La compressione audio: tecniche, formati e sicurezza, Appunti di Informatica

Scarica La compressione audio: tecniche, formati e sicurezza e più Appunti in PDF di Informatica solo su Docsity!

La compressione audio

Che cos’è la compressione software

compressioneaumentare l’efficienza di trasmissione a parità di costo). Ma la vera distinzione è da fare tra“Zippatori”) e tecniche di trasmissione compressa (ovvero le tecniche usate nei Modem perA seconda della utilizzazione si distinguono tra tecniche di memorizzazione compressa (i ben notiottimo affare.dei dati ingombranti si propone in tutta la sua drammaticità e la vendita di compressori diviene unÈ con l’avvento della memorizzazione elettronica dei dati che il problema del supporto piccolo edelle righe (pazientemente composte a mano).abbreviazioni bibliografiche tutte diverse tra loro usate con lo scopo di far tornare le lunghezzeVocabolario degli Accademici della Crusca che nella edizione del 1612 presenta un’intera serie diabbreviare le parole. Un esempio più recente, ma sempre stagionato, è rappresentato dalsi trovò a combattere con una lastra di pietra troppo piccola e un testo troppo lungo e fu costretto ad I primi esempi di compressione dei dati risalgono agli albori della scrittura, quando uno scalpellino

lossless

(priva di perdite) e compressione con perdita di informazione.

limiti al tasso di compressione. Questa codifica si presta bene ad essere usata per i dati di naturaNel secondo caso si accetta di perdere informazione avendo in cambio il vantaggio di non averegenere qualunque tipo di informazione originariamente digitale).trasmettere programmi, testi e ogni tipo di informazione che non può essere alterata senza danni (insorgente il limite alla sua compressibilità. Questa codifica è indispensabile per memorizzare oteorema di Shannon (o della codifica in assenza di rumore) che individua nell’entropia di unasi basa soprattutto sulla eliminazione delle ridondanze. I limiti di questa tecnica sono dettati dalIl primo tipo di compressione, che deve permettere la ricostituzione senza errori dei dati originali,

La giungla dei formati audio

Formati rapida panoramica.diversi così in ambito audio vi sono moltissimi formati e molti modi di trattarli. Vediamone una Come nell’ambiente grafico, dove le immagini sono trattate e memorizzate in centinaia di modi

non

compressi.

Segnale analogico

: viaggia, non digitalizzato e non compresso, su due cavi schermati, uno per

attraverso la presacanale (per esempio dal giradischi all’amplificatore). Può essere introdotto in un computer

LINE-IN

della scheda audio per essere ascoltato, digitalizzato e memorizzato.

Segnale audio digitale

SPDIF

): viaggia su un solo cavo schermato, o su una fibra ottica, (per

esempio dal lettore

CD

ad un convertitore

D/A

). Può essere introdotto in un computer attraverso la

presa

DIGITAL-IN

della scheda audio (di solito poco usata e spesso collocata all’interno del

case

) per essere ascoltato e memorizzato, senza bisogno di essere digitalizzato.

CD musicale.

I segnali sono digitalizzati e messi in una forma ridondante e “mescolata” che

Inserito in un lettoredovrebbe ridurre i problemi di lettura (per esempio per i dischi rigati o sporchi di marmellata).

CD

il segnale viene trasformato in uno dei formati di cui sopra. Invece in un

ripping lettore di computer il segnale per essere trattato deve essere tratatto da appositi programmi di

che lo trasformano in un formato memorizzabile su

hard-disk

. L’operazione di

ripping

è

AIFF. molto delicata e l’integrità dei dati non è garantita.

È un formato audio per computer introdotto dalla Apple. I dati sono scritti senza ridondanza

e (tipicamente) senza compressione ma con informazioni accessorie sufficienti per conoscere il

formati che la scheda audio può trasferire e scrivere sull’numero dei canali, la frequenza di campionamento, il numero di bit per campione, etc. E’ uno dei

hard-disk

WAV.

E’ simile all’

AIFF

ma più diffuso in ambiente Windows.

È possibile passare da

WAV

ad

AIFF

e viceversa senza perdita di informazione. È facile fare

programmi (Pascal, C, Java etc.) che leggono questi formati e li rielaborano. I formati

WAV

e

AIFF

possono essere trasferiti su

CD-ROM

così come sono, ed in questo caso potranno essere

riletti senza perdite da un lettore

CD

per computer ma non suonati su un lettore

CD

audio. In

alternativa, questi formati possono essere masterizzati in formato

CD

audio, generando un

prodotto che funziona (spesso ma non sempre) sui lettori audio, ma che per essere usato su un

PC

richiede un nuovo

ripping

. In questo secondo modo vengono prodotte le “famigerate” copie pirata

dei

CD

commerciali che hanno causato il boom della vendita dei

CD-ROM

scrivibili.

Formati

compressi

irrilevanti funzionamento si basa su considerazioni psicoacustiche: vengono rimosse le informazionimusicale a spese di un, più o meno avvertibile, degrado della qualità dello stesso. Il loro I formati compressi permettono un più agevole trasporto e immagazzinamento del materiale

lasciando quelle necessarie alla ricostruzione del messaggio musicale. Naturalmente il

Formati compressi sono stati usati nellacompressi è sicuramente una balla.inversamente proporzionale all’entità della compressione. La cosiddetta “Qualità CD” dei fileconcetto di “irrilevante” è opinabile e in pratica si ha una gamma di possibili risultati di qualità

DCC

(la cassetta digitale Philips e Technics), nel

MINIDISC

Sony.

Il formato più noto (soprattutto per i suoi legami con Internet) è il formato

MP

abbreviazione di

MPEG-1 layer 3.

Come procurarsi i file compressi

Esistono due tecniche principali per procurarsi un file audio

compresso : farselo o farselo dare.

Partendo da un

CD-audio

è possibile estrarre i dati convertendoli in formato

WAV

o

AIFF

e poi

direttamente a partire dalcomprimere questi file con un opportuno encoder. Esistono encoder più evoluti che codificano

CD.

Naturalmente è possibile comprimere anche file audio non

provenienti da

CD

(ad esempio le proprie esibizioni canore, opportunamente digitalizzate). In

questo caso si ha la completa libertà di scegliere l’uno o l’altro

encoder

e le varie opzioni di

In alternativa si possono prendere file compressi già pronti ricevendoli dagli amici (REATO!!)compressione.

o

Dal punto di vista tecnico i file trovati in rete sono dei tipi più vari: il formato più comune ècercandoli in rete (REATO!!).

MP

CBR 128 stereo

. Sull’Apple Music Store è possibile acqueiter legalmente brani

AAC

Una volta che i file compressi sono sul nostro

hard-disk

vi sono numerose utilizzazioni possibili:

possibileè possibile farsi una libreria di brani con tanto di motore di ricerca per crearsi al volo ogni

compilation

e ascoltarla poi sfruttando la scheda audio e le casse del PC (oppure un

impianto stereo tradizionale collegato alla scheda audio).

se si possiede un masterizzatore è possibile produrre

CD-ROM

con una decina di ore di musica

suonare questiciascuno, sia per archiviare la musica che per ascoltarla sui numerosi dispositivi capaci di

CD

. Attenzione: se usate un Macintosh il

CD

va masterizzato in formato

ISO

(quello dei

PC

) altrimenti il

CD

è leggibile solo sui Macintosh.

è possibile scaricare via

USB

o porta parallela una compilation su un lettore portatile, per poi

ascoltare musica in treno, in bici o mentre si fa

jogging

Le comuni tipologie di ascolto dei file compressi sono su

walkman

durante gli spostamenti, in

vantaggio di disporre in modo agevole di tutta la propria musica in un unico gigantescocertamente mascherate dalle inevitabili limitazioni degli economici apparati utilizzati, e ilauto, durante l’uso del computer come musica di sottofondo. Le limitazioni del formato sono

Juke-box

può cambiare radicalmente il modo di ascoltare.

Il

bit-rate

originale stereo in standard CD ha un È questa la scelta che influisce maggiormente sulla dimensione del file compresso. Un segnale

bit-rate

di 16

×

×

2 = 1411.2 kbit/s, mentre il programma

di compressione di solito offre una gamma da 32 kbit/s a 320 kbit/s. Se si sceglie l’opzione

CBR

C o n s t a n t - B i t - R a t e

il

codificatore

cerca

di

tenere

costante

il

bit-rate

selezionato

che dovrebbe non dispiacere ai puristi. Tipicamente l’opzioneaccurato la lunghezza del file risultante e garantisce una certa stabilità delle operazioni di taglioindipendentemente dal contenuto del segnale musicale. Questo consente di stimare in modo

CBR

usa

rate

compresi tra 128 e

L’opzione320 Kbit/s.

VBR

Variable-Bit-Rate

) permette al compressore di “risparmiare bit” quando il

difficiledovrebbe migliorare la qualità globale a parità di spazio, ma la lunghezza del file compresso è piùinformazioni nei passaggi più difficili. Questa capacità adattiva, a detta degli informatici,segnale musicale è “povero” in modo da utilizzare lo spazio guadagnato per perdere meno

da

prevedere.

Verosimilmente

poi

viene

introdotto

un

certo

“pompaggio”

delle

microinformazioni che può essere avvertito da un orecchio esperto. In genere oltre alla scelta

VBR

Modo codificatore nelle sue scelte. è possibile selezionare una soglia minima di compressione e un livello di qualità che aiutano il

Stereo

trattamento dei due canali:due canali. Sono spesso disponibili alcune opzioni che consentono di specificare le modalità di La scelta di privilegiare alcune parti del segnale a scapito delle altre può essere applicata anche ai

- Dual

Mono

(talvolta

semplicemente

Stereo

o

Normal

): i due canali sono codificati

indipendentemente e il risultato impacchettato;

- Joint

Stereo:

il codificatore è autorizzato a elaborare congiuntamente i due canali per

risparmiare spazio o migliorare la qualità.

Il codificatore del

Fraunhofer Institute for Integrated Circuits

(ente propretario dei diritti della

codifica

MP

) prevede altri due tipi di codifica:

- MS Stereo:

sono codificate la somma e la differenza dei due canali (può darsi che questa

opzione coincida con Joint Stereo almeno per alcuni codificatori).

- Intensity

Stereo:

le alte frequenze sono mixate in mono insieme e viene registrata una

non è compatibile con segnali di qualità.informazione sulla direzione di provenienza; questa codifica distrugge le informazioni di fase e

Si noti che nel caso limite di segnali identici sui due canali, un compressore “furbo” in

Joint

Stereo

può disporre di un

bit-rate

effettivo quasi doppio rispetto a un compressore in

Dual

Mono

. Per provare il comportamento di questa opzione sono stati creati due file di 10 secondi di

rumore rosa, il file

S

con i due canali completamente scorrelati

e il file

M

con i due canali

identici. I file sono stati compressi

utilizzando tre codificatori (descritti nel seguito). In tutti i casi

in cui si è usata la compressione

C B R

i due file sono risultati della stessa lunghezza. La

compressione

VBR

, invece, è capace di sfruttare le somiglianza tra i canali per ottimizzare lo

spazio. Nella tabella seguente sono riportate le lunghezze dei file compressi.

L'Analisi Multitono fatta in casa

La tecnica di analisi proposta consiste nel generare via software dei file

AIFF

o

W A V

I file usati (generati conpossono essere distribuiti, permettendo cosi la ripetibilità della prova.comprimerli, decomprimerli e analizzare il risultato finale. Una volta generati i file di prova

Mathematica

) sono i seguenti:

58

segnali a frequenze equispaziate di

Hz

. La scelta delle frequenze permette di

fare un’analisi spettrale su

campioni senza produrre artefatti.

60

segnali a frequenze equispaziate di

Hz

. La scelta delle frequenze permette di

fare un’analisi spettrale su

campioni senza produrre artefatti.

Un segnale consistente in

campioni nulli e un campione (in posizione centrale) di valore

comportamento del compressore, ma fornisce comunque interessanti informazioni.presenza di non linearità la risposta all’impulso non permette di caratterizzare completamente ilmassimo. Questa analisi permette di rilevare la risposta impulsiva del sistema. Anche se in

Alcuni secondi di rumore bianco.

Alcuni secondi di rumore rosa (rumore bianco filtrato a 6dB per ottava).

L’analisi

dei

risultati

viene

effettuata

attraverso

la

Trasformata

di

Fourier.

L’idea

della

presentazione consiste nel mettere in uno stesso grafico tutte e

le risposte in frequenza. La figura

è divisa in due parti. Le ordinate contengono valori in

dB

(da

a

0

quella inferiore e da

a

80

(in verde) con il bordo superiore a quella superiore). Nella parte bassa trovano posto tre grafici, sullo sfondo c'è la risposta impulsiva

-5dB

); sopra di essa c'è la risposta al rumore rosa (in colore

celeste) portata a circa

-20dB

; Infine, nello strato più esterno, ci sono i

multitono (in rosso)

portati a circa

-2dB

Nella parte alta sono collocati gli ultimi 2 grafici: sullo sfondo la risposta al

rumore bianco (in colore rosa!) portata a circa -5dB e nello strato più esterno, ci sono i

multitono (in blu) portati a circa

-2dB

Vediamo il grafico di uscita del segnale originale non compresso

Passando ad una compressione più spinta (

LAME 128

) si ottiene ancora un grafico molto pulito

legati alla compressione) è anche evidente il taglio ama si nota che i prodotti di intermodulazione compaiono in entrambe le finestre (stavolta sono

15KHz

operato dal compressore.

E’ interessante confrontare

LAME 128

con un compressore di nuova generazione:

AAC 128

nella versione di

iTunes

Il taglio ad alta frequenza è più dolce e anche la risposta sembra più regolare.

Ecco infine una compressione

VBR

(compressore

N2MP

per MAC).