Chapter 6Fundamentals of Multimedia

pBasics of Digital Audio

2008.09.24

Han JiaHan Jia

목차목차

6.1 사운드의 디지털화

6 2 미디:악기 디지털 인터페이스6.2 미디:악기 디지털 인터페이스

6.3 오디오양자화와 전송

6 1 Digitization of Sound6.1 Digitization of Sound

6.1.1 사운드란 무엇인가?

1 불빛과 같은 파동 현상1. 불빛과 같은 파동 현상

2. 거시적

3. 물리적인 장치의 동작에 의해 공기가 압축된다.축된다.

6 1 2디지털화6.1.2디지털화

디지털화란 일련의 수로 변환한다는 의미이다

6 1 2디지털화6.1.2디지털화

오디오 데이터를 어떻게 디지털화?

1 샘플링률?1. 샘플링률?

2. 세밀하게 데이터를 양자화? 균일하게 양자화?자화?

3. 오디오 데이터 형태?3. 오디오 데이터 형태?

6 1 3 Nyquist 이론6.1.3 Nyquist 이론신호는 충분히 많은 구형파를 사용가기만 한다면, 그 구형파들의 합으로 완벽하게 표현할 수 있다.

6 1 3 Nyquist 이론6.1.3 Nyquist 이론

N i t Th 만약 신호가 대역 제한되어 있다면 즉Nyquist Theorem:만약 신호가 대역 제한되어 있다면, 즉신호의 주파수 성분이 하한 f1 과 상한f2 로 한정된 구간에서 만 존재한다면, 샘플링률은 적어도 2(f2 − f1)이상에서 만 존재한다면, 샘플링률은 적어도 2(f2 f1)이상이어야 한다.

Nyquist frequency:나이퀴스트 주파수는 샘플링률의 절반이다반이다.

샘플링 주파수가 실제 주파수의 두 배보다는 작고 실제샘플링 주파수가 실제 주파수의 두 배보다는 작고 실제주파수 자체보다는 크다면,Alias 주파수는 샘플링 주파수에서 실제 주파수를 뺀 것과 같다.

falias = fsampling − ftrue; for ftrue < fsampling < 2 ftrue (6:1)

6 1 4 신호 대 잡음 비(SNR)6.1.4 신호 대 잡음 비(SNR)

정확한 신호와 잡음의 비율을 신호 대 잡음 비라고 부른다.비라 부 다

signal to noise ratio (SNR) : a measure of the quality of the signalof the quality of the signal.

SNR은 주로 데시벨(dB)로 측정된다.

6 1 4 신호 대 잡음 비(SNR)6.1.4 신호 대 잡음 비(SNR)

일반 사운드의 크기[단위: dB]

6 1 5 신호 대 양자화 잡음 비(SQNR)6.1.5 신호 대 양자화 잡음 비(SQNR)

양자화 잡음 특정 샘플링 시간에서 아날로양자화 잡음:특정 샘플링 시간에서 아날로그 신호의 값과 그값과 가장 가까운 양자화 구간값과의 차이

양자화의 질은 신호 대 양자화 잡음 비(SQNR)로 측정된다(SQNR)로 측정된다.

The quality of the quantization is h t i d b th Si l tcharacterized by the Signal to

Quantization Noise Ratio (SQNR).

6 1 5 신호 대 양자화 잡음 비(SQNR)6.1.5 신호 대 양자화 잡음 비(SQNR)

전형적인 디지털 오디오 샘플의 정밀도는 전화전형적인 디지털 오디오 샘플의 정밀도는 전화의 질과 동일한 샘플당 8비트이거나 CD의 질에해당하는 16비트이다 사실 12비트 정도가 사운해당하는 16비트이다. 사실 12비트 정도가 사운드 재생성에 있어서 더 좋다.

6 1 6 선형과 비선형 양자화6.1.6 선형과 비선형 양자화

Linear format (선형 형태):샘플들이 전형적으로 균일 양자화된 값들로 저장된다고적 양자화 저장 다하였다.

Non-uniform quantization(비균일 양자화):인간이 가장 잘 들을 수 있는 범위의 주파수수

6 1 6 선형과 비선형 양자화6.1.6 선형과 비선형 양자화

6 1 6 선형과 비선형 양자화6.1.6 선형과 비선형 양자화

그림6 6은 이러한 곡선을 그리고 있다 법칙 부호화기의 파라미터는 보통그림6.6은 이러한 곡선을 그리고 있다.μ-법칙 부호화기의 파라미터는 보통μ=100 또는 μ=255 이고, A-법칙 부호화기의 파라미터로 A=87.6 이다.

Sp는 최고 신호값이고 s는 현재 신호값이다.이것은 단순히 -1에서 1사이의범위에서 S/Sp를 다루려고 함을 의미한다.

6 1 7 오디오 필터링6.1.7 오디오 필터링

오디오 신호는 보통 샘플링과 AD 변환을 하기전에 원치 않는 주파수 성분을 제거하기 위해 필터링을 거친다.

음성 신호의 경우에는 보통 50Hz에서 10kHz의주차수가 보존된다.

다른 주파수들은 대역통과 필터 또는 대역제한다른 주파수들은 대역통과 필터 또는 대역제한필터에 의해 제거된다.

6 1 8 오디오 음질과 데이터율6.1.8 오디오 음질과 데이터율

양자화에 사용되는 비트가 증가하면 복원 데이터율도 증가한다. 스테레오 정모는 모노와 반대되는 것으로서 디지털 오디오 신호를 전송하는 데 두 배 이상의 대역폭이지털 오디오 신호를 전송하는 데 두 배 이상의 대역폭이필요하다.

6 1 9 합성사운드6.1.9 합성사운드

저장된 오디오를 다루기 위해서 접근 방법:

FM (Frequency Modulation)

6 1 9 합성사운드6.1.9 합성사운드

Wave Table synthesis

실제 악기로 부터 사운드를 저장하여 디지털 샘플을 생성한다

스프트웨어적으로 사운드를 결합,편집,음질을스프트웨어적으로 사운드를 결합,편집,음질을높이

데이터 저장 공간이 더 많이 필요한다데이터 저장 공간이 더 많이 필요한다

TM합성보다 비싼다

6.2 MIDI: Musical Instrument Digital Interface

6.2.1 미디 개관

스크립팅 언어이다스크립팅 언어이다

사운드의 생성을 대변하는 “사건”을 부호화한다화한다.

synthesizer sequencer MIDI keyboardsynthesizer sequencer MIDI keyboard

6 2 1 미디개관6.2.1 미디개관

미디 개념

채널채널

시스템 일반 메시지

시스템 메시지

6 2 1 미디개관6.2.1 미디개관

General MIDI

6 2 1 미디개관6.2.1 미디개관

포락선

6 2 2 미디의 하드웨어적인 측면6.2.2 미디의 하드웨어적인 측면

6 2 2 미디의 하드웨어적인 측면6.2.2 미디의 하드웨어적인 측면

6 2 3 미디 메시지의 구조6.2.3 미디 메시지의 구조

6 2 3 미디 메시지의 구조6.2.3 미디 메시지의 구조

6 2 3 미디 메시지의 구조6.2.3 미디 메시지의 구조

6 2 4 일반 미디6.2.4 일반 미디

일반 미디 수준2

확장된 일반 미디는 최근에 정의되었는데확장된 일반 미디는 최근에 정의되었는데표준 SMF 표준 미디 차일 형태를 정의한다 훌륭한 확장의 경우에는 좋은 순서 결다. 훌륭한 확장의 경우에는 좋은 순서 결정 장치상에 표시될 수 있는 가사 지원과같은 별도의 정보를 포함한다.

6 2 5미디에서 WAV로의 변환6.2.5미디에서 WAV로의 변환

프로그램은 기본적으로 방대한 참고표 파일로 구성되는데 미리 정의되거나 이동된구성되 데 미리 정의되거나 이동WAV 출력을 어떤 미디 메시지로 대체하는논리적인 작업을 수행한다논리적인 작업을 수행한다.

6.3 Quantization and Transmission of Audio

6.3.1 오디오 부호화

데이터의 부호화: 데이터의 양자화와 전송데이터의 부호화: 데이터의 양자화와 전송

펄스 부호 변조(PCM: Pulse Code M d l i )Modulation)

DPCMDPCM

ADPCM

6 3 2 펄스 부호 변조6.3.2 펄스 부호 변조

일반적인 PCM

압축 구조:

변환(Transformation).손실(Loss).부호화(Coding)

펄스 부호 변조는 이미 사용해온 샘플링과 양자화를 일컫는 정식명칭이다컫는 정식명칭이다.

성 압 에 의음성 압축에서의 PCM

대역통과 필터

저역통과 필터

6 3 2 펄스 부호 변조6.3.2 펄스 부호 변조

6 3 3 오디오의 차분 부호화6.3.3 오디오의 차분 부호화

히스토그램이 더 한쪽으로 집중된다

빈도가 높은 값들: 짧은 부호빈도가 높은 값들: 짧은 부호

빈도가 낮은 값들: 긴 부호

6 3 4 무손실 예측 부호화6.3.4 무손실 예측 부호화

6 3 4 무손실 예측 부호화6.3.4 무손실 예측 부호화

6 3 5 DPCM6.3.5 DPCM

6 3 6 DM6.3.6 DM

균일 – 델타 DM

적응적 DM적응적 DM

6 3 7 ADPCM6.3.7 ADPCM