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Carregado porPedro de Vasconcellos
Análise Comparativa: MP3 e AAC
O documento apresenta uma análise comparativa entre os codecs de áudio MP3 e AAC, discutindo suas respectivas características, vantagens e desvantagens. Enquanto o AAC se destaca por uma melhor compressão e qualidade de áudio, o MP3 mantém popularidade devido à familiaridade e ampla disponibilidade. A pesquisa é contextualizada no desenvolvimento de padrões de codificação pela MPEG e nas técnicas de modelagem perceptiva de áudio.
Análise Comparativa: MP3 e AAC
- 1. Análise Comparativa: MP3e 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 2
- 3. Introdução - Motivação • Grande evolução na codificação de áudio • Mais “populares” – MP3 e AAC • “Qual codec apresenta maior qualidade?” 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 3
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 4
- 5. Introdução - MPEG • Evolução: 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 5
- 6. Introdução - MPEG • Aplicações: – Produção de áudio – Transmissão de som televiso – Armazenamento digital 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 6
- 7. Janela 10Hz Senoidal 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 7
- 8. Janela FFT 10HzSenoidal 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 8
- 9. Janela Senoidal 9.5Hz 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 9
- 10. Janela FFT Senoidal9.5Hz 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 10
- 11. Janela Senoidal 9.5HzFim-a-Fim 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 11
- 12. Janela Hanning window 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 12
- 13. Janela Senoidal multiplicadapela janela 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 13
- 14. Janela FFT Senoidal9.5Hz (após janela) 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 14
- 15. Janela FFT Senoidal10Hz (após janela) 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 15
- 16. Janela Senoidal 10Hz,evento curto de 100Hz 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 16
- 17. Janela 50% overlapping 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 17
- 18. Janela Spectro com0% e 50% overlapping 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 18
- 19. Janela Janela curta:boa resolução por tempo 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 19
- 20. Janela Janela longa:boa resolução por frequência 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 20
- 21. Janela 22/11/2014 UniversidadeFederal do Rio de Janeiro 21
- 22. Janela 22/11/2014 UniversidadeFederal do Rio de Janeiro 22
- 23. Codificador Perceptivo Bancode 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) 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 23
- 24. MP3 22/11/2014 UniversidadeFederal do Rio de Janeiro 24
- 25. MP3 • Bancode Filtro polifásico – Divide o sinal em 32 sub-bandas 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 25
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 26
- 27. MP3 • FFT1024 Points (Fast Fourier Transform) – Converte o sinal para o dimínio da frequência – Maior resolução da frequência – Cálculo do limiar de mascaramento 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 27
- 28. MP3 • ModeloPsico-Acústico – Leva em consideração a sensibilidade do ouvido humano – Frequências entre 20Hz a 20KHz – Limiar de audição 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 28
- 29. MP3 • ModeloPsico-Acústico – Mascaramento em frequência – Mascaramento temporal 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 29
- 30. MP3 • ModeloPsico-Acústico – Limiar de mascaramento 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 30
- 31. MP3 • Codificaçãode Huffman – Utiliza a probabilidade de ocorrência para construir uma árvore de codificação 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 31
- 32. MP3 • Quantizaçãoe codificação – Codifica com menor precisão valores grandes – Dois loops: • Rate Control Loop • Distortion Control Loop 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 32
- 33. MP3 • RateControl Loop – Número de bits resultante deve ser menor que número de bits disponível – Passo de quantização aumenta valores quantizados diminuem 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 33
- 34. MP3 • DistortionControl Loop – Controla ruído causado pelo processo de quantização – Ruído abaixo do limiar de mascaramento – Fatores de escala 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 34
- 35. MP3 • Formataçãode Bitstream – Armazena o som codificado em frames – Cada frame contem informação de 1152 amostras de áudio 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 35
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 36
- 37. AAC • GainControl – Opcional – Normalmente não usado – PQF (filtro polifásico de quadratura) • 4 bandas de frequência igualmente espaçadas • Taxas de amostragem ajustáveis 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 37
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 38
- 39. AAC • FilterBank – 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 39
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 40
- 41. AAC • TNS(Temporal Noise Shaping) – Opcional – Molda o ruído de quantização no domínio do tempo 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 41
- 42. AAC • TNS(Temporal Noise Shaping) Sinal Original Ruído quantizado com TNS Ruído quantizado sem TNS 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 42
- 43. AAC • TNS(Temporal Noise Shaping) Sinal Original Quantizado com TNS Quantizado sem TNS 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 43
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 44
- 45. AAC • Intensity/Coupling – Opcional – Combina dois canais stereo (left/right) em um só (mono) – Explora redudâncias na região de alta frequência 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 45
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 46
- 47. AAC • Prediction – Opcional – Usado para minimizar redundâncias – Eficiente em sinal estacionário/periódico – Aproveita semelhanças dos coeficientes quantizados de blocos adjacentes 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 47
- 48. AAC • Prediction 2 frames seguidos com um mesmo padrão 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 48
- 49. AAC • Prediction Comparação 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 49
- 50. AAC • Prediction Transformada 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 50
- 51. AAC • Prediction Coeficientes divididos em bandas Resíduo enviado (acima) 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 51
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 52
- 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 53
- 54. Conclusão • OAAC 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 54
- 55. Conclusão • Porque 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 22/11/2014 Universidade Federal do Rio de Janeiro 55
- 56. Dúvidas 22/11/2014 UniversidadeFederal do Rio de Janeiro 56
- 57. Dúvidas Obrigado! 22/11/2014Universidade Federal do Rio de Janeiro 57
Notas do Editor
- #29 Limiar de audição: Outro fator utilizado pela codificação MP3 é a curva de percepção da audição humana dentro da faixa de freqüências audíveis, ou Limiar de Audição. Apesar da faixa de audição humana variar entre 20Hz e 20KHz, a sensibilidade para sons dentro desta faixa não é uniforme.
- #36 O “formatador” de bits armazena o som codificado e alguns dados adicionais em frames, onde cada frame contém informação de 1152 amostras de áudio. Uma frame é composta por um cabeçalho e dados de áudio juntamente com CRC. O cabeçalho descreve entre outras coisas, qual camada (layer), taxa de bits e a frequência de amostragem estão a ser usadas pelo som codificado.