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1 à l Université Pierre et Marie Curie, le 23 février 2004 Maîtrise Polyvalente Internet et Multimédia Cours 3 : Codage audio Timur FRIEDMAN Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage 1

2 Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage Variétés d audio Musique qualité CD/DAT qualité FM Voix qualité téléphonique 2

3 Transmission d audio Téléchargement de fichier, lecture après systèmes de partage de fichier En streaming : lecture pendant le téléchargement Web fonctionnalités de lecteur (avancer, reculer, etc.) Interactive VoIP musique collaborative L impact de l interactif Non-interactif on peut passer longtemps à coder codecs qui sont asymétrique par rapport au temps nécessaire pour codage, décodage si non-streaming : on peut passer longtemps à décoder aussi Interactif le codage ainsi que le décodage doit être rapide 3

4 Formats communs Musique CD, DVD PCM MP3, Ogg Vorbis Voix A-law/ -law (téléphonie numérique de base) GSM (téléphonie mobile) Sans pertes Compression Méthodes classiques (Huffman, LZW, etc.) Avec pertes Méthodes basée sur les caractéristiques de l audio et de l ouie 4

5 Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage Un signal audio analogique S 0 W 5

6 Deux axes réelles W : temps unité le plus fin (typiquement) : sec échelle : milliers de sec S : pression relative unité le plus fin (typiquement) : 20 Pa échelle : environ ±100 Pa Numérisation S 0 W 6

7 Numérisation S 0 W Numérisation S 0 W 7

8 Numérisation S 0 W Numérisation S 0 W 8

9 Echantillonnage VDPSOLQJ en anglais Deux étapes discrétisation dans le temps Quantification TXDQWL]DWLRQ en anglais discrétisation dans l'amplitude terminologie grâce à Anne Fladenmuller Echantillonnage S 0 W 9

10 Théorème de Nyquist-Shannon Pour pouvoir reconstruire un signal analogique à partir des échantillons numérisés, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins deux fois la bande passante du signal original. formulé par Harry Nyquist en 1928 prouvé par Claude E. Shannon en 1949 Fréquence d échantillonnage S 0 W 10

11 Fréquence d échantillonnage S 0 W Fréquence d échantillonnage S 0 W 11

12 Fréquence d échantillonnage S 0 W Fréquences audibles gamme de 20 Hz à 20 khz (environ) bande passante : un peu moins de 20 khz fréquence d échantillonnage nécessaire : 40 khz (1 échantillon chaque 25 sec) CD audio 44,1 khz 12

13 L audio CD et les audiophiles L audio CD : d une qualité suffisante? fréquence nécessaire : 40,0 khz marge d erreur :??? fréquence CD : 44,1 khz L audio DVD : fréquences plus élevées 48, 96, ou 192,0 khz Fréquences de la voix gamme de 500 Hz à 2 khz (environ) canal audio CCITT 300 Hz à 3,4 khz bande passante : 3,1 khz fréquence d échantillonnage nécessaire : 6,2 khz qualité téléphonique : 8 khz (G.711, GSM) (un échantillon chaque 125 sec) 13

14 Quantification S 0 W Quantification : considérations Etendue dynamique (ou gamme dynamique) G\QDPLF UDQJH en anglais Rapport signal sur bruit VLJQDOWRQRLVH UDWLR ou 61UDWLR en anglais 14

15 Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage Etendue dynamique le rapport entre deux valeurs : la différence entre le plus haut niveau possible et le niveau le plus bas possible la valeur minimale décelable du signal pour une quantification sur P bits : 2 P : 1 typiquement exprimé en décibels (db) 15

16 Décibels Motivations : focaliser sur l intensité du signal au lieu de l amplitude les rapports au lieu des valeurs absolues Audio : l être humain est sensible aux dédoublement (triplement, etc.), réduction en deux (trois, etc.) de l intensité du son Intensité audio, = S 2 / ( F) [ondes planaires] S pression (en Pa) densité (en kg/m 3 ) de l air F vitesse (en m/sec) du son dans l air, = 3 / (4 U 2 ) [ondes sphériques] 3 puissance (en W) du son U distance (en m) du son 16

17 Définition du décibel un Bel est un rapport de 10:1 en intensité il est exprimé en termes d une intensité de base (, 0 ) le niveau re, 0 d un son avec intensité, 1 : / = log 10 (, 1 /, 0 ) B il y a 10 décibels dans un Bel : / = 10 log 10 (, 1 /, 0 ) db Equivalences rapport intensité [ : 1 1,26 1,58 2,00 4,00 10,00 20,00 100,00 décibels 10 log 10 [ db 1,00 db 1,99 db 3,01 db 6,02 db 10,00 db 13,00 db 20,00 db 17

18 Décibels, pression, et puissance Pression Puissance, = S 2 / ( F), = 3 / (4 U 2 ) / = 10 log 10 (, 1 /, 0 ) db = 10 log 10 (S 12 /S 02 ) db = 20 log 10 (S 1 /S 0 ) db / = 10 log 10 (, 1 /, 0 ) db = 10 log 10 (3 1 /3 0 ) db Equivalences rapport pression 1,12 1,26 1,41 2,00 3,16 4,47 10,00 rapport intensité ou puissance 1,26 1,58 2,00 4,00 10,00 20,00 100,00 décibels 1,00 db 1,99 db 3,01 db 6,02 db 10,00 db 13,00 db 20,00 db 18

19 Etendue dynamique CD 16 bits/échantillon = í = = S 1 /S 0 = ( ) / 1= log 10 (S 1 /S 0 ) = 96,33 db environ 96 db Etendue dynamique humaine pression minimale décelable : 20 Pa la norme pour l audio : db re 20 Pa db SPL («VRXQG SUHVVXUHOHYHO ª) seuil de sensation : 200 Pa au dessus, il n est plus du son 20 log 10 (S 1 /S 0 ) = 140 db 19

20 L audio CD et les audiophiles L audio CD : d une qualité suffisante? étendue dynamique humaine : 140 db étendue dynamique CD : étendue dynamique d un orchestre : 96 db 90 db L audio DVD : encore plus étendue jusqu à 24 bits (12, 16, 20, ou 24) étendue dynamique : 144 db Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage 20

21 Types de codage codage du signal en optimisant l allocation des bits de codage (exemple : ADPCM) codage paramétrique, par modélisation de la voix (exemple : LPC) analyse de la voix codage et transmission des paramètres de modélisation de la cavité acoustique synthèse en réception autres traitements (suppression des silences, interfonctionnememt avec fax...) diapositive grâce à Anne Fladenmuller Compression avec pertes Réduire le débit, sans trop dégrader la qualité sonore Utilisation de processeurs de signaux (DSP) Compromis entre plusieurs caractéristiques : GpELW TXDOLWp exprimée en MOS (Mean Opinion Score) de 1 à 5 UHWDUG introduit par la compression (peut varier de 0,125 à 30 ms) FRPSOH[LWp de l'algorithme exprimée en MIPS requis pour le DSP diapositive grâce à Anne Fladenmuller 21

22 Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage Numérisation du son Numérisation de la voix Audio MPEG débit 1,5 Mbit/s pour vidéo et audio environ 0,4 Mbit/s pour deux canaux audio) échantillonnage à 32, 44,1 ou 48 khz précision équivalant à une quantification à 16 bits par échantillon 3 niveaux de compression possibles (par rapport à 48x16=768 kbit/s), de complexité croissante : niveau 1 : 192 kbit/s (compression 4:1) niveau 2 : 128 kbit/s (compression 6:1) niveau 3 : 64 kbit/s (compression 12:1) diapositive grâce à Anne Fladenmuller 22

23 Traitement par sous-bande spectre divisé en 32 sous-bandes : Filtre sous-bande 0 12 samples 12 samples 12 samples Filtre sous-bande 1 Filtre sous-bande 2 Filtre sous-bande samples 12 samples 12 samples Niveau 1 Niveau 2 ou Niveau 3 sous-bandes divisées en fenêtres diapositive grâce à Anne Fladenmuller Le psychoacoustique On transforme en domaine fréquentiel On utilise les connaissances de l ouie On supprime ce qu on ne peut pas entendre 23

24 Tonalités audibles LQWHQVLWp G% PDVTXHXU WRQDOLWpDXGLEOH VHXLOGXPDVTXH )UpTXHQFH.K] diapositive grâce à Anne Fladenmuller Masquage du son LQWHQVLWp G% PDVTXHXU WRQDOLWpDXGLEOH 40 WRQDOLWpLQDXGLEOH 20 0 VHXLOGXPDVTXH )UpTXHQFH.K] diapositive grâce à Anne Fladenmuller 24

25 Plan Introduction Numérisation Etendue dynamique Compression et codage Numérisation du son Numérisation de la voix La prévisibilité de la voix Trois types de vocalisation sonorisée par exemple les voyelles très périodique fricative par exemple s, f, et v corrélations à court terme occlusive par exemple p, t, et k des bruits très courts 25

26 Prévisibilité = compressibilité Les vocodeurs modélisent la voix est-ce sonorisée, fricative, occlusive? quel niveau? un filtre à appliquer Les codecs hybrides envoi de l'information vocoder accompagné par un signal dit de l'exitation à partir d'une liste de «vecteurs» Exemple G.728 Echantillonage à 8000 Hz 5 échantillons (délai de codage < 1ms) quel vecteur ressemble le plus? (1024 poss.) quel coefficients du filtre? 10 bits de codage débit : 16 Kbps 26

27 La qualité de la voix MOS = «Mean Opinion Score» 5 Excellent 4 Bon 3 Moyen assez bon 2 Médiocre 1 Mauvais Basé sur des sondages (peut varier) Des codages Quelques exemples de codages de la voix: 1016 VWDQGDUG'R' jnesv(mos 3.5) GSM GHO,78jNESV(MOS 3.6) G 711 GHO,78jNESV(MOS 4.2) Pour la voix sur IP G GHO,78jNESV(MOS 3.7) diapositive grâce à Anne Fladenmuller 27

28 PCM : Pulse Code Modulation G701 - ITU Technique de digitalisation la plus simple Échantillonnage Quantification Chaque échantillon est quantifié indépendamment Téléphone (G711) : échantillon toutes les 125 µs soit 8KHz (8000 échantillons/sec), amplitude sur 8 bits, débit de 64Kbps diapositive grâce à Anne Fladenmuller DPCM : Differential Pulse Code Modulation codage des différences successives (technique de compression) bien adapté à des signaux sans variations fortes codage DPCM de la voix : G.711 Utilisation téléphonique Codage logarithmique : µ-law ou A-law moins perceptible vers haute fréquence Echantillonnage : 125 µs (8kHz) Amplitude : 8 bits diapositive grâce à Anne Fladenmuller 28

29 ADPCM : Adaptatif DPCM version sophistiquée de DPCM taille du pas de quantification varie selon le signal codage basé sur la mesure de la différence entre échantillons consécutifs. Utilisation d'une suite d'échantillons pour prédire le prochain échantillon (prédicteur adaptatif) diapositive grâce à Anne Fladenmuller ADPCM G.721 débit : 32 kbit/s échantillons codés sur 4 bits très bonne qualité (MOS 4,4) retard négligeable (0,125 ms) complexité : 6,5 MIPS ADPCM G.726 débit 40/32/24/16 kbit/s échantillons codés sur 5/4/3/2 bits qualité : MOS de 4,5 à 2 mêmes principes que G.721 Codecs ADPCM ADPCM G.722 spectre : Hz échantillonné à 16 khz codage ADPCM appliqué à deux sous-bandes ( et Hz) débit 64/56/48 kbit/s excellente qualité technique utilisée pour la visioconférence sur RNIS (H.320) diapositive grâce à Anne Fladenmuller 29

30 LPC : Linear Predictive Coding LPC-10 (norme US FS1010) débit : 2,4 kbit/s retard : 20 ms qualité moyenne complexité : 10 MIPS G.728 LD-CELP (Low-Delay Code Excited Linear Prediction). Recherche par analyse et synthèse dans une table de 1024 séquences codées ensemble de 5 échantillons (5 fois 8 bits) remplacé par un index (10 bits) dans la table de séquences débit : 16 kbit/s, retard : inférieur à 2 ms excellente qualité (MOS 4,1), complexité : 37,5 MIPS technique utilisée pour la visioconférence sur RNIS (H.320) technique d'analyse également utilisée pour le codage GSM (Global Service for Mobile communication) à 13 kbit/s diapositive grâce à Anne Fladenmuller Références Sound and Hearing: A Conceptual Introduction. R. Duncan Luce. New York: Lawrence Erlbaum (1993). A Simple Approach to Digital Signal Processing. Craig Marven and Gillian Ewers. New York: John Wiley (1996). Thèse doctorale d Andrés Vega García Wikipedia articles «Nyquist-Shannon sampling theorem» «Signal-to-noise ratio» «Dynamic range» 30

31 Synthèse vocale JavaSpeech basé sur mbrola A ajouter une banque de phonèmes, son MIDI Présenter les outils? Montrer les échantillons? 31

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