Tecnologie di compressione audio

S

OMMARIO

C 1 – C ............. 5

APITOLO ENNI DI PSICOACUSTICA E DI TEORIA DEL SUONO

1 - Fisica del suono ................................................................................................... 7

1.1 Dal concetto di onda al concetto di suono..............................................................................7

1.2 La forma delle onde: le armoniche e il principio di sovrapposizione ....................................8

1.3 L'uso della Trasformata di Fourier nello studio del suono.....................................................9

2 - Biologia del suono ............................................................................................. 11

2.1 Gli organi di senso dell'apparato uditivo..............................................................................11

Il timpano .......................................................................................................................11

I tre ossicini....................................................................................................................11

La coclea ........................................................................................................................11

2.2 I rischi del sistema uditivo ...................................................................................................12

C 2 – L .........................13

APITOLO A COMPRESSIONE DATI IN INFORMATICA

1 - Compressione dati ............................................................................................ 15

1.1 Cosa si intende per “compressione”? ...................................................................................15

1.2 Diversi tipi di compressione.................................................................................................16

Lossless: .........................................................................................................................16

Lossy: .............................................................................................................................16

1.3 Tecniche di compressione dati: la ridondanza .....................................................................17

1.4 Perché comprimere un file compresso non è conveniente ...................................................20

2 - Il settore audio della compressione................................................................. 21

2.1 Il punto di partenza...............................................................................................................21

2.2 Registrazione digitale di un suono: il campionamento ........................................................21

La frequenza di campionamento: .................................................................................22

La profondità .................................................................................................................22

2.3 I fenomeni sfruttati dalla compressione dell'audio...............................................................23

Frequenze. .....................................................................................................................24

Mascheramento. ............................................................................................................24

Differenze fra suoni.......................................................................................................24

2.4 Psicoacustica ........................................................................................................................24

2.5 Gli effetti di mascheramento ................................................................................................25

2.6 Diversi tipi di codifica..........................................................................................................26

Codifica nel dominio del tempo .....................................................................................26

Codifica per modelli.......................................................................................................27

Codifica nel dominio delle frequenze.............................................................................27

2.7 Molti compromessi: lo streaming.........................................................................................27

3

C 3: I ...................................29

APITOLO FORMATI DI COMPRESSIONE AUDIO

1 - Il formato Mpeg ................................................................................................ 31

1.1 Il successo del formato do compressione Mpeg .................................................................. 31

Mpeg-I............................................................................................................................ 31

Mpeg-II .......................................................................................................................... 31

Mpeg-IV ......................................................................................................................... 31

Layer I........................................................................................................................ 32

Layer II ...................................................................................................................... 32

Layer III ..................................................................................................................... 32

1.2 Il funzionamento generale del formato Mpeg ..................................................................... 32

1.3 Il formato Mp3: i miglioramenti.......................................................................................... 34

1.4 Le fasi della compressione Mpeg ........................................................................................ 34

Analisi ............................................................................................................................ 34

Utilizzo del modello psicoacustica ................................................................................ 34

Codifica.......................................................................................................................... 34

Stream ............................................................................................................................ 34

Decodifica.................................................................................................................. 35

Codifica inversa ......................................................................................................... 35

Sintesi ........................................................................................................................ 35

2 - Il formato Mp3.................................................................................................. 36

2.1 Dove, quando e perché ........................................................................................................ 36

2.2 Il funzionamento del formato Mp3...................................................................................... 36

Analisi ............................................................................................................................ 36

Modello percettivo ......................................................................................................... 37

Quantizzazione e codifica .............................................................................................. 37

Creazione dello stream .................................................................................................. 37

2.3 Il rumore .............................................................................................................................. 37

2.4 La riproduzione di un file Mp3............................................................................................ 38

3 – Cenni sui formati Mpeg II ed Mpeg IV ......................................................... 40

I ..............................................................................41

NDICI E BIBLIOGRAFIA

Indice delle tabelle.................................................................................................. 42

Indice delle figure................................................................................................... 42

Riferimenti bibliografici........................................................................................ 43

4 C 1

APITOLO

C ENNI DI PSICOACUSTICA E DI TEORIA DEL SUONO

5

6 1 - Fisica del suono

1.1 Dal concetto di onda al concetto di suono

Si definisce onda qualsiasi genere di perturbazione che si propaga in un mezzo materiale.

Un'onda non muove particelle materiali, ma trasferisce energia: ogni punto in cui viene propagata

l'onda è sede di energia cinetica, che viene quindi spostata dalla sorgente nel mezzo di

propagazione.

A seconda della direzione di propagazione, le onde vengono divise in due categorie:

onde longitudinali: le particelle del mezzo di propagazione oscillano nella stessa direzione di

propagazione dell'onda

onde trasversali: le onde oscillano trasversalmente alla direzione di propagazione.

È di particolare importanza il concetto di periodicità delle onde: si definiscono periodiche

quelle onde che si riproducono identiche a se stesse ad intervalli di tempo regolari, ovvero ogni

punto dell'onda assume, dopo intervalli regolari di tempo, le medesime caratteristiche.

L’ampiezza d'onda rappresenta il massimo valore della grandezza rappresentativa dell'onda

in un periodo. [Wiki]

Il suono è una particolare specie di onda di natura meccanica: si intende per suono, infatti, la

sensazione che viene generata da una serie di onde di pressione dell'aria che raggiungono il nostro

orecchio. Esso è un'onda di tipo longitudinale e non si propaga nel vuoto (in quanto si basa sulla

densità delle particelle del mezzo di propagazione).

Le caratteristiche fondamentali di un'onda sonora

sono le seguenti: [Ber05]

altezza: caratteristica associata alla

1.

frequenza, ovvero quante volte l'onda assume

le medesime caratteristiche in ogni suo punto

in un secondo. Viene espressa in Hertz (Hz);

intensità: grandezza associata all'energia

2.

che viene spostata dall'onda. Si distinguono

due tipi di intensità:

l'intensità fisica (che dipende solo

2.1.1.

dal valore della pressione massima

dell'onda sonora); viene misurata in Fig. 1: Rappresentazione delle curve isofoniche e dei

Pascal, unità di misura del Sistema valori di sensazione sonora. [Cra01]

Internazionale propria della

pressione.

l’intensità fisiologica (che dipende dalla percezione del nostro orecchio in base alla

2.1.2.

frequenza del suono: suoni di uguale intensità ma diversa frequenza generano

1

sensazioni di intensità diverse); viene misurata in Phon , che indica il valore della

sensazione sonora. La stessa sensazione sonora può venire prodotta da una serie di

suoni aventi intensità e frequenze diverse, che vanno a costituire le varie curve

isofoniche [Fig.1];

1 Phon: Unità di misura della percezione dell'intensità sonora alla frequenza di 1KHz. Utilizzato per identificare le

curve isofoniche. [Audiosonica.com] 7

timbro: ogni sorgente audio possiede caratteristiche peculiari che la differenziano da tutte le

3.

altre. Queste differenze risiedono nel timbro, ovvero nella particolare forma d'onda audio che

produce quella determinata sorgente. Due sorgenti che producono due suoni di uguale intensità

e frequenza possono essere riconosciute e distinte a seconda del loro timbro.

Spesso si usa anche indicare di un suono il suo livello di pressione sonora: espresso di

deciBel (dB), esso è un’unità di relazione logaritmica, poiché la sensazione sonora in un individuo

normoudente è legata ad una relazione di tipo logaritmico.

Il livello della pressione sonora (indicato con L ) viene ricavato a partire dall’intensità sonora

p

mediante la relazione: Fig. 2: Formula della percezione sonora [IAc.it]

dove p è l’intensità sonora (fisica), p è la pressione standard (p = 1 atm = 101.325 Pa).

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