Curso: Engenharia de Computação e Informação - UFRJ Disciplina: Telecomunicações - 2012 Roteiro: + Introdução - Motivação - MPEG - Janela + Codificador perceptivo + MP3 + AAC + Conclusão - Vantagens e desvantagens + Bibliografia + Dúvidas

1. Análise Comparativa:
MP3 e AAC
Bernardo de Campos Vidal Camilo
Pedro de Vasconcellos
Rachel Gonçalves de Castro
22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 1

2. Roteiro
• Introdução
– Motivação
– MPEG
– Janela
• Codificador perceptivo
• MP3
• AAC
• Conclusão
– Vantagens e desvantagens
• Bibliografia
• Dúvidas
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3. Introdução - Motivação
• Grande evolução na codificação de áudio
• Mais “populares”
– MP3 e AAC
• “Qual codec apresenta maior qualidade?”
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4. Introdução - MPEG
• Moving Pictures Expert Group
– Organização Internacional de Normalização
– Estabelecer normas internacioanis para codificação de
áudio
• MP3
– MPEG-1 Layer 3
• AAC
– MPEG-2
• Compressão com perdas
– Irrelevância perceptiva do sistema auditivo
– Redundância estatística
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5. Introdução - MPEG
• Evolução:
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6. Introdução - MPEG
• Aplicações:
– Produção de áudio
– Transmissão de som televiso
– Armazenamento digital
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7. Janela
10Hz Senoidal
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8. Janela
FFT 10Hz Senoidal
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9. Janela
Senoidal 9.5Hz
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10. Janela
FFT Senoidal 9.5Hz
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11. Janela
Senoidal 9.5Hz Fim-a-Fim
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12. Janela
Hanning window
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13. Janela
Senoidal multiplicada pela janela
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14. Janela
FFT Senoidal 9.5Hz (após janela)
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15. Janela
FFT Senoidal 10Hz (após janela)
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16. Janela
Senoidal 10Hz, evento curto de 100Hz
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17. Janela
50% overlapping
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18. Janela
Spectro com 0% e 50% overlapping
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19. Janela
Janela curta: boa resolução por tempo
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20. Janela
Janela longa: boa resolução por frequência
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21. Janela
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22. Janela
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23. Codificador Perceptivo
Banco de Filtros:
• Domínio do tempo  domínio da frequência
Modelo perceptivo:
• Computar estimativa do limiar de mascaramento usando regras da psico-acústica
Quantização e Codificação:
• Componentes espectrais são quantizados e codificados com o objetivo de manter o
ruído, introduzido pela quantização, abaixo do limiar de mascaramento
Codificação de bitstream:
• Juntar o bitstream (coeficientes espectrais + outras informações)
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24. MP3
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25. MP3
• Banco de Filtro polifásico
– Divide o sinal em 32 sub-bandas
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26. MP3
• MDCT (Modified Discrete Cosine Transform)
– Converte o sinal para o domínio da frequência
– Divide cada sub-banda em 18 mais finas
32 * 18 = 576 linhas de frequência
– Melhor eliminação de redundância
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27. MP3
• FFT 1024 Points (Fast Fourier Transform)
– Converte o sinal para o dimínio da frequência
– Maior resolução da frequência
– Cálculo do limiar de mascaramento
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28. MP3
• Modelo Psico-Acústico
– Leva em consideração a sensibilidade do ouvido
humano
– Frequências entre 20Hz a 20KHz
– Limiar de audição
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29. MP3
• Modelo Psico-Acústico
– Mascaramento em frequência
– Mascaramento temporal
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30. MP3
• Modelo Psico-Acústico
– Limiar de mascaramento
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31. MP3
• Codificação de Huffman
– Utiliza a probabilidade de ocorrência para
construir uma árvore de codificação
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32. MP3
• Quantização e codificação
– Codifica com menor precisão valores grandes
– Dois loops:
• Rate Control Loop
• Distortion Control Loop
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33. MP3
• Rate Control Loop
– Número de bits resultante deve ser menor que
número de bits disponível
– Passo de quantização aumenta  valores
quantizados diminuem
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34. MP3
• Distortion Control Loop
– Controla ruído causado pelo processo de
quantização
– Ruído abaixo do limiar de mascaramento
– Fatores de escala
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35. MP3
• Formatação de Bitstream
– Armazena o som codificado em frames
– Cada frame contem informação de 1152 amostras
de áudio
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36. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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37. AAC
• Gain Control
– Opcional
– Normalmente não usado
– PQF (filtro polifásico de quadratura)
• 4 bandas de frequência igualmente espaçadas
• Taxas de amostragem ajustáveis
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38. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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39. AAC
• Filter Bank
– MDCT Puro, 50% sobreposição
• Aplicado diretamente sobre os frames, antes da divisão
em 32 sub-bandas
• Long window: 2048 amostras
• Short window: 256 amostras (x8)
– 1024 linhas de frequência
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40. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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41. AAC
• TNS (Temporal Noise Shaping)
– Opcional
– Molda o ruído de quantização no domínio do
tempo
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42. AAC
• TNS (Temporal Noise Shaping)
Sinal Original Ruído quantizado com TNS Ruído quantizado sem TNS
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43. AAC
• TNS (Temporal Noise Shaping)
Sinal Original
Quantizado com TNS
Quantizado sem TNS
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44. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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45. AAC
• Intensity/Coupling
– Opcional
– Combina dois canais stereo (left/right) em um só
(mono)
– Explora redudâncias na região de alta frequência
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46. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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47. AAC
• Prediction
– Opcional
– Usado para minimizar redundâncias
– Eficiente em sinal estacionário/periódico
– Aproveita semelhanças dos coeficientes
quantizados de blocos adjacentes
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48. AAC
• Prediction
2 frames seguidos com um mesmo padrão
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49. AAC
• Prediction
Comparação
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50. AAC
• Prediction
Transformada
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51. AAC
• Prediction
Coeficientes
divididos em
bandas
Resíduo enviado
(acima)
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52. AAC
Gain
Control
Filter
Bank
TNS
Intensity
/
Coupling
Bitstream
Output Data
Bitstream Multiplexer
Prediction M/S
Scale
Factors
Quant.
Control
Noiseless
Coding
Rate/Distortion Control
Input
time
signal Spectral Processing
Perceptual Model
Quantization and
Noiseless Coding
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53. AAC
• M/S
– Opcional
– Converte um sinal stereo em dois formatos:
• Middle (soma, L + R)
• Side (diferença, L – R)
– Não altera o sinal de cada canal (diferentemente
do intensity/coupling), que pode ser reconstruído
– Aplicado o mascaramento, verifica qual
codificação (L/R, M/S) exige menos bits
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54. Conclusão
• O AAC é, possivelmente, o sucessor do MP3
A melhoria da compressão oferece resultados de alta qualidade
com menores tamanhos de arquivo
Suporte para multicanais de áudio (até 48 canais de
frequência)
Melhoria na eficiência da decodificação, requerendo menos
potência
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55. Conclusão
• Por que o MP3 continua forte?
Familiaridade com o formato
Grande quantidade de música disponível no formato MP3
Grande variedade de hardware e software que “tira vantagem”
do formato
Ausência de restrições DRM (Digital Rights Management)
A maioria dos utilizadores não conhece ou ignora as
desvantagens do formato
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56. Dúvidas
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57. Dúvidas
Obrigado!
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