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IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 1 INTRODUÇÃO À MULTIMÍDIA Conceitos Básicos de Áudio Digital Prof. Daniel Cunha dcunha@cin.ufpe.br 2 / 60 Roteiro � Propriedades Físicas do Som � O sistema auditivo humano � Sinais senoidais � Parâmetros perceptuais do som � Representação de sinais: tempo e frequência � Representação Digital de Sinais de Áudio � Introdução (classificação e largura de banda) � Digitalização do som � Amostragem e reconstrução � Quantização e codificação � Erro de quantização 3 / 60 Roteiro � Qualidade de áudio e taxa de dados (tamanho de arquivo) � Conclusões IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 2 4 / 60 Propriedades Físicas do Som (O sistema auditivo humano) � Principal ferramenta de quem trabalha com áudio. � É dividido em ouvido externo, médio e interno. 5 / 60 Propriedades Físicas do Som (O sistema auditivo humano) � Audição � Percepção de flutuações periódicas da pressão. � O ouvido não percebe valores estáveis. � Limites da percepção. 6 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Dispositivos eletrônicos � Equipamentos que lidam com sinais sonoros. � Necessidade de conversão de formatos (transdutores). � Estudo de sinais periódicos � Propriedades IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 3 7 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) Tempo Geração de uma senóide (analogia). Representação de uma senóide no domínio do tempo. 8 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) Valor Tempo 9 / 60 amplitude tempo Valor de pico Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Amplitude IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 4 10 / 60 amplitude Período = 1/6 s Seis períodos em 1s : frequência = 6 Hz tempo Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Frequência 11 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) Unidades de período e frequência. 12 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Fase amplitude amplitude amplitude tempo tempo tempo ciclo ciclo IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 5 13 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Exemplos 14 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Exemplos 15 / 60 Propriedades Físicas do Som (Sinais senoidais) � Exemplos IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 6 16 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) � Intensidade � Distinção entre sons fortes e sons fracos. � Percepção da amplitude da vibração sonora (potência acústica). 17 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) � A percepção do ouvido em relação à potência não é linear, e sim logarítmica. � Unidade de medida de intensidade sonora: decibel (dB). ( ) 2 1 10 log PI dB P = 18 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) Limiar de audição para diferentes frequências. IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 7 19 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) Som I (dB) Limiar de audibilidade 0 Rumorejar das folhas 10 Sussurrar 30 Barulho de um mosquito 40 Conversa normal 50 Aspirador 70 Trânsito intenso 80 Concerto de rock 120 Avião a jato próximo 150 Ruptura do tímpano 160 Exemplos de níveis de intensidade para sons típicos. 20 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) � Altura � Distinção entre sons baixos (graves) e sons altos (agudos). � Sons complexos: percepção da frequência fundamental. � Percepção da intensidade: depende da frequência. � Melhor audibilidade: 300 Hz a 3.300 Hz (telefonia). 21 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) � Fase � Ângulo inicial da senóide. � Importante em várias técnicas de codificação de dados. IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 8 22 / 60 Propriedades Físicas do Som (Parâmetros perceptuais do som) � Timbre � Distinção de sons emitidos por instrumentos diferentes. � Representação de sinais nos domínios do tempo e da frequência � Domínio do tempo � Domínio da frequência* � Espectro do sinal � Transformada de Fourier J.B. Joseph Fourier (1768 – 1830) Séries e Transformada de Fourier: condução de calor 23 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Representação (ideal) no domínio da frequência Domínio do tempo Domínio da frequência tempo frequência Um sinal com frequência zero. 24 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Representação (ideal) no domínio da frequência Um sinal senoidal com frequência de 8 Hz. tempo frequência IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 9 25 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Representação (ideal) no domínio da frequência Um sinal senoidal com frequência de 16 Hz. frequênciatempo 26 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Sinais compostos � Análise de Fourier. � Várias senóides com diferentes características. � Aplicação em comunicação de dados. Sinal representado por uma onda quadrada. tempo amplitude 27 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Sinais compostos Composição de sinais: fundamental e harmônicos. amplitude tempo IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 10 28 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Sinais compostos Composição da onda quadrada: soma dos três primeiros harmônicos. tempo 29 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Sinais compostos Espectro de frequência de uma onda quadrada. Espectro de frequência dos três primeiros harmônicos. frequência frequência 30 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Sinais compostos Espectro de sons musicais: (a) clarineta. (b) harpa. (a) (b) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 11 31 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Filtragem � Operação de processamento (domínio da frequência). � Atenuação ou realce de componentes. � Classificação dos filtros � Passa-baixa: corte de frequências acima de fc. � Passa-alta: corte de frequências abaixo de fc. � Passa-faixa: aceitam frequências entre certos limites. � Rejeita-faixa: rejeitam frequências entre certos limites. 32 / 60 Propriedades Físicas do Som (Representação de Sinais) � Filtragem Funções de transferência dos tipos básicos de filtros. 33 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Introdução: classificação dos sinais) Sinal de tempo e valor contínuos. Sinal de tempo discreto e valor contínuo. IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 12 34 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Introdução: classificação dos sinais) Sinal de tempo contínuo e valor discreto. Sinal de tempo e valor discretos. 35 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Introdução) � Largura de banda � Faixa de componentes espectrais de um sinal. � Propriedade de um meio de transmissão*. Largura de Banda = 4000 Hz amplitude frequência 36 / 60 � Dispositivos e sistemas analógicos � Sinal elétrico analógico. � Amplificadores e gravadores de fita cassete. � Dispositivos e sistemas digitais � Sequências de números. � Redes telefônicas digitais, CD, fita DAT e computadores com interface de som. Rep. Digital de Sinais de Áudio(Digitalização do som) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 13 37 / 60 � Sinais digitais: maior imunidade ao ruído Rep. Digital de Sinais de Áudio (Digitalização do som) Fonte: Modern Digital and Analog Comm. Systems, Lathi, 2009. 38 / 60 � Conversão Analógico-Digital (A/D) � Conversão do sinal elétrico analógico em uma sequência de números*. � Conversão Digital-Analógico (D/A) � Recuperação do sinal analógico a partir da sequência de números. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Digitalização do som) 39 / 60 � Etapas da Conversão A/D 1. Filtragem 2. Amostragem Rep. Digital de Sinais de Áudio (Digitalização do som) Codificador Sequência de números 3. Quantização 4. Codificação IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 14 40 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Amostragem e reconstrução) � Amostragem � Medição de valores instantâneos do sinal a intervalos periódicos. 41 / 60 � Teorema de Nyquist “Um sinal analógico só poderá ser reconstruído corretamente se a taxa de amostragem tiver um valor mínimo, que é igual ao dobro da frequência da componente de mais alta frequência que esteja presente no sinal original.” Rep. Digital de Sinais de Áudio (Amostragem e reconstrução) Harry Nyquist (1889-1976) Teoria da Informação. 2a mf f≥ ( )2a mω ω≥ 42 / 60 � O que acontece quando **? � O espectro do sinal original está contido no espectro do sinal amostrado. � Para recuperar o sinal original a partir do sinal amostrado: uso de um filtro passa-baixas. � Caso limite: ! Rep. Digital de Sinais de Áudio (Amostragem e reconstrução) 2a mω ω≥ 2a mω ω= IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 15 43 / 60 � E quando ? � O espectro do sinal original continua contido no espectro do sinal amostrado, porém ocorre superposição. � Aliasing ou pseudonímia: distorção do sinal original. � Equivale ao caso em que um sinal contém componentes com frequência superior à metade da frequência de Nyquist. � Solução: Filtro anti-aliasing! Rep. Digital de Sinais de Áudio (Amostragem e reconstrução) 44 / 60 � Quantização � Discretização do sinal em termos de amplitude. � Cada amostra do sinal analógico passa a ser representada por um número de um conjunto finito de possibilidades. � Quantização uniforme. � Parâmetro do quantizador � Número de níveis de quantização ou... � ... número de bits por amostra quantizada. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) 45 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 16 46 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) Diferentes taxas de amostragem e número de níveis de quantização: influência na qualidade da reprodução digital da onda sonora. 47 / 60 � Codificação � Uso de sequências para representar o conjunto discreto de valores (saída do quantizador). � Preferência por códigos binários. � Como estabelecer uma correspondência biunívoca entre os níveis de representação (saída do quantizador) e as palavras-código? Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) 48 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) Nível Quantiz. Palavra-código Nível Quantiz. Palavra-código 0 0000 8 1000 1 0001 9 1001 2 0010 10 1010 3 0011 11 1011 4 0100 12 1100 5 0101 13 1101 6 0110 14 1110 7 0111 15 1111 IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 17 49 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) Conversão analógico-digital: etapa de codificação. 50 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Quantização e codificação) 51 / 60 � Diferença entre o valor quantizado e o valor amostrado do sinal. � Limitação física do quantizador. � Perda de fidelidade do sinal reconstruído. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Erro de quantização) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 18 52 / 60 � Relação sinal-ruído de quantização (SQNR) Rep. Digital de Sinais de Áudio (Erro de quantização) ( ) 6 02 1 76, ,SQNR dB l= + 53 / 60 � Largura de banda � Dispositivos analógicos e digitais. � Cálculo da taxa de dados Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) aR lf= 54 / 60 � Como calcular o tamanho (em bytes) de uma gravação digital? � Sons estereofônicos � Reprodução composta de dois canais independentes. � Localização do som: origem, distância e sentido. � Sons monofônicos � Reprodução sem efeito de profundidade. � Um único canal. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 19 55 / 60 � Gravação monofônica � Gravação estereofônica Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) 1 8m a l T f t = ⋅ ∆ ⋅ ⋅ (bytes) 2 8e a l T f t = ⋅ ∆ ⋅ ⋅ (bytes) 56 / 60 � Exemplos (tamanho dos arquivos) � Gravação monofônica: 10 segundos de áudio com resolução de 8 bits e taxa de amostragem 22,05 kHz. � Gravação estereofônica (qualidade de CD padrão Red Book Audio): 10 segundos de áudio com resolução de 16 bits e taxa de amostragem 44,10 kHz. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) 220 5,mT kB= 1 764,eT MB= 57 / 60 Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) Qualidade Taxa de amostragem (kHz) Resolução de áudio (bits/amostra) Taxa de dados (kB/s) Telefone 8 8 8 Rádio AM 11,025 8 11 Rádio FM 22,05 16 88,2 CD 44,10 16 176,4 Fita DAT 48 16 192 Áudio DVD 192 (max) 24 1.200 (max) IF687 - Introdução à Multimídia Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 20 58 / 60 � Reflexão � Como prover fidelidade ao sinal transmitido (armazenado)? � Quantização insere ruído! � Aumento de L provoca diminuição do ruído de quantização. � Qual o custo associado? � AUMENTO DA LARGURA DE BANDA . � AUMENTO DO ATRASO. Rep. Digital de Sinais de Áudio (Qualidade de áudio vs. taxa de dados) 59 / 60 Conclusões � Propriedades Físicas do Som � O sistema auditivo humano � Sinais senoidais � Parâmetros perceptuais do som � Representação de sinais: tempo e frequência � Representação Digital de Sinais de Áudio � Introdução (classificação e largura de banda) � Digitalização do som � Amostragem e reconstrução � Quantização e codificação � Erro de quantização 60 / 60 Conclusões � Qualidade de áudio e taxa de dados (tamanho de arquivo)
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