Transcript 디지털통신과 인터넷 오디오정보의 디지털화: 음원부호화

Chapter 05 정보의 디지털화
차동완, 백천현, 정용주
5.1 디지털화의 장점
5.2 오디오 정보의 디지털화
5.3 이미지 정보의 디지털화
5.4 동영상 정보의 디지털화
5.5 정보압축기술
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디지털화의 장점
 동일한 매체를 통한 여러 형태의 정보 전송
• 시분할 다중(TDM)  FDM : 잡음발생
 경제적인 전송
• 압축기술의 발달
 저렴한 디지털화 비용
• 반도체기술 발달  IC, VLSI 가격의 하락
 고품질의 전송 가능
• 리피터의 사용  잡음 및 감쇠 누적 배제
 암호화를 통한 보안문제의 해결
• 에러제어코드 : error detection/correction
Cf) 아날로그에 비해 높은 대역 요구량
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5.1 디지털화의 장점
5.2 오디오 정보의 디지털화
5.3 이미지 정보의 디지털화
5.4 동영상 정보의 디지털화
5.5 정보압축기술
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오디오정보의 디지털화
 파형 부호화(waveform coding)
• 정보원에서 발생하는 오디오파형을 디지털정보로 변환
• PCM(Pulse Code Moduation), DPCM, ADPCM 등
 음원부호화
• 음성의 발생원리와 음성 특성을 부호화
• 선형예측부호화(LPC, Linear Prediction Coding)
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오디오정보의 디지털화: 파형부호화(1)
 파형부호화 과정
 나이퀴스트의 표본추출정리(sampling theorem)
• 표본추출(sampling), 표본(sampling)
• 표본추출회수 ≥ 2X 최대주파수 요소
 정확한 재생 가능
- Ts = 1/ fs : 표본추출주기
- BWc = fmax – fmin
- fs  2 BWc (음성인 경우 보통 fmin = 0)
예) fmax = 5kHz  초당 10,000 sampling
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오디오정보의 디지털화: 파형부호화(2)
fs =13, Ts=1/13초
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오디오정보의 디지털화: 펄스코드변조(1)
 대표적인 디지털화 방법
• Pulse Code Mudulation(PCM)
• 펄스변조의 일종으로 표본 크기에 따라 펄스의 모수 변화
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오디오정보의 디지털화: 펄스코드변조(2)
• 음성의 PCM 전송
- 비트묶음(n) = 8, BW = 4000Hz
 fs = 2 X 4000 = 8000
 64kbps(최소한 32kHz 대역폭 요구)
 음성 기저대 전송의 8배 대역폭
- Hi-Fi 고급 음성정보 계량화
16비트 사용(n = 16)
• 계량화 오류(quantization error)
- 2n 단계로 계량화한 값과 원신호의 차이
- 계량화 오류에 따른 신호대 잡음비(SNR)
SNR = (6n + 1.8)dB
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오디오정보의 디지털화: 개량형 코드화(1)
 개량형 코드화 목적
• 신호품질의 향상
• 비트수의 감소(압축)
 비선형 코드화(nonuniform coding)
• 신호의 크기에 따라 계량화 영역 조정
- 작은 신호 계량화의 상대적 오차 감소
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오디오정보의 디지털화: 개량형 코드화(2)
 컴팬딩(companding)
• Com pressing + ex panding
• 컴팬딩 함수
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오디오정보의 디지털화: 개량형 코드화(3)
 차등적 펄스코드변조(differential PCM, DPCM)
• 신호의 변동이 심하지 않은 음성신호
• 바로 이전 표본과의 차이를 코드화
- 4비트 사용 : 32kbps(PCM : 64kbps)  경사과부하(slope overload)
3비트 차등적 펄스코드변조
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오디오정보의 디지털화: 개량형 코드화(4)
 적응적 차등펄스코드변조(adaptive DPCM)
• 경사 과부하를 위한 예측 장치
- 변화가 심할 때, 표본간의 차이를 1보다 큰 값으로 나눈 몫을 전송
- 32kbps / 40 dB
 델타 변조(Delta modulation)
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오디오정보의 디지털화: 음원부호화(1)
 음원부호화의 원리
• 음성의 발생원리 및 음성신호에 포함된
특성정보 이용
 음성의 생성원리
• 유성음(voiced sound)
- 성대의 진동 수반: 예) ‘아’
- 규칙적인(유사) 주기 음이 성도로 전달
• 무성음(unvoiced sound)의 구분
- 성대의 진동 수반 하지 않음: 예) ‘흐’
- 주지적 특성이 없는 백색잡음이 성도로
전달
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오디오정보의 디지털화: 음원부호화(2)
 음성(유성음)의 특성
• 음도주기(pitch): 특정 모양이 반복되는 (유사)주기(T0)
• 음도주파수(pitch frequency): F0=1/T0
- 남자(100~150Hz), 여자(200~300Hz)
• 유성음 유사주기 음도(기본)주파수의 하모닉스(harmonics)
• 성대에서 생성된 음의 특성: 음의종류, 음도주기, 음의세기
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오디오정보의 디지털화: 음원부호화(3)
 음성(유성음)의 특성
• 음도주기(pitch): 특정 모양이 반복되는 (유사)주기(T0)
• 음도주파수(pitch frequency): F0=1/T0
- 남자(100~150Hz), 여자(200~300Hz)
• 유성음 유사주기 음도(기본)주파수의 하모닉스(harmonics)
• 성대에서 생성된 음의 특성: 음의종류, 음도주기, 음의세기
 성도를 거친 음의 특성
• 성도의 모양: 입술, 턱, 혀 등의 움직임 조합에 의해 결정
• 유성음의 경우
- 포먼트(formant): 성도를 통과하면서 공명피크가 발생하는 주파수 요소(대개,
3~5개)
- 포먼트는 유성음을 구분하는 특성요소
• 무성음의 경우: 백색잡음
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오디오정보의 디지털화: 음원부호화(4)
 음원부호화
• 세그먼트의 구성: 음성신호의 표본(20~30ms)
• 세그먼트 단위로 음의 특성정보 갱신
• 성도계수(vocal track parameter)
- 성도통과에 따른 음의 공명특성 반영
- 유성음의 성도계수(10개), 무성음의 성도계수(4개)
- 선형부호화(LPC, Linear Prediction Coding): 음성표본간의 선형관계를 이용해
성도계수 예측
• 음의 특성 정보: 음의종류, 음도주기(유성음), 성도계수, 음의세기 등
• 전송률: 낮음(2~5kbps)
• 음성품질: 낮음
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5.1 디지털화의 장점
5.2 오디오 정보의 디지털화
5.3 이미지 정보의 디지털화
5.4 동영상 정보의 디지털화
5.5 정보압축기술
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이미지정보의 디지털화(1)
 디지털 이미지의 형식: 비트맵(bitmap), 벡터(vector)
 비트맵
• 픽셀(pixel)에 명암, 색상 등의 정보대응
• 컬러색상: 3원색(RGB: Red, Green, Blue)의 배합
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이미지정보의 디지털화(2)
 벡터형식
• 선, 곡선, 다각형 등 이미지를 수학적 면세로 표현
- 정형화되고 단순한 이미지의 경우 유리
- 확대 및 축소에 따른 이미지 변형 없음
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이미지정보의 디지털화(3)
 포스트스크립트(Postscript) 이미지 형식
•
•
•
•
Adobe시스템사 (.pdf, .ps)
비트맵형식과 벡터형식 혼합
문자, 기하학적 도형(벡터형식), 표본이미지(비트맵)로 구성
예) 5X3 크기의 사각형
Bit map
3 inch x
600 dpi
5 inch x
600 dpi
5.4 Mbits
79개 문자 = 632 bits
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5.1 디지털화의 장점
5.2 오디오 정보의 디지털화
5.3 이미지 정보의 디지털화
5.4 동영상 정보의 디지털화
5.5 정보압축기술
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동화상정보의 디지털화
 동화상정보의 디지털화
• 연속적인 프레임(frame)을 1/30초마다 전송
• 명암을 8bit으로 표현  28=256 등급 표현
• 예) 흑백 TV
- 280 pixel/line, 360 line/frame,
30 frame/sec, 8 bit/pixel coding
 25Mbps
• 예) 컬러 TV  92Mbps
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5.1 디지털화의 장점
5.2 오디오 정보의 디지털화
5.3 이미지 정보의 디지털화
5.4 동영상 정보의 디지털화
5.5 정보압축기술
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정보압축기술(1)
 압축기술의 구분
• 무손실압축(lossless compression)
• 손실압축(lossy compression)
 무손실압축 방법
• 연속길이코드화(Run length coding)
- 팩스전송에 사용
- 화소의 명암을 이진비트로 표현
- 두 1 사이에 있는 0의 수를 전송
• 허프만코드화(Huffman coding)
- 단위문자의 출현빈도에 따라 코드 매핑
• LZW코드화(Lempel-Ziv-Welch coding)
- 연속된 문자열 별로 하나의 코드 할당
- GIF형식의 파일 압축, PKZIP
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정보압축기술(2)
 손실압축방법
• 음성, 화상 정보 압축에 활용: 예) DPCM, ADPCM, 등
 이미지/동영상 압축방법
• Coding/encoding, 동기화 방식 등의 국제표준 제시
• JPEG(Joint Photographic Experts Group)
- 이미지, 동화상 및 실시간 음성정보의 저장 및 재생방식
- 100:1의 압축률  평균 1 pixel/bit 이하
• MPEG(Moving Picture Experts Group)
- 비디오/오디오 압축, 해제 및 동기화
- MPEG-1 : 1.2Mbps로 VHS 전송
- MPEG-2 : 4Mbps, DVD 및 HDTV 전송
- MPEG-4 : 무선화상통신
- MPEG-7 : 멀티미디어 정보 검색
- MPEG-21 : 전자상거래환경 하에서의 멀티미디어 콘텐츠의 표준 정의
 MP3(MPEG-1 Audio Layer-3) : 음악 파일 압축 표준 기술
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정보압축기술(3)
 멀티미디어 파일포맷
• 컨테이너 포맷(container formant)
- 멀티미디어 파일을 위한 일반적인 파일포맷의 확장 개념
- 압축된 오디오/동영상 파일 형식의 구분 및 통합적 작동 지원
- 예) 동영상+오디오 정보의 동기화
• 종류
- AVI포맷
- ASF포맷
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