Компресия на звук

Звукът най-често е в следствие на движение на тяло във някаква среда (въздух,...). Движението предизвиква промяна на налягането, което се разпространява както вълна във водата. Тъпънчето на ухото преобразува промяната на налягането в сигнал, който мозъка ни възприема като звук.

Компютрите използват микрофон вместо тъпанче за преобразуването на звуковото налягане в електрически сигнал. След това на определен интервал от време (примерно - 44000 пъти в sec) се вземат отчети (samples) за стойността на електричския сигнал. Всяко измерване се съхранява като число с фиксирана точност (примерно 8, 16 бита).

Компютрите излъчват звуков сигнал, като съхранети отчети са подават към устройство генериращо електрически сигнал, който се подава към тонколоните.

Самплиране на сигнал

• mp3 player
• GSM телефония

bit rate

Количество битове необходимо за запис на 1 секунда звук.

CD-to има фиксирана семплираща честота =>

44100samples/sec * 16bits/samples = 705600bits/sec

Сравнително големият размер на аудио файловете в CD формат, ни дава основание да търсим по ефективни методи за съхранение на звук.

Компресия със загуби

Принцип на работа

Заместване на (голям) набор от данни с друг (по-малък) набор от моделиращи коефициенти, които заместват данните чрез минимизиране на разликите между модела и данните.

...

...

Задача. 1. Да се намери y = f(x) по зададени точки

x = [1 2 4 5];
y = [1 2 2 3];

• Намиране на най-близката функция от първи ред - y = a + b*x

A = [ [1 1 1 1]' , x'];
z = A\y';
%коефиценти на функцията
a = z(1)
b = z(2) 

%генериране на стойности за x
x1 =linspace(0,6,20);
%стойност на функцията за тези стойности
y1 = a + b*x1;
%изчертаване на дадените точки и най-близката права
plot(x1,y1,'-b',x,y,'*r')
grid on

• Намиране на апроксимираща функция от трети ред у = а + b*x + c*x^2 +d*x^3

A = [ [1 1 1 1]' , x', x'.^2, x'.^3];
z = A\y';
%коефиценти на функцията
a = z(1)
b = z(2)
c = z(3)
d = z(4)
x1 =linspace(0,6,20);
%стойност на функцията за тези стойности
y1 = a + b*x1+c*x1.^2+d*x1.^3;
%изчертаване на дадените точки и най-близката права
plot(x1,y1,'-b',x,y,'*r')
grid on

Заместващи функции

Оригиналният сигнал се замества от линиейна комбинация на косиносови функции.

Задача 2. Да разгледаме функцията f(t) = cos(t) + 5 cos(2t) + cos(3t) + 2 cos(4t) в интервала 0 < t < 2pi. В този интервал може да заместим функцията с равномерно взети отчети s за стойността на функцията.

...

%Разделяме периода 2pi на броя отчети които се ползват
t = linspace (0,2*pi,50)'; % t = 0, pi/50, 2pi/50, 3pi/50 ... 50pi/50

%За всяка стойност на s = f(t)
s = cos(t) + 5*cos(2*t) + cos(3*t) + 2*cos(4*t); %(1)
  
%Обратно генериране на коефициентите
%Създаваме линейна система уравнения
A = [cos(0*t), cos(t), cos(2*t), cos(3*t), cos(4*t)];
z = A\s

%За решения се получават същите коефициенти като в %(1)
plot(t,s);

Заместваща функция: Коефициентите пред cos(0*t),cos(t) и cos(3*t) са малки, затова ги игнорираме.

A = [cos(2*t), cos(4*t)];
z = A\s
s = z(1)*cos(2*t)  + z(2)*cos(4*t);
hold;
plot(t,s,'r');

Обработка на звук в MATLAB

wav