Lược đồ mã hóa MPEG hình ảnh động theo chuẩn lưu trữ số - 1

Chia sẻ: Le Nhu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lời nói đầu Công nghệ thông tin là ngành công nghiệp mũi nhọn của thế giới nói chung và của việt nam nói riêng, nó đã phát triển mạnh mẽ không ngừng trong những năm gần đây. Khi đời sống được nâng lên khoa học kỹ thuật phát triển nhu cầu về giải trí cũng đa dạng lên, các loại hình giải trí không ngừng gia tăng và ngày càng phong phú, đa dạng các loại hình giải trí như: trò chơi điện tử, nghe nhạc xem phim, xem ca nhạc(video), và đặc biệt là những trong chơi dạng không gian...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lược đồ mã hóa MPEG hình ảnh động theo chuẩn lưu trữ số - 1

Lời nói đầu Công nghệ thông tin là ngành công nghiệp mũi nhọn của thế giới nói chung và của việt nam nói riêng, nó đ ã phát triển mạnh mẽ không ngừng trong những năm gần đây. Khi đ ời sống được nâng lên khoa học kỹ thuật phát triển nhu cầu về giải trí cũng đa dạng lên, các loại hình giải trí không ngừng gia tăng và ngày càng phong phú, đa d ạng các loại hình giải trí như: trò chơi điện tử, nghe nhạc xem phim, xem ca nhạc(video), và đặc biệt là những trong chơi d ạng không gian ba chiều. Sự phát triển ồ ạt này đã dẫn tới ngành công nghệ phần cứng đã không th ể đáp ứng được nh ững đòi hỏi về lưu trữ, đồng h ành với sự phát triển này là m ạng máy tính đó chính là Internet ngày càng phát triển số lượng người tham gia truy cập ngày càng lớn và nhu cầu của họ thì ngày càng phong phú và đa dạng về tất cả các loại h ình nói trên. Do đó tốc độ truy cập, tốc độ truyền tải trên m ạng được quan tâm hơn để cho người dùng không ph ải sốt ruột ngồi chờ những trang web mà mình truy cập, họ không phải bực mình khi download những file âm thanh và những b ài hát mà họ ưa thích vì đ ường truyền quá chậm trong khi công nghệ phần cứng đã phát triển mạnh. Chính vì vậy các nhà nghiên cứu phần mềm đã chú ý đến việc phát triển ph ần mềm để hỗ trợ phần cứng. Họ đ ã tạo ra những chương trình ph ần mềm hỗ trợ tích cực phần cứng, từ đó đã ra đời những phần mềm nén âm thanh, hình ảnh, nén video, tách âm thanh từ những file video…để tạo ra những dạng âm thanh, h ình ảnh, video như mindi, mpeg, mp3, mp4… những file ảnh dạng gif, jpeg…với dung lượng lưu trữ vô cùng nhỏ mặc dù chất lượng có giảm đi đôi chút nhưng không đáng kể so với những gì nó đạt đư ợc để truyền tải, truy cập nhanh hơn.
Sự tồn tại của chuẩn JPEG (Joint Photographic Experts Group) chỉ để giảm tốc độ bit và chủ yếu phục vụ cho hình ảnh, rõ ràng là không đủ đáp ứng cho hình ảnh động có kèm âm thanh. Để đáp ứng nhu cầu của thị trường, một nhóm các chuyên gia về h ình ảnh động (Moving Picture Experts Group), gọi tắt là MPEG, được thành lập để nghiên cứu đưa ra những lược đồ mã hóa phù h ợp cho việc truyền hình ảnh động và ghi lại chúng theo tiêu chuẩn trong các thiết bị lưu trữ số như CD-ROM, Video CD.. Ph ần trình bày của luận văn chỉ nằm trong khuôn khổ "Aâm thanh". Do đó mọi vấn đề liên quan tới hình ảnh sẽ không đư ợc đề cập tới, dù chuẩn MPEG là dùng cho cả âm thanh và hình ảnh. Mục tiêu của đề tài chủ yếu chỉ để tìm hiểu về các phương pháp mã hoá và nén âm thanh theo chu ẩn Mpeg, từ đó dựa trên một số source code (viết bằng C) đã có trên mạng Internet viết lại bằng ngôn ngữ Visual C++, nhằm hiểu sâu hơn về giải thuật, đồng thời tạo ra một giao diện thân thiện hơn. Do trình độ và kiến thức có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong thầy tham gia và giúp đỡ em để em hoàn thành được tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn thầy đ ã tạo điều kiện thuân lợi nhất giúp em ho àn thành báo cáo này. PHẦN I LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHUƠNG 1. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ÂM THANH. I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - SÓNG CƠ 1.1. Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi. a. Định nghĩa: Các môi trường chất khí, chất lỏng, chất rắn là môi trường đ àn hồi.
Môi trường đ àn hồi có thể coi là nh ững môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau, lúc bình th ường mỗi phân tử có một vị trí cân bằng bền. b. Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi: Do tính chất của môi trường đ àn hồi, cho nên n ếu tác dụng lên phân tử n ào • đó của môi trường th ì phân tử n ày rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác, các phân tử lân cận một mặt kéo phân tử A về vị trí cân bằng, • mặt khác nhận một phần năng lượng do phân tử A truyền sang, do đó cũng dao động theo, hiện tượng này xảy ra liên tiếp tạo thành sóng. Sóng đàn hồi (sóng cơ) là sự lan truyền dao động trong môi trường đ àn hồi. Sóng cơ không thể truyền được trong chân không, vì chân không không phải là môi trường đàn hồi. Cần lưu ý trong khi truyền dao động, các phân tử của môi trường không di • chuyển theo các dao động được lan truyền mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của nó. c. Một số khái niệm về sóng: Nguồn sóng: là ngoại vật gây ra kích động sóng. • Tia sóng: là phương truyền sóng. • Môi trường sóng: là không gian mà sóng truyền qua. • Mặt sóng: là mặt chứa những điểm (phân tử) có cùng trạng thái dao động tại • một thời điểm nào đó. Tia sóng luôn vuông góc với mặt sóng. Sóng cầu: mặt sóng là những mặt cầu phân bố đều trong không gian, tâm là • nguồn sóng. Trong môi trường đồng chất và đ ẳng hư ớng sẽ có sóng cầu. Đối với sóng cầu tia sóng trùng với bán kính của mặt cầu.
Sóng phẳng: mặt sóng là những mặt phẳng song song nhau, tia sóng vuông • góc với mặt sóng. Nếu nguồn sóng ở rất xa môi trường đang xét thì m ặt sóng có thể coi là nh ững mặt phẳng song song. Sóng dọc: là sóng trong đó các phân tử của môi trường dao động quanh vị trí • cân bằng trên phương trùng với tia sóng. Khi có sóng dọc, trên phương của tia sóng các phân tử của môi trường khi thì bị nén chặt, khi thì giãn ra làm cho các phân tử của môi trường có chỗ dày chỗ thưa. Sóng ngang: là sóng trong đó các phân tử của môi trư ờng dao động quanh vị • trí cân bằng trên phương vuông góc với tia sóng. d. Nguyên nh ân gây ra sóng ngang và sóng dọc: Tùy tính chất của môi trư ờng đ àn hồi mà trong đó có thể xuất hiện sóng • ngang hay sóng dọc. - Khi một lớp của môi trường bị lệch đối với lớp khác làm xu ất hiện các lực đàn hồi có xu hướng kéo lớp bị lệch về vị trí cân bằng thì trong môi trường đó có thể truyền được sóng ngang. Vậy vật rắn là m ột môi trường có tính chất đó. - Nếu trong môi trường không có các lực đ àn hồi khi các lớp song song bị lệch đối với nhau th ì sóng ngang không thể hình thành đ ược. Chất lỏng và chất khí là những môi trường đó. - Khi b ị biến dạng nén hay căng mà trong môi trường có các lực đàn hồi xuất hiện th ì trong môi trường đó có thể truyền được sóng dọc. Chẳng hạn khi bị nén, chất lỏng hay chất khí sẽ tăng áp suất, lực nén giữ vai trò lực đ àn hồi. Như vậy trong chất lỏng và ch ất khí chỉ có sóng dọc truyền được, còn trong • chất rắn có thể truyền đư ợc cả hai loại sóng. 1.2. Các đ ặc trưng của sóng.
a. Vận tốc truyền sóng (C) : Là quãng đường mà sóng truyền đư ợc trong một đơn vị thời gian. b. Bước sóng: Là quãng đ ường mà sóng truyền đư ợc sau một thời gian bằng 1 chu kỳ T. Như vậy là khoảng cách bé nhất giữa các phân tử dao động cùng pha. Theo đ ịnh nghĩa ta có : c. Chu kỳ và tần số: Chu kỳ T là thời gian cần thiết để sóng truyền được 1 bước sóng . • Tần số f là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây : • F = 1/T (Hz) 1.3. Phương trình sóng. • Sóng phẳng truyền dọc theo ph ương OY với vận tốc C th ì phương trình sóng biểu thị mối quan hệ giữa độ chuyển dời X của phân tử dao động kể từ vị trí cân bằng với thời gian t và khoảng cách y đến các vị trí cân bằng các phân tử dao động trên phương truyền sóng như sau : X = asin(t – y/c) Nếu sóng phẳng truyền theo hướng ngược với hướng tính khoảng cách y thì : • X = asin(t + y/c) Đối với sóng cầu thì biên độ a của dao động sóng tại vị trí cách nguồn bằng • bán kính r, tỉ lệ nghịch với r, ph ương trình sóng có d ạng: X = a/r sin(t – r/c) II. SÓNG ÂM. 2.1. Dao động âm và sự truyền dao động.
• Sóng âm là một loại sóng cơ có biên độ dao động nhỏ m à thính giác nh ận biết được. Thí dụ dao động phát ra từ dây đàn, m ặt trống.. đang rung động. Sóng âm là một loại sóng cơ nên mọi khái niệm và hiện tượng về dao động và sóng cơ trên đây đều áp dụng cho sóng âm. Trong không khí cũng như trong mọi chất khí khác, những dao động truyền • đi dưới dạng sóng dọc, khi đến tai người những dao động có tần số từ 16 đến 20000 Hz sẽ gây cảm giác đặc biệt về âm. Các dao động đ àn hồi có tần số f>20.000 Hz là sóng siêu âm. • Các dao động đ àn hồi có tần số f
- Đại lượng âm chủ quan: những đại lượng tâm lý vật lý phụ thuộc vào tai người. 2.2.1. Đơn vị âm khách quan: a. Aùp su ất âm: Khi sóng âm tới một mặt nào đó, do các phân tử môi trường dao động tác dụng lên mặt đó một lực gây ra áp su ất. Aùp suất ở đây là áp su ất d ư do sóng âm gây ra ngoài áp suất khí quyển. Trong phạm vi nghe được, áp suất âm trong khoảng từ 2.10-4 đến 2.102 bar, ch ênh lệch 106 lần, đó là một phạm vi rất rộng. b. Cường độ âm (I): - Cường độ âm ở một điểm nào đó trên phương đ ã cho trong trường âm là số năng lượng âm đi qua đơn vị diện tích của mặt S vuông góc với phương truyền âm, tại điểm đó trong đơn vị thời gian. - Một vài cường độ âm đáng chú ý: Người nói thư ờng I = 2.10 -3 W/m2 Còi ô-tô I = 5 W/m2 Còi báo động I = 3.000 W/m2 - Trong điều kiện chuẩn (to = 20oC, áp suất 760mmHg): Vận tốc âm trong không khí : C = 340 m/s = 0 ,00121 gr/cm3. = Cp/Cv = 1,4 - Trong tính toán người ta quy ước lấy âm đơn tần số f = 1000 Hz làm chuẩn để so sánh (gọi là âm chuẩn). - Đối với âm chuẩn, trong phạm vi nghe đư ợc
Áp suất âm nhỏ nhất Pmin = 2.10-4 bar Cường độ âm nhỏ nhất Imin = 10-16 W/cm2. - Aùp su ất âm và cư ờng độ âm lớn nhất mà tai người có thể chịu được là: Pmax = 2.102 bar Imax = 10 -4 W/cm2. - Công suất âm nhỏ nhất có thể nghe thấy đư ợc Wmin = 10 -12 Watt. 2.2.2. Đơn vị âm chủ quan: Tai ngư ời trung bình có thể nhận được những sóng âm có tần số từ 16 đến • 20000 Hz, hiệu qủa này có liên quan tới khả năng sinh lý của tai ngư ời. Như vậy, âm thanh là một hiện tượng tâm lý vật lý, không phải bất cứ sóng • âm nào tới tai cũng gây ra cảm giác âm thanh như nhau. Aâm có tần số khác nhau gây ra cảm giác khác nhau. Cường độ âm nhỏ nhất của một sóng âm xác định mà tai người nghe thấy • được gọi là “Ngưỡng nghe”. Aâm có tần số khác nhau giá trị ngưỡng nghe cũng khác nhau. Tai người thính nhất với âm có tần số trong khoảng từ 1000 đến 3000 Hz, trong phạm vi n ày cường độ âm ngưỡng nghe nhỏ nhất. Những tần số khác, tai kém thính hơn, ngưỡng nghe có giá trị lớn hơn. Đối với âm chuẩn, cường độ và áp suất ở ngưỡng nghe bằng: • Po = 2.10 -5 N/ m2. Io = 10 -12 W/m2. Do cảm giác âm thanh phụ thuộc vào đặc tính sinh lý của tai người, cho n ên • ph ải có một số đại lượng đặc trưng cho cảm giác âm thanh phụ thuộc vào tai người, nh ững đại lượng như vậy gọi là đ ại lượng âm chủ quan. a. Bel và decibel (db):
Theo đ ịnh lý sinh lý của Vebe-Fécne, cảm giác nghe to đối với một âm không tỉ lệ thuận với cư ờng độ âm của âm đó. Khi cư ờng độ âm tăng từ Io tới I thì cảm giác nghe to tăng tỉ lệ với lg(I/Io). Do đó người ta dùng thang lô-ga-rít cơ số 10 để đo mức cảm giác so với mức ngưỡng. Mức ngưỡng gọi là m ức zero qui ước : lg(I/Io) = lg(10-12/ 10-12) = 0 bel. Đơn vị là Bel hay db. 10db = 1 bel. b. Mức cường độ âm (LI): Nếu gọi I là cường độ âm của âm đang xét và Io là cường độ âm của mức zero qui ước của âm chuẩn thì m ức cường độ âm LI bằng : LI = 10lg(I/Io) db I tính b ằng W/m2. c. Mức áp suất âm (Lp): Mức áp suất âm suy dẫn từ mức cường độ âm Lp = 20lg(P/Po) db. Trong đó: P :áp suất âm có ích của âm đang xét (N/m2) Po:áp suất âm của âm chuẩn ở ngưỡng nghe. Thực tế áp suất âm là đại lượng cơ bản hơn cường độ âm, n ên thường dùng mức áp suất âm sau đó suy ra mức cường độ âm. Đơn vị chung là bel hay db. Đơn vị này cũng dùng để đo mức công suất, mức năng lượng âm. Vài mức áp suất âm đáng chú ý : Nói chuyện thường : 30db. Nói chuyện to : 70db. 2.2.3. Quãng độ cao (qu ãng tần số):
• Quãng tần số của hai âm là kho ảng cách tần số của hai âm đó. Nếu một âm tần số là f1, một âm khác tần số là f2 (f2 > f1) thì f2 / f1 = 2x. Khi x=1 tức f2 / f1 = 2 gọi là 1 quãng tần số (hay 1 ốc-ta). Khi x=1/2 tức f2 / f1 = 1.41 gọi là nửa ốc-ta. Khi x=1/3 tức f2 / f1 = 1.26 gọi là 1/3 ốc-ta. - Mức áp suất âm của 1 ốc-ta b ằng mức áp suất âm của 1/2 ốc-ta cộng th êm 3db. - Mức áp suất âm của 1 ốc-ta b ằng mức áp suất âm của 1/3 ốc-ta cộng th êm 5db. Vì quãng tần số của một âm qui định độ cao của âm đó nên còn gọi là quãng • độ cao. Theo tập quán âm nhạc thì quãng độ cao gọi là quãng 8 (bát độ). Chẳng hạn âm LA, tần số f=440 Hz tăng 1 bát độ là tăng gấp đôi tần số, tức • là 880 Hz. Trong th ực tế thường gặp những âm phức tạp bao gồm nhiều tần số. Tập hợp • tất cả những tần số cấu tạo trong một âm thanh gọi là “tần phổ” của âm đó, tần phổ có thể gián đoạn hay liên tục. Một âm có tần phổ liên tục được đặc trưng bằng “Mức tần phổ B” với định nghĩa: - Mức tần phổ là mức áp suất âm trong chiều rộng của dải tần số bằng 1. - Một âm có mức tần phổ B không đổi với mọi tần số gọi là tiếng ồn trắng. - Một âm có tần phổ gián đoạn được đặc trưng b ằng “mức dải tần số” với định nghĩa: mức dải tần số là mức áp suất âm trong chiều rộng của dải tần số lớn hơn 1 Hz. 2.3. Đặc tính sinh lý về sự cảm thụ âm thanh. 2.3.1. Mức to, độ to, mức âm cảm giác:
Mức áp suất âm, mức cường độ âm trên đây vừa mang tính chất chủ quan • vừa mang tính chất khách quan vì những đại lư ợng n ày xác đ ịnh từ những đại lượng thuần túy vật lý. Vấn đề có ý nghĩa to lớn trong thực tế là cần biết được sức mạnh của âm thanh đo bằng tai người. Mức to, độ to của một âm là sức mạnh cảm giác do âm thanh gây nên trong • tai người, nó không những phụ thuộc vào áp suất âm mà còn phụ thuộc vào tần số của âm đó. Thí dụ 2 âm có tần số 100 Hz và 1000 Hz áp suất âm đều bằng 0,02 bar nhưng nghe to nhỏ khác nhau, âm 1000 Hz nghe to hơn âm 100 Hz. Muốn nghe to bằng âm 1000 Hz thì âm 100 Hz phải có áp suất bằng 0,25 bar. Như vậy tai người không nh ạy đối với âm 100 Hz bằng âm 1000 Hz. Tần số càng thấp tai người càng kém nhạy. a. Mức to: - Để biểu thị mức to trên cảm giác chủ quan, ta dùng đại lượng “mức to”, đơn vị là “Fôn” với định nghĩa như sau : Fôn là mức to của âm chuẩn, về giá trị bằng mức áp suất âm của âm chuẩn tức là : L = 20lg P/Po (Fôn). - Vậy mức to của một âm bất kỳ đo bằng Fôn, về giá trị bằng mức áp suất âm của âm chuẩn đo bằng db có cùng mức to với âm đó. Thí dụ: âm có tần số 500 Hz m ức áp suất âm bằng 25 db và âm có tần số 50 Hz mức áp suất âm bằng 64 db sẽ có cùng mức to bằng 20 Fôn, bằng mức to của âm 1000 Hz mức áp suất bằng 20 db. - Muốn biết mức to của một âm bất kỳ phải so sánh với âm chuẩn.
- Đối với âm chuẩn, mức to ở ngưỡng nghe là 0 Fôn, ngưỡng chói tai là 120 Fôn. - Cùng một giá trị áp suất, âm tần số càng cao, mức to càng lớn. b. Độ to: - Khi so sánh âm này to hơn âm kia bao nhiêu lần, dùng khái niệm “độ to” đơn vị là “Sôn” với định nghĩa như sau: Số lượng Sôn biểu thị số lần mạnh hơn của một âm nào đó so với âm chuẩn mà tai người có thể phân biệt được. - Độ to là một thuộc tính của thính giác, cho phép phán đoán tính chất mạnh yếu của âm thanh. Căn cứ vào độ to mà sắp xếp âm từ nhỏ tới to. - Mức to tăng 10 Fôn thì độ to tăng gấp đôi và ngược lại. 2.3.2. Aâm điệu và âm sắc: Âm điệu chỉ âm cao hay thấp, trầm hay bổng. Âm điệu chủ yếu phụ thuộc • vào tần số của âm, tần số càng cao, âm nghe càng cao, tần số càng thấp âm nghe càng trầm. Âm sắc chỉ sắc thái của âm du dương hay thô kệch, thanh hay rè, trong hay • đục. Âm sắc phụ thuộc vào cấu tạo của sóng âm điều hòa, biểu thị bằng số lượng các loại tần số, cường độ và sự phân bố của chúng quanh âm cơ bản. Âm sắc có quan hệ mật thiết với cường độ, âm điệu và thời gian âm vang, sự trư ởng thành và tắt dần của trường âm. Khi hai ca sĩ cùng hát một câu ở cùng một độ cao, ta vẫn phân biệt được • giọng hát của từng người. Khi đàn ghi-ta, sáo, kèn.. cùng tấu lên một đoạn nhạc ở cùng một độ cao, ta vẫn phân biệt được tiếng của từng nhạc cụ. Mỗi người, mỗi
nh ạc cụ phát ra những âm có sắc thái khác nhau mà tai ta phân biệt được. Đặc tính đó của âm chính là âm sắc. Âm sắc là một đặc tính sinh lý của âm, được hình thành trên cơ sở các đặc • tính vật lý của âm là tần số và biên độ. Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f1 thì đồng thời cũng phát ra các âm có tần số f2=2f1, f3=3f1... Âm có tần số f1 gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất, các âm có tần số f2 , • f3 .. gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba... Âm cơ bản bao giờ cũng mạnh nhất, các họa âm có tác dụng quyết định âm sắc của âm cơ bản, giúp ta phân biệt các nguồn âm khác nhau. Ch ẳng hạn tiếng đàn Pi-a-nô và tiếng sáo tuy cùng một âm cơ b ản nhưng lại rất dễ phân biệt, nguyên nhân là do số lượng, cấu trúc những họa âm quanh âm cơ b ản của chúng khác nhau. Họa âm càng nhiều âm nghe càng du dương phong phú. 3. Thính giác định vị (hiệu ứng Stereo): Khi nghe âm tuy m ắt không nhìn th ấy nguồn âm nhưng có thể xác định • chính xác vị trí của nguồn âm. Đặc điểm n ày là kết qủa của hai tác dụng: - Do cường độ, độ to, âm sắc của âm đến hai tai không giống nhau. - Do âm đến hai tai lệch pha nhau, vì thời gian đến hai tai không giống nhau. Cường độ, độ to của âm đến hai tai chênh lệch nhau là do nhiễu xạ gây ra. • Âm có tần số f < 1000 Hz sự ch ênh lệch cường độ do nhiễu xạ gây ra rất bé nhưng ở những tần số cao, sự chênh lệch này có thể đạt tới 20 - 30 db. Do kh ả năng định vị của tai như vậy cho nên khi nghe âm có thể tập trung • chú ý vào nguồn âm cần nghe, bỏ qua một cách tự nhiên những âm không cần nghe.
Nhờ hiệu qủa này mà tiếng ồn bị phủ lấp hoặc giảm nhỏ một cách tự nhiên. Nếu chỉ nghe âm một tai th ì hiệu qủa này mất. 4. Nghe âm và chênh lệch thời gian: Tương tự như tác dụng lưu ảnh của mắt, tai người cũng có tác dụng lưu âm. • Thí nghiệm với nhiều thính giác bình thư ờng cho thấy rằng, nếu hai âm như • nhau đến tai người cách nhau < 50 ms thì tai người không phân biệt được, nghe như một âm duy nhất. CHƯƠNG 2. TẬP TIN DẠNG SÓNG (WAVE FILE). I. MULTIMEDIA WINDOWS Từ phiên bản Windows 3.1, Multimedia đ ã trở thành một tính năng của • Windows. Multimedia Windows đã b ổ sung một tính năng mới: đó là sự độc lập thiết bị trong việc xử lý âm thanh. Sự độc lập thiết bị n ày thể hiện qua bộ API (Applycation Program Interface – Bộ giao diện lập trình ứng dụng). Bộ API độc lập về thiết bị đối với ph ần cứng và đó là một chức năng quan trọng của Windows. Người lập trình sẽ lập trình điều khiển phần cứng trên Windows dựa trên chức năng của phần cứng hơn là các chi tiết cụ thể của nó. Các nhà cung cấp phần cứng chỉ cần cung cấp một bộ điều khiển thiết bị (device driver) cho Windows, nhờ đó một ứng dụng trên Windows có thể điều khiển phần cứng thông qua Windows API. • Với Multimedia Windows, h ãng Microsoft đã thực hiện được ba điều : • Định nghĩa một tiêu chuẩn phần cứng tối thiểu cho loại máy Multimed ia PC (viết tắt là MPC). Tiêu chuẩn n ày dựa trên ch ức năng tổng quát hơn là sản phẩm cụ thể. Ví dụ nếu PC có thêm ổ đĩa CD-ROM và m ột card âm thanh thì trở thành MPC cấp 1.
• Microsoft đ ã cung cấp phần mềm Multimedia Extension cho Windows 3.0 và đã được ghép luôn vào hệ điều h ành Windows từ phiên bản 3.1. Phần mềm này bao gồm các bộ điều khiển thiết bị d ành cho việc truy xuất đến các phần cứng gắn thêm vào MPC. • Microsoft đưa ra công cụ phát triển Multimedia Development Kit (MDK). Lập trình viên kết hợp công cụ trên với bộ Windows Software Development Kit (SDK) để viết các ứng dụng về Multimedia. Có hai dạng xử lý âm thanh số hóa trên Windows. Loại thứ nhất microsoft • gọi là “Wave Form Audio” (Aâm thanh dạng sóng), dựa trên nguyên tắc số hóa sóng âm, MPC lưu chúng trên bộ nhớ hay tập tin .WAV trên đ ĩa. Các dữ liệu số n ày có th ể thông qua phần cứng biến đổi lại thành âm thanh. Dạng thứ hai là MIDI. Khác với âm thanh dạng sóng, MIDI chỉ lưu lại • nh ững thông điệp điều khiển bộ tổng hợp phát ra âm thanh. Do đó kích thước của tập tin .MID nhỏ hơn nhiều so với tập tin.WAV. II. CẤU TRÚC WAVE FILE. 1. RIFF file. Wave File là tập tin chứa các dữ liệu của mẫu âm thanh đ ã được số hóa. Phương pháp số hóa âm thanh hiện nay là phương pháp PCM. Phương pháp này sẽ lấy mẫu âm thanh với tần số khoảng 11.025 kHz cho đến 44.1 kHz. Mỗi lần lấy mẫu, số liệu này lại được lượng tử hóa bằng một hay hai byte cho một mẫu âm thanh. Như vậy tần số lấy mẫu càng cao, số byte dùng lượng tử hóa càng nhiều thì âm thanh phát lại càng trung thực, nhưng lại tăng số byte cần lưu trữ. Với một mẫu âm thanh phát ra trong một phút cần phải lưu trữ ít nhất 660 kB. Đó là lý do tại sao các File Wave luôn có kích thước khá lớn so với MIDI File.
Cấu trúc của Wave File thuộc vào lớp file được sử dụng bởi các hàm Multimedia của Windows: đó là RIFF FILE. RIFF là chũ viết tắt của Resource Interchange File Format (d ạng file trao đổi tài nguyên). Một RIFF file gồm một ho ặc nhiều loại chunks, trong mỗi chunk lại chứa con trỏ chỉ đến chunk kế tiếp. Mỗi chunk bao gồm loại chunk và dữ liệu theo sau loại chunk đó. Một ứng dụng muốn đọc RIFF file có thể đi qua lần lượt từng chunk, đọc dữ liệu ở chunk nó quan tâm và có thể bỏ qua các chunk m à nó không quan tâm, một chunk của RIFF file luôn b ắt đầu bởi một header có cấu trúc như sau: Typedef struct {FOURCC ckid; DWORD ckSize;} CK; Trường FOURCC có 4 bytes chỉ ra loại chunk. Đối với File Wave, trường này có giá trị là “WAVE”. Nếu loại chunk ít hơn 4 ký tự thì các ký tự còn lại b ên ph ải sẽ được đệm th êm vào các khoảng trắng. Cần chú ý là các ký tự trong FOURCC có phân biệt chữ hoa và chữ thư ờng. Trường DWORD chứa kích thước vùng dữ liệu của chunk, vùng dữ liệu n ày nằm ngay sau header và có kích thước là ckSize bytes. Chunk có thể chứa các subchunks. Subchunk cũng là một chunk. Một RIFF file luôn bắt đầu bằng một chunk loại “RIFF”. 2. Cấu trúc Wave file. Wave file bắt đầu là chunk lo ại “RIFF”. Hai subchunk trong wave chunk đặc tả thông tin về âm thanh của wave file và tiếp đó là dữ liệu của từng subchunk. Đó là subchunk “fmt” và subchunk “data”. a. subchunk “fmt”:
Dữ liệu của “fmt” chunk là đối tượng WAVEFORMAT có cấu trúc như sau: Typedef struct waveformat_tag { WORD wFormatTag; WORD nChannels; DWORD nSamplesPerSec; DWORD nAvgB ytesPerSec; WORD nBlockAlign; } WAVEFORMAT; - wFormatTag thường có giá trị là WAVE_FORMAT_PCM được định nghĩa trong tập tin MMSYSTEM.H như sau : #define WAVE_FORMAT_PCM 1 Giá trị này báo cho phần mềm đang đọc Wave File biết kiểu m ã hóa dữ liệu âm thanh sang dữ liệu số là kiểu mã hóa PCM. Hiện nay đây là kiểu m ã hóa duy nh ất của Wave file. - nChannels: có hai giá trị bằng 1 cho âm thanh mono và bằng 2 cho âm thanh stereo. - nSamplesPerSec: cho biết tốc độ lấy mẫu, có các giá trị: 11025 -- 11.025 kHz 22050 -- 22.050 kHz 44100 -- 44.100 kHz - nAvgBytesPerSec: cho biết số bytes yêu cầu trung bình trong một giây để phát lại mẫu dữ liệu của sóng âm. - nBlockAlign: cho biết số byte dùng đ ể chứa một mẫu âm thanh. Như vậy mẫu 8 bit hay ít hơn sẽ yêu cầu 1 byte, mẫu 9 đến 16 bit sẽ yêu cầu 2 bytes. Nếu âm thanh là Stereo thì yêu cầu gấp 2 lần số byte dùng cho âm thanh mono.
Ta thấy trong WAVEFORMAT chưa có thông tin về số bit dùng để lượng tử hóa một mẫu dữ liệu của sóng âm. Thực tế Wave File sẽ xác lập số bit dùng cho một mẫu dữ liệu bằng một trường gắn vào cuối cấu trúc của WAVEFORMAT. Cấu trúc đó như sau: Typedef struct pcmwaveformat_tag {WAVEFORMAT wf; WORD wBitsPerSample; } PCMWAVEFORMAT; - wBitsPerSample: cho biết số bit trong một mẫu dữ liệu. Chú ý rằng các mẫu dữ liệu vẫn phải lưu trữ ở dạng byte hoặc word. Do đó, nếu một Wave File dùng 12 bit để lượng tử hóa một mẫu sóng âm th ì sẽ phải lưu trữ 4 bit thừa không dùng đến. b. Subchunk “data”. Dữ liệu của “data” subchunk của wave file chứa các số liệu của âm thanh đ ã được số hóa. Đối với mẫu âm thanh 8 bit, dữ liệu của “data” subchunk bao gồm các giá trị 1 byte (có giá trị từ 0 – 255) của các mẫu âm thanh. Đối với mẫu âm thanh 16 bits, mỗi mẫu dữ liệu gồm 2 bytes (có giá trị từ – 32768 đến 32767). Điều n ày không có nghĩa là file wave 16 bits sẽ nghe to hơn 256 lần file wave 8 bits, mà nó có nghĩa là âm thanh được lượng tử hóa chính xác hơn, nghe trung thực hơn. Trong m ẫu mono 8 bits, dữ liệu của subchunk “data” gồm chuỗi các giá trị 1 byte. Với stereo 8 bits, mỗi mẫu gồm 2 bytes, dữ liệu sẽ được sắp xếp xen kẽ (interleave), với byte đầu (byte chẵn) là m ẫu âm thanh của kênh bên trái, byte sau (byte lẻ) là của kênh bên phải. Tóm laị cấu trúc của Wave File như sau: Kích thước (số byte) Giá trị Tên trường
4 “RIFF” Kích thước file RIFF 4 4 “WAVE” 4 “fmt” Kích thước subchunk “fmt” 4 Kiểu mã hóa dữ liệu của file wave (thường là PCM) 2 WORD nFormatTag Số kênh : 1 - mono 2 2 - stereo WORD nChannels Số mẫu/1giâyDWORD nSamplesPerSec 4 Số bytes/1giây 4 DWORD nAvgBytesPerSec Số byte/1mẫuDWORD nBlockAlign 2 Số bit/1mẫu WORD wBitsPerSample 2 4 “data” Kích thước dữ liệu 4 III. ĐỌC RIFF FILES Để làm việc với file RIFF, ta phải mở nó và “descend” vào chunk mà ta cần. • Điều này có ngh ĩa là ta cần phải định vị được chunk n ày, rồi chuyển con trỏ file vào đầu khối dữ liệu của chunk. Khi làm việc xong với 1 chunk, ta phải “ascend” ra khỏi chunk và “descend” xuống chunk khác. Các hàm dùng xử lý RIFF file đều có tiền tố là mmio và làm việc với file • handle dạng HMMIO, để bắt đầu, ta phải mở file bằng đoạn m ã sau: HMMIO h; If ((h=mmioOpen(path,NULL,MMIO_READ))==NULL) {/*báo lỗi*/
return(0);} Thông số path chứa đường dẫn của file wave. Cờ MMIO_READ báo cho mmioOpen mở file để đọc. Ta cũng có thể mở nó để ghi bằng thông số MMIO_WRITE hay cả đọc và ghi bằng thông số MMIO_READWRITE. Nếu mở file thành công, mmioOpen sẽ trả về một handle loại HMMIO. Nếu thất bại, nó sẽ trả về trị NULL. Sau khi mở file xong, ta bắt đầu định vị WAVE chunk bằng đoạn mã sau: MMCKINFO mmParent; MmParent.fccType=mmioFOURCC(‘W’,’A’,’V’,’E’); If (mmioDescend(h,(LPMMCKINFO)&mmParent, NULL, MMIO_FINDRIFF)) { mmioClose(h,0); /* báo lỗi */ return(0);} Cấu trúc của MMCKINFO chứa các thông tin về chunk. Nó được định nghĩa trong MMSYSTEM.H như sau: Typedef struct { FOURCC ckid; DWORD cksize; FOURCC fcctype; DWORD dwDataOffset; DWORD dwFlags;} MMCKINFO; Để “đi vào” một chunk, ta cho trường ckid của MMCKINFO ở loại chunk mà ta muốn định vị. Có một macro thực hiện việc này là mmioFOURCC. Sau đó