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Le traitement du signal en Audio
Les procédés de compression audio
Exemple principal : MPEG 1 Layer 3
Sommaire
Présentation personnelle. Le groupe Digigram.
Les points à connaître pour comprendre les procédés de
compression ...
Introduction personnelle
La société Innova SON
La société Innova SON
Produits : Consoles de mixage
numérique pour marché Audio Pro
Ciblé sur le spectacle vivant : concer...
Pourquoi le numérique ?
Pourquoi travailler en numérique ?
Systèmes analogiques et numériques sont capables de réaliser les même
fonctions (contre...
L’oreille humaine / L’audition
Description de l’oreille
Étrier
Cochlée : enroulée, 35 mm de long
Pavillon
Cochlée
dépliée
Nerf
Auditif
Organe de corti co...
Caractéristiques de l’audition (1)
Échelle de niveau logarithmique.
– Niveau sonore perçu est doublé si on multiplie par 1...
Caractéristiques de l’audition (2)
Localisation spatiale du son :
–
–
–
–

Grâce à la différence de niveau sonore entre or...
La boîte à outils mathématique
Compactage des données (1)
Le but est de réduire la taille d’un bloc de données
sans perte, en s’appuyant sur ces spécific...
Compactage des données (2)
Huffman. Méthode statistique codant les
caractères les plus courants avec les codes les
plus co...
Transformation TempsFréq.
La plupart des algorithmes de compression nécessitent
d’analyser le signal dans l’espace fréque...
Les bancs de filtre (1)
Deux étapes :
– Décomposer le signal en bande de fréquence par un banc
de filtres en parallèle

Fr...
Les bancs de filtre (2)
Les filtres sont choisis pour leurs propriétés …
– de reconstruction parfaite du signal
– d’atténu...
La Transformée de Fourier (1)
DFT ( Discrete Fourier transform )
N −1
π
1 x(k).e− j k.2N .n
f(n)= ∑
N k =0
Décomposition d...
La Transformée de Fourier (2)
MDCT ( Modified Discrete Cosine Transform)
(2n+1)(2k +1+N 2)π 
f(n)=∑ f(k).x(k).cos


2N...
La compression ‘’MP3’’
Le MP3. Présentation
Bon exemple des procédés de compression actuels. Mise en
application des études sur l’audition
De son...
MP3 : Procédé de compression
MP3 : Banque de filtres

Banc de filtres
Spectre en fréquence divisé par un banc de 32 filtres
polyphases de 700 Hz de lar...
MP3 : Modèle perceptuel
Cœur de l’algorithme. Qualité de la compression
Analyses par bandes de fréquences indépendantes
de...
MP3 : Modèle perceptuel
Décomposition du spectre en
composantes tonales et non
tonales
Calcul du seuil de masquage
par fré...
MP3 : Allocation de bits
Dec.
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Bin.
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Huffman
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But de la manœuvre : allouer le nombre de b...
MP3 : Mise en forme / Décodage
Mettre en forme les données binaires produites
aux étapes précédentes dans une structure
dé...
D’autres formats de compression
MP3 Pro / WMA / ATRAC
MP3 Pro. Compatible MP3 avec tout lecteur MP3 standard. Le
procédé SBR rajoute quelque kbits/s perme...
La quantification vectorielle
Procédé utilisé dans les formats
- VQF (Yamaha)
- TwinVQ (intégré à la nouvelle norme MPEG 4...
Le Format Ogg Vorbis
Norme concurrente du MP3 récemment passé sous licence GPL
(Open Source)
Les principaux éléments :
- D...
Le futur, aujourd’hui : MPEG 4 (1)
Norme très complexe car complète : compression audio, compression
vidéo, générateurs au...
Le futur, aujourd’hui : MPEG 4 (2)
Les ajouts
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Filter Bank
DCT de longueur 2048 ou 256
TNS ( Temporal noise shap...
Evolution vers le multi-canal
Pour la vidéo, on ne se limite plus à la stéréo. Le 5+1 devient
standard ( Gauche,droite, ce...
Les procédés de compression sans
perte
La compression audio sans perte (1)
Les formats de compression sans perte sont basés sur la redondance
d’information au se...
La compression audio sans perte (2)
La méthode courante utilise la prédiction linéaire
Elle utilise des filtres récursifs ...
Quelques référence
Très intéressant article sur la compression audio par Bryan Dipert pour EDN Magazine
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Le traitement du signal en Audio. Les procédés de compression audio. Présentation

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Le traitement du signal en Audio. Les procédés de compression audio. Présentation

  1. 1. Le traitement du signal en Audio Les procédés de compression audio Exemple principal : MPEG 1 Layer 3
  2. 2. Sommaire Présentation personnelle. Le groupe Digigram. Les points à connaître pour comprendre les procédés de compression : – Pourquoi le numérique ? – L’oreille humaine et l’audition – La boîte à outils mathématique : Compactage des données et Transformée Temps  Fréquence Les algorithmes de compression : – – – – MP3 Autres Algorithmes Le futur de la compression Et les algorithmes de compression sans perte ?
  3. 3. Introduction personnelle La société Innova SON
  4. 4. La société Innova SON Produits : Consoles de mixage numérique pour marché Audio Pro Ciblé sur le spectacle vivant : concerts, festivals, théâtre, broadcast, etc … Audio 24 bits / 48 kHz Surtout pas de compression ! Compétences : TDS (minimal), Electronique analogique et numérique, mécanique, intégration, CEM
  5. 5. Pourquoi le numérique ?
  6. 6. Pourquoi travailler en numérique ? Systèmes analogiques et numériques sont capables de réaliser les même fonctions (contre-exemples : retard pur / systèmes non linéaires) Le grande différence avec le format numérique est qu’il est capable de gérer des signaux dégradés sans perte de données, d’où les qualités suivantes : – – – – – – – Immunité du système aux bruits électriques bien plus grande Précision ajustable suivant son besoin Faible sensibilité aux conditions extérieures ( température, humidité, vibration, … ) Calibrations et maintenances moins importantes Taux de défauts en fabrication plus faible Pannes plus faciles à diagnostiquer et réparer Interfaçage d’un système avec un ordinateur facile Attention : les développements en numérique qui profitent de tous les avantages évoqués ci-dessus sont en logique synchrone. Les systèmes audio-numériques profitent des avantages cités ci-dessus : répétabilité, transmission sur de longues distances sans perte, gestion par ordinateur, compacité, etc …
  7. 7. L’oreille humaine / L’audition
  8. 8. Description de l’oreille Étrier Cochlée : enroulée, 35 mm de long Pavillon Cochlée dépliée Nerf Auditif Organe de corti comprenant 2500 Conduit cellules ciliées (reliées aux nerfs Auditif externe auditifs) + 7500 cellules ciliées Tympan Enclume externes (amplification) Marteau En fonction de leur position le long de la cochlée, les cellules ciliées vibrent pour des fréquences d’excitation différentes. Les cellules ciliées et les neurones "saturent" rapidement : le niveau ressenti du signal n’est pas linéairement couplé au niveau efficace du son.
  9. 9. Caractéristiques de l’audition (1) Échelle de niveau logarithmique. – Niveau sonore perçu est doublé si on multiplie par 10 le nombre d’instrumentistes. – Niveaux exprimé en dB SPL – 0 dB = agitation des molécules de l’air – Seuil de la douleur : 140 dB Réponse en fréquence complexe : – 20 Hz~20 kHz ( qu’on dit ) – Dépend du niveau – Échelle Logarithmique en fréquence : l’octave
  10. 10. Caractéristiques de l’audition (2) Localisation spatiale du son : – – – – Grâce à la différence de niveau sonore entre oreilles Grâce à la différence temporelle ( <0,6 ms) Grâce à la forme de la tête, des épaules, du pavillon Localisation peu ou pas efficace aux basses fréquences Perception de fréquence très fine ( erreur 1% ) mais … Masquage – Fréquentiel : si deux signaux sont de fréquences proches, on n’entendra que celui de plus fort niveau – Temporel : un son masquera un autre dans la foulée pendant un court instant Perception du timbre : attaque / harmonique / apprentissage
  11. 11. La boîte à outils mathématique
  12. 12. Compactage des données (1) Le but est de réduire la taille d’un bloc de données sans perte, en s’appuyant sur ces spécificités. Cas d’école : compression ZIP, RAR, LZE Divers algorithmes : RLE ( Run Length Encoding ) Code la répétition successive d’éléments AAAAABBBCDDDD *5ABBBC*4D *5A  Je répète 5 fois la lettre A BBBC Je garde BBBC tel quel
  13. 13. Compactage des données (2) Huffman. Méthode statistique codant les caractères les plus courants avec les codes les plus courts. La bibliothèque de symbole peut être dynamique (arbre de Huffman) ou fixe Lempel-ZIV. Basé sur un dictionnaire de mots. Le dictionnaire contient au démarrage les 256 caractères de base. Il est rempli au fur et à mesure de l’analyse du fichier /WED/WE/WEE/WEB /WED<256>E<260><261><257>B 256 257 258 259 260 261 262 263 264 /W WE ED D/ /WE E/ /WEE E/W WEB
  14. 14. Transformation TempsFréq. La plupart des algorithmes de compression nécessitent d’analyser le signal dans l’espace fréquentiel plutôt que temporel. Le passage de l’un à l’autre peut être réalisé de différentes manières, les deux principales étant Les bancs de filtres unitaires Un banc de filtre particulier : la transformée de Fourier et ses déclinaisons. ( DCT, MDCT, …)
  15. 15. Les bancs de filtre (1) Deux étapes : – Décomposer le signal en bande de fréquence par un banc de filtres en parallèle Freq – Sous-échantillonner chacune des bandes Sous-éch. 1/3 Freq Freq
  16. 16. Les bancs de filtre (2) Les filtres sont choisis pour leurs propriétés … – de reconstruction parfaite du signal – d’atténuation maximale des phénomènes de repliement – de simplifier les calculs  réduire puissance de calcul Filtres optimaux : fréquences de coupure sont multiples de la fréquence d’échantillonnage. Freq Les filtres polyphases font partie de cette famille. Leur calcul simplifié en fait un choix intéressant
  17. 17. La Transformée de Fourier (1) DFT ( Discrete Fourier transform ) N −1 π 1 x(k).e− j k.2N .n f(n)= ∑ N k =0 Décomposition du signal en cosinus et sinus DCT ( Discrete cosine transform ) N −1 1 + 2 . x(k).cos n(2k +1)π  f(n)=  2N  N∑ N   k =1 Décomposition en terme cosinus (partie réelle). Même base théorique que la DFT. En plus de l’avantage de travailler en nombres réels et non complexes, la décomposition par DCT est plus optimale
  18. 18. La Transformée de Fourier (2) MDCT ( Modified Discrete Cosine Transform) (2n+1)(2k +1+N 2)π  f(n)=∑ f(k).x(k).cos   2N k =0   N −1 Une fonction de pondération f(k) vient se rajouter. Son choix judicieux permet une reconstruction parfaite du signal tout en permettant : – Le chevauchement des zones temporelles pour limiter les effets de bord de la DCT – L’adaptation de la largeur d’analyse ( précision ou vitesse ) FFT ( Fast Fourier Transform )
  19. 19. La compression ‘’MP3’’
  20. 20. Le MP3. Présentation Bon exemple des procédés de compression actuels. Mise en application des études sur l’audition De son vrai nom MPEG 1 Layer 3. Norme internationale dérivée du Musicam et ASPEC. Système numérique, signal échantillonné Procédé de compression destructif : on perd de l’information Taux de compression : facteur 1/11 pour une « qualité CD ». Taux fixe en général Basé principalement sur l’effet de masquage de l’oreille.
  21. 21. MP3 : Procédé de compression
  22. 22. MP3 : Banque de filtres Banc de filtres Spectre en fréquence divisé par un banc de 32 filtres polyphases de 700 Hz de largeur. Compatible Layer 1 et 2. Chacune des 32 sorties est traitée par un filtre MDCT décomposant en 18 sous-bandes Codage d’un seul canal dans les basses fréquences Codage de la somme des 2 canaux et un peu de la différence
  23. 23. MP3 : Modèle perceptuel Cœur de l’algorithme. Qualité de la compression Analyses par bandes de fréquences indépendantes des banques de filtres En général, décomposition par FFT 1024 points
  24. 24. MP3 : Modèle perceptuel Décomposition du spectre en composantes tonales et non tonales Calcul du seuil de masquage par fréquence Rapport signal / seuil de masquage On en déduit le nombre de bits par bande de fréquence
  25. 25. MP3 : Allocation de bits Dec. 0 1 2 3 Bin. 00 01 10 11 Huffman 0 10 110 111 But de la manœuvre : allouer le nombre de bits permettant de coder chaque bande de fréquence afin de suivre la courbe de masquage. Huffman : valeurs petites codées avec moins de bits Allouer des bits consiste alors au augmenter le gain par bande Bouclage jusqu’à ce que l’allocation soit optimale
  26. 26. MP3 : Mise en forme / Décodage Mettre en forme les données binaires produites aux étapes précédentes dans une structure définie En plus des données audio, on rajoute d’autres données : format, nom, type de codage, etc. … Décodage : on inverse les étapes. Pas de modèle perceptuel qui ne sert qu’au codage pour supprimer les informations Du coup le décodage est une étape très simple comparée à la compression
  27. 27. D’autres formats de compression
  28. 28. MP3 Pro / WMA / ATRAC MP3 Pro. Compatible MP3 avec tout lecteur MP3 standard. Le procédé SBR rajoute quelque kbits/s permettant de reconstruire les hautes fréquences perdues dans les MP3 < 128 kbit/s WMA. Format Microsoft. Basé sur une MDCT ( pas de Banque de filtres ). En plus la ‘Substitution de bruit’, en moins pas de codage de la stéréo ATRAC. Minidisc SONY. Taux de compression de 1/5 d’un signal 16 bits / 44.1 kHz. Décomposition en 3 bandes principales suivie de 3 MDCT 512 points.
  29. 29. La quantification vectorielle Procédé utilisé dans les formats - VQF (Yamaha) - TwinVQ (intégré à la nouvelle norme MPEG 4 ) - WMA (Microsoft) pour faibles débits Basé sur une bibliothèque fixe de vecteurs les plus représentatifs d’un signal audio. Cette bibliothèque est incluse dans le module de compression et de décompression Pas à pas, le codeur recherche dans sa bibliothèque le vecteur le plus proche du signal à coder. Il code le numéro de ce vecteur et passe au tronçon suivant Processus de compression long, même comparé au MP3, qualité quasi identique
  30. 30. Le Format Ogg Vorbis Norme concurrente du MP3 récemment passé sous licence GPL (Open Source) Les principaux éléments : - Décomposition fréquentielle par MDCT de taille variable multiple de 2 - Compactage par Huffman quantification par vecteur - Non limité à la stéréo mais multi-canaux Principale différence : la plupart des paramètres d’encodage ne sont pas fixes et sont stockés avec le fichier compressé : - Modèle perceptuel Tables de correspondance pour compactage Huffman ou VQ L’encodage peut donc changer d’une trame à l’autre pour s’adapter aux changements Le format est générique, il peut rester identique alors que le procédé s’affine Seul inconvénient : la place prise pour stocker les paramètres ( 4 Ko, ces données sont ellesmême compressées ! )
  31. 31. Le futur, aujourd’hui : MPEG 4 (1) Norme très complexe car complète : compression audio, compression vidéo, générateurs audio/vidéo, effets audio, effets vidéo, etc… Tous ces types de données peuvent être empaquetés dans un seul fichier et synchronisés les uns aux autres. Le domaine de la compression audio profite des avancées réalisées dans le domaine. Non compatibilité avec MPEG 1,2,3 Les principes généraux de la compression sont les même : décomposition en fréquence, modèle conceptuel, quantification des différentes bandes, compactage des données (en plus de Huffman, on peut utiliser TwinVQ), mise en trame. Déjà utilisé sous un format simplifié  Format AAC ( Apple ITunes )
  32. 32. Le futur, aujourd’hui : MPEG 4 (2) Les ajouts • • • • Filter Bank DCT de longueur 2048 ou 256 TNS ( Temporal noise shaping ). Filtrage adaptatif permettant une évolution du bruit de quantification dans le temps LTP ( Long term prediction ) Reduction des données par analyse de la redondance d’information d’un bloc d’échantillon à l’autre PNS ( Perceptual noise substitution ) Détecte qu’une ou plusieurs bandes de fréquences s’apparentent à une source de bruit. Il n’est pas codé, seule l’information de niveau est envoyée. Le bruit est regénéré dans le décodeur
  33. 33. Evolution vers le multi-canal Pour la vidéo, on ne se limite plus à la stéréo. Le 5+1 devient standard ( Gauche,droite, centre, arrière gauche, arrière droite + Subwoofer ) Ce format nécessite une compression pour tenir sur un DVD. Débit utilisable par la partie audio sur le support : 1, 509 Mbits/s Débit normal de 6 canaux 16 bits 44,1 kHz : 4,233 Mbits/s Deux normes sont utilisées actuellement : Dolby AC-3 - Débit : 384 Kbits/s ( rapport d’environ 1/10 ). Compression du niveau MPEG 1 DTS : - Débit maximal : 1509 Kbits/s ( rapport d’environ 1/4 ) Les formats MPEG 3 AAC et MPEG 4 AAC, futurs sucesseurs ?
  34. 34. Les procédés de compression sans perte
  35. 35. La compression audio sans perte (1) Les formats de compression sans perte sont basés sur la redondance d’information au sein de la source audio. De ce fait les algorithmes sont différents des procédés de compression avec perte. Les procédés de compression ’’informatiques’’ ( ZIP ), sont peu efficaces car basés sur la probabilité statistique de mots Les applications sont peu nombreuses, donc les recherches moins avancées que pour les techniques de compression avec pertes Le taux de compression est variable et dépend du contenu du signal audio compressé Les taux de compression relevés en moyenne varient de 1/3 à 4/5 suivant le type de musique et le compresseur Quelques codeurs : APE, FLAC, WMA Lossless, Quicktime 6.5 …
  36. 36. La compression audio sans perte (2) La méthode courante utilise la prédiction linéaire Elle utilise des filtres récursifs d’ordre n pour estimer le signal. Il peut s’agir d’un FIR (moins efficace) ou d’un IIR (calcul plus complexe des coefficients) L’autre solution consiste à utiliser un algorithme de compression avec perte et de coder l'erreur. C’est le cas du codeur LTAC basé sur une DCT suivie d’une quantification. Dans les deux cas, le signal d’erreur et compacté avec un procédé de type Huffman.
  37. 37. Quelques référence Très intéressant article sur la compression audio par Bryan Dipert pour EDN Magazine ( http://www.e-insite.net/ednmag/contents/images/47036.pdf ) Bases théoriques. Livres disponibles en ligne : – The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing ( http://www.dspguide.com/ ) – Numerical Recipes in C. ( http://www.nr.com/ ) Explications sur le format MPEG – Fraunhofer Institut (http://www.iis.fraunhofer.de/amm/techinf/layer3/index.html ) – http://www.mpeg.org Pour des recherches plus précises, utilisez le moteur de recherche spécialisé dans la littérature scientifique ( http://citeseer.nj.nec.com/cs ) Le format Ogg Vorbis : ( http://www.vorbis.com ) La compression sans perte – Comparatif et liens sur les utilitaires de compression audio ( http://www.firstpr.com.au/audiocomp/lossless/ ) – Théorie sur la compression sans perte ( http://geocities.com/eri32/ ) InnovaSON : http://www.innovason.com
  38. 38. C’est la fin ! A votre tour. Posez vos questions …

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