PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA VÀ NÉN ÂM THANH2.doc

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

Muïc luïc......................................................................................................................1

Lôøi noùi ñaàu................................................................................................................3

PHAÀN I . LYÙ THUYEÁT..........................................................................................4

CHÖÔNG 1. CAÙC KIEÁN THÖÙC CÔ BAÛN VEÀ AÂM THANH............................5

I. NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN - SOÙNG CÔ...................................................6

1.1. Söï hình thaønh soùng trong moâi tröôøng ñaøn hoài.................................6

1.2. Caùc ñaëc tröng cuûa soùng.......................................................................7

1.3. Phöông trình soùng.................................................................................8

II. SOÙNG AÂM VAØ ÑAËC TÍNH AÂM THANH........................................................8

2.1 Dao ñoäng aâm vaø söï truyeàn dao ñoäng..................................................8

2.2 Ñôn vò vaät lyù cuûa aâm thanh..................................................................9

2.3. Ñaëc tính sinh lyù veà söï caûm thuï aâm.....................................................12

CHÖÔNG 2. WAVE FILE......................................................................................16

I. MULTIMEDIA WINDOWS..............................................................................16

II. CAÁU TRUÙC WAVE FILE.................................................................................17

2.1 RIFF file..................................................................................................17

2.2 Caáu truùc File Wave...............................................................................17

III. ÑOÏC RIFF FILES.............................................................................................21

CHÖÔNG 3. LYÙ THUYEÁT XÖÛ LYÙ TÍN HIEÄU SOÁ..............................................25

I. TÍN HIEÄU VAØ HEÄ THOÁNG RÔØI RAÏC.............................................................25

1. Giôùi thieäu....................................................................................................25

2. Ñaùp öùng xung trong heä TTBB.................................................................25

3. Tính chaát cuûa toång chaäp cuûa heä TTBB...................................................26

4. Heä nhaân quaû...............................................................................................27

5. Tính oån ñònh...............................................................................................27

6. Phöông trình sai phaân tuyeán tính heä soá haèng........................................28

7. Bieåu dieãn caùc heä rôøi raïc trong mieàn taàn soá...........................................28

8. Ñònh lyù laáy maãu Shannon..........................................................................30

II. PHEÙP BIEÁN ÑOÅI FOURIER RÔØI RAÏC.........................................................30

1. Chuoãi Fourier rôøi raïc cuûa tín hieäu rôøi raïc tuaàn hoaøn.........................30

2. Bieán ñoåi Fourier rôøi raïc cuûa tín hieäu coù ñoä daøi höõu haïn................................31

3. Pheùp bieán ñoåi nhanh Fourier (FFT)....................................................................32

CHÖÔNG 4. GIÔÙI THIEÄU VEÀ MPEG.................................................................33

I. GIÔÙI THIEÄU........................................................................................................33

1. MPEG laø gì?...............................................................................................33

2. So saùnh caùc chuaån MPEG........................................................................33

3. Aâm thanh MPEG......................................................................................34

4. Caùc khaùi nieäm cô baûn...............................................................................35

5. Hoaït ñoäng...................................................................................................38

II. CAÙC KHAÙI NIEÄM TRONG AÂM THANH MPEG........................................40

1. Löôïc ñoà maõ hoùa Perceptual Sub-band...................................................40

2. Giaûi thích hieäu quûa che (masking efficiency)........................................41

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 1

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

3. Caùc lôùp cuûa aâm thanh MPEG...................................................................43

III. CAÙC THOÂNG SOÁ..............................................................................................45

CHÖÔNG 5. CAÙC GIAÛI THUAÄT NEÙN AÂM THANH.........................................50

I. LYÙ THUYEÁT THOÂNG TIN...............................................................................50

II. CAÙC GIAÛI THUAÄT NEÙN KHOÂNG COÙ TOÅN THAÁT.....................................51

1. Maõ hoùa Huffman........................................................................................51

2. Maõ hoùa Huffman söûa ñoåi..........................................................................53

3. Maõ hoùa soá hoïc............................................................................................54

4. Giaûi thuaät Lempel-Ziv-Welch (LZW).....................................................55

III. CAÙC GIAÛI THUAÄT NEÙN COÙ TOÅN THAÁT..................................................57

1. Caùc phöông phaùp neùn aâm thanh ñôn giaûn.............................................57

2. Neùn aâm thanh duøng moâ hình aâm taâm lyù.................................................57

3. Neùn aâm thanh theo chuaån MPEG...........................................................58

PHAÀN II. THIEÁT KEÁ CHÖÔNG TRÌNH.............................................................60

CHÖÔNG 6. LÖU ÑOÀ GIAÛI THUAÄT VAØ CAÁU TRUÙC DÖÕ LIEÄU....................61

I. SÔ ÑOÀ KHOÁI........................................................................................................61

II. CAÁU TRUÙC DÖÕ LIEÄU VAØ ÑÒNH NGHÓA.....................................................62

A. CAÁU TRUÙC DÖÕ LIEÄU......................................................................................62

1. Caùc caáu truùc veà file................................................................................................62

2. Caùc caáu truùc veà doøng bít döõ lieäu...........................................................................63

3. Caùc caáu truùc ñeå ñònh daïng doøng bít döõ lieäu........................................................63

4. Caùc caáu truùc huffmancodetab...............................................................................67

5. Caùc caáu truùc tính MDCT.......................................................................................67

6. Caùc caáu truùc scalefac_struct.................................................................................67

B. CAÙC ÑÒNH NGHÓA.....................................................................................68

1. Caùc ñònh nghóa duøng trong truy xuaát döõ lieäu.......................................68

2. Caùc ñònh nghóa duøng trong tính toaùn FFT............................................68

3. Caùc ñònh nghóa duøng trong ñònh daïng doøng döõ lieäu............................68

4. Caùc ñònh nghóa duøng trong boä maõ hoaù Huffman.................................68

5. Caùc ñònh nghóa duøng trong phaân tích döõ lieäu.......................................69

6. Caùc ñònh nghóa duøng trong moâ hình aâm taâm lyù....................................69

7. Caùc ñònh nghóa duøng trong truy xuaát nhaäp döõ lieäu.............................69

8. Caùc ñònh nghóa duøng trong caáu truùc file Wave vaø file Mpeg.............69

III. LÖU ÑOÀ.............................................................................................................71

CHÖÔNG 7: GIAO DIEÄN VAØ THUYEÁT MINH CHÖÔNG TRÌNH................75

I. GIÔÙI THIEÄU.......................................................................................................75

II.GIAO DIEÄN.........................................................................................................75

III.CHÖÔNG TRÌNH..............................................................................................77

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO......................................................................................87

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 2

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

Lôøi noùi ñaàu

Coâng ngheä thoâng tin laø ngaønh coâng nghieäp muõi nhoïn cuûa theá giôùi noùi

chung vaø cuûa vieät nam noùi rieâng, noù ñaõ phaùt trieån maïnh meõ khoâng ngöøng

trong nhöõng naêm gaàn ñaây. Khi ñôøi soáng ñöôïc naâng leân khoa hoïc kyõ thuaät phaùt

trieån nhu caàu veà giaûi trí cuõng ña daïng leân, caùc loaïi hình giaûi trí khoâng ngöøng

gia taêng vaø ngaøy caøng phong phuù, ña daïng caùc loaïi hình giaûi trí nhö: troø chôi

ñieän töû, nghe nhaïc xem phim, xem ca nhaïc(video), vaø ñaëc bieät laø nhöõng trong

chôi daïng khoâng gian ba chieàu. Söï phaùt trieån oà aït naøy ñaõ daãn tôùi ngaønh coâng

ngheä phaàn cöùng ñaõ khoâng theå ñaùp öùng ñöôïc nhöõng ñoøi hoûi veà löu tröõ, ñoàng

haønh vôùi söï phaùt trieån naøy laø maïng maùy tính ñoù chính laø Internet ngaøy caøng

phaùt trieån soá löôïng ngöôøi tham gia truy caäp ngaøy caøng lôùn vaø nhu caàu cuûa hoï

thì ngaøy caøng phong phuù vaø ña daïng veà taát caû caùc loaïi hình noùi treân. Do ñoù toác

ñoä truy caäp, toác ñoä truyeàn taûi treân maïng ñöôïc quan taâm hôn ñeå cho ngöôøi duøng

khoâng phaûi soát ruoät ngoài chôø nhöõng trang web maø mình truy caäp, hoï khoâng

phaûi böïc mình khi download nhöõng file aâm thanh vaø nhöõng baøi haùt maø hoï öa

thích vì ñöôøng truyeàn quaù chaäm trong khi coâng ngheä phaàn cöùng ñaõ phaùt trieån

maïnh. Chính vì vaäy caùc nhaø nghieân cöùu phaàn meàm ñaõ chuù yù ñeán vieäc phaùt

trieån phaàn meàm ñeå hoã trôï phaàn cöùng. Hoï ñaõ taïo ra nhöõng chöông trình phaàn

meàm hoã trôï tích cöïc phaàn cöùng, töø ñoù ñaõ ra ñôøi nhöõng phaàn meàm neùn aâm

thanh, hình aûnh, neùn video, taùch aâm thanh töø nhöõng file video…ñeå taïo ra nhöõng

daïng aâm thanh, hình aûnh, video nhö mindi, mpeg, mp3, mp4… nhöõng file aûnh

daïng gif, jpeg…vôùi dung löôïng löu tröõ voâ cuøng nhoû maëc duø chaát löôïng coù giaûm

ñi ñoâi chuùt nhöng khoâng ñaùng keå so vôùi nhöõng gì noù ñaït ñöôïc ñeå truyeàn taûi,

truy caäp nhanh hôn.

Söï toàn taïi cuûa chuaån JPEG (Joint Photographic Experts Group) chæ ñeå

giaûm toác ñoä bit vaø chuû yeáu phuïc vuï cho hình aûnh, roõ raøng laø khoâng ñuû ñaùp öùng

cho hình aûnh ñoäng coù keøm aâm thanh. Ñeå ñaùp öùng nhu caàu cuûa thò tröôøng, moät

nhoùm caùc chuyeân gia veà hình aûnh ñoäng (Moving Picture Experts Group), goïi

taét laø MPEG, ñöôïc thaønh laäp ñeå nghieân cöùu ñöa ra nhöõng löôïc ñoà maõ hoùa phuø

hôïp cho vieäc truyeàn hình aûnh ñoäng vaø ghi laïi chuùng theo tieâu chuaån trong caùc

thieát bò löu tröõ soá nhö CD-ROM, Video CD..

Phaàn trình baøy cuûa luaän vaên chæ naèm trong khuoân khoå "Aâm thanh". Do

ñoù moïi vaán ñeà lieân quan tôùi hình aûnh seõ khoâng ñöôïc ñeà caäp tôùi, duø chuaån

MPEG laø duøng cho caû aâm thanh vaø hình aûnh.

Muïc tieâu cuûa ñeà taøi chuû yeáu chæ ñeå tìm hieåu veà caùc phöông phaùp maõ

hoaù vaø neùn aâm thanh theo chuaån Mpeg, töø ñoù döïa treân moät soá source code

(vieát baèng C) ñaõ coù treân maïng Internet vieát laïi baèng ngoân ngöõ Visual C++,

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 3

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

nhaèm hieåu saâu hôn veà giaûi thuaät, ñoàng thôøi taïo ra moät giao dieän thaân thieän

hôn.

Do trình ñoä vaø kieán thöùc coù haïn neân khoâng traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt,

em kính mong thaày tham gia vaø giuùp ñôõ em ñeå em hoaøn thaønh ñöôïc toát hôn.

Em xin chaân thaønh caùm ôn thaày ñaõ taïo ñieàu kieän thuaân lôïi nhaát giuùp em

hoaøn thaønh baùo caùo naøy.

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 4

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

PHAÀN I

LYÙ THUYEÁT CÔ BAÛN

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 5

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

CHUÔNG 1. CAÙC KIEÁN THÖÙC CÔ BAÛN VEÀ AÂM THANH.

I. NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN - SOÙNG CÔ

1.1. Söï hình thaønh soùng trong moâi tröôøng ñaøn hoài.

a. Ñònh nghóa:

Caùc moâi tröôøng chaát khí, chaát loûng, chaát raén laø moâi tröôøng ñaøn hoài.

Moâi tröôøng ñaøn hoài coù theå coi laø nhöõng moâi tröôøng lieân tuïc goàm nhöõng

phaân töû lieân keát chaët cheõ vôùi nhau, luùc bình thöôøng moãi phaân töû coù moät

vò trí caân baèng beàn.

b. Söï hình thaønh soùng trong moâi tröôøng ñaøn hoài:

• Do tính chaát cuûa moâi tröôøng ñaøn hoài, cho neân neáu taùc duïng

leân phaân töû naøo ñoù cuûa moâi tröôøng thì phaân töû naøy rôøi khoûi vò trí caân

baèng beàn.

• Do töông taùc, caùc phaân töû laân caän moät maët keùo phaân töû A

veà vò trí caân baèng, maët khaùc nhaän moät phaàn naêng löôïng do phaân töû A

truyeàn sang, do ñoù cuõng dao ñoäng theo, hieän töôïng naøy xaûy ra lieân tieáp

taïo thaønh soùng. Soùng ñaøn hoài (soùng cô) laø söï lan truyeàn dao ñoäng trong

moâi tröôøng ñaøn hoài. Soùng cô khoâng theå truyeàn ñöôïc trong chaân khoâng,

vì chaân khoâng khoâng phaûi laø moâi tröôøng ñaøn hoài.

• Caàn löu yù trong khi truyeàn dao ñoäng, caùc phaân töû cuûa moâi

tröôøng khoâng di chuyeån theo caùc dao ñoäng ñöôïc lan truyeàn maø chæ dao

ñoäng quanh vò trí caân baèng cuûa noù.

c. Moät soá khaùi nieäm veà soùng:

• Nguoàn soùng: laø ngoaïi vaät gaây ra kích ñoäng soùng.

• Tia soùng: laø phöông truyeàn soùng.

• Moâi tröôøng soùng: laø khoâng gian maø soùng truyeàn qua.

• Maët soùng: laø maët chöùa nhöõng ñieåm (phaân töû) coù cuøng

traïng thaùi dao ñoäng taïi moät thôøi ñieåm naøo ñoù. Tia soùng luoân vuoâng goùc

vôùi maët soùng.

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 6

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

• Soùng caàu: maët soùng laø nhöõng maët caàu phaân boá ñeàu trong

khoâng gian, taâm laø nguoàn soùng. Trong moâi tröôøng ñoàng chaát vaø ñaúng

höôùng seõ coù soùng caàu. Ñoái vôùi soùng caàu tia soùng truøng vôùi baùn kính cuûa

maët caàu.

• Soùng phaúng: maët soùng laø nhöõng maët phaúng song song

nhau, tia soùng vuoâng goùc vôùi maët soùng. Neáu nguoàn soùng ôû raát xa moâi

tröôøng ñang xeùt thì maët soùng coù theå coi laø nhöõng maët phaúng song song.

• Soùng doïc: laø soùng trong ñoù caùc phaân töû cuûa moâi tröôøng dao

ñoäng quanh vò trí caân baèng treân phöông truøng vôùi tia soùng. Khi coù soùng

doïc, treân phöông cuûa tia soùng caùc phaân töû cuûa moâi tröôøng khi thì bò neùn

chaët, khi thì giaõn ra laøm cho caùc phaân töû cuûa moâi tröôøng coù choã daøy choã

thöa.

• Soùng ngang: laø soùng trong ñoù caùc phaân töû cuûa moâi tröôøng

dao ñoäng quanh vò trí caân baèng treân phöông vuoâng goùc vôùi tia soùng.

d. Nguyeân nhaân gaây ra soùng ngang vaø soùng doïc:

• Tuøy tính chaát cuûa moâi tröôøng ñaøn hoài maø trong ñoù coù theå

xuaát hieän soùng ngang hay soùng doïc.

- Khi moät lôùp cuûa moâi tröôøng bò leäch ñoái vôùi lôùp khaùc laøm xuaát hieän caùc

löïc ñaøn hoài coù xu höôùng keùo lôùp bò leäch veà vò trí caân baèng thì trong moâi

tröôøng ñoù coù theå truyeàn ñöôïc soùng ngang. Vaäy vaät raén laø moät moâi

tröôøng coù tính chaát ñoù.

- Neáu trong moâi tröôøng khoâng coù caùc löïc ñaøn hoài khi caùc lôùp song song

bò leäch ñoái vôùi nhau thì soùng ngang khoâng theå hình thaønh ñöôïc. Chaát

loûng vaø chaát khí laø nhöõng moâi tröôøng ñoù.

- Khi bò bieán daïng neùn hay caêng maø trong moâi tröôøng coù caùc löïc ñaøn hoài

xuaát hieän thì trong moâi tröôøng ñoù coù theå truyeàn ñöôïc soùng doïc. Chaúng

haïn khi bò neùn, chaát loûng hay chaát khí seõ taêng aùp suaát, löïc neùn giöõ vai

troø löïc ñaøn hoài.

• Nhö vaäy trong chaát loûng vaø chaát khí chæ coù soùng doïc

truyeàn ñöôïc, coøn trong chaát raén coù theå truyeàn ñöôïc caû hai loaïi soùng.

1.2. Caùc ñaëc tröng cuûa soùng.

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 7

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

a. Vaän toác truyeàn soùng (C) :

Laø quaõng ñöôøng maø soùng truyeàn ñöôïc trong moät ñôn vò thôøi gian.

b. Böôùc soùng λ :

Laø quaõng ñöôøng maø soùng truyeàn ñöôïc sau moät thôøi gian baèng 1 chu kyø

T. Nhö vaäy λ laø khoaûng caùch beù nhaát giöõa caùc phaân töû dao ñoäng cuøng

pha. Theo ñònh nghóa ta coù : λ = CT.

c. Chu kyø vaø taàn soá:

• Chu kyø T laø thôøi gian caàn thieát ñeå soùng truyeàn ñöôïc 1 böôùc soùng

λ.

• Taàn soá f laø soá chu kyø thöïc hieän ñöôïc trong 1 giaây :

F = 1/T (Hz)

1.3. Phöông trình soùng.

• Soùng phaúng truyeàn doïc theo phöông OY vôùi vaän toác C thì phöông

trình soùng bieåu thò moái quan heä giöõa ñoä chuyeån dôøi X cuûa phaân töû dao

ñoäng keå töø vò trí caân baèng vôùi thôøi gian t vaø khoaûng caùch y ñeán caùc vò trí

caân baèng caùc phaân töû dao ñoäng treân phöông truyeàn soùng nhö sau :

X = asinω(t – y/c)

• Neáu soùng phaúng truyeàn theo höôùng ngöôïc vôùi höôùng tính khoaûng

caùch y thì :

X = asinω(t + y/c)

• Ñoái vôùi soùng caàu thì bieân ñoä a cuûa dao ñoäng soùng taïi vò trí caùch

nguoàn baèng baùn kính r, tæ leä nghòch vôùi r, phöông trình soùng coù daïng:

X = a

/r sinω(t – r/c)

II. SOÙNG AÂM.

2.1. Dao ñoäng aâm vaø söï truyeàn dao ñoäng.

• Soùng aâm laø moät loaïi soùng cô coù bieân ñoä dao ñoäng nhoû maø thính giaùc

nhaän bieát ñöôïc. Thí duï dao ñoäng phaùt ra töø daây ñaøn, maët troáng.. ñang

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 8

Khoa CNTT – ÑHBKHN GVHD thaày: Dö Thanh Bình

rung ñoäng. Soùng aâm laø moät loaïi soùng cô neân moïi khaùi nieäm vaø hieän

töôïng veà dao ñoäng vaø soùng cô treân ñaây ñeàu aùp duïng cho soùng aâm.

• Trong khoâng khí cuõng nhö trong moïi chaát khí khaùc, nhöõng dao

ñoäng truyeàn ñi döôùi daïng soùng doïc, khi ñeán tai ngöôøi nhöõng dao ñoäng

coù taàn soá töø 16 ñeán 20000 Hz seõ gaây caûm giaùc ñaëc bieät veà aâm.

• Caùc dao ñoäng ñaøn hoài coù taàn soá f>20.000 Hz laø soùng sieâu aâm.

• Caùc dao ñoäng ñaøn hoài coù taàn soá f<16 Hz laø soùng haï aâm

• Moãi aâm coù moät taàn soá rieâng, ñôn vò cuûa taàn soá laø heùc (Hz) vôùi

ñònh nghóa:”Heùc laø taàn soá cuûa moät quùa trình dao ñoäng aâm trong ñoù moãi

giaây thöïc hieän ñöôïc moät dao ñoäng”.

1 Heùc (Hz) = 1 dao ñoäng / 1 giaây

• Vieäc phaân chia soùng haï aâm, soùng sieâu aâm vaø soùng aâm (aâm thanh)

lieân quan tôùi khaû naêng sinh lyù cuûa thính giaùc

2.2. Ñôn vò vaät lyù cuûa aâm thanh.

• AÂm thanh hay tieáng ñoäng maø con ngöôøi nhaän bieát ñöôïc do taùc

ñoäng cuûa soùng aâm leân maøng nhó tai.

• Caùc dao ñoäng aâm phaùt ra töø nguoàn lan truyeàn trong moâi tröôøng

ñaøn hoài nhö khoâng khí.. döôùi daïng soùng ñaøn hoài goïi laø soùng aâm. Soùng

aâm ñeán kích ñoäng maøng nhó tai gaây caûm giaùc veà aâm, do ñoù caàn phaân

bieät hai loaïi ñaïi löôïng veà aâm:

- Ñaïi löôïng aâm khaùch quan: nhöõng ñaïi löôïng thuaàn tuùy vaät lyù, khoâng

phuï thuoäc vaøo tai ngöôøi.

- Ñaïi löôïng aâm chuû quan: nhöõng ñaïi löôïng taâm lyù vaät lyù phuï thuoäc vaøo

tai ngöôøi.

2.2.1. Ñôn vò aâm khaùch quan:

a. Aùp suaát aâm:

Khi soùng aâm tôùi moät maët naøo ñoù, do caùc phaân töû moâi tröôøng dao

ñoäng taùc duïng leân maët ñoù moät löïc gaây ra aùp suaát. Aùp suaát ôû ñaây laø aùp

suaát dö do soùng aâm gaây ra ngoaøi aùp suaát khí quyeån.

SVTH: Ñoã Vaên Tuaán Trang 9