Frecuencias de muestreo

COMPRESIÓN DIGITAL
DE AUDIO
Conceptos básicos
RAZÓN PARA
•
PARA
AHORRAR:
espacio
dinero
COMPRIMIR:
RAZÓN PARA
•
PARA
AHORRAR:
espacio
dinero
COMPRIMIR:
• Compresión:
todo proceso que reduzca de manera significativa el
número de datos (flujo binario), aprovechando la redundancia que contiene
la señal de vídeo de tal manera que la información pueda recuperarse
posteriormente en un proceso de descompresión.
RAZÓN PARA
•
PARA
AHORRAR:
espacio
dinero
COMPRIMIR:
• Compresión:
todo proceso que reduzca de manera significativa el
número de datos (flujo binario), aprovechando la redundancia que contiene
la señal de vídeo de tal manera que la información pueda recuperarse
posteriormente en un proceso de descompresión.
• La
compresión o reducción de los datos que contiene
la señal de audio digital es fundamental para poderla
manejar, grabar, transmitir etc., ya que como se ha
visto, el flujo binario sin comprimir ocupa gran
cantidad de disco duro, de cinta o de ancho de banda
en los canales y circuitos de transmisión.
CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
• El
audio es una forma de onda analógica. El oído humano responde a ella
como un cambio de presión del aire y cada oído recibe una señal
unidimensional (en T); (≠ a la imagen, que es 3D: H, V y T).
• Cuando
escuchamos un sonido, lo colocamos de forma bastante precisa en
un espacio tridemensional, pero esto ocurre a través de las dos señales
unidimensionales, una para cada oído.
• La
sincronización y los tiempos de llegada relativos de estas formas de
onda es lo que parezca que los sonidos se muevan hacia delante, atrás,
arriba y abajo. La separación de los sonidos y el efecto de desplazamiento
(panning) es lo que los mueve de izqda a dcha (psicoacústica).
CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
En el momento de la reproducción la experiencia es óptima si se utilizan un par
de auriculares (grabación binaural).
• Todos los aspectos de calidad del audio dependerán de la precisión de los niveles
de grabación y la sincronización de los canales. Si se reduce la frecuencia de
muestreo o se comprime el audio demasiado se destruirán los elementos más
sutiles de la grabación y será imposible reconstruir la información que falte
durante la reproducción.
• Como en el caso del video es necesario tener en cuenta el modelo
psicoacústico del oído humano, de tal forma que sea posible introducir
perdidas en la compresión que no sean perceptibles por el observador.
• Mencionar que en entornos broadcast el flujo binario del audio es una pequeña
parte del total de la señal multimedia, por tanto, en la medida de lo posible los
equipos profesionales trabajan el audio sin compresión, siendo comprimido
para su transmisión
•
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CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
CODIFICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN DEL AUDIO
partir de las herramientas de compresión se crean los estándares
de compresión, encargados de definir la metodología de la
compresión. La aplicación practica de estos estándares de compresión
por parte de las empresas u organizaciones es lo que genera los
diferentes “códec” utilizados en la industria informática y televisiva.
Los códec son, básicamente, las aplicaciones concretas de los diversos
estándares de compresión. Cuando la salida de los códec es
almacenada, por ejemplo en PC, se guarda con un formato de archivo
(contenedor). Esto da a lugar a la cantidad ingente de formatos de
archivo, tanto para el audio como para video, que existen hoy. Esto se
produce porque como ya vimos, la compresión subjetivamente sin
perdidas, depende del observador final y cada códec intenta optimizar
el resultado.
•A
FRECUENCIAS DE MUESTREO
Y NYQUIST
FRECUENCIAS DE MUESTREO
Y NYQUIST
• Convertir
una fuente analógica en un medio de almacenamiento digital
requiere una medición instantánea del sonido y una notación del valor
(muestreos).
• El
tiempo entre cada cada una de las muestras consecutivas determina la
frecuencia más elevada a la que se puede grabar, teniendo en cuenta que el
oído humano no puede detectar frecuencias por encima de los 22 KHz
FRECUENCIAS DE MUESTREO
Y NYQUIST
• Convertir
una fuente analógica en un medio de almacenamiento digital
requiere una medición instantánea del sonido y una notación del valor
(muestreos).
• El
tiempo entre cada cada una de las muestras consecutivas determina la
frecuencia más elevada a la que se puede grabar, teniendo en cuenta que el
oído humano no puede detectar frecuencias por encima de los 22 KHz
• 32 KHz
• 44,1KHz
• 48
KHz
• 96
KHz
• 192
KHz
TAMAÑOS DE PALABRA
TAMAÑOS DE PALABRA
el número de bits empleado para describir una muestra.
Cuanto mayor sea, más preciso podrá ser el muestreo.
• Describe
• El
número limitado de números o pasos diferenciados que permite un
tamaño de palabra dado determina la cuantización.
• Si
se permite un número de bits demasiado reducido, se produce un
artefacto audible durante la reproducción del sonido.
•A
medida que aumenta el tamaño de palabra, resulta más difícil para el
oído humano diferenciar cada unos de los niveles de cuantización. El detalle
adicional permite a los algoritmos de filtrado digital calcular las formas de
onda con mayor precisión y evitar de recorte y redondeo (mayor calidad).
TAMAÑOS DE PALABRA
el número de bits empleado para describir una muestra.
Cuanto mayor sea, más preciso podrá ser el muestreo.
• Describe
• El
número limitado de números o pasos diferenciados que permite un
tamaño de palabra dado determina la cuantización.
• Si
se permite un número de bits demasiado reducido, se produce un
artefacto audible durante la reproducción del sonido.
•A
medida que aumenta el tamaño de palabra, resulta más difícil para el
oído humano diferenciar cada unos de los niveles de cuantización. El detalle
adicional permite a los algoritmos de filtrado digital calcular las formas de
onda con mayor precisión y evitar de recorte y redondeo (mayor calidad).
• 8,
10, 12, 16, 30 ó 24 bits
Pero al hab
sirve de nad
si no podem
el proceso
digital a a
Además
convertir
númer
almacenado
el ordena
una
eléctrica, s
filtrar ésta
Pero al hab
sirve de nad
si no podem
el proceso
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Además
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númer
almacenado
el ordena
una
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filtrar ésta
• La
señal de audio no precisa de una frecuencia de muestreo
tan alta como la señal de vídeo, pero, por otro lado, la
cuantificación de las muestras, es decir, la precisión con que
se mide y expresa el valor instantáneo, ha de ser mucho más
elevada. En concreto, si para representar la señal de vídeo se
utilizan (en la norma básica) en torno a 250 niveles, en el
caso de la señal de audio cada muestra necesita de unos
65.000 niveles, es decir, 250 veces más que la señal de vídeo.
RANGO DINÁMICO
Tamaño de palabra
RANGO DINÁMICO
• Describe
la diferencia entre el sonido más bajo y el más alto dentro del
intervalo de posibles valores.
• rango
Tamaño de palabra
dinámico = 20 x log (2
)
• El
sonido más bajo sería el silencio total, pero de hecho habrá algún ruido
de fondo introducido por el conversor A/D.
• Contar
con un mayor rango dinámico resulta útil para reducir la cantidad
de ruido, proporcionando una mayor relación señal/ruido
Tamaño de palabra
Tamaño de palabra
2
Rango dinámico
8 bits
256
48 dB
10 bits
102
60 dB
12 bits
4096
72 dB
16 bits
65536
96 dB
20 bits
1048576
120 dB
24 bits
16777216
144 dB
relación señal a ruido de
cuantificación es igual a seis veces el
numero de bits empleados en la
representación de las muestras.
Finalmente se obtiene la fórmula:
SNR =6,02 n + 1,76 dB.
• La
• En
audio tradicionalmente se ha considerado como "muy buena" una
señal cuyo rango dinámico esté por encima de los 90 dB. Utilizando 16
bits por muestra obtendremos: 16 x 6,02 + 1,78 dB = 98,1 dB. La
mayoría de las aplicaciones trabajan con !6 bits por muestra. El interfaz
de audio digital AES/EBU permite utilizar 20 e incluso 24 bits por
muestra, lo que daría una relación señal a ruido de cuantificación de
122,18 y 146,26 dB, respectivamente.
• La
cadena o secuencia de la señal digital es:
• micrófono
• conversor A/D
• etapas que copian o procesan números
• conversor DIA
• amplificador
• altavoces.
• Todos los procesos de mezcla, amplificación, efectos, etc. son,
en el dominio digital, meras operaciones matemáticas. El
necesario cambio a analógico se produce sólo en la etapa
final, cuando el oyente reproduce el sonido original.
• La
cadena o secuencia de la señal digital es:
• micrófono
• conversor A/D
• etapas que copian o procesan números
• conversor DIA
• amplificador
• altavoces.
• Todos los procesos de mezcla, amplificación, efectos, etc. son,
en el dominio digital, meras operaciones matemáticas. El
necesario cambio a analógico se produce sólo en la etapa
final, cuando el oyente reproduce el sonido original.
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estándar MPEG-1 audio es parte del estándar global
de MPEG-1 y establece las normas para la codificación del
audio (codificación de audio de calidad CD).
• El
•
Es un estándar genérico para la compresión de audio. No
hace ninguna hipótesis respecto a la fuente de audio (puede
ser: voz, música, etc.). Explota las características de sistema
auditivo para eliminar componentes perceptualmente
irrelevantes (que no son percibidas) y de esta forma reducir
la cantidad de información.
Características
• Frecuencias
• Tamaño
de muestreo: 32, 44.1 y 48 kHz
palabras codificadas: 16 ó 20 bits por muestra.
• Modos
de codificación: Monofónico, Doble Monofónico (dos
canales independientes), Estéreo y Estéreo conjunto (usa la
correlación entre los dos canales).
un esquema que diferencia 3 esquemas de compresión o
capas. Habiendo compatibilidad hacia atrás, es decir la capa 3 es
capaz de reproducir la capa 2.
• Es
Capas MPEG-1
• Capa
I (pre-MUSICAM). Utiliza una velocidad fija entre las 14 posibles
(de 32 a 448 Kbits/s); y proporciona una buena de calidad de audio (HI-FI)
a 192 Kbit/s (384Kbit/s dos canales). Sólo considera el enmascaramiento
frecuencial. Su principal ventaja es la relativa sencillez para implementar el
codificador y el decodificador.
• Capa
II (MUSICAM), es el estándar adoptado para la radio (DAB) y
televisión (DVB) digitales europeas. Proporciona calidad de audio CD a 128
Kbit/s por canal.
III (formato mp3) es la más compleja de las tres. Proporciona
calidad de audio-CD a 96 y 64 Kbit/s por canal. Realiza una mejor
compresión de las señales en estéreo al explotar la redundancia existente
entre los dos canales. El caudal mas alto soportado: 320 Kbit/s
• Capa
COMPRESIÓN DE AUDIO MPEG-2
Extensión del estándar MPEG-1 donde se han añadido las siguientes
características:
• Sistema
Multicanal : MPEG-2 soporta hasta cinco canales de audio de
alta fidelidad mas un canal LFE (Low Frequency Enhancement). De este
modo permite su utilización en HDTV o películas digitales (DVD).
• Soporte
de audio Multi-lingual: Hasta ocho canales (idiomas).
• Caudales
bajos: Se soportan caudales bajos de hasta 8 Kbit/s.
• Frecuencias
de muestreo adicionales: Se añaden las frecuencias de
muestreo de 16, 22.05 y 24 KHz.
• MPEG-2
es compatible con MPEG-1.
COMPRESIÓN DE AUDIO MPEG-4
Especificado en el estándar MPEG-4 parte 3 y en el estándar MPEG-2 parte 7 es
también denominado MPEG-4 AAC (Advance Audio Coding). AAC fue
construido en una estructura similar al codec estándar MPEG-1 audio Layer 3
(mp3) pero añade otras nuevas::
•
Banco de filtros mejorado con una resolución de frecuencia de 2048
componentes espectrales, casi cuatro veces más que para Layer 3.
•
Conformador temporal del ruido (señales de la voz, en particular).
•
Módulo de predicción que dirige el cuantizador a una codificación muy eficaz
cuando hay un patrón definido de la señal, como alta tonalidad.
•
Conformador perceptivo del ruido permite un control más fino de la
resolución del cuantizador, así que los bits pueden utilizarse más
eficientemente.
COMPRESIÓN DE AUDIO DOLBY DIGITAL
por los Laboratorios Dolby, Digital Dolby, o AC-3, es la
versión común que contiene hasta un total de 6 canales de sonido, con 5
canales de ancho de banda completa de 20 Hz - 20 kHz para los altavoces
de rango-normal (frente derecho, centro, frente izquierdo, parte posterior
derecha e parte posterior izquierda) y un canal de salida dedicada para los
sonidos de baja frecuencia conocida como Low Frequency Effect, o
subwoofer.
• Desarrollado
• El
formato Dolby de Digital soporta el audio Mono y Stereo también.
Permite un flujo de datos máximo de 640 Kbit/s. Siendo el utilizado en el
Cine con rollos de 35 mm de 320 Kbit/s y el máximo permitido en los
DVD de 448 Kbit/s. Utiliza 16 bit por muestra es el muestreo.
a:
O
O
Oatos PCM
I
Transformada
tiempofrecuencia
Modelo
psicoacústico
adaptado
«X
W
....J
o..
codificado
--.
5::J
:2
Figura 11.12.
Diagrama Diagrama
de bloques del codificador
AC3
de
Dolby.
de bloques del
codificador AC-3 de Dolby
El metodo adaptativo hacia atrás (BABA), por su lado, tiene la ventaja de que no
COMPRESIÓN DE AUDIO DTS
(Digital Theater System / Sound / Surround) es un
sistema digital de codificación de sonido que permite la existencia de
6 canales independientes de audio en una sola señal comprimida, y se
corresponden en nombre y localizaciones con los del sistema Dolby
Digital, con unas frecuencias de 20 Hz a 20 kHz en frontales y central,
80 Hz a 20 kHz en surround y 20 Hz a 120 Hz en LFE.
• DTS
• Tiene
una frecuencia de muestreo de 48 kHz. Pero a diferencia del
Dolby Digital, el DTS utiliza una resolución de 20 bits, cosa que le
convierte en el sistema de más calidad. Tiene un bitrate de hasta 1.5
Mbit/s para 5.1 (a este flujo binario es indistinguible el sonido original
del comprimido). Compresión 3:1.
ALOJAMIENTO DE LOS
DISTINTOS FORMATOS DE
AUDIO EN EL FILM DE 35 mm
CÓDECS DE AUDIO
Sin pérdida
• Apple Lossless (ALAC).
• OptimFROG.
• Direct Stream Transfer (DST).
• RealAudio Loseless.
• FLAC (Free Lossless Audio
Codec).
• RKAU.
• Lossless Audio (LA).
• LOSSLESS AUDIO
COMPRESSION WITH Ltac
• [Lossless Predictive Audio
Codec] LPAC.
• Monkey's Audio (APE).
• Shorten (SHN).
• True Audio (TTA).
• WavPack.
• Meridial Lossless Packing (MLP).
• Windows Media Audio 9
Lossless (WMA Lossless)
CÓDECS DE AUDIO
Con pérdida
• MP1 (MPEG audio layer-1).
• AC3 (Dolby Digital A/52).
• MP2 (MPEG audio layer-2).
• DTS (Digital Theather Systems).
• MP3 (MPEG audio layer-3).
• ADPCM.
• Advanced Audio Coding
(AAC).
• ADX (usado en videojuegos).
• Ogg Vorbis
• WMA (Windows Media
Audio).
• Musepack
• ATRAC (Adaptive TRansform
Acoustic Coding).
• Perceptual Audio Coding
• TwinVQ
NOMBRE
WAVE (WAVE form audio format)
Ext.: .wav
MPG 3 (MPEG-1 Audio Layer 3)
Ext.: .mp3
AAC (Advanced Audio Coding)
Ext.: .aac
FLAC (Free Lossless Audio Codec)
Ext.: .flac
RM (RealAudio)
Ext.: .ra
WMA (Windows Media Audio)
ATRAC ((Adaptive Transform
Acoustic Coding)
Ext.:
DOLBY AC3 (Dolby Digital)
Ext.: .dd
Tabla 2. FORMATOS DE COMPRESIÓN AUDIO
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Formato de audio digital sin
Gran calidad, compresión baja
Ocupa mucho espacio por lo que
compresión de datos creado por
y compatible en la mayoría de
es poco útil para su uso en Internet
Microsoft en 1995
los equipos domésticos de
porque los archivos son muy
reproducción de audio y en las
grandes
aplicaciones de Windows
Formato de audio digital Creado en
Ajustar la calidad de la
Tiene pérdidas de calidad y no es
1986 y con nuevas versiones en 1991, compresión con lo que se
libre
en 1995 se usó por primera vez la
consiguen archivos de audio de
extensión MP3
alta calidad. Muy extendido
Frecuencias de muestreo desde 8 Hz
Rendimiento superior al MPG 3 Tiene pérdidas de calidad
hasta 96 Khz
y permite hasta 48 canales de
audio independientes
Compresión de audio libre sin pérdidas Sin pérdidas de calidad y los
Ocupa un mayor espacio
archivos son fácilmente
reproducibles por la mayoría de
los reproductores
Es un formato de audio creado por
Se puede escuchar el archivo
Solo se puede escuchar la
RealNetworks. La primera versión fue
en directo sin descargarlo en el transmisión on line
en 1995
ordenador y la reproducción se
y la actual en el 2009 es RealAudio 10 adapta a las características
técnicas que posee el receptor
Formato de compresión de audio con
Tiene una estructura que le
Es inferior al MP3 y necesita el
pérdidas propiedad de Microsoft
permite proteger el copyriht
reproductor Windows Media Player
que incorpora Microsoft
Creado por Sony en 1992,
Permite distintas tasas de
La compresión del sonido es con
las últimas versiones son de los años
compresión en función de la
pérdidas
1999 y 2002. Formato de compresión y calidad del sonido que se
reproducción para MiniDisc y para
quiera obtener
aparatos de Sony
Técnica de compresión de audio
Permite 6 canales de audio y
Ha evolucionado y está
creada por los laboratorios Dolby. La
comprimir archivos que ocupen utilizándose en HD DVD
Dolby AC3 es la versión más común
poco espacio
APLICACIONES
Postproducción de vídeo y audio y
fue estándar en la grabación de
música para CDs
Utilizado en Internet para
retransmisiones en streaming y
para intercambio de ficheros. Uso
para los archivos de música
Utilizado por Ahead Nero, Winamp,
Nintendo DSi y Apple en los iPods
Utilizado para música en Internet,
muy adecuado para copias de
seguridad de CDs y sustituye al
Wave
Internet para retransmisiones en
tiempo real y permite escuchar
archivos de AoB que están
almacenados en un servidor
externo
Esta disponible en aplicaciones
portátiles pero su uso no está tan
extendido como el MP3
Se emplea en el sector de sonido,
en dispositivos como las PDAs y
los teléfonos de última generación.
Utilizado en la consola PSP y en
memorias Flash
Sonido de las películas en cine