n) và y2(n) là đáp ứng của hệ tương ứng với tác động vào là x1(n) và

x2(n) Hệ là tuyến tính nếu và chỉ nếu :

a.x1(n) b.x2(n) a.y1(n) b.y2(n)

Như vậy, một hệ tuyến tính có thể xử lý tổng tác động như là các tác động này được xử lý độc lập, sau đó các đáp ứng tương ứng sẽ được cộng lại

Một tín hiệu x(n) bất kỳ có thể biểu diễn : 

y( ) ( ) ( )

hk(n) gọi là đáp ứng xung của hệ đối với tác động là xung (n-k) Theo công thức trên, hệ tuyến tính vẫn còn tùy thuộc vào thời điểm tác động k Một hệ tuyến tính là bất biến(theo thời gian) nếu tín hiệu vào

bị dịch đi một đoạn thời gian là k thì tín hiệu ra cũng chỉ dịch một đoạn

k, tức mọi hk(n) trở thành h(n-k)

Như vậy mọi hệ tuyến tính bất biến đều được đặc trưng hoàn toàn bằng đáp ứng h(n), biết h(n) ta hoàn toàn tính được đáp ứng y(n) của tín hiệu vào x(n)

h(n) h1(n) *h2(n)

và thứ tự mắc nối tiếp không quan trọng

Từ tính chất phân phối, hai hệ TTBB mắc song song nhau sẽ tương đương với một hệ có đáp ứng xung bằng tổng hai đáp ứng xung:

) ( ) ( ) (n h n h n

) ( ) (

) ( ) (

2

n h

n h n

) ( ) ( ) ( ) (n h1 n h2 n y n

4 Hệ nhân quả (causal system)

Các hệ có tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu trong quá khứ và hiện tại được gọi là các hệ nhân quả, tức phải có tác động vào (nguyên

nhân) thì mới có tác động ra (kết quả)

 Định lý: Hệ tuyến tính bất biến (TTBB) là nhân quả nếu đáp ứng xung h(n) = 0 với mọi n<0

Đối với một hệ TTBB và nhân quả, dạng chung

( ) (

k

k h k n x n y

Nếu đáp ứng xung h(n) có độ dài hữu hạn N thì:

( )

(

N k

k h k n x n

y

Mở rộng cho tín hiệu: tín hiệu nhân qủa là tín hiệu bắt đầu khác 0 từ thời điểm 0

 0 khi n<0  0 khi n0

5 Tính ổn định

Định nghĩa: một hệ là ổn định nếu đáp ứng của hệ luôn bị chặn đối với tác động vào bị chặn

Định lý: Một hệ TTBB là ổn định nếu và chỉ nếu đáp ứng xung thỏa

S | ( ) |

6 Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng

x(n)

Ta chỉ khảo sát các hệ thống tuyến tính bất biến và có thể đặc trưng bởi các phương trình sai phân có hệ số hằng Mối liên hệ giữa tín hiệu vào x(n) và tín hiệu ra y(n) có dạng như sau:

M r r

k y n k b x n r a

) ( )

(

Trong đó tập các hệ số ak và br đặc trưng cho hệ TTBB

7 Biểu diễn các hệ rời rạc trong miền tần số

7.1 Phép biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc

n x k h n

y( ) ( ) ( ) ( ). ( )

Với tín hiệu vào x(n)= ejn (có tần số =2f) và đáp ứng xung h(n), ta có tín hiệu ra:

y(n)e jn.H(e j) Hàm H(ej) gọi là đáp ứng tần số của hệ, biểu diễn đáp ứng của hệ thống theo hàm của tần số đối với dãy tác động ejn, nó cho biết sự thay đổi về biên độ và pha theo tần số khi tín hiệu đi qua hệ

H(ej) là một hàm số phức và có thể biểu diễn theo phần thực và ảo: H(ej)= Hr(ej)+ jHi(ej) (r: real; i: image)

Hoặc theo biên độ và pha:

H(ej)= | H(ej)| ejargH(ej ) (02)

H(ej) là hàm liên tục theo  và tuần hoàn với chu kỳ 2 Ta có thể khai triển nó thành chuỗi Fourier, ngược lại h(n) có thể được tính toán từ H(ej) bằng các công thức tính hệ số khai triển chuỗi Fourier:

e n h e

A t

S( ) ( 2 )

T jk

T A

0

0

) / 2 (

).

(

1 

7.2 Phép biến đổi Fourier thuận

e k x e

7.4 Phổ biên độ, phổ pha và phổ năng lượng

Do X(f) là một hàm phức nên ta có thể biểu diễn dưới dạng modul

và argument:

|)(

|)

8 Định lý lấy mẫu Shannon

Một tín hiệu tương tự xa(t) có dải phổ hữu hạn với giới hạn trên là

Fmax(Hz) (tức là phổ bằng 0 khi f nằm ngoài dải - Fmax Fmax) Ta sẽ chỉ có thể khôi phục lại xa(t) một cách chính xác từ các mẫu xa(n.Ts) nếu như :

hay Ts  1/(2Fmax)

Khôi phục lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu lấy mẫu:

Ta có thể khôi phục lại tín hiệu xa(t) bằng cách cho tín hiệu lấy mẫu

đi qua một mạch lọc (tương tự) thông thấp lý tưởng (low-pass filter) có đáp ứng tần số Hlp(f) với tần số cắt là fc = Fs/2 Phổ của tín hiệu xa(t) sẽ được lọc lại chính xác chỉ với điều kiện :

Fs  2Fmax

Nghĩa là thỏa mãn định lý lấy mẫu Khi đó trong không gian tần số:

Xa(f) = X(f).Hlp(f) Còn trong không gian thời gian:

Xa(t) = x(nTs)*hlp(t) Trong đó hlp(t) là đáp ứng xung của mạch lọc thông thấp lý tưởng

có biên độ dải thông là Ts

II PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC

1 Chuỗi Fourier rời rạc của tín hiệu rời rạc tuần hoàn

Tín hiệu tuần hoàn xp(n) là tuần hoàn với chu kỳ N nếu:

X p(n)a k.e j(2k/N)n k=N Trong đó các hệ số ak là các hệ số khai triển chuỗi Fourier rời rạc hay còn được gọi là các vạch phổ của tín hiệu tuần hoàn

2 Biến đổi Fourier rời rạc của tín hiệu có độ dài hữu hạn(DFT:Discrete Fourier Transform)

Việc biểu diễn Fourier cho tín hiệu rời rạc có độ dài hữu hạn gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Tín hiệu có độ dài hữu hạn là tín hiệu có giá trị khác 0 trong một khoảng hữu hạn thời gian nào đó, và bằng 0 trong khoảng còn lại Đây là loại tín hiệu tồn tại trong thực tế vì chúng ta chỉ có thể quan sát mọi tín hiệu trong một khoảng thời gian là hữu hạn từ N1 đến N2 Để đơn giản

3 Phép biến đổi nhanh fourier

Fast Fourier Transform (FFT) là một giải thuật rất hiệu quả để tính DFT Công thức biến đổi DFT:

)

()

(

N

k

N kn j

e n x k

0

1 2 /

0

) 1 2 ( 2

).

1 2 ( ).

2 ( )

W n x k

X

Ký hiệu thành phần chẵn là xev và lẻ là xod, ta viết lại:

1 2 /

0 2

).

( )

N

x k

X

X(k) X ev(k)W N k/2.X od(k), k = 0 N-1

Để tính X(k) chỉ cần tính trong nửa chu kỳ N/2

Xev(k) và Xod(k) tuần hoàn với chu kỳ N/2: Xev(k) = Xev(k - N/2), N/2  k  N-1

ISO : International Organization for Standardization IEC : International Electro-technical Commission JTC1 : Joint Technical Committee 1

SC29 : Sub-committee 29 WG11: Work Group 11 (moving picture with audio)

2 So sánh các chuẩn MPEG:

MPEG-1 định nghĩa một tiêu chuẩn cho việc lưu trữ và phục hồi các hình ảnh động và âm thanh trên các thiết bị lưu trữ Tiêu chuẩn này định nghĩa rằng hình ảnh được phát lại ở tốc độ 30 frames một giây và âm thanh được phát lại ở chất lượng như CD-audio, độ phân giải hình ảnh là

352 x 240 Chuẩn MPEG-1 được dùng điển hình trong các phần mềm huấn luyện bằng máy tính, các game hành động trong máy tính, video chất lượng VHS, Karaoke

MPEG-2 định nghĩa cho một tiêu chuẩn kỹ thuật truyền hình số Chuẩn MPEG-2 khắc phục một vài nhược điểm của chuẩn MPEG-1 Ví

dụ, MPEG-2 có thể tạo hình ảnh lớn gấp 4 lần MPEG-1 với độ nét cao hơn và rõ hơn (720 x 480 và 1280 x 720) Các đặc tính của MPEG-2 bao gồm hình ảnh chất lượng cao và âm thanh nổi

MPEG-3 định nghĩa một tiêu chuẩn cho High Difinition Television (HDTV), là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền hình theo định dạng số đầy đủ Tiêu chuẩn này đã không được phát triển hoàn thiện và cuối cùng được kết hợp vào với chuẩn MPEG-2 MPEG-3 đi đến mục tiêu là các ứng dụng HDTV với kích thước mẫu lên đến 1920x1080x30 Hz và được

mã hoá ở tốc độ bit 20 đến 40 Mbits/s Cuối cùng người ta đã nhận ra rằng với một vài điều chỉnh thích hợp, MPEG-1 và MPEG-2 làm việc rất tốt đối với HDTV

MPEG-4 định nghĩa một tiêu chuẩn cho các ứng dụng Multi-media Đặc biệt nó định nghĩa tiêu chuẩn truyền cho dòng phức tạp các hình ảnh,

âm thanh và dữ liệu đồ hoạ và việc tái hợp chúng trên thiết bị thu

MPEG-4 được phát triển theo 2 giai đoạn, 1 và 2 Chuẩn MPEG-MPEG-4 định nghĩa các đối tượng hình ảnh mà trong đó các phần của một cảnh có thể được thao tác trong khi những phần khác vẫn không đổi

MPEG-5 và MPEG-6 vẫn chưa được công bố

MPEG-7 định nghĩa một tiêu chuẩn về việc biểu diễn nội dung cho các nghiên cứu thông tin hình ảnh và âm thanh Tên chính thức là

“Multimedia Content Description Interface” Mục tiêu của MPEG-7 là chuẩn hoá việc biểu diễn các mô tả về nội dung nghe nhìn Tuy nhiên chuẩn không định nghĩa các công cụ để nhận ra nội dung nghe nhìn thật

sự

3 Âm thanh MPEG

Khả năng của âm thanh MPEG, về cơ bản, âm thanh MPEG sẽ làm giảm kích thước lưu trữ 1 tâp tin âm thanh đi rất nhiều Một đĩa Audio-

CD lưu trữ được khoảng 650 Mbyte dữ liệu âm thanh thô với cách mã hóa

16 bit (bitdepth) và tần số lấy mẫu (sample rate) 44.1 kHz Nếu đem phát

ra thì cũng chỉ được 60 đến 72 phút

- bitdepth: mô tả mức biên độ lớn nhất mà một mẫu âm thanh có thể đạt tới Ví dụ: 8 bit = 256 mức, 16 bit = 65536 mức, về hình ảnh thì đó chính là độ phân giải

- sample rate: mô tả số mẫu âm thanh được lấy trong 1 giây Ví dụ:

22 kHz = 22.000 mẫu/1giây

Phương pháp cổ điển để giảm kích thước lưu trữ là giảm lượng thông tin Nếu đổi cách lưu trữ âm thanh từ 16 bit sang 8 bit chúng ta có thể giảm kích thước lưu trữ đi 1 nửa, tuy nhiên như thế chất lượng âm thanh cũng sẽ giảm đi 1 nửa

Hình 4.1

4 Các khái niệm trong âm thanh MPEG

a Hiệu ứng che (masking): nói đơn giản là âm lớn át âm bé, âm mạnh át âm yếu

b Ngưỡng nghe và mức nhạy cảm

 Thí nghiệm: đặt một người trong phòng yên tĩnh Tăng mức to của âm 1kHz lên cho đến ngay khi có thể nghe được rõ ràng Lặp lại thí nghiệm với các tần số khác nhau, ta vẽ được đồ thị sau:

Hình 4.2

 “Ngưỡng nghe” : là mức mà dưới nó 1 âm thanh không thể nghe được Nó thay đổi theo tần số âm thanh, và dĩ nhiên giữa mỗi người khác nhau Hầu hết mọi người đều nhạy cảm ở mức 2 đến 5 kHz Một người có nghe được âm thanh hay không tùy thuộc vào tần số của âm và độ to của

âm đó ở trên hay dưới ngưỡng nghe tại tần số đó Tai nhạy cảm ở mức 2 đến 5 kHz

 Ngưỡng nghe cũng có tính thích nghi, thay đổi cố định bởi

âm thanh mà ta nghe được Ví dụ, một cuộc nói chuyện bình thường trong một phòng thì có thể nghe được rõ ràng ở điều kiện bình thường Tuy nhiên, cũng cuộc trò chuyện đó nằm trong vùng lân cận của những tiếng

ồn lớn, như là tiếng ồn do một chiếc phản lực bay ngang bên trên, là hoàn toàn không thể nghe được do lúc này ngưỡng nghe đã bị sai lệch Khi chiếc phản lục đã đi rồi thì ngưỡng nghe trở lại bình thường Aâm thanh

mà ta không thể nghe được do sự thích nghi động của ngưỡng nghe gọi là

bị “che” (masked)

c Che tần số (Frequency Masking) Thí nghiệm:

 Phát ra 1 âm có tần số 1 kHz với mức to cố định là 60dB, gọi

là “âm che” (masking tone) Phát ra một âm khác (gọi là test tone) ở mức tần số khác (ví dụ 1.1kHz), và tăng mức to của âm này cho đến khi có thể nghe được nó (phân biệt được âm 1.1 kHz và âm che 1kHz)

 Làm lại thí nghiệm với các âm thử (test tone) và vẽ ra một ngưỡng mà tại đó các âm thử bắt đầu có thể phân biệt được:

Hình 4.3

 Làm thí nghiệm với các “masking tones” có các tần số khác nhau, ta có được hình vẽ:

Hình 4.4

d Che nhất thời (che thời gian)

 Nếu ta nghe một âm thanh lớn, rồi ngưng nó lại, mãi một lúc sau ta mới có thể nghe được một âm lân cận nhỏ hơn

 Thí nghiệm: phát ra một âm che “masking tone” có tần số 1kHz ở mức 60dB, kèm một âm thử (test tone) 1.1kHz ở mức 40dB Ta không nghe được âm thử này (nó đã bị che)

Dừng âm che lại, đợi một lúc (delay time) ta dừng tiếp âm thử (test tone)

Điều chỉnh thời gian delay để cho ta vừa có thể nghe được âm chủ (ví dụ khoảng 5ms)

Lặp lại thí nghiệm cho các mức to khác nhau của âm thử, ta vẽ được đồ thị sau:

ta có được Nhưng chúng ta có thể chuyển những khuyết điểm của nó thành ưu điểm : đó là đặc tính phi tuyến của ngưỡng nghe và khả năng thích hợp của nó

là cảm giác về âm mang đặc tính sinh lý và tâm lý

 Aâm thanh CD ghi lại tất cả tần số, kể cả những tần số bị

‘che’

 Aâm thanh MPEG chỉ ghi lại những tần số mà tai người có thể nghe