Практическая работа № 3

Тема 1. Разновидности цифрового сжатия

Существуют методы цифрового сжатия, в которых входной сигнал рассматривается как поток произвольных данных, а собственно сжатие осуществляется посредством идентификации часто встречающихся последовательностей битов. Соответствующие кодеки способны обеспечить точную передачу всех битов; другими словами, декодированные данные могут быть идентичны исходным данным. Это речь идёт о кодерах без потерь, которые принципиально необходимы при сжатии компьютерных данных и используются в так называемых "упаковочных" программах, которые позволяют увеличить емкость дисковых накопителей. Однако программы-упаковщики способны обеспечить лишь ограниченный коэффициент сжатия и плохо подходят для сигналов звука и изображения, где битовой точности не требуется. В звуко- и видеотехнике радиослушатели и телезрители не могут обнаружить небольшие изменения в сигнале, вызываемые кодеком. Но если допустить такие малые отличия, то можно весьма значительно увеличить достижимый коэффициент сжатия. Такие устройства принято называть кодеком "почти без потерь". И хотя эти кодеки не обладают точностью до 1-ого бита, они достаточно точны для того, чтобы люди не замечали отличия. Выход в том, чтобы создавать такие ошибки кодирования, которые воспринимаются нами в наименьшей степени. Следовательно, кодер должен “понимать" сенсорную систему человека, чтобы знать, с чем можно расстаться. Такой метод называется перцепционным кодированием. Чем больше коэффициент сжатия, тем более точно кодер должен имитировать восприятие человека.

Тема 2. Принципы сжатия звуковых сигналов

Сжатие звуковых сигналов основано на понимании механизма слуха, поэтому оно является одним из видов перцепционного кодирования. Ухо человека способно извлечь только некоторую часы, информации, содержащейся в приходящем звуке. Эту часть можно назвать перцептуальной энтропией, а все остальные составляющие звука оказываются избыточны. Основная (базилярная) мембрана уха ведет себя как своеобразный анализатор спектра; часть мембраны, которая резонирует под воздействием звука, зависит от его частоты. Высокие частоты воспринимаются краем мембраны, расположенным вблизи барабанной перепонки, а низкие частоты — противоположным краем. Ухо анализирует частотные участки, называемые критическими полосами, которые до частоты 500 Гц имеют ширину приблизительно 100 Гц, а выше этой частоты — ширину от одной шестой до одной трети октавы, т.е. пропорциональных частоте. Ухо не способно регистрировать энергию в частотных полосах если в соседней полосе сосредоточена большая энергии. Колебание мембраны под воздействием чистого зона не может быть локализовано н, бесконечно малом участке, и ближайшие участки начинают колебаться с той же частотой, причем амплитуда их колебаний уменьшается с увеличением расстояния. Воздействие других частот исключается, хотя достаточно большая амплитуда может оказать доминирующее влияние на локальные колебания мембраны. Таким образом, мембрана обладает эквивалентной добротностью Q, которая объясняет явление слухового маскирования; иначе говоря, уменьшение слышимости одного звука в присутствии другого. Вблизи частоты мощного входного сигнала порог слышимости возрастает. Как показано на рис. 3, в области выше маскирующей частоты этот эффект более выражен, причем зона его действительно расширяется с увеличением уровня сигнала чистого тона. Ниже маскирующей частоты эффект быстро снижается.

Рис. 3. Сжатие порога звука

Поскольку мембрана является резонатором, ее колебания не могут быстро возникать или прекращаться; маскирование может иметь место, даже если маскирующий тон появляется после маскируемого звука или прекращается ранее. Это явление называют прямой и обратной маскировкой. Действие звуковых кодеров сжатия основано на повышении шумового порога на тех частотах, на которых ожидается маскирование шума. Для. их проектирования весьма важно иметь точную модель маскирующих свойств уха. Чем больше требуемый коэффициент сжатия, тем точнее должна быть эта модель. Если модель маскирования неточна пли плохо реализована, аппаратура может вносить слышимые искажения. Для сжатия звуковых сигналов применяется множество различных методов, причем в конкретных системах их часто комбинируют. Кодирование с предсказанием основано на использовании схемы, в которой знание предыдущих отсчетов позволяет предсказать значение следующего отсчета. После этого остается только передать разность между предсказанным и фактическим значениями. Приемник содержит идентичный предсказатель, к его выходному сигналу добавляется переданная разность и это дает восстановленное исходное значение. Преимущество кодеров с предсказанием в том, что они действуют с использованием собственно сигнала во временной области и для их работы достаточно знание относительно короткой предыстории сигнала. Такие устройства вносят относительно небольшую задержку на этапах кодирования и декодированиям.

При полосном кодировании звуковой спектр разбивается на множество различных частотных полос. При этом уровни сигналов, содержащихся в большинстве таких полос, оказываются ниже уровня наиболее сильного сигнала в одной из полос. При спектральном кодировании периодически вычисляется спектральное преобразование сигнала. Поскольку спектр звукового сигнала изменяется медленно, его коэффициенты требуется передавать гораздо менее часто, чем исходные звукоданные. Приемник осуществляет обратное преобразование. В большинстве практических кодеров используется то или иное кодирования. Переквантование отсчетов сигналов частотных полос или коэффициентов спектрального преобразования приводит к увеличению шума, однако кодер помещает этот шум на те частоты, где он будет наверняка маскирован. При задании излишне большого коэффициента сжатия шум кодирования может превысить порог маскирования и стать слышимым. Если невозможно передать больший цифровой поток, то существенно лучшие результаты можно получить посредством простого ограничения ширины полосы звуковых частот до кодера с помощью предфильтра. Уменьшение ширины полосы частот при заданном цифровом потоке позволяет повысить отношение сигнал-шум в остающейся части частотного диапазона. Многие звуковые кодеры сжатия, имеющиеся в продаже, содержат такой предфильтр.