Blu-ray Портал SACD Портал DVD-Audio Портал DTS Портал DVD Портал DualDisc Портал
Многоканальная Музыка (Surround SACD & DVD-Audio)

Здравствуйте, гость ( Вход | Регистрация )

 
Reply to this topicStart new topicStart Poll

Древовидный · [ Стандартный ] · Линейный

> Сжатие информации без потерь применительно к DVD-Audio

mm
post 16/08/2005, 17:02
Сообщение #1


Хроник
******

Группа: Администратор
Сообщений: 5,433
Из: Питер

Аудио диски:  609  / 449
Музыкальные DVD:  118  / 110


Сжатие информации без потерь применительно к DVD-Audio



http://dvdmaster.biz/info/mlp/

J.R. STUART, P.G. CRAVEN, M.J. LAW
Meridian Audio Ltd, Huntingdon, England

Введение

Meridian Lossless Packing (MLP) (Уплотнение без потерь компании Meridian) – это система кодирования без потерь, предназначенная для высококачественного линейного ИКМ-ауди. В данной статье приведен краткий обзор применения MLP для DVD-Audio. Подробную информацию см. в работах [3] и [2].
Для DVD-Audio MLP осуществляет сжатие без потерь информации при числе каналов материала, достигающем 6, с разрядностью 24 бита и нормой отбора от 44.1 кГц до 192 кГц.
На рис.1 приведена принципиальная схема процесса сжатия без потерь потока, содержащего несколько аудио каналов и вспомогательные данные, на диск.

mlppic1


1. Сжатие информации без потерь

Кодирование без потерь информации не изменяет конечный сигнал, просто происходит "уплотнение" аудио данных в формат с меньшей нормой отбора и на меньшем пространстве.
Аудио материал, предназначенный для прослушивания человеком, обладает определенной избыточностью. В музыкальных сигналах информационное содержание изменяется со временем, а информационная емкость входного канала редко используется полностью. Выходной сигнал шифратора без потерь имеет переменную нормой отбора для обычного звукового содержания. На рис. 5 показано изменение 6-канальной оркестровой музыки с параметрами кодирования 96 кГц и 24 бита (исходная норма отбора 13,824 Мбит/с) для 30-секундного интервала Время воспроизведения определяется средней нормой отбора (т.е. размером сжатого файла). В предложении ARA [1] описана важность уменьшения мгновенной пиковой скорости передачи данных для высоких норм выборки, таких как 96 кГц или 192 кГц. MLP решает эту задачу, обеспечивая в каждый момент максимально возможное сжатие за счет использования следующих методов:
  • Определение "мертвых зон" – каналов, которые не используют всю доступную длину слова, и
  • Каналов, которые не используют доступную полосу.
  • Устранение корреляций между каналами.
  • Эффективное кодирование остаточной информации.
  • Сглаживание закодированной информации с помощью буферизации.
2. Как это происходит?

В MLP используется ряд новаторских методов, а именно:
  • Обработка данных без потерь информации.
  • Матрицирование без потерь информации.
  • Использование без потерь БИХ-фильтров.
  • Управляемая FIFO-буферизация при передаче.
  • Самопроверка декодера без потери информации.
  • Работа со смешанными нормами выборки.
3. MLP-Шифратор

Ядро MLP-шифратора показано на рис. 2.
mlppic2


Основные этапы кодирования блока данных заключаются в следующем:
  1. Для оптимизации использования субпотоков возможно перераспределение входных каналов.
  2. Производится смещение каждого канала для восстановления неиспользуемой пропускной способности (например, разрядность менее 24 битов или использование не всей шкалы).
  3. Метод матрицирования без потерь информации оптимизирует использование каналов за счет уменьшения корреляции между каналами.
  4. Корреляция сигнала в каждом канале устраняется за счет использования отдельного устройства упреждения для каждого канала.
  5. Дальнейшая оптимизация декоррелированного аудио сигнала производится за счет использования статистического кодирования.
  6. Каждый субпоток буферизируется с использованием FIFO-памяти (память обратного магазинного типа) для сглаживания скорости передачи закодированных данных.
  7. Используется чередование нескольких субпотоков данных.
  8. Поток разбивается на пакеты для получения фиксированной или переменной скорости передачи данных и для целевого носителя.
3.1 Матрицирование без потерь информации

В многоканальном аудио-микшировании обычно используется некоторая общая для всех каналов информация.
В MLP-шифраторе применяется специальная матрица без потерь, что позволяет ему уменьшить корреляции, благодаря чему происходит концентрация сигналов большей амплитуды в меньшем числе каналов. Иллюстрацией этого является тенденция матричной обработки циклически изменять вид стерео сигнала с левый/правый на разностный/суммарный.

3.2 Прогнозирование

Если существует возможность предсказать величины будущих выборок аудио сигнала, то необходимо только передать правила прогнозирования наряду со значением разности между расчетным и реальным сигналом.

mlppic3


На рис. 3 показан спектр музыкального отрывка в небольшом временном интервале. Декоррелятор пытается сделать этот спектр более плоским. В соответствии с теоремой Герцона-Кравена уровень оптимально декоррелированного сигнала задается средним значением спектра исходного сигнала при построении графика в осях дБ и линейной частоты (см. рис. 3). Это среднее значение в дБ имеет меньшую мощность по сравнению с исходным сигналом, причем это уменьшение мощности соответствует количеству информации сигнала в соответствии с определением Шеннона. В MLP-шифраторе для каждого канала используется отдельный предиктор. Для шифратора можно использовать БИХ- или КИХ-фильтры вплоть до восьмого порядка из широкой палитры. Эти дополнительные возможности гарантируют высококачественную предварительную обработку данных для максимального количества типов аудио сигнала.

3.3 Статистическое кодирование

В MLP возможен выбор между несколькими методами статистического кодирования, что позволяет оптимально уменьшить объем данных, поступающих в предиктор.

3.4 Буферизация

Большинство аудио сигналов можно предсказать, но иногда будут встречаться случайные фрагменты, такие как свистящий звук, синтезированные шумы или звуки ударных инструментов, обладающие высокой энтропией. В MLP используется специальная буферизация потока, которая может уменьшать изменения скорости передаваемых данных, сглаживая переходные процессы, очень плохо поддающиеся сжатию.
Использование буферов на основе FIFO-памяти в шифраторе и дешифраторе показано на рис. 4.

mlppic4


Эти буферы обеспечивают постоянную задержку между шифратором и дешифратором. Суммарная величина этой задержки невелика – обычно порядка 75 мс. Система управления FIFO-буфером минимизирует задержку в дешифраторе для обеспечения возможности быстрого нарастания или спада сигнала. Буфер дешифратора обычно пуст и заполняется только перед участками с высокой мгновенной скоростью передачи данных.

Дешифратор может использовать буферизацию для решения ряда задач, например:
- Поддержание скорости передачи данных ниже предварительно установленного (форматом) предела.
- Минимизация пикового значения скорости передачи данных в секции дешифратора. (Пример см. на рис. 5.)

mlppic5


На рис. 6 показано, каким образом можно сжать сигналы, с трудом поддающиеся сжатию, ниже предварительно установленного предела формата. Здесь показан 30-секундный интервал. Запись с 96 кГц, 24 бита хорошо воспроизводит тарелки в 6 каналах. В момент нарастания звука сигнал носит практически случайный характер, а базовая скорость передачи данных составляет 12,03 Мбит/с. Буферизация позволяет MLP-шифратору поддерживать скорость передачи данных ниже 9,2 Мбит/с за счет заполнения буфера дешифратора с кратковременным максимальным значением 86 Кбайт (нижняя кривая).

mlppic6


4. MLP-Дешифратор

Дешифратор обращает на противоположный каждый процесс шифратора.
Дешифратор – относительно несложное устройство. Дешифратор для 2-канального плеера (позволяющий выделять 2-канальный поток при 192 кГц), требует быстродействия приблизительно 27 млн. команд в секунду (MIPS), в то время как для декодирования 6 каналов при скорости 96 кГц необходимо быстродействие 40 MIPS.

5. Преобразование многоканального звука в двухканальный звук

Полезно обеспечить средства доступа к многоканальным аудио потокам высокого разрешения с использованием 2-канальных систем воспроизведения. В DVD-Audio производитель может размещать на диске отдельные многоканальные и двухканальные потоки. Однако для этого требуется отдельные процессы микширования, изготовления мастер-копия и разработки, а также пространство на диске.
В тех случаях, когда доступен только один многоканальный поток, требуется направленное обратное микширование. Однако для его создания сначала необходимо декодировать полный многоканальный сигнал.

5.1 Выполнение преобразования в шифраторе без потерь

MLP обеспечивает элегантное и уникальное решение этой проблемы. Шифратор комбинирует матрицироване без потерь с использованием двух субпотоков таким образом, чтобы оптимально закодировать и Lt/Rt смешивание, и многоканальную версию.

mlppic6


Этот метод показан на рис. 7.
Поскольку 2-канальное обратное микширование представляет собой линейную комбинацию многоканального микширования, то, строго говоря, никакой новой информации не добавляется. На рис. 8 показан пример добавления обратного микширования к 6-канальному сегменту.
Преимущества такого метода весьма значительны:
  • Гарантируется качество обратного микширования . Производитель может прослушать запись на стадии кодирования, а MLP поставляет конечному пользователю всю информацию с точностью до бита.
  • 2-канальный плеер может иметь очень простую конструкцию.
  • Плеер более сложной конструкции может получать доступ как к 2-канальной, так и многоканальной версиям без потери данных.
  • Коэффициенты обратного микширования не фиксированы, а могут изменяться с шагом 1 мс с профессиональным контролем каждого трека.
6. Как сильно сжимать?

Сбережение скорости передачи данных (в битах на исходную выборку) показана в табл. 1.
В DVD-Audio пиковое сбережение – это основная характеристика, поскольку кодированный поток должен всегда действовать ниже предельного значения скорости передачи аудио данных в буфере, равного 9,6 Мбит/с.

В DVD-Audio используется MLP-поток с переменной скоростью, так что среднее уменьшение характеризует сбережение пространства на диске и, следовательно, увеличение времени воспроизведения.

mlppic7


6.1 Регулировка сжатия

Производитель может решить сохранить используемое для записи пространство, либо уменьшить скорость передачи данных. Сжатие информации без потерь добавляет ряд возможностей.
При использовании MLP данные автоматически сохраняются при уменьшении точности ввода. Таким образом, например, при снижении разрядности в нескольких или всех каналах с 24 до 23 или 22 битов автоматически сбережет данные: каждый бит – это экономия 8%.
Еще одной возможностью увеличения времени воспроизведения является низкочастотная фильтрация некоторых из входных каналов. Низкочастотная фильтрация уменьшает энтропию сигнала, а MLP-шифратор обеспечивает пониженную скорость передачи данных. Этот метод предпочтительнее при использовании смешанных норм выборки, поскольку управление обладает большей гибкостью, а поток получается однородный. После того, как выполнена соответствующая настройка мастер-диска, MLP всегда возвращает потоки неповрежденными.







Дискретизация, кГц

Уменьшение скорости передачи данных:
биты/выборка/канал

Пиковая
Средняя
48
4
5-11
96
8
9-13
192
9
9-14


6.2 Время воспроизведения DVD-Audio

Объем данных на DVD-Audio составляет около 4.7 Гбайт, а максимальная скорость передачи данных составляет 9.6 Мбит/с.
6-канальное линейное ИКМ-аудио с частотой выборки 96 кГц и разрядностью 24 бита имеет скорость передачи данных 13,824 Мбит/с, что превышает данный предел в 9,6 Мбит/с и позволяет использовать всю емкость диска в течение 45 минут.
Таким образом, для уменьшения объема данных на диске с целью увеличения времени воспроизведения до принятого в этой индустрии значения 74 минуты и гарантированного минимального уменьшения мгновенной скорости передачи данных на 31% необходимо использовать сжатие информации без потерь. MLP удовлетворяет этому требованию при использовании сложного шифратора, простого дешифратора и ограничении функциональности до 2 субпотоков и 6 каналов. [2] Ниже приведены несколько характерных примеров времени воспроизведения:
  • Формат 5.1, 96 кГц, 24 бита: 100 минут.
  • 6 каналов, 96 кГц, 24 бита: 86 минут.
  • 2 канала, 96 кГц, 24 бита: 4 часа.
  • 2 канала, 192 кГц, 24 бита: 2 часа.
  • 2 канала, 44,1 кГц, 16 битов: 10 часов.
  • 1 канал, 44,1 кГц, 16 битов: 20 часов (звуковая книга).
7. Заключение

Первое и самое главное – MLP действительно является кодированием без потерь и гарантирует точное воспроизведение исходных данных. Дешифратор может подтвердить реальную сквозную работу без потерь.
Основные свойства:
останов в контрольной точке (типичное время восстановления 7 мс).
  • Хорошее сжатие пиковых и средних скоростей передачи данных.
  • Использование потоков данных как с фиксированной, так и с переменной скоростью передачи данных.
  • Автоматическое сохранение каналов низкочастотных эффектов.
  • Автоматическая экономия на сигналах, не использующих всю доступную полосу (например, при выборке с частотой 96 кГц).
  • Автоматическая экономия, когда имеется корреляция между каналами.
  • Иерархический доступ к многоканальной информации. Битовый поток обеспечивает надежную работу, быстрое восстановление ошибок и быстрый останов в контрольной точке (типичное время восстановления 7 мс).
MLP-дешифратор относительно прост, имеет иерархическую структуру и обеспечивает работу без потерь на различных аппаратных платформах.
В дополнение к аудио, поток MLP переносит дополнительную информацию, предназначенную для дешифратора, поставщика оперативной информации и конечного пользователя.
Хотя максимальное сжатие требует сложного шифратора, близкое к оптимальному кодирование большинства музыкальных сигналов можно получить со значительно более простыми шифраторами, предъявляющими умеренные требования к быстродействию аппаратной части и обеспечивающими работу в реальном времени с маленькой задержкой при использовании доступных дешевых цифровых сигнальных процессоров. Таким образом, вполне реально будущее использование сжатия без потерь в бытовых системах записи/воспроизведения и радиомикрофонах или других приложениях реального времени.

8. Список литературы

1. Acoustic Renaissance for Audio, ‘A Proposal for High-Quality Application of High-Density CD Carriers’, private publication (February 1995) Download: http://www.meridian-audio.com/ara.
2. Toshiba et al., ‘DVD Specifications for Read- Only Disc, Part 4: Audio Specification’ Version 1.0 (March 1999)
3. Gerzon, M.A., Craven, P.G., Stuart, J.R., Law, M. and Wilson, R.J., ‘The MLP Lossless Compression System’, to be presented at AES 17th International Conference on High Quality Audio Coding, Florence (September 1999).

9. Патенты

На некоторые аспекты MLP-кодирования, декодирования, формирования пакетов и битовых потоков поданы заявки на патент. Meridian, Meridian Lossless Packing и MLP – это товарные знаки компании Meridian Audio Ltd.

10. Благодарность

Авторы выражают благодарность компаниям Tony Faulkner (Green Room Productions) и Warner Music за предоставление записей, использованных в примерах сжатия.

Прикрепленные изображения
mlppic8
User is offlineProfile CardPM
Go to the top of the page
+Quote Post
Loverboy27
post 1/03/2009, 02:18
Сообщение #2





Группа: Участники
Сообщений: 2



огромное спасибо! информация полезная.
User is offlineProfile CardPM
Go to the top of the page
+Quote Post

Reply to this topicTopic OptionsStart new topic
2 чел. читают эту тему (гостей: 2, скрытых пользователей: 0)
Пользователей: 0
 

Сейчас: 20/08/2019 - 19:11