Le codifiche audiopercettive

.........il sistema MPEG_Audio

�

1.. Il fenomeno suono2.. Introduzione alla percezione del suono3.. Richiami di audio digitale

... la codifica PCM4.. Le codifiche percettive (...MPEG_Audio)

... Caratteristiche

... Applicazioni

Le codifiche audiopercettive

.........il sistema MPEG_Audio

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1.. Il fenomeno suono2.. Introduzione alla percezione del suono3.. Richiami di audio digitale

... la codifica PCM4.. Le codifiche percettive (...MPEG_Audio)

... Caratteristiche

... Applicazioni

INTRODUZIONE

Negli ultimi anni, con la diffusione dell'audio digitale (soprattutto grazie al Compact Disc), sonoaumentate le esigenze degli ascoltatori in termini di fedeltà di riproduzione del suono.La percezione dei suoni è un fenomeno molto complesso in cui vengono coinvolti organi fisici edaspetti psicologici.Proprio la dipendenza da fattori psicologici permette l'affinarsi delle capacità percettive degliascoltatori e quindi l'aumentare della richiesta di qualità del suono.

In campo digitale la qualità di un suono può essere mantenuta con una accurata rappresentazione che,se fatta con metodi tradizionali, porta inevitabilmente a grandi quantità di dati da memorizzare otrasmettere.Queste grandi quantità di dati possono essere gestite solo con apparecchiature altamente affidabili edai costi proibitivi per la distribuzione su larga scala.Per fare un esempio basti pensare alla richiesta di 768 KBit/sec. per sequenze monofoniche dellacodifica PCM (Pulse Code Modulation) che, per essere distribuite su larga scala, hanno richiesto losviluppo del Compact Disc.

La richiesta di alta qualità a basso costo ha indotto numerosi enti di ricerca allo studio di codificheottimizzate che permettano di ridurre le dimensioni della rappresentazione digitale.Tali ricerche, hanno individuato una possibile soluzione al problema applicando i risultati degli studisul comportamento dell'apparato uditivo ed ottenendo la compressione sfruttando le capacità fisico-percettive dell'orecchio.

Tra tutte le codifiche proposte si è distinta, per la sua flessibilità e qualità, il sistema MUSICAM(Masking pattern Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing, 1992).La codifica MUSICAM ottiene, tramite una analisi psicoacustica del suono, la compressione delleinformazioni necessarie per rappresentare segnali audio eliminando le componenti percettivamenteirrilevanti e codificando quelle numericamente ridondanti.Tale operazione permette di conservare la qualità originaria del suono pur riducendo la quantità di datidi un fattore tipico di 1:8.La soppressione delle informazioni psicoacusticamente irrilevanti è possibile grazie alle recentiscoperte sul funzionamento dell'apparato uditivo umano, che hanno permesso la costruzione dimodelli matematici implementabili in tempo reale, che approssimano le capacità acustico-percettiveumane.Il modello percettivo partendo da una rappresentazione temporale del segnale audio, studia l'influenzatra toni mascheranti e toni mascherati nel dominio frequenziale, individuando le componenti delsegnale percepibili, che sono le uniche informazioni essenziali da codificare.

Il sistema MUSICAM è stato inizialmente progettato per il DAB (Digital Audio Broadcasting), unarete di distribuzione radiofonica via etere che dovrà sostituire le attuali trasmissioni FM.In seguito il MUSICAM è stato standardizzato a livello mondiale dall' ISO-IEC/ JCT1/ SC29/ WG11/MPEG-Audio ed adottato per la distribuzione su supporti magnetici (DCC - Digital CompactCassette - Philips) e televisiva (HDTV - Televisione ad alta definizione-).

Parte 1

IL FENOMENO "SUONO"1.1. INTRODUZIONE...........................................................................................................................11.2. LE CARATTERISTICHE DEL SUONO .........................................................................................2

1.2.1. Ampiezza..........................................................................................................................21.2.1.1. DeciBel........................................................................................................3

1.2.2. Frequenza e Timbro .......................................................................................................31.3. LA DIVISIONE IN OTTAVE ..........................................................................................................41.4. IL RUMORE...................................................................................................................................41.5. COMPONENTI TONALI................................................................................................................5

Il capitolo riporta una sintesi dei concetti base e delle caratteristiche fisiche del "suono".Vengono riportate alcune definizioni ed unità di misura che saranno usate in seguito per la descrizionedel sistema di compressione dell'audio MPEG_Audio1.

1.1. INTRODUZIONEIl suono è un fenomeno ondulatorio prodotto da movimenti vibratori di un corpo (detto sorgente) e sidiffonde con perturbazioni di pressione in un mezzo solido, liquido o gassoso.Le molecole del mezzo propagano il disturbo compiendo degli spostamenti lungo la direzione dipropagazione .Tutti i movimenti vibratori con una frequenza che rientra nell' intervallo udibile dall'uomo sonodefiniti suoni.

Il fenomeno acustico dal punto di vista fisico coinvolge sempre tre elementi:

.... la sorgente corpo vibrante .... il mezzo qualsiasi mezzo elastico .... il ricevitore l'apparato uditivo

La sorgente genera il suono, il mezzo lo trasmette ed il ricevitore percepisce le variazioni di pressione.Nelle applicazioni ingegneristiche il mezzo o canale di trasmissione può comprendere apparecchiatureper la trasmissione sotto altre forme energetiche come ad esempio la distribuzione radiofonica cheavviene nell'etere sotto forma di onde elettromagnetiche.Indipendentemente dalla forma di trasmissione un suono può essere percepito e generato solo sottoforma di variazioni di pressione.

1MPEG : (Moving Pictures Expert Group) ha definito le specifiche di una codifica che ottiene la

compressione dell'audio digitale ovvero la riduzione del numero di simboli usati.

SorgenteTrasformazionein altra forma energetica

TrasmissioneTrasformazionein variazionidi pressione

Fig. 1.1 I suoni possono essere prodotti solo sotto forma di variazioni dipressione così come l' uomo può percepire i suoni solo come variazioni dipressione.La trasmissione dei segnali sonori può invece avvenire anche sotto altreforme energetiche.

1.2. LE CARATTERISTICHE DEL SUONOIl suono è un particolare tipo di segnale che può essere rilevato dall'apparato uditivo umano ed ècaratterizzato da :

... intensità o ampiezza

... acutezza o frequenza

... timbro carattere che distingue lo stesso suono generato da sorgenti diverse

1.2.1. AmpiezzaAlcune misure di ampiezza sono:

Potenza sonora (P) è l'energia totale emessa dalle sorgente nell'unità di tempo e si misura inWatt.

Pressione sonora (p) è la variazione di pressione prodotta dal fenomeno sonoro rispetto allaquiete e può assumere valori sia positivi che negativi e si misura in BAR oNewton/m2 .

Intensità sonora (I) è il flusso di energia trasmesso attraverso un'area di sezione unitariaperpendicolare alla direzione di propagazione del suono si misura inWatt/m2.

Di seguito è riportata una tabella con alcuni valori tipici di potenza sonora:

FENOMENO POTENZA SONORA[WATT]

Aereo al decollo 100Martello pneumatico 1Automobile in corsa 0,1Ventilatore industriale 0,01Voce forte 0,001Lavastoviglie 0,0001Piccolo ventilatore 0,00001Sussurro 0,000000001

Tab 1.1 Alcuni valori di potenza sonora espressi in Watt [Lazzarin]

Per misurare l'ampiezza di segnali audio in un intervallo temporale si può fare riferimento al massimovalore assunto dal segnale (come pressione, potenza o intensità) detto valore di picco (peak) cherappresenta il livello massimo trattabile dal sistema.

Il valore di picco è però una misura ingegneristica che poco si adatta alle caratteristiche percettivedell'uomo in quanto il segnale può raggiungere tale valore solo in brevi istanti e rimanere più bassonella maggior parte dell'intervallo di ascolto.

Una misura più rappresentativa potrebbe essere il valore medio dell'ampiezza dell'onda sonora sullostesso intervallo, anche tale misura è però poco significativa in quanto i risultati di alcuni studiindicano che l'orecchio è maggiormente sensibile al segnale integrato su brevi periodi temporali(tipicamente 0.25 secondi) ed è fortemente dipendente dalla frequenza del segnale, segue quindi che letradizionali misure fisiche non si prestano ad un dimensionamento valido dei fenomeni acustici cosìcome sono percepiti.

1.2.1.1. DeciBelIl grande intervallo di potenze sonore udibili è evidenziato dalla Tab 1.1.1 che si estende in unrapporto 1:1.000.000.000 così come i valori in pressione sonora che variano da 2 x 10-4µbar a 200µbar in un rapporto 1:1.000.000.Per evitare di dover usare numeri troppo grandi è stata proposta una misura logaritmica della potenzasonora: il BEL, che, tra l'altro, si adatta perfettamente alle caratteristiche percettive dell'orecchioumano.

Il BEL è definito come il logaritmo in base 10 del rapporto di due quantità con le stesse caratteristichedimensionali, cioè è adimensionale e esprime un raffronto tra due valori: quello da misurare ed unlivello di riferimento.

rifrif IILog

ppLogBEL 10

2

10 =�

��

�

�=

Per il nostro scopo però il BEL è ancora una misura troppo grande e per questo viene diviso inDECIBEL.

rifrifrif IILog

ppLog

ppLogDECIBEL 1010

2

10 102010 ==�

��

�

�=

Il valore di riferimento (Irif , prif) può essere fissato arbitrariamente (in quanto il BEL esprime solo ladifferenza di livelli) e nel caso si usi il valore della minima intensità udibile di IRif=10-12 W/m2 o dellaminima pressione rilevabile di 2x10-5N/m2 prende il nome di dB SPL (Sound Pressure Level oLivello di pressione sonora).

Il dB è in tal modo una misura appropriata per esprimere intensità sonore , ad esempio le intensitàdella Tab 1.1.1 coprono un intervallo di circa 180 dB.

140 dB Aereo130 dB Soglia del dolore110 dB Moto in accelerazione 90 dB Strada urbana 80 dB Locale pubblico 60 dB Traffico automobilistico 50 dB Voce di conversazione 20 dB Ticchettio orologio 10 dB Fruscio foglie

Tab 1.2 Alcuni valori di intensità sonora in dB SPL [Lazzarin]

1.2.2. Frequenza e TimbroPercettivamente la frequenza definisce l'acutezza di un suono; le basse frequenze sono proprie disuoni gravi le alte frequenze di suoni acuti.

La forma d'onda periodica più semplice è la funzione seno, tutte le onde sinusoidali con qualsiasifrequenza nel campo dell'udibile sono dette TONI PURI (o TONI SEMPLICI) mentre quelle nonriconducibili a toni puri sono dette TONI COMPLESSI.

1.3. LA DIVISIONE IN OTTAVEL'intervallo di frequenze udibili dall'uomo è solitamente indicato dai valori tra 20 e 20000 Hz , talilimiti sono solo indicativi in quanto i valori reali dipendono da molti fattori sia fisici che psicologici:

.. le caratteristiche genetiche dell'individuo

.. la "dotazione fisica" dell'apparato uditivo

.. l' età

.. l' affaticamento acustico

.. l' esperienza in ascolto

Tutti gli individui rilevano però una sensazione di "similitudine" tra toni fondamentali di frequenzadoppia, tripla, quadrupla, ecc. Per tale motivo è stata introdotta la divisione in ottave dello spettro difrequenze udibili.

Un'ottava è definita come l'intervallo di frequenza tra due fenomeni di cui uno abbia frequenza doppiadell'altro.Le frequenze udibili hanno un'estensione di circa 11 ottave e può essere interessante confrontarlo conl'intervallo delle onde visibili che coprono meno di una ottava.Per definizione ogni banda in ottave è individuata dalla media geometrica delle frequenze che ladelimitano, detta frequenza caratteristica o nominale.

f f

f f falta bassa

caratteristica alta bassa

=

=

2

Un'altra divisione della banda di frequenze udibili può essere fatta in 1/3 di ottava , in tal caso siottengono 31 bande ognuna delle quali è compresa tra due frequenze che sono in un rapporto di 23 :

f f

f f falta bassa

caratteristica alta bassa

=

=

23

1.4. IL RUMOREIl rumore è definito [ANSI S 1.1] come la somma di oscillazioni irregolari, intermittenti ostatisticamente casuali. Percettivamente è un suono innaturale e disturbante.

Un rumore può essere classificato in base alle sue caratteristiche in [Cosa] :

.. continuo o discontinuo riferito alla durata nel tempo .. stazionario o fluttuante in base all'intensità .. casuale se la durata e l'intensità sono irregolari .. impulsivo se la sua energia è concentrata in brevi intervalli temporali

La soglia di percezione del rumore dipende dall'intensità, dalla frequenza e , per rumori di tipoimpulsivo anche dalla durata.Tipicamente la soglia di percezione dipende fortemente dalla frequenza ed è tra -1 e 3 dB SPL per lefrequenze centrali, aumenta a 10-20 dB SPL alle alte frequenze e a 40-70dB SPL per le basse.La soglia temporale di percezione del rumore è di circa 100ms.

Un suono si differenzia dal rumore solo per le sensazioni di piacere o sgradevolezza che suscita e nonne esiste una distinzione oggettiva.

1.5. COMPONENTI TONALILe componenti tonali sono quelle componenti di un tono complesso che più assomigliano a toni puri.Un metodo semplificato per valutare la presenza di componenti tonali in una emissione sonora è dieffettuarne una analisi per bande di 1/3 di ottava [Cosa]:

"se il livello di pressione sonora di una o più bande di 1/3 di ottavadello spettro sonoro supera per più di 5 dB quello delle due bandeadiacenti, si è in presenza di componenti tonali."

Tutte le componenti del segnale sonoro che dall'analisi non risultano essere tonalivengono dette NON TONALI e possono essere assimilate a rumore.

Parte 2INTRODUZIONE ALLA

PERCEZIONEDEL SUONO

2.1. ORECCHIO UMANO E SENSIBILITÀ IN FREQUENZA .............................................................12.2. LA PERCEZIONE ..........................................................................................................................32.3. UNITÀ DI MISURA PERCETTIVE................................................................................................3

2.3.1. Il Bark..............................................................................................................................32.3.2. Loudness..........................................................................................................................42.3.3. Il Phon.............................................................................................................................4

2.4. IL MASCHERAMENTO .................................................................................................................52.4.1. ... Nella Frequenza ..........................................................................................................62.4.2. ... Nel Tempo ...................................................................................................................82.4.3. ... Nel Tempo e Frequenza...............................................................................................9

2.5. PERCEZIONE DI VARIAZIONI DI INTENSITÀ...........................................................................10

L'orecchio è sensibile ai segnali in funzione della frequenza e dell'ampiezza, due suoni di diversafrequenza e pari intensità vengono percepiti di intensità diversa.Questo capitolo è un' introduzione alla terminologia ed ai fenomeni coinvolti nel processo dipercezione dei suoni, vengono definite alcune unità di misura percettive, si riporta una brevedescrizione del funzionamento dell'apparato uditivo e si introduce il fenomeno di mascheramento trasuoni.

2.1. ORECCHIO UMANO E SENSIBILITÀ IN FREQUENZA

L'orecchio può essere diviso dal punto di vista funzionale in [Lazzarin] :

.. orecchio esterno .. padiglione auricolare .. condotto uditivo esterno .. membrana timpanica

.. orecchio medio .. cavità ossea con tre ossicini : martello, incudine e staffa .. finestra ovale .. due muscoli di smorzamento dei movimenti di tre ossicini (martello, incudine, staffa) .. un canale di comunicazione con l'atmosfera per compensare le pressioni sulle due

superfici della membrana timpanica (Tromba di Eustacchio)

.. orecchio interno .. vestibolo .. canali semicircolari detti labirinto .. coclea , canale colmo di un materiale elastico

Orecchio Esterno Orecchio Medio Orecchio Interno

Fig 2.2 Struttura interna dell'orecchio umano, sono indicati i principali organicoinvolti nel processo di percezione.

Il canale cocleare è la parte che più influenza i fenomeni di percezione sonora.

La coclea è un canale lungo circa 35mm. a fondo cieco che è diviso per tutta la sua lunghezza in trecamere dalla membrana basilare.Queste tre parti sono:

.. superiore : o vestibolare comunica con l'orecchio medio attraverso la finestra ovale .. inferiore : o timpanica comunica con la superiore verso l'apice della coclea .. media : che contiene una sostanza detta endolinfa

Sulla membrana basilare si trova l'organo di Corti in cui sono situate le cellule recettrici il cuicompito è di trasformare le differenze di pressione in impulsi elettrochimici da inviare al cervello.

Segue una descrizione sintetica del fenomeno della percezione sonora :

-- l'orecchio esterno funzionando da risonatore per le frequenze tra 1000 e 7000 Hz(maggiormente efficace intorno a 3000 Hz) produce un incremento di circa 10-12dB dellepressioni sonore fra l'esterno ed il timpano

-- nell'orecchio medio la membrana timpanica mette in vibrazione martello, incudine e staffa, che,funzionando come un sistema di leve triplicano la forza applicata sulla finestra ovale (la cuisuperficie è 1/30 di quella del timpano)

-- a questo punto la pressione originaria esercitata sul timpano è stata amplificata di circa 90 voltee viene impressa sulla finestra ovale

-- dalla finestra ovale il suono (sotto forma di variazione di pressione) giunge all'orecchio internodove attraverso il movimento del liquido cocleare dei canali vestibolare e timpanico lamembrana base mette in risonanza le cellule situate nell'organo di Corti.

-- le cellule del Corti producono dei segnali di tipo elettrochimico che attraverso il nervo uditivogiungono al cervello secondo un processo non ancora ben conosciuto.

In tutto il processo di percezione uditiva vengono coinvolti numerosi fenomeni soggettivi che possonoprodurre in individui diversi sensazioni differenti in presenza dello stesso suono esterno.Inoltre sono presenti altri fenomeni di "autodifesa" che modificano la caratteristica dell'informazionetrasmessa nell'apparato uditivo.Ad esempio i tre ossicini martello, incudine e staffa sono controllati da dei piccoli muscoli che inpresenza di alte intensità sonore ne riducono il potere amplificante (solo per suoni di durata superioreai 200ms.).

La percezione di un suono può avvenire anche per via ossea (soprattutto per quello auto prodotto).

2.2. LA PERCEZIONEI recenti studi in campo psicoacustico hanno evidenziato che l'apparato uditivo umano è in grado dirilevare solo alcune caratteristiche del segnale audio ed in particolare:

Caratteristica FISICA Fenomeno PERCEPITO

Frequenza PitchIntensità Livello percepito o Loudness

Forma spettrale, Modulazione ,Frequenza Intensità, Fluttuazioni, RigidezzaTempo Durata soggettiva

Tab 2.3 Caratteristiche fisiche del suono e corrispondente fenomeno percepitodall'uomo.

La descrizione di come vengono percepiti i suoni può essere semplificata se al posto delle unità dimisura "fisiche" si usano unità di misura "percettive" ovvero costruite "ad hoc" sulla capacità dirisoluzione dell'apparato uditivo.Così al posto della frequenza conviene usare le bande critiche o Bark, e al posto dell'intensità illoudness misurato in Phon.

2.3. UNITÀ DI MISURA PERCETTIVENei paragrafi che seguono si riportano le definizioni delle unità di misura percettive di uso comune ese ne spiega il significato e l'uso.

Tali unità di misura essendo percettive sono valide solo su base statistica e sono state ottenute da studicompiuti negli anni passati su grandi campioni di individui acusticamente sani.Ne segue che sono valide per ascoltatori che rientrano nella media e non per soggetti affetti dapatologie o dotati di particolare acutezza.Le unità di misura esposte sono state soggette all'approvazione e standardizzazione dell'ISO(International Standard Organization).

2.3.1. Il BarkIl Bark è una unità di misura non lineare che viene usata per dividere l'intera banda di frequenzeudibili in sottobande confinanti non sovrapposte che ben modellizzano il processo di percezione deisuoni da parte dell'uomo.Il concetto delle bande critiche è basato sulla comprovata assunzione che il nostro sistema uditivoanalizza lo spettro di un segnale audio dividendolo in sottobande (dette bande critiche).

Banda Critica [Aarts]: La banda di frequenze più larga in cui l'intensità di un rumoredistribuito casualmente nella stessa banda di intensità energetica costante (SPL)è indipendente dalla sua larghezza di banda.

Aggiungendo una banda critica alla successiva, in modo che il limite superiore della più bassacoincida con quello inferiore della più alta, si ottiene la scala di banda critiche che è non lineare inquanto le bande critiche hanno un'ampiezza variabile in funzione della frequenza e seguonoun'andamento pressoché logaritmico.

Fig 2.3 Rappresentazione delle frequenze coperte dai Bark:in ascissa è rappresentata la frequenza,in ordinata le bande critiche 0:24 .La curva rappresenta l'intervallo di frequenza coperto dalle bandecritiche.

2.3.2. LoudnessIndica l'intensità percepita di un suono e dipende dall'intensità energetica e dalla frequenza, inparticolare le definizioni sono [Aarts]:

Loudness: Attributo di sensazione uditiva secondo cui un suono può essere ordinato in unascala da lieve a intenso

Livello di Loudness: livello della pressione sonora di riferimento, scelta come un'ondasinusoidale di frequenza 1KHz proveniente dal fronte dell'ascoltatore e cheè giudicato da una persona con udito sano di uguale intensità al suono diraffronto.

La scala dei loudness è stata costruita sperimentalmente basandosi sul livello di riferimento di un tonodi 1KHz a 40 dB (suono di riferimento standard in elettroacustica). Il loudness può essere misurato inPhon.

2.3.3. Il PhonLa sensibilità uditiva varia in funzione della frequenza ed in particolare è massima per le frequenzecentrali e minima per le estreme (alte e basse).Il PHON è la misura dell'intensità soggettiva del suono (LOUDNESS) e rappresenta l'intensitànecessaria per produrre ad una certa frequenza la stessa sensazione uditiva in deciBel, di quella di untono alla frequenza di 1000 Hz, a tale frequenza i livelli di Phon e dB si equivalgono.

Fig. 2.4 Audiogramma in PHON ISO R 226 di Robinson e Dadson, riporta infunzione della frequenza l'intensità necessaria in dB per produrre lastessa sensazione in intensità di un tono a 1KHz; le linee di isosensazioneesprimono l'intensità in dB che un suono deve avere in funzione dellafrequenza per essere percepito ad una intensità costante in PHON.

L'audiogramma riportato nella Fig 1.2.6 riporta le curve di ISOSENSAZIONE (intensità soggettivadel suono) e si riferisce a toni puri.I risultati tabulati sono l'esito di prove eseguite da Robinson e Dadson su un campione di individuisani.

2.4. IL MASCHERAMENTONon tutte le vibrazioni entro la banda dell'udibile sono percepite dall'orecchio umano, la lororilevazione da parte dell'apparato uditivo dipende in prima approssimazione dall'intensità e dallafrequenza e da analisi più accurate anche dai segnali adiacenti sia nel dominio del tempo che dellafrequenza; tale fenomeno è noto con il nome di mascheramento.

Il mascheramento è definito come il livello di pressione sonora o dB SPL di un tono di riferimentonecessario perché questo possa essere udito in presenza di uno mascherante.

La percettibilità di un tono puro in assenza di altri segnali dipende principalmente della frequenza eintensità dando origine a quella che viene detta soglia statica di mascheramento o in quiete.Altri fattori che influiscono nella determinazione della soglia di mascheramento sono:

.. durata

.. dotazione fisica dell'individuo

.. età

.. affaticamento

.. stato fisico

.. stato psichico dell'individuo

Fig. 2.5 Soglia di percezione in quiete in funzione della frequenza e dell'intensitàsonora.

La soglia di mascheramento per toni complessi è detta soglia di mascheramento dinamica ed èfortemente dipendente dalla microstruttura del segnale in quanto i toni componenti interagisconomascherandosi a vicenda e contribuendo alla forma finale della maschera.

La maschera può essere studiata sia nel dominio del tempo che della frequenza; nel dominio del tempoil mascheramento può essere simultaneo e non simultaneo mentre in quello della frequenza un tonomaschera quelli di frequenza adiacente a seconda dell'intensità.

2.4.1. ... Nella FrequenzaNel dominio della frequenza il mascheramento è molto intenso in prossimità dei toni mascheranti, chealzano in modo significativo i valori di soglia statica, in particolare se l'orecchio percepisce un suonodi una certa frequenza, presenta minore sensibilità per le frequenze vicine ad essa. La conoscenza ditale fenomeno permette la costruzione della soglia di mascheramento.

In generale un suono ad una certa frequenza maschera tanto più i suoni di frequenza adiacente quantopiù è intenso.

La figura 2.5 riporta la curva di mascheramento per toni a 0.5, 1.2, 4, 8 KHz con livello di 60 dBSPL, la scala delle frequenze è lineare.

Fig 2.6 Curve di mascheramento in funzione della frequenza su scala lineare, lacurva inferiore rappresenta la soglia statica.Per determinare tali curve si usa un tono di riferimento e si troval'intensità affinché sia udibile in presenza di un mascherante.

Nella Fig 2.5 si nota una gran diversità tra le curve di mascheramento al variare della frequenza.Risultati non diversi si ottengono dalla rappresentazione su scala logaritmica (Fig 2.6) :

Fig. 2.7 Rappresentazione su scala logaritmica degli effetti di toni mascheranti diintensità pari a 60 dB.

Anche in scala logaritmica la forma delle curve risulta dipendente dalla frequenza, però si può notarecome le curve su scala lineare sotto i 500 Hz siano uguali a quelle su scala logaritmica sopra i 500 Hz.Ciò suggerisce che si potrebbe ottenere l'indipendenza della forma della maschera dalla frequenzascegliendo una scala lineare sotto i 500 Hz e logaritmica al di sopra.

Una tale scala di frequenze è già stata illustrata ed è quella dei Bark ; infatti la rappresentazione dellostesso fenomeno usando la scala dei bark evidenzia una forma di mascheramento costante:

Fig 2.8 Rappresentazione della forma della curva di mascheramento di toni puricon livello di 60dB usando per la frequenza la scala dei Bark.Il vantaggio introdotto è evidente rendendo indipendente la forma dellamaschera dalla frequenza a meno di intersezioni con la soglia statica dimascheramento.Si noti che la funzione di mascheramento è molto più ripida a sinistra chea destra.

Dunque, con la scala dei Bark lo studio dei fenomeni di mascheramento è molto semplificatopermettendo la costruzione della soglia con una funzione dipendente solo dall'intensità.

In particolare la dipendenza dall' intensità provoca l'allungamento della curva di mascheramento conl'aumentare del livello, tale fenomeno è dovuto alla saturazione delle cellule recettrici dell'orecchiointerno.

Fig 2.9 Variazione della forma della curva di mascheramento in funzionedell'intensità del tono mascherante

2.4.2. ... Nel TempoNel dominio del tempo un tono viene mascherato notevolmente dalle sollecitazioni sonore temporaliprecedenti (specialmente per quelle più immediate); ed in modo molto meno evidente e motivabile perquelle immediatamente future (per cui non è ancora stata trovata una valida spiegazione), talefenomeno è noto come mascheramento temporale e si distingue in simultaneo e NON simultaneo.

Un esempio della condizione di simultaneità potrebbe essere il caso in cui noi abbiamo unaconversazione con un vicino mentre passa un treno. La nostra conversazione risulta disturbata eper poterla continuare è necessario "alzare la voce" per produrre più potenza e quindi unamaggiore sonorità. Nella musica si ha un comportamento analogo. I differenti strumenti sipossono mascherare tra di loro, gli strumenti più tenui possono essere uditi solo quando non sonopresenti quelli più forti.

NON SIMULTANEOFenomeno secondo cui un tono "copre" quelli vicini nel tempo sia passato che futuro.La soppressione nel tempo futuro può essere ben spiegata dagli studi sulle proprietà meccaniche degliapparati dell'udito interni mentre non è ancora stata trovata una valida spiegazione (sono state solofatte delle supposizioni) del fenomeno del pre-mascheramento; vale a dire che un tono maschera nonsolo i suoni che seguono ma anche quelli che lo precedono.

La supposizione più avvalorata è che a livello neurale venga compiuta una analisi del suono, come sefosse ritardato e analizzato prima di trasmetterne gli impulsi al cervello per la vera e propria"audizione".

Fig 2.10 Rappresentazione schematica del fenomeno di mascheramento nonsimultaneo nel dominio del tempo, si può notare che il pre-mascheramento ha effetti minori del post-mascheramento.

SIMULTANEORiguardo al mascheramento simultaneo da esperimenti su animali si è trovato che ha luogonell'orecchio interno, prima della trasmissione a livello neurale.Il mascheramento simultaneo ha come effetto l'aumento della soglia di mascheramento ad unacomposizione delle due.

2.4.3. ... Nel Tempo e Frequenza

Fig 2.11 Rappresentazione schematica del fenomeno di mascheramento di untono puro nel dominio della frequenza.

Una prima approssimazione delle curve di salita e discesa con delle rette è data da [Kapust]:

BarkdBLivellof

S

BarkdBS

dB /2,010,230min22

/31

2

1

����

�−��

����

�+=

=

Fig 2.12 Rappresentazione schematica del mascheramento temporale di unimpulso di durata finita.Il post-masking si verifica come rilascio graduale degli effetti dimascheramento ovvero il mascherante non si arresta subito dopo il suomanifestarsi ma decresce gradatamente.

L'effetto di post-masking dipende in modo non lineare anche dalla durata del mascherante.Gli effetti di durata e di mascheramento possono essere ben definiti in tre dimensioni (Bark, loudness,tempo)

Fig 2.13 Rappresentazione del fenomeno di mascheramento nei domini di tempo,frequenza e intensità.

Non solo il mascheramento può essere descritto più semplicemente in termini di Bark ma anche moltialtri effetti, come la tonalità, le differenze di frequenza udibili distintamente e la crescita dell'intensitàsonora in funzione della larghezza di banda.

2.5. PERCEZIONE DI VARIAZIONI DI INTENSITÀLe variazioni in intensità vengono percepite solo se superiori a 5 dB (più di un raddoppio dell'energiasonora2).La sensazione di raddoppio dell'intensità soggettiva corrisponde ad un incremento di 10 dB(corrispondente a un'amplificazione dell'energia iniziale di 10 volte !).

2Si ricorda che un raddoppio dell'energia sonora corrisponde all'aumento di 3 dB .

Con 6 dB di aumento, si ha un quadruplicamento dell'energia sonora.

Parte 3RICHIAMI DI

AUDIO DIGITALE3.1. INTRODUZIONE...........................................................................................................................13.2. L'SNR (Signal to Noise Ratio) ........................................................................................................13.3. LA CODIFICA PCM (Pulse Code Modulation).............................................................................23.4. I SISTEMI DI COMPRESSIONE NELLA CATENA PCM ............................................................3

3.1. INTRODUZIONEIl termine "Audio digitale" indica la tecnica usata per la registrazione, la memorizzazione o latrasmissione dell'informazione sonora, che dovrà venire riportata in analogico per permetternel'ascolto.Il suono infatti è per sua natura analogico e può essere prodotto e percepito solo sotto forma divariazioni di pressione; una sua rappresentazione (codifica) può invece essere fatta in forma analogicao digitale.Il termine digitale indica dunque solo un modo per "trasportare" (trasmettere o registrare) il segnale:

Fig. 3.14 L'audio digitale è una alternativa alla forma analogica per la rappresentazionedell'informazione sonora, si tenga presente che un suono può essere prodotto e percepitosolo sotto forma analogica.

L'introduzione dell'audio digitale ha cambiato il modo di riprodurre ed ascoltare il "suono", l'audiodigitale è infatti ben lontano come fedeltà di riproduzione dall'audio analogico, la qualità diriproduzione ottenibile con la tecnica digitale è notevolmente superiore alla analogica in quanto ingenerale l'accuratezza dei sistemi è una funzione del rumore introdotto dal sistema stesso; nei sistemianalogici tale rumore non è facilmente controllabile perché è difficile ottenere componenti contolleranze inferiori all'1%.In digitale invece adottando la necessaria precisione numerica è possibile ottenere qualsiasiaccuratezza che rimane (al contrario dell'analogico) invariante nel tempo.Altra caratteristica dei sistemi digitali è la possibilità di essere programmati ottenendo una maggiorversatilità rispetto agli analogici.

Si fa notare che il preferire l'audio digitale o analogico sia solo una scelta dettata dalle sensazionisoggettive che si hanno ascoltando l'audio in una o l'altra forma.

3.2. L'SNR (Signal to Noise Ratio)Il rumore di quantizzazione può essere più o meno udibile a seconda della sua intensità rispetto aquella del segnale audio in ogni intervallo di campionamento.

Per dare una misura dell'interferenza del rumore di quantizzazione e quindi di quanto può esserepercepito può essere usato il rapporto segnale rumore; indicato con SNR.

SNR Log SegnaleRumore

dB= 20 10

Se si usa un numero B di Bit per la quantizzazione su livelli equi ampi, il rumore di quantizzazionevale:

SNR Log B= 20 210ed in forma approssimata :

SNR B dB≅ +6 1 74.

Si evidenzia così che ogni bit contribuisce per circa 6 dB al diminuire del rapporto SNR totale, in unsegnale, maggiore è il rapporto SNR e più fedele è la rappresentazione dell'audio.Tuttavia si noti che per quantizzare un segnale analogico caratterizzato da un rumore intrinseco di 20dB sarebbe del tutto inutile usare più di 4 bit per la quantizzazione digitale.

Condizione sufficiente affinché il rumore di quantizzazione non sia udibile è che ilvalore di SNR sia superiore al valore in dB tra segnale e soglia di mascheramento perogni banda critica.

3.3. LA CODIFICA PCM (Pulse Code Modulation)La rappresentazione numerica ottenuta campionando e quantizzando un segnale analogico può esserecodificata secondo una qualsiasi sintassi.Ogni modo di rappresentazione permette però una diversa accuratezza nei processi di quantizzazionee campionamento determinando in l'efficienza del sistema in termini di:

... larghezza di banda ... rapporto segnale rumore ... accuratezza ... sensibilità agli errori

Il sistema PCM viene universalmente accettato come una codifica efficiente per audio ad alta qualità,offrendo buoni parametri in termini di larghezza di banda, intervallo di dinamica e dimensioni dellarappresentazione.

Il sistema PCM quantizza l'intensità analogica in 2N livelli equiampi (N è il numero di bit dellarappresentazione).In pratica il segnale in ingresso viene campionato ed il valore di ogni campione viene rappresentatocon il livello più prossimo della rappresentazione digitale (troncando o arrotondando).

Una sequenza di campioni per uno o più canali viene ottenuta alternandone le rappresentazioni PCM:

N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit N Bit

Sinistro

Destro Sinistro Destro Sinistro Destro Sinistro Destro Sinistro

Destro Sinistro Destro

Fig. 3.15 Rappresentazione di una sequenza di campioni PCM per segnali audio stereofonici

3.4. I SISTEMI DI COMPRESSIONE NELLA CATENA PCMI sistemi di compressione dell'audio digitale riducono l'occupazione del mezzo dimemorizzazione e del canale di trasmissione.

Nella catena di registrazione digitale la codifica compressa si colloca prima della memorizzazione eprima della ricostruzione del segnale nel processo di decodifica

Parte 4LE CODIFICHE PERCETTIVE

(...MPEG_Audio)

4.1. LE CODIFICHE COMPRESSE .....................................................................................................14.2. LA CODIFICA MPEG_Audio ........................................................................................................2

4.2.1. Introduzione ....................................................................................................................34.2.2. Caratteristiche.................................................................................................................3

4.2.2.1. Layer ...........................................................................................................34.2.2.2. Frequenze di Campionamento ....................................................................44.2.2.3. Modalità......................................................................................................44.2.2.4. Bitrate .........................................................................................................5

4.2.3. Possibili Applicazioni......................................................................................................54.3. LA CODIFICA E I FRAME...........................................................................................................6

4.3.1. La Rappresentazione Frequenziale .................................................................................74.3.2. ... un Modello Psicoacustico ...........................................................................................74.3.3. Calcolo dell'SMR.............................................................................................................9

4.4. DECODIFICA................................................................................................................................104.5. VALUTAZIONE DELLA CODIFICA .............................................................................................10

Nel presente capitolo viene introdotta la codifica MPEG_Audio esponendone i principi difunzionamento e le possibili applicazioni, i paragrafi ne illustrano gli aspetti relativi a:

• Scopo• Principi• Applicazioni

MPEG (Moving Picture Expert Group) è un gruppo di lavoro composto nel 1988 con lo scopo didefinire uno standard per la trasmissione di immagini e del relativo audio in formato digitale a unbitrate totale (immagini + audio) di 1.5MBit/sec..In particolare l'audio deve essere ad una qualità paragonabile a quella del Compact Disc o DAT(Digital Audio Tape) e le immagini non devono essere peggiori di quelle di un sistema VHS.MPEG ha adottato due codifiche sintattiche indipendenti: una per l'audio ed una per le immagini.

4.1. LE CODIFICHE COMPRESSEL'audio digitale permette una gran flessibilità d'uso rispetto all'analogico ma per ottenere una buonaqualità del segnale i sistemi digitali devono manipolare una notevole quantità di informazioni in tempibrevi (ad alta velocità).

Ad esempio la codifica PCM (Pulse Code Modulation) richiede:

se la larghezza di banda del segnale è di 20000Hz e si vuole usare la rappresentazionePCM con un rapporto segnale-rumore (SNR) di almeno 90dB (16 Bit) è necessario unacapacità di 768KBit/sec. per ogni canale monofonico:

16(Bit) *48000 (frequenza di Campionamento) = 768 000 Bit/sec.

Quindi la memorizzazione in PCM necessita di costose apparecchiature e canali trasmissivi di complessaprogettazione, tanto che si è dovuto ricorrere a dispositivi ottici (Compact Disc) e magnetici (DAT:Digital Audio Tape) di alta precisione mentre la distribuzione radiofonica in formato PCM rimanepressoché irrealizzabile a bassi costi.

Proprio la necessità di trasmettere via radio segnali audio digitali ad alta qualità ha stimolato lo studio dicodifiche per la riduzione del volume di dati pur mantenendo la qualità tipica dei sistemi PCM a 16 Bitcon campionamento a 44.1 KHz (che verrà indicata come "qualità CD").Queste codifiche sono dette di compressione perché appunto "comprimono" ovvero riducono la quantitàdi dati per rappresentare il segnale audio.

La compressione può essere ottenuta sfruttando le capacità percettive dell'orecchio umano per ridurre inmodo significativo la quantità di informazione per rappresentare il segnale audio, codificando solo quelleparti che sono realmente percepibili.In pratica tali codifiche, dette percettive, ottimizzano l'uso del mezzo sfruttando le caratteristiche delricevitore, ottenendo la compressione del segnale.

Le tecniche che soddisfano le ultime richieste sono dette tecniche di compressione percettive epermettono la riduzione di un fattore tipico di 1:4 - 1:8 della quantità di informazioni da trasmettere,abbassando significativamente la richiesta di capacità del canale e rendendo possibile la distribuzioneradiofonica digitale a basso costo.

Per una reale applicazione la codifica digitale deve porre riguardo alla possibilità di:

-- COMPRESSIONE, per una distribuzione a bassi bitrate e quindi a bassi costi-- ALTA QUALITÀ del segnale audio, paragonabile a quella del Compact Disc-- ROBUSTEZZA, garantita anche per trasmissione a punti mobili-- FLESSIBILITÀ, per adattarsi alle diverse esigenze-- DECODIFICA IN TEMPO REALE

Una codifica che soddisfa queste richieste è ad esempio la MPEG_Audio che si è distinta per la suaefficienza e flessibilità.

4.2. LA CODIFICA MPEG_AudioNegli ultimi anni in Europa sono stati finanziati diversi progetti di ricerca per definire e svilupparecodifiche efficienti dei segnali, utilizzabili per la diffusione dell'audio digitale a basso costo.

Tra tutte le codifiche sviluppate si è distinta quella denominata MUSICAM (Masking pattern adaptedUniversal Subband Integrated Coding And Multiplexing).

MUSICAM è stata definita all'interno del progetto EUREKA EU 147 da :

CCETT (Centre Commun d' Ètudes de Télédiffusion et Télécommunications -Francia-)IRT (Institut fùr Rundfunktechnik -Germania-)PHILIPS Consumer Electronics (-Olanda-).

il cui sviluppo è stato iniziato nel 1986 ed ha richiesto 4 anni (1987-1991) per un totale di 360 anni-uomo alla scadenza dei quali è stato deciso un ulteriore investimento in una seconda fase di due anni(1992-1994) in 170 anni-uomo per completare le specifiche, sviluppare i circuiti hardware e definirel'uso in particolari applicazioni.

La codifica MUSICAM per la sua efficienza e flessibilità è stata scelta da MPEG nei primimesi del 1992 come base per un sistema a tre livelli di codifica dell'audio associato alleimmagini, denominato MPEG_Audio.

Lo standard MPEG_Audio è composto da due moduli :

- CODIFICATORE- DECODIFICATORE

Il formato dei dati in ingresso al codificatore e prodotti all'uscita del decodificatore sono compatibilicon lo standard PCM (Pulse Code Modulation).La catena di codifica e decodifica è definita su tre livelli (layer) numerati progressivamente I, II e III(ognuno con una propria sintassi); il Layer II è noto anche con l'acronimo di MUSICAM.

4.2.1. IntroduzioneLa compressione del segnale permette di abbassare i costi per la memorizzazione o trasmissionedell'audio digitale aprendo nuove fasce di mercato per la distribuzione di servizi audio in alta qualitàsu larga scala.

Modello Percettivo

Fig. 4.16 Principio di funzionamento della codifica MPEG_Audio.Gran parte del segnale è percettivamente irrilevante e può essererimossa, il codificatore riduce anche una certa quantità di ridondanzache viene ricostruita nel decodificatore.Le informazioni percepibili (le uniche che devono essere trasmesse) sonosolo una piccola parte di quelle contenute nella codifica PCM.

La codifica percettiva si avvale delle recenti scoperte in campo psicoacustico che hanno reso possibilelo sviluppo di un modello matematico implementabile in tempo reale per il calcolo delle capacità dirisoluzione dell'orecchio umano, con tale analisi si possono distinguere le informazioni udibili daquelle mascherate (perché coperte da altre componenti del segnale).

4.2.2. CaratteristicheLe caratteristiche della codifica MPEG_Audio sono:

- Struttura a livelli- Tre possibili frequenze di campionamento- Modalità stereo, bilingue, mono e joint_stereo- Codifica e decodifica per vari bitrate- Basso tempo di ritardo- Accesso diretto a piccoli grani di informazione- Bassa complessità del decodificatore- Possibilità di inserimento di informazioni ausiliarie- (Possibilità di editing in forma codificata )

La codifica prevede in ingresso sequenze PCM a 16:20 Bit, tre frequenze di campionamento, bitratevariabili e la possibilità di inserire nella forma codificata dati ausiliari secondo una sintassi libera.

4.2.2.1. LayerLa codifica MPEG_Audio è strutturata su tre livelli (layer) indipendenti, ognuno con una propriasintassi, le caratteristiche di ognuno di essi influiscono su:

.. complessità

.. fattore di compressione

.. qualità a parità di compressione

.. potenza di calcolo richiesta

Per ogni livello si deve usare un codificatore ed il rispettivo decodificatore , lo standard impone cheun co-decodificatore per il livello N operi anche su tutti i livelli inferiori ad N.

La scelta del layer da usare per una particolare applicazione è funzione dei risultati che si voglionoottenere e dalla disponibilità del canale.

Layer I è appropriato per la distribuzione e registrazione domestica o per la memorizzazionesu nastri o dischi magneto-ottici dove non è indispensabile un'altissimo fattore dicompressione.Attualmente è usato nelle DCC (Digital-Compact-Cassette Philips).È quello più semplice e non pone particolare attenzione nel limitare ridondanza edirrilevanza dei dati, richiede una bassa complessita di calcolo.Dal layer I è stata derivata la codifica PASC.

Layer II introduce un'ulteriore compressione eliminando gran parte della ridondanza eirrilevanza del segnale. Il layer II è il più simile all'originale codifica MUSICAM. Il suocampo di applicazione è il più vasto tra i tre layer , andando dalle applicazionidomestiche ai contributi (aggiunta di commenti) di trasmissioni radiofoniche.È stato adottato come standard per la distribuzione DAB.Fornisce un ottimo rapporto complessità - qualità del risultato ed è indicato soprattuttodove è richiesto un alto fattore di compressione con risorse contenute.

Layer III le sue applicazioni sono principalmente per telecomunicazioni (soprattutto a bandastretta) e nel campo dell'audio professionale con bitrate molto bassi e alti fattori dicompressione.È consigliato per applicazioni che richiedono bassi bitrate (alti fattori di compressione)come per trasmissioni via satellite o per un buon uso di canali telefonici (piccolalarghezza di banda).Utilizza una codifica ottimizzata (codifica di Huffmann) per la memorizzazione deicampioni quantizzati.È un compromesso tra gli aspetti migliori delle codifiche ASPEC e MUSICAM.

4.2.2.2. Frequenze di CampionamentoSono previste tre possibili frequenze di campionamento indipendentemente dal layer in uso.In particolare :

32 KHz Per compatibilità con i precedenti sistemi44.1 KHz Per qualità CD48 KHz Per qualità "da studio"

Tab 4.4 Frequenze di campionamento utilizzabili con il sistema MPEG_Audio

32 KHz : per compatibilità con i precedenti sistemi di trasmissione ma praticamente con pocheapplicazioni nel futuro dell'audio digitale. È utilizzabile solo per trasmetterecommenti vocali e non musicali.

44.1 KHz : usata nel Compact Disc, è stata mantenuta anche se la codifica di sequenze PCMcon questa frequenza di campionamento crea alcuni problemi di sincronizzazione

per via della parte frazionaria che si ripercuote in elementi di codifica di dimensionivariabili.

48 KHz : è quella maggiormente utilizzabile per la compressione dato che è un multiplo interodelle frequenze usate nella normale distribuzione e mette a disposizione unalarghezza di banda che conserva la qualità tipica degli studi di produzione.

4.2.2.3. ModalitàLa codifica MPEG_Audio prevede quattro modalità per la codifica di un segnale audio.Esse si distinguono dal numero di canali monofonici PCM immessi al codificatore e dalle tecniche usatenella compressione.

STEREODUAL_CHANNELJOINT_STEREO

SINGLE_CHANNELTab. 4.5 Modalità previste dalla codifica MPEG_Audio. La modalità deve essere

compatibile con la sequenza PCM in ingresso al codificatore.

4.2.2.4. BitrateIndica l'occupazione del canale di trasmissione da parte della sequenza codificata in termini di Bit alsecondo.Il bitrate può essere scelto tra una serie di valori predefiniti dipendenti dal layer e dalla modalitàaudio.

Bitrate Layer I Bitrate Layer II Bitrate Layer III

NON SPECIFICATO NON SPECIFICATO NON SPECIFICATO

32 32 3264 48 4096 56 48

128 64 56160 80 64192 96 80224 112 96256 128 112288 160 128320 192 160352 224 192384 256 224416 320 256448 384 320

Tab. 4.6 Possibili Bitrate espressi in KBit/sec. a seconda del layer in uso.Le righe della tabella non hanno nessun rapporto con la qualitàdell'audio.Il bitrate indicato è da ritenersi totale per la sequenza indipendentementedalla modalità.

Il valore NON SPECIFICATO indica che il bitrate è determinato unicamente dalla struttura dellasequenza codificata ovvero dalla dimensione in bit dei FRAME.

4.2.3. Possibili ApplicazioniLe caratteristiche della codifica MPEG ne fanno un valido prodotto applicabile direttamente per :

- DAB (Digital Audio Broadcasting) ovvero distribuzione radiofonica digitale- Audio associato all' HDTV (Televisione ad alta Definizione)- Trasmissione di contributi (voce, parlato, commenti..... )- Editing e postprocessing

- Memorizzazione a bassi costi- Applicazioni multi e ipermediali -Sistemi multicanale -Educazione e istruzione- Uso in campo industriale- Applicazione in sezioni di intrattenimento- Electronic publishing- Registrazione audio su dischi Winchester, magneto-ottici,- Trasmissione in banda stretta ISDN per contributi, tele o video conferenze- Distribuzione da studio ai trasmettitori e ripetitori .

La codifica è usata per la distribuzione su larga scala di audio digitale nelle DCC (Digital CompactCassette)3.

4.3. LA CODIFICA E I FRAMEIl processo di codifica prende in ingresso il segnale audio sotto forma di campioni PCM e produceuna sequenza compressa.

La codifica rappresenta gruppi di N campioni PCM4 trasformati nel dominio della frequenza eproduce un blocco di dati con una sintassi ben definita chiamato FRAME.

Di seguito sono rappresentati schema e descrizione del processo di codifica:

Fig. 4.17 Schema semplificato della codifica MPEG_Audio, i dati in ingressovengono codificati a gruppi di N campioni.

Il codificatore servendosi di un banco di filtri ottiene la rappresentazione frequenziale dei campioni iningresso, mappata in 32 sottobande equi ampie.Tali campioni (detti di sottobanda) vengono quantizzati e codificati servendosi delle informazionifornite da un modello psicoacustico che seleziona le componenti non mascherate del segnale.I dati così quantizzati e codificati possono essere inviati ad un modulo che si occupa della loroorganizzazione e dell'aggiunta di informazioni di servizio (ad esempio un codice di rilevazione errori)ottenendo la definitiva sequenza compressa.

Un frame viene formattato come di seguito:

HEADER DATI AUDIO DATI AUSILIARI

3Supporto magnetico sviluppato dalla Philips; la codifica usata corrisponde al layer I della

codifica MPEG_Audio.

4Il numero N (fisso) di campioni che vengono codificati in ogni frame dipende dal livello dicompressione che si vuole ottenere.

L'efficienza del codificatore dipende principalmente dall'accuratezza del modello psicoacustico, lostandard permette l'uso di un qualsiasi modello lasciando aperta la possibilità di aggiornare ilcodificatore con algoritmi psicoacustici più accurati e efficienti che saranno disponibili in futuro.Ciò' che deve fare il modello psicoacustico è comunque ben definito nel fornire il rapporto SMR;Signal to Mask Ratio o differenza in dB tra il massimo segnale e il minimo livello di mascheramentoper ogni canale e per ogni sottobanda.

4.3.1. La Rappresentazione Frequenziale

... divisione in sottobandeLa divisione in 32 sottobande è stata scelta per avvicinarsi alle capacità percettive dell'orecchioumano, tale rappresentazione offre la possibilità di una accurata analisi del segnale ed un buoncompromesso per la localizzazione temporale e frequenziale.

La divisione in sottobande teoricamente ottima sarebbe in 26 sottobande corrispondenti ai Bark (perfrequenze di campionamento di 48KHz) e quindi di ampiezza variabile, una tale divisione richiedecomplessi filtri ad albero che introducono un ritardo inaccettabile per la maggior parte delleapplicazioni.

Il filtro che è stato adottato nella applicazione pratica è un polifase con struttura parallela che nonpermette bande di ampiezza variabile.I vantaggi di tale soluzione sono principalmente il basso ritardo e la bassa complessità, inoltre è unottimo compromesso tra implementazione efficiente e adattamento alle caratteristiche percettiveumane.Un buon compromesso tra risoluzione spettrale e perdita temporale dei transitori è stato trovato nelsistema MUSICAM e consiste appunto nella divisione in 32 sottobande equiampie.

... l'analisi psicoacusticaLa rappresentazione frequenziale del filtro polifase non è sufficientemente accurata per il calcolo dellafunzione di mascheramento, infatti per ottenere alti fattori di compressione è necessaria una accurataanalisi delle componenti frequenziali del segnale su cui calcolare la funzione di mascheramento conl'identificazione delle componenti tonali e non tonali.

4.3.2. ... un Modello PsicoacusticoLe quantità numeriche alla base dell'analisi psicoacustica sono :

SNR : Signal to Noise Ratio _ Differenza in dB tra il segnale ed il rumore diquantizzazione, è un valore sempre positivo ed in prima approssimazione assumevalore di 6*B dove B è il numero di bit usati per quantizzare il segnale.Il valore di SNR dipende esclusivamente dal numero di bit usati per quantizzare ilsegnale e quindi, solo dal valore di bit allocation.

SMR : Signal to Mask Ratio _ Differenza in dB tra il segnale ed il valore di soglia dimascheramento. La soglia di mascheramento viene calcolata dal modellopsicoacustico. Un valore positivo di SMR indica che il segnale è udibile, un valorenegativo indica che il segnale non può essere udibile perché mascherato dalle altrecomponenti del segnale.

MNR : Mask to Noise Ratio _Differenza in dB tra il valore di maschera e rumore diquantizzazione.Al suo valore viene dato un significato importantissimo infatti qualitativamente unvalore negativo indica che nella banda il rumore di quantizzazione è udibile mentre unvalore positivo indica il completo mascheramento del rumore di quantizzazione.Quantitativamente indica rispettivamente il margine in dB per elaborazioni del segnale equanto il rumore di quantizzazione è udibile.

Tra queste tre quantità vale la relazione :

MNR = SNR - SMR

L'efficienza della codifica dipende principalmente dall'accuratezza dei calcoli del modellopsicoacustico (che per il momento può essere visto come una sistema di calcolo che prende iningresso 1152 campioni PCM e fornisce in uscita il valore SMR in dB per ogni banda e canale), lostandard permette l'uso di un qualsiasi modello lasciando aperta la possibilità di aggiornare ilcodificatore con algoritmi psicoacustici più accurati e efficienti che saranno disponibili in futuro.Si fa notare come ciò non pregiudichi il diventare obsoleto delle sequenze codificate con i precedentialgoritmi psicoacustici in quanto il processo di decodifica non dipende in nessun modo dal modellousato per la codifica.

MODELLO

PERCETTIVO

Ingresso di 1152

campioni PCMUscita 32 valori di SMR

Fig. 4.18 Rappresentazione schematica della funzione svolta dal modellopercettivo per ogni canale monofonico.

La relazione esistente tra i valori SNR, SMR, MNR in ogni sottobanda può essere illustratagraficamente come segue:

Segnale

Maschera

Noise

SMR ( b_a)

MNR = SNR - SMR

SNR [quant]

Fig. 4.19 Diagramma dei valori qualitativamente ottimali di Segnale, Maschera eRumore.Nella figura si evidenzia il fatto che l'SMR. influenza direttamente ilvalore della BIT_ALLOCATION e che l'SNR dipende unicamente dal numerodi livelli di quantizzazione assegnati alla sottobanda.

Dal valore di SMR può essere ottimizzata l'allocazione dei campioni audio di sottobanda sfruttando laconsiderazione che è del tutto inutile quantizzare su un numero di livelli che introduca un rumoredi quantizzazione molto inferiore al rumore già presente (per caratteristica del segnale) in ognisottobanda; dove per rumore si intende tutto il segnale sotto la soglia di mascheramento5.Infatti ogni segnale che è sotto la soglia di mascheramento non può essere percepito in nessun modo equindi è irrilevante ai fini della riproduzione sonora.In tal senso può essere giustificata la quantizzazione dinamica dei campioni di sottobanda chemantiene il Rapporto Segnale Rumore (SNR) (funzione del numero di bit usati per la quantizzazione)dipendente dal valore tra Segnale e Maschera (SMR).È dunque sufficiente quantizzare i campioni in ogni banda con un numero di bit tale che

5Si ricorda che il rapporto SNR aumenta di circa 6 dB per ogni bit in più usato per la

quantizzazione.

SNR > SMR

La qualità dell'audio ed il margine per compiere dell'editing audio è tanto maggiore quanto più ladifferenza MNR = SNR - SMR è grande e ciò dipende unicamente dal numero di bit disponibili percodificare i 1152 campioni ovvero dalla dimensione del FRAME (modalità audio e bitrate).

Una allocazione è ottima se riesce ad ottenere valori di MNR>0 per tutte le sottobande con segnaleudibile. Ovviamente dato che il Frame ha una dimensione fissa non è detto che si riesca a raggiungeretale situazione oppure se si riesce a raggiungerla può accadere che rimangono disponibili altri bit chepossono essere allocati in modo inoffensivo per aumentare ulteriormente il valore di MNR in tutte lesottobande.

4.3.3. Calcolo dell'SMRL'algoritmo per il calcolo dei valori di SMR esegue una analisi psicoacustica delle componentifrequenziali del segnale e fornisce in uscita il valore SMR per ogni sottobanda e ogni canale delsegnale audio.Il valore SMR è dato dalla differenza tra il massimo livello del segnale ed il minimo della soglia dimascheramento in ogni sottobanda.

Banda N-1 Banda N Banda N+1

dB SPL

Minimo della soglia nella banda

Massimo segnale nella banda

SMRBanda N

Funzione dimascheramento

Soglia staticaSoglia statica Soglia statica A

B

C

= D

EF

Funzione dieccitazione

G

Fig. 4.20 Rappresentazione schematica del calcolo dell'SMR nella genericabanda N:A - funzione di mascheramentoB - minimo della funzione di mascheramentoC - minimo della soglia staticaD - massimo tra i due valori dei punti B e CE - massimo livello del segnaleF - valore di SMR.G - impulso di eccitazione

Il valore di SMR serve per stabilire la quantità di bit necessari per quantizzare i campioni disottobanda sfruttando il fatto che è percettivamente ininfluente ottenere un livello di SNRsuperiore al valore di MNR.

Nel modello psicoacustico 1 (proposto da MPEG) il calcolo dell' SMR procede come di seguito:

1.. Calcolo della FFT per la rappresentazione frequenziale dei campioni PCM2.. Calcolo livello del segnale (in deciBel SPL) in ogni sottobanda3.. Confronto con la soglia statica in quiete (tabulata)4.. Identificazione delle componenti tonali (simili al seno) e non tonali (simili a rumore)

5.. Decimazione dei toni di mascheramento per ottenerne solo i rilevanti6.. Calcolo soglia di mascheramento individuale per ogni componente spettrale7.. Calcolo soglia globale8.. Calcolo minimo della soglia di mascheramento in ogni sottobanda9.. Calcolo dell'SMR in ogni sottobanda.

4.4. DECODIFICAIl processo di decodifica prende in ingresso un file codificato contenente audio compresso e loelabora per ottenere il segnale originale sotto forma di campioni PCM.

Segue lo schema del processo di decodifica:

Fig. 2.21 Schema semplificato di decodifica MPEG_Audio

La sequenza inviata al decodificatore viene depaccata e ne viene controllata la consistenza (se c'èprotezione errori).Se vengono rilevati degli errori si possono intraprendere azioni per minimizzarne l'effetto.Si dividono poi i campioni audio (quantizzati) dalle informazioni per la loro ricostruzione.La ricostruzione vera e propria consiste nel dequantizzare e denormalizzare i campioni di sottobanda,da tali campioni si ottiene l'originaria forma PCM.La decodifica non richiedendo nessuna analisi psicoacustica del segnale è a bassa complessità.

Ogni valore di BIT_ALLOCATION si riferisce a tutti i 36 campioni di ogni sottobanda.

4.5. VALUTAZIONE DELLA CODIFICATest soggettivi condotti con un campione di ascoltatori esperti hanno valutato la qualità e fedeltà dellacompressione per diversi valori di bitrate.L' EBU (European Broadcasting Union) definisce la qualità dell'audio per la distribuzione su largascala:

"La qualità del segnale audio riprodotto dopo la decodifica dovrebbe essereindistinguibile rispetto alla qualità ottenibile da un Compact disc. In pratica questoimplica comparare il segnale analogico in uscita dal decodificatore con un segnaledi riferimento riprodotto da un sistema lineare a 16 Bit, mediante un doppio testcieco del tipo A_B_C con caratteristiche dei due segnali nascoste per lavalutazione soggettiva.Il co-decodificatore è giudicato accettabile se il risultato della valutazione dellesequenze sonore su una scala a 5 gradi di giudizio (scala CCIR) mostra unacoincidenza dell'intervallo di fiducia del 95 % del segnale originale e deldecodificato.Il test deve essere eseguito su segnali critici e la coincidenza deve avvenire peralmeno il 70 % delle sequenze sonore."

La codifica MPEG_Audio rispetta questi requisiti di qualità con un fattore di compressione 4 al layerI, 6 al layer II e 8 al layer III.

Come considerazione generale, la qualità in ascolto di una sequenza decodificata sarà tanto piùsimile all'originaria tanto più:

- il bitrate disponibile per la codifica è alto- la qualità dell'audio originale è buona- il modello percettivo usato è accurato

GLOSSARIObit_allocation : struttura contenente informazioni sul numero di

livelli di quantizzazione dei campioni di ognisottobanda

bit_allocation adattativa : assegnazione di bit alle sottobande inmodo variabile nella frequenza e nel tempo secondo ilrisultato del modello psicoacustico.

bitrate: velocità con cui la sequenza codificata MPEG vienetrasmessa dal mezzo di memorizzazione aldecodificatore (espressa in Bit al secondo)

bound: piu' piccola sottobanda in cui si usa la codifica jointstereo.

canale[1]: mezzo digitale che memorizza o trasporta unasequenza MPEG-Audio

canale[2]: porzione del segnale audio riguardante solo la partedestra o sinistra di una sequenza stereo, dual_channel oJoint_stereo.

CRC: [Cyclic Redundancy Code] codice ridondante per larilevazione di errori.

codificatore: corpo del processo di codifica.decodificatore: corpo del processo di decodifica.frame: unità base della sequenza MPEG che corrisponde alla

codifica di un numero fisso di campioni PCM.granulo: per il layer II un granulo è l'insieme di 12 gruppi di 3

campioni della stessa sottobanda , sono 36 campioniall'interno della stessa sottobanda.

gruppo : insieme di tre campioni frequenziali successivi dellastessa sottobanda; i gruppi di campioni sono usati persfruttare al meglio il mezzo di memorizzazione se ilnumero di passi di quantizzazione non è una potenza didue.

intensity_stereo: metodo per eliminare l'irrilevanza e laridondanza presente nei segnali stereofonici basata sulfatto che alle alte frequenze è rilevante solo l'inviluppodell'energia dei canali destro e sinistro.

Joint_stereo [codifica]: Qualsiasi metodo che elimina parte dellairrilevanza e ridondanza dei segnali stereo.

Joint_stereo [modo]: modalita dell'algoritmo di codifica che usauna codifica Joint_stereo

layer: uno dei livelli della gerarchia di codifica definiti dalloStandard

mascheramento: proprietà del sistema uditivo umano secondocui un segnale audio non può essere percepito inpresenza di un segnale mascherante

modello psicoacustico: modello matematico per larappresentazione delle capacità di mascheramentodell'orecchio umano

MS_stereo: modalità di codifica per eliminare irrilevanza eridondanza di segnali stereofonici basata sullamemorizzazione della somma e differenza dei segnali.

padding: informazione binaria per adattare la dimensione mediadei frame audio usando uno slot addizionale

processo di codifica: processo di lettura di campioni audio eproduzione della forma codificata definita dallostandard ISO (il metodo di costruzione non è peròtotalmente standardizzato)

processo di decodifica: processo definito dall'ISO che legge uncodice in ingresso e produce in uscita campioni audiodecodificati.

scfsi (Struttura Codifica Fattori di Scala su Intervalli) : strutturausata per codificare i fattori di scala eliminandone parteirrilevante (anche percettivamente)

sequenza decodificata: sequenza ricostruita da una formacompressa MPEG.

slot: parte elementare della sequenza codificata. Nel layer Iequivale a 4 Byte ; nei layer II e III a 1 Byte

soglia di mascheramento: funzione nei domini di frequenza etempo che rappresenta il limite inferiore dei segnali udibilidall'orecchio umano.

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