Tài liệu 026_bcvt.sách hướng dẫn học tập xử lý âm thanh và hình ảnh ts. nguyễn thanh bình, 245 trang min

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP XỬ LÝ ÂM THANH VÀ HÌNH ẢNH (DÙNG CHO SINH VIÊN HỆ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC TỪ XA) Biên soạn: TS Nguyễn Thanh Bình ThS Võ Nguyễn Quốc Bảo LƯU HÀNH NỘI BỘ TP HỒ CHÍ MINH - 2007 LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu hướng dẫn học tập môn "Xử lý âm thanh và hình ảnh" dành cho khối đào tạo từ xa chuyên ngành điện tử viễn thông. Tài liệu này giới thiệu những kiến thức cơ bản về xử lý âm thanh và hình ảnh. Đặc biệt, tác giả chú trọng tới vấn đề xử lý tín hiệu ứng dụng trong mạng viễn thông: đó là các phương pháp nén tín hiệu, lưu trữ, các tiêu chuẩn nén tín hiệu âm thanh và hình ảnh. Những kiến thức được trình bày trong tài liệu sẽ giúp học viên tiếp cận nhanh với các vấn đề thực tiễn thường gặp trong mạng viễn thông. Vì khối lượng kiến thức trong lĩnh vực xử lý âm thanh cũng như hình ảnh rất lớn, trong tài liệu hướng dẫn chỉ có thể nêu lên một số vấn đề chính. Để tìm hiểu sâu và rộng hơn học viên phải nghiên cứu thêm trong các sách tham khảo được tác giả đề cập tới trong phần cuối của tài liệu này. Đây là lần biên soạn đầu tiên, chắc chắn tài liệu còn nhiều sơ sót, rất mong các bạn đọc trong quá trình học tập và các thày cô giảng dạy môn học này đóng góp các ý kiến xây dựng. Tp. Hồ Chí Minh 10/11/2007 Nhóm biên soạn Biên soạn phần xử lý âm thanh: ThS Võ Nguyễn Quốc Bảo Biên soạn phần xử lý hình ảnh: TS Nguyễn Thanh Bình Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN Xử lý tín hiệu là lĩnh vực khoa học được nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài. Hệ thống xử lý tín hiệu tương tự cũng như xử lý tín hiệu số được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành viễn thông cũng như trong nhiều ngành khoa học khác. Trong những năm gần đây, các phương pháp xử lý tín hiệu số đang dần chiếm ưu thế, cho dù, về mặt bản chất, tín hiệu nguyên thủy được truyền đi và tín hiệu mà người nhận tin có thể tiếp thu được vẫn là tín hiệu tương tự. Xu hướng phát triển trên hình thành do hệ thống số có nhiều tính năng nổi trội của so với các hệ thống analog cổ điển: 1. Các hệ thống xử lý số có độ linh hoạt cao: có thể nhanh chóng thay đổi cơ chế hoạt động của phần cứng thông qua phần mềm điều khiển. 2. Độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường xung quanh, tính chất của hệ thống số hầu như không thay đổi theo thời gian. 3. Khả năng xử lý tín hiệu với độ chính xác cao. Tín hiệu số cho phép lưu trữ và sao chép nhiều lần với mức độ tin cậy cao. Khả năng chống nhiễu của tín hiệu số cao hơn so với tín hiệu tương tự. 4. Thời gian thiết kế và thi công các hệ thống số nhanh, kích thước nhỏ gọn, mức tiêu hao năng lượng thấp v.v. Trước đây, do tốc độ xử lý của máy tính còn chậm, việc xử lý các tín hiệu "phức tạp" như tín hiệu âm thanh chất lượng cao hay tín hiệu ảnh số không thể thực hiện được trong thời gian thực. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử, nhược điểm nêu trên đã được khắc phục. Ví dụ điển hình là DSP xử lý ảnh và âm thanh cao cấp của hãng Texac Instrument TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip làm việc với tần số xung nhịp 594 Mhz, cho phép thực hiện nén video theo chuẩn MPEG-2 và MPEG-4 thời gian thực (http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tms320dm6446.html). Tốc độ xử lý của DSP này là 4752 MIPS (Million Instructions Per Second - MIPS). DSP TMS320DM6446 được tích hợp 4 kênh biến đổi DAC (54MHz) để tạo các tín hiệu video tiêu chuẩn theo hệ NTSC/PAL, S-Video cũng như video thành phần (Component video). Giá thành của DSP xử lý video chuyên dụng nói trên khoảng <45$. Hiện nay, kỹ thuật xử lý tín hiệu số đang được sử dụng rất hiệu quả trong các lĩnh vực xử lý âm thanh (nhận dạng tiếng nói, tổng hợp âm thanh và tiếng nói v.v.), xử lý ảnh (nâng cao chất lượng ảnh, phân vùng, nhận dạng .v.v), đo lường và điều khiển, thiên văn học v.v. Tài liệu hướng dẫn học tập môn xử lý âm thanh và hình ảnh này thực chất có thể được gọi là tài liệu hướng dẫn "nhập môn" xử lý âm thanh và hình ảnh. Thông thường các tài liệu nghiên cứu về xử lý ảnh và âm thanh được tách riêng vì: 1- Đây là hai lĩnh vực xử lý tín hiệu rất rộng, liên quan tới rất nhiều ngành khoa học khác nhau; 2- Quá trình xử lý tín hiệu âm thanh và hình ảnh phải được thực hiện dựa trên những hiểu biết sâu sắc về hệ thống thính giác và thị giác của con người. Ở các phần sau, ta sẽ thấy rằng đa số các kỹ thuật xử lý tín hiệu âm thanh và hình ảnh sẽ dựa trên đặc điểm tiếp thu thông tin của các giác quan nói trên; 3- Tín hiệu âm thanh và hình ảnh khác nhau về bản chất: tín hiệu âm thanh là tín hiệu một chiều còn tín hiệu hình ảnh (tĩnh hay động) là tín hiệu hai hoặc ba chiều. Chính vì thế, công cụ toán học để mô tả và phân tích quá trình xử lý hai loại tín hiệu trên cũng khác nhau. Tuy âm thanh và hình ảnh là hai tín hiệu tương đối khác nhau, nhưng quá trình xử lý chúng    3  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  vẫn được mô tả dựa trên nền tảng lý thuyết xử lý tín hiệu tổng quát. Sau đây chúng ta nhắc lại một số những khái niệm cơ bản về tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu. 1.1.1 Tín hiệu và phân loại tín hiệu Tín hiệu do một thiết bị đầu cuối tạo ra, tín hiệu là biểu diễn vật lý (dòng điện, điện áp...) của tin tức, được truyền đi từ đầu phát đến đầu thu. Tín hiệu có thể được biểu diễn bằng một hàm của nhiều biến số: m(t ) = f (t , v, f , ϕ ) , f - tần số, t - thời gian, v - biên độ, ϕ - trạng thái pha. Khi phân loại tín hiệu ta có thể dựa trên các cơ sở khác nhau như phân loại theo năng lượng, hình thái, theo tính chất của phổ của tín hiệu v.v. Trong lý thuyết tín hiệu có hai lớp tín hiệu quan trọng đó là tín hiệu xác định và ngẫu nhiên. Tín hiệu xác định là tín hiệu có quá trình biến đổi biểu diễn bằng một hàm thời gian, và có thể xác định chính xác ở mọi thời điểm. Các tín hiệu xác định có vai trò rất quan trọng trong lý thuyết tín hiệu cổ điển. Tín hiệu xác định còn chia ra thành tín hiệu tuần hoàn (theo chu kỳ T) và không tuần hoàn (phi chu kỳ).Tín hiệu tuần hoàn là những tín hiệu có thể biểu diễn bằng công thức như sau: x (t ) = x (t + kT ) k − nguyeân - tín hiệu này tuân theo quy luật lặp lại đều với chu kỳ T. Tín hiệu ngẫu nhiên là các tín hiệu mà không thể dự kiến trước hành vi của chúng theo thời gian và để biểu diễn chúng phải dựa trên lý thuyết thống kê. Trên thực tế, các tín hiệu thông tin đều mang tính chất ngẫu nhiên. Tín hiệu có thể có biên độ và biến thời gian (không gian) là rời rạc hay liên tục, do đó chúng ta còn phân biệt bốn loại tín hiệu sau: Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu tương tự (analog) lượng tử rời rạc số (digital) Biên độ liên tục rời rạc liên tục rời rạc Biến thời gian liên tục liên tục rời rạc rời rạc Như vậy, tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ và biến thời gian là liên tục. Nếu tín hiệu được biểu diễn bằng hàm của biến rời rạc thì tín hiệu đó là tín hiệu rời rạc. Ký hiệu chung của tín hiệu rời rạc là xs ( nTs ) , nTs là biến độc lập, rời rạc, n là số nguyên, Ts là chu kỳ lấy mẫu. Tín hiệu có biên độ và thời gian đều rời rạc được gọi là tín hiệu số, ký hiệu là xd ( n ) . Ngoài ra, dựa trên tính chất của tin tức truyền đi, người ta còn phân loại các tín hiệu sau: - Tín hiệu thoại (tiếng nói con người). - Tín hiệu hình ảnh tĩnh hay ảnh động (tín hiệu video) - Tín hiệu dữ liệu (data) dùng trong hệ thống máy tính, bộ vi xử lý. Một số tín hiệu khác, phân biệt theo bề rộng phổ và tần số (tín hiệu dải rộng, dải hẹp, cao tần v.v.) cũng sẽ được định nghĩa và sử dụng trong những phần tiếp theo. 1.1.2 Tín hiệu rời rạc Tín hiệu x(t) có biến thời gian t rời rạc được gọi là tín hiệu rời rạc, chúng ta có thể ký hiệu là {xn} với n là số nguyên (n = 0, ±1, ±2, … ).    4  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  1.1.2.1 Biểu diễn tín hiệu rời rạc x(n) a- Biểu diễn toán học Xét hàm x(n) với n là phần tử nguyên. Ký hiệu tín hiệu rời rạc : x = { x( n )} n − ∞ < n < +∞ -1 0 1 2 3 4 5 6 Hình 1.1.1 Tín hiệu rời rạc ⎧bieåu thöùc toaùn x ( n) = ⎨ ⎩0 N1 ≤ n ≤ N 2 n coøn laïi b- Biểu diễn bằng đồ thị Để minh hoạ theo kiểu nhìn trực quan, ta có thể vẽ đồ thị (hình 1.1.1) của dãy x(n). Biểu diễn bằng dãy số c- Chúng ta không để ở dạng chung (một tổng hay tích) mà khai triển các giá trị của tín hiệu x (n ) = {..., n (n − 1), x (n ), x (n + 1),...} rời rạc như sau : 3 1 1 x (n ) = {..., 0, 1, , , , 0, ,...} 4 2 4 ↑ ↑ : chỉ mẫu tại n = 0. 1.1.2.2 Các phép biến đổi tín hiệu rời rạc a- Phép nhân hai tín hiệu rời rạc : x. y = {x(n). y(n)} (1.1.1) b- Phép nhân tín hiệu rời rạc với hằng số : α. y = {α. y(n)} (1.1.2) c- Phép cộng hai tín hiệu rời rạc : x + y = {x(n) + y(n)} (1.1.3) d- Phép dịch (trễ) : Dãy x được dịch sang phải n0 mẫu, thành dãy y : y (n) = x(n − n 0 ) với n0 > 0 (1.1.4) Dãy x được dịch sang trái n0 mẫu, thành dãy y : y(n ) = x (n + n 0 ) với n0 > 0 (1.1.5) Như vậy một tín hiệu x(n) bất kỳ có thể biểu diễn : x ( n) = ∞ ∑ x(k )δ (n − k ) (1.1.6) k = −∞    5  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  e- Tín hiệu rời rạc tuần hoàn với chu kỳ là N nếu thoả mãn : x(n) = x(n + N ) , ∀ n. (1.1.7) Tín hiệu tuần hoàn có thể được ký hiệu với chỉ số p (period) : xp(n). Tín hiệu chỉ được xác định trong một khoảng hữu hạn N mẫu được gọi là tín hiệu có độ dài hữu hạn N. f- Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất: * Năng lượng của tín hiệu được định nghĩa bằng tổng bình phương các modul : E xN = ∞ ∑ x( n ) 2 (1.1.8) n=−∞ * Công suất trung bình của tín hiệu rời rạc được định nghĩa như sau: N 1 2 ∑ x( n ) N →∞ 2 N + 1 n=− N PxN = lim (1.1.9) g- Tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn * Tín hiệu là tuần hoàn với chu kỳ N (N > 0) , nếu và chỉ nếu x(n + N) = x(n) (1.1.10) Giá trị nhỏ nhất của N được gọi là chu kỳ. x(n + kN) = x(n) ; k nguyên dương * Nếu không có giá trị N thỏa (1.1.10), thì tín hiệu gọi là không tuần hoàn. h- Tín hiệu chẵn và tín hiệu lẻ Tín hiệu x(n) được gọi là chẵn khi x(-n) = x(n) (1.1.11) Ngược lại, tính hiệu x(n) được gọi lẻ khi x(-n) = -x(n) (1.1.12) i- Phép gập tín hiệu: Thay biến n bằng (-n), kết quả ta có x ( n ) thay vì x ( − n ) . Phép biến đổi này thực hiện bằng cách lấy đối xứng tín hiệu x ( n ) qua gốc thời gian. 1.1.3 Phân loại hệ thống 1.1.3.1 Hệ thống tương tự Quá trình biến đổi tín hiệu được thực hiện trong hệ thống xử lý tín hiệu. Các hệ thống xử lý tín hiệu được phân loại dựa vào đặc trưng của tín hiệu mà nó xử lý. Từ cách phân loại tín hiệu trên đây, ta có các hệ thống xử lý tín hiệu tương ứng như sau: Hệ thống tương tự: các mạch lọc tương tự, mạch khuyếch đại, nhân tần số, điều chế tín hiệu v.v. Hệ thống rời rạc: mạch tạo xung, điều chế xung v.v Hệ thống số: mạch lọc số..    6  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  Ngoài ra cũng còn các hệ thống hỗn hợp khác như hệ thống biến đổi tương tự- số hay ngược lại. Tín hiệu vào và tín hiệu ra của một hệ thống quan hệ với nhau thông qua toán tử biến đổi T: T ⎡⎣ x ( t ) ⎤⎦ = y ( t ) hay T x ( t ) ⎯⎯ → y (t ) (1.1.13) 1.1.3.1.1 Các tính chất của hệ thống tương tự a) Tính tuyến tính: Hệ thống là tuyến tính khi nó có tính xếp chồng: x 1 ( t ) → y1 ( t ) nếu (1.1.14) x 2 (t ) → y 2 (t ) a 1 x 1 ( t ) + a 2 x 2 ( t ) → a 1 y1 ( t ) + a 2 y 2 ( t ) b) Tính bất biến theo thời gian: Hệ thống được gọi là bất biến nếu y ( t ) = T ⎡⎣ x ( t ) ⎤⎦ thì y ( t − t0 ) = T ⎡⎣ x ( t − t0 ) ⎤⎦ (1.1.15) c) Tính nhân quả Hệ thống được gọi là nhân quả nếu đáp ứng của nó tại thời điểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào các giá trị của tín hiệu vào ở thời điểm hiện tại và quá khứ. d) Tính ổn định: Một hệ thống được gọi là ổn định nếu tín hiệu ra giới hạn với tất cả các tín hiệu vào giới hạn. Dựa trên các tính chất đã nêu của hệ thống, chúng ta có thể phân loại các hệ thống như sau: hệ thống tuyến tính, hệ thống bất biến, hệ thống nhân quả, hệ thống tuyến tính bất biến. 1.1.3.1.2 Các hệ thống tuyến tính bất biến (LTI) Các hệ thống tuyến tính bất biến thường được biểu diễn trong miền thời gian dưới các dạng sau: - Phương trình vi phân - Phương trình trạng thái - Đáp ứng xung. Đáp ứng xung của hệ thống h ( t ) là đáp ứng ra của hệ thống khi tín hiệu đưa vào là xung đơn vị. Nếu hệ thống là tuyến tính và bất biến thì tín hiệu ra của hệ thống có thể tìm được thông qua tích chập giữa tín hiệu vào và hàm đáp ứng xung: y (t ) = x (t ) ∗ h (t ) = ∞ ∫ x (τ ) h ( t − τ ) dτ (1.1.16) −∞ Các tính chất của hệ thống LTI Tính nhân quả Hệ thống LTI là nhân quả nếu h ( t ) = 0 với nếu h ( t ) = 0 với   ∀t và ngược lại ∀t thì hệ thống là nhân quả.  7  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  Tính ổn định của hệ thống LTI Cho tín hiệu vào hệ thống được giới hạn biên độ: x ( t ) ≤ M x < ∞ , M x là hằng số. Trong trường hợp này, hệ thống sẽ là ổn định nếu đáp ứng xung của nó thỏa mãn điều ∞ kiện: ∫ h ( t ) dt < ∞ . Điều kiện này là cần và đủ để hệ thống LTI là ổn định. −∞ Hệ thống LTI không nhớ: hệ thống tuyến tính bất biến là không nhớ nếu h ( t ) = 0 với t ≠0. 1.1.3.1.3 Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng Cho x ( t ) và y ( t ) là tín hiệu vào ra của hệ thống tuyến tính bất biến. Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng tổng quát của hệ thống có thể biểu diễn dưới dạng: N M ∑ ak y( k ) ( t ) = ∑ br x( r ) ( t ) k =0 (1.1.17) r =0 N, M là số nguyên dương, N là bậc của phương trình. Nghiệm đầy đủ của phương trình bằng tổng nghiệm riêng yr ( t ) và nghiệm thuần nhất y0 ( t ) : y ( t ) = yr ( t ) + y0 ( t ) . Trong đó nghiệm thuần nhất y0 ( t ) là nghiệm của phương trình thuần nhất: N ∑ ak y( k ) ( t ) = 0 . (1.1.18) k =0 1.1.3.2 Hệ thống rời rạc Hệ thống rời rạc được đặc trưng bởi toán tử T làm nhiệm vụ biến đổi dãy vào x ( n ) (là tín hiệu rời rạc) thành dãy ra y ( n ) . Toán tử T cho chúng ta thấy quan hệ vào ra của hệ thống. Chúng ta có hai cách để biểu diễn toán tử T: T ⎡⎣ x ( t ) ⎤⎦ = y ( t ) hay T x ( t ) ⎯⎯ → y (t ) (1.1.19) Dãy vào còn được gọi là kích thích, còn dãy ra là đáp ứng của hệ thống đối với kích thích đang khảo sát. 1.1.3.2.1 Hệ thống rời rạc tuyến tính bất biến (LTI) a. Hệ thống tuyến tính Hệ thống tuyến tính là hệ thống mà quan hệ vào ra của hệ thống thoả mãn nguyên lý xếp chồng. Với x1 ( n ) và x2 ( n ) là các chuỗi vào bất kỳ, y1 ( n ) và y2 ( n ) là các chuỗi ra tương ứng. Hệ thống được gọi là tuyến tính khi: T T x1 ( n ) ⎯⎯ → y1 ( n ); x2 ( n ) ⎯⎯ → y2 ( n ) T a1 x1 ( n ) + a2 x2 ( n) ⎯⎯ → a1 y1 ( n ) + a2 y2 ( n ) (1.1.20) trong đó a1, a2 là các hằng số.    8  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  b. Hệ thống tuyến tính bất biến Nếu y ( n ) là đáp ứng của kích thích x ( n ) thì hệ thống tuyến tính gọi là bất biến khi y ( n − k ) là đáp ứng của hệ thống đối với kích thích x ( n − k ) . Nếu biến số là thời gian thì ta có hệ thống bất biến theo thời gian. Đối với hệ thống bất biến, khi kích thích giống nhau thì đáp ứng sẽ giống nhau tại mọi thời điểm. c. Hệ thống nhân quả và không nhân quả Một hệ thống gọi là nhân quả khi tín hiệu ngõ ra tại một thời điểm nào đó chỉ phụ thuộc vào các giá trị của tín hiệu vào từ thời điểm đó trở lại. Ta có thể biểu diễn quan hệ vào - ra của hệ thống nhân quả bằng một phương trình toán học như sau: y ( n ) = F ⎡⎣ x ( n ) , x ( n − 1) , x ( n − 2 ) ....⎤⎦ , với F là một hàm số nào đó. Nếu hệ thống không thỏa mãn được điều kiện trên thì ta gọi hệ thống đó là không nhân quả. d. Hệ thống ổn định và không ổn định Một hệ thống gọi là ổn định nếu nó bị chặn (Bounded Input Bounded Output - BIBO), tức là với một tín hiệu vào x ( n ) hữu hạn thì tín hiệu ra y ( n ) cũng hữu hạn: nếu x ( t ) ≤ M x < ∞ , M x là hằng số thì y ( t ) ≤ M y < ∞ , M y là hằng số. 1.1.3.2.2 Đáp ứng xung của hệ thống tuyến tính bất biến Nếu hệ thống là tuyến tính và bất biến ta có: Khi hệ thống là tuyến tính và bất biến, thì ta có quan hệ sau : y( n) = ∞ ∑ x(k )h(n − k ) (1.1.21) k =−∞ h ( n ) là đáp ứng xung của hệ thống tuyến tính bất biến, không phụ thuộc vào biến k. Đáp ứng của hệ thống có thể tìm được thông qua tích chập của kích thích và đáp ứng xung: y( n) = ∞ ∑ x(k )h(n − k ) = x(n) ∗ h(n) (1.1.22) k =−∞ Như chúng ta đã biết, các hệ thống có tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào trong quá khứ và hiện tại được gọi là hệ thống nhân quả. Định lý : Hệ thống tuyến tính bất biến là nhân quả nếu và chỉ nếu đáp ứng xung h(n) = 0 với mọi n < 0. 1.1.3.2.3 Hệ thống tuyến tính bất biến và ổn định Tính ổn định là một điều kiện ràng buộc quan trọng cần xét đến trong thực tế đối với các hệ thống xử lý tín hiệu. Theo định nghĩa, một hệ thống được gọi là ổn định hay là hệ BIBO (Bounded Input Bounded Output) nếu đáp ứng của hệ thống đó luôn bị chặn khi kích thích vào bị chặn. Thuật ngữ bị chặn có thể hiểu là “có giá trị hữu hạn”.    9  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  Định lý: Một hệ thống tuyến tính bất biến được xem là ổn định nếu và chỉ nếu đáp ứng xung thoả mãn điều kiện sau : S= ∞ ∑ h(n) < ∞ (1.1.23) n = −∞ 1.1.3.2.4 Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng a. Phương trình sai phân tuyến tính Về mặt toán học, kích thích vào x(n) và đáp ứng ra y(n) của hầu hết các hệ thống tuyến tính thoả mãn một phương trình sai phân tuyến tính sau đây : N M k =0 r =0 ∑ a k ( n) y ( n − k ) = ∑ b r ( n) x ( n − r ) (1.1.24) ở đây N và M là các số nguyên dương, N gọi là bậc của phương trình sai phân. Trong phương trình này, tập hợp các hệ số ak(n) và br(n) sẽ quyết định toàn bộ hành vi của hệ thống. Phương trình này chính là ảnh rời rạc của phương trình vi phân tuyến tính đối với các hệ số liên tục, phương trình vi phân tuyến tính có dạng sau : N ∑ a (t ) k k =0 d k y (t ) M d r x (t ) b ( r ) = ∑ r dt k dt r r =0 (1.1.25) Chúng ta có thể nhận được phương trình sai phân tuyến tính từ một phương trình vi phân tuyến tính bằng cách thay gần đúng của các đạo hàm vào vị trí của các đạo hàm. Ví dụ với đạo hàm bậc một, ta có gần đúng như sau : dy(t ) y(t ) − y(t − Δt ) ≈ dt Δt b. Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng Hệ tuyến tính bất biến đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Một lớp hệ con của hệ tuyến tính bất biến là các hệ có tín hiệu vào và tín hiệu ra thoả mãn phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng (PT-SP-TT-HSH) dưới dạng: N M k =0 r =0 ∑ ak y( n − k ) = ∑ br x( n − r ) (1.1.26) trong đó tập các hệ số ak và br đặc trưng cho hệ tuyến tính bất biến. Hệ tuyến tính bất biến mô tả bằng PT-SP-TT-HSH đóng vai trò đặc biệt trong xử lý tín hiệu số. Trong tài liệu này, chúng ta chỉ sử dụng các hệ thống xử lý tín hiệu được mô tả bằng phương trình tuyến tính bất biến hệ số hằng nói trên. 1.1.3.2.5 Các hệ thống đệ quy và không đệ quy a. Hệ thống không đệ quy Một hệ thống tuyến tính bất biến được đặc trưng bởi PT-SP-HSH bậc N như sau : N M k =0 r =0 ∑ ak . y( n − k ) = ∑ br . x(n − r )   (1.1.27)  10  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  nếu trường hợp N = 0, ta có : M br . x( n − r ) r =0 a0 y( n) = ∑ M y( n) = ∑ br . x( n − r ) a0 ≠ 0 a0 = 1 (1.1.28) r =0 Định nghĩa : Hệ thống được đặc trưng bởi phương trình sai phân tuyến tính bậc không (N = 0) được gọi là hệ thống không đệ qui. b. Hệ thống đệ quy Trong trường hợp nếu N > 0, ta có phương trình SP-TT-HSH bậc N như sau : M N b br . x( n − r ) − ∑ k . y ( n − k ) r =0 a0 k =1 a0 y( n) = ∑ (1.1.29) Định nghĩa : Hệ thống được đặc trưng bởi phương trình sai phân bậc N > 0 được gọi là hệ thống đệ qui. 1.2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ÂM THANH VÀ HÌNH ẢNH VÀO MẠNG BĂNG THÔNG ĐA DỊCH VỤ 1.2.1 Đặc điểm của multimedia Multimedia là nguồn dữ liệu được tổng hợp từ các dạng thông tin khác nhau. Multimedia có thể có dạng rất đơn giản, đơn cử như một vài hình ảnh kèm với dữ liệu text hay có thể có dạng phức tạp như các file trình diễn multimedia sử dụng video clips, âm thanh, ảnh động và dữ liệu text. File multimedia chiếm một dung lượng rất lớn khi chứa dữ liệu là các file video. Ví dụ như tín hiệu video theo chuẩn PAL sau khi được số hóa cho luồng dữ liệu có tốc độ lên tới 170Mbps. Dữ liệu âm thanh chiếm ít dung lượng hơn, ví dụ tốc độ dòng bits của tín hiệu Dolby Digital Plus lên tới 6.144 Mbps. Đối với dữ liệu dạng ảnh thì dung lượng của nó tỷ lệ thuận với kích thước của ảnh. Một vấn đề quan trọng khác của multimedia là vấn đề đồng bộ. - Dữ liệu âm thanh rất nhạy cảm với độ trễ hay tỷ lệ mất gói trong quá trình lưu trữ hay trong qua trình truyền dẫn. - Dữ liệu video thì ít nhạy cảm hơn với độ trễ (phụ thuộc vào ứng dụng) nhưng vẫn nhạy cảm với jitter. Jitter có thể được loại bỏ trong các ứng dụng bằng các giải thuật tại máy thu. Trong bảng dưới đây mô tả một số yêu cầu đối với tín hiệu âm thanh và hình ảnh trên mạng ATM (RFC 1193 - Các yêu cầu cho các dịch vụ thời gian thực 11/1990).    11  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  Nhìn chung, dữ liệu multimedia có dung lượng rất lớn và có đặc tính nhạy cảm với trễ cũng như mất mát dữ liệu. Để truyền các dạng dữ liệu trên mạng điện thoại, Internet hay mạng truyền hình, các đặc tính kỹ thuật của từng loại dữ liệu phải được biến đổi cho phù hợp với đường truyền. Việc điều chỉnh này bao gồm việc nén dữ liệu, định thời trong truyền dẫn và lưu trữ multimedia. 1.2.2 Nén tín hiệu trong mạng đa dịch vụ Các kỹ thuật và giải thuật nén quyết định đến sự sống còn của các mạng đa dịch vụ. Ví dụ như một kênh truyền hình số không nén có thể yêu cầu băng thông lên đến 216 Mbps. Nếu chúng ta không dùng kỹ thuật nén, hệ thống chỉ có thể phục vụ đồng thời cho một số ít người. Nén là giải pháp cứu cánh cho phép việc truyền bá rộng rãi video số và multimedia. Kỹ thuật nén phụ thuộc vào giải thuật được cài đặt trên phần cứng hoặc phần mềm của máy phát và máy thu. Khi ứng dụng yêu cầu tốc độ nén và giải nén cao, giải thuật phải được cài đặt trên phần cứng (card âm thanh hay card đồ họa trên máy tính). Nén dữ liệu là giải pháp để giảm bớt áp lực về băng thông trên mạng và giảm bớt không gian lưu trữ, tuy nhiên nó cũng tạo ra một số nhược điểm đáng kể. Một số kỹ thuật nén hoạt động dựa trên ý tưởng lược bớt các thông tin kém quan trọng trong tín hiệu vì thế sẽ tạo ra sự mất mát độ phân giải trong tín hiệu nén. Nhưng bên cạnh đó, việc nén dữ liệu sẽ làm tăng tính bảo mật của thông tin khi được truyền qua mạng công cộng. Khi tiến hành nén dữ liệu chúng ta phải quan tâm đến các yếu tố sau: độ phức tạp của phần cứng và phần mềm, thời gian trễ gây nên bởi quá trình xử lý nén và giải nén và cũng như các yếu tố quan trọng khác. Trong các ứng dụng khác nhau người ta sử dụng các phương pháp mã hóa khác nhau để tận dụng tối đa tài nguyên sẵn có, đồng thời đạt chất lượng dịch vụ cao nhất. Ví dụ như hội nghị video phải được thực hiện và xử lý trong thời gian thực, vì thế các phương pháp má hóa và giải mã được phải thỏa mãn các tiêu chuẩn xử lý trong thời gian thực. Đây là lý do quan trọng mà tiêu chuẩn H.261 được thiết kế. Một ví dụ khác là việc truyền file video qua mạng có dây, không dây tới hệ thống lưu trữ video không đòi hỏi thời gian thực, quá trình thực hiện ít nhạy cảm với thời gian trễ nên thời gian xử lý mã hóa và giải mã không là một vấn đề quan trọng, ngược lại hiệu quả nén mới là tiêu chí đặt lên hàng đầu, vì vậy tiêu chuẩn nén MPEG được thiết kế (ban đầu) dựa trên quan điểm này. 1.2.3 Lưu trữ Như đã nói ở trên, thông tin âm thanh chất lượng cao và video trong multimedia làm cho luồng số tổng hợp có kích thước rất lớn, vì thế lưu trữ dữ liệu là một trong những vấn đề quan    12  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  trọng trong hệ thống multimedia. Hiện nay, hệ thống multimedia sử dụng hầu hết các công nghệ truyền thống để ghi dữ liệu đó là các công nghệ lưu trữ từ, quang và công nghệ flash. Giá thành các hệ thống lữu trữ dung lượng lớn ngày càng hạ, trong khi các thông số kỹ thuật liên tục được cải thiện. Ví dụ, các ổ đĩa cứng (HDD) hiện đại cho phép ghi luồng dữ liệu có tốc độ lên tới 300MBps qua giao thức SATA-II, tốc độ ghi này cho phép lưu trực tiếp video số lên ổ cứng không qua giai đoạn nén dữ liệu (làm mất chất lượng video gốc). Hệ thống RAID (Redundant Array of Independent Disks) có thể được thiết lập từ 8, 16 hoặc nhiều hơn nữa các ổ cứng có dung lượng lên tới 750 GB mỗi ổ. Với dung lượng 12 TB, hệ thống RAID cho phép ghi tới ~2700 giờ video chất lượng DVD (9.8Mbps) hoặc ~125 giờ video số (PAL) không nén (216Mbps). Giá thành ổ cứng hiện nay chỉ khoảng ~0.3$/GB. Để so sánh, vào năm 2005, giá thành ổ cũng khoảng 1.2$/GB, tốc độ ghi chỉ đạt ~6Mbps. Trong các hệ thống truyền dẫn có băng thông hẹp, việc truyền tải dữ liệu multimedia không thể thực hiện trong thời gian thực, khi đó các user đầu cuối phải sử dụng thiết bị lưu trữ cục bộ. Toàn bộ dữ liệu sau khi tải về sẽ được giải mã để trình chiếu offline. Ví dụ như mạng Internet chỉ có khả năng phân phối video và audio trực tuyến với chất lượng thấp, tuy nhiên lưu trữ cục bộ vẫn cho phép người dùng nghe nhạc hoặc xem video chất lượng cao. Hệ thống lưu trữ ngày càng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu này. Các thiết bị lưu trữ như CDROM và DVD cũng được cải tiến để cung cấp luồng dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ CDROM hiện tại có thể truyền tải dữ liệu khoảng 64 Mbps hay cao hơn, lưu trữ khoảng 700MB dữ liệu và có thời gian truy cập khoảng 300 ms. Đĩa DVD một mặt có dung lượng ~4.7 GB. Với các thông số như vậy, công nghệ CD ROM là tạm chấp nhận được cho một số ứng dụng. Hiện tại công nghệ đĩa cứng vẫn được cải tiến liên tục để phục vụ cho nhu cầu lưu trữ đa dạng của dữ liệu multimedia ngày càng đòi hỏi những tiêu chuẩn khắt khe về không gian lưu trữ, thời gian trễ… 1.2.4 Băng thông Các ứng dụng multimedia, đặc biệt các ứng dụng liên quan đến video và hình ảnh yêu cầu băng thông rất lớn. Tuy nhiên băng thông là nguồn tài nguyên giới hạn. Tăng băng thông đồng nghĩa với việc tăng chi phí để nâng cấp, cài đặt các thiết bị truyền dẫn quang, các thiết bị đầu cuối phức tạp, các bộ chuyển mạch tốc độ cao…. Mặc dù hiện này công nghệ chuyển mạch đã phát triển mạnh mẽ cũng với mạng cáp quang cho phép cung cấp nhiều băng thông hơn, nhưng kinh nghiệm cho thấy việc phát triển của mạng luôn luôn thấp hơn nhu cầu thực tế. Do đó, cần có cơ chế phân phối và quản lý băng thông cho các ứng dụng tại thiết bị đầu cuối để băng thông được sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả. 1.2.5 Chất lượng dịch vụ (Quality of Service) Hiện này nhu cầu trao đổi dữ liệu multimedia qua mạng là rất lớn. Để đảm bảo chất lượng dịch vụ ở đầu cuối, các thông số quan trọng sau phải được đánh giá và điều khiển: tỷ lệ lỗi bit (Bit Error Ratio), tỷ lệ mất gói, thời gian trễ và sự biến thiên của thời gian trễ…Ở một số dịch vụ tài nguyên của mạng sẽ được dành sẵn để đảm bảo các thông số trên. Ví dụ như trong mạng ATM, người dùng đầu cuối sẽ được phân định các mức băng thông và chất lượng dịch vụ khác nhau phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Với các ứng dụng liên quan đến thoại, tài nguyên của mạng được phân phối sao cho mức trễ nằm trong phạm vi cho phép để đảm bảo chất lượng thoại.    13  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  1.2.6 Tương tác Ngày này, cùng với sự phát triển của công nghệ, tồn tại rất nhiều các loại phần cứng khác nhau, các loại mạng khác nhau, các ứng dụng khác nhau và các loại định dạng multimedia khác nhau. Việc tương tác để chúng cùng hoạt động được là vấn đề cốt lõi của người dùng đầu cuối multimedia. Để giải quyết vấn đề đó, tổ chức IMA (Interactive Multimedia Association) và MMCF (Multimedia Communications Forum) được thành lập để phát triển các giải pháp giải quyết vấn đề tương tác multimedia giữa các chuẩn khác nhau. Mục đích của MMCF là phát triển: - Giải pháp tương tác multimedia từ người dùng đầu cuối đến người dùng đầu cuối mà không phụ thuộc vào ứng dụng cũng như công nghệ truyền dẫn. - Phát triển Application Programming Interfaces (API) mở rộng hỗ trợ tương tác giữa người dùng đầu cuối với người dùng đầu cuối mà không phụ thuộc vào nhà sản xuất. Loại phần mềm như vậy được gọi dưới tên là ‘middleware” bởi vì nó liên quan đến ứng dụng của người dùng đầu cuối cũng như định dạng file, kỹ thuật lưu trữ và mạng truyền dẫn. IMA đảm nhận trách nhiệm kết hợp các tiêu chuẩn định dạng multimedia. Đây là một công việc khó khăn vì hiện này tồn tại rất nhiều định dạng cho âm thanh, hình ảnh và video. Hiện nay có khoản 20 mô hình (scheme) mã hóa âm thanh. Hầu hết đều dựa trên u-law, Alaw và ADPCM sử dụng 4, 8 hay 16 bit/mẫu. Các định dạng tiêu biểu như: • Sound Blaster .VOC • Windows .WAV • Sounder/Soundtools .SND • Apple/SGI AIFF files Với dữ liệu ảnh màu cũng tồn tại rất nhiều định dạng khác nhau. Các định dạng ảnh màu cho phép hiển thị từ 16 đến hàng triệu màu. Các định dạng ảnh tĩnh tiêu biểu đang được sử dụng rộng rãi là: • Windows Bitmap .BMP • Graphic Interchange Format .GIF • Joint Picture Experts Group .JPEG or JPG • TIFF • PCX • PhotoCD .PCD Hiện nay trên toàn thế giới có tổng cộng khoảng 15 loại định dạng video cho truyền hình tương tự và truyền hình chất lượng cao (High Definition TV) đã được thực hiện và đưa ra thị trường. Một số định dạng tiêu biểu của video: • Motion JPEG • Video conferencing H.261 • Microsoft AVI Video for Windows • Apple Quicktime • Intel Indeo DVI    14  Chương 1 Giới thiệu chung về xử lý tín hiệu  • ISO MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 TÓM TẮT CHƯƠNG 1 Trong chương một chúng ta đã nhắc lại một số khái niệm cơ bản về tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu nói chung. Những kiến thức này sẽ được sử dụng và mở rộng để phục vụ cho quá trình nghiên cứu xử lý tín hiệu âm thanh và hình ảnh ở những chương sau. Phạm vi ứng dụng kỹ thuật xử lý âm thanh và hình ảnh nói chung rất rộng. Nhưng, nói riêng trong ngành viễn thông, mục đích chính của việc xử lý các tín hiệu nói trên nhằm vào việc nâng cao chất lượng tín hiệu và nén dung lượng tín hiệu để truyền qua kênh truyền. Trong chương một chúng ta cũng nhắc tới khái niệm về hệ thống truyền thông đa dịch vụ. Một số đặc điểm và các thông số quan trọng của hệ thống truyền thông đa dịch vụ được đã được nêu ra. Có thể thấy rằng, tín hiệu audio và video là một phần thông tin multimedia phải được xử lý để đáp ứng nhưng yêu cầu khắt khe đặt ra trong hệ thống truyền thông đa dịch vụ. Đó là các tiêu chuẩn về độ nén, thời gian trễ, các đòi hỏi về cấu hình bộ mã hoá và giải mã v.v. Trong mạng truyền thông đa dịch vụ, vai trò của xử lý ảnh và âm thanh trở nên vô cùng quan trọng. Trong các chương tiếp theo của tài liệu này, chúng ta sẽ giới thiệu cụ thể hơn về các công cụ toán học được sử dụng để phân tích từng loại tín hiệu cũng như các ứng dụng riêng của xử lý âm thanh và hình ảnh. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 1. Cho biết ưu điểm và nhược điểm của hệ thống xử lý tín hiệu số 2. Kỹ thuật xử lý âm thanh được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học nào? 3. Liệt kê các ứng dụng chính của hệ thống xử lý ảnh 4. Phân tích các phương pháp phân loại tín hiệu. Trong các hệ thống xử lý tín hiệu, cách phân loại tín hiệu nào được sử dụng rộng rãi nhất. 8. Các hệ thống xử lý tín hiệu được phân loại theo cách nào? Trong thực tế chúng ta thường gặp những hệ thống xử lý tín hiệu loại nào? 9. Thế nào là hệ thống xử lý tín hiệu tuyến tính và bất biến? 10. Nêu định nghĩa hàm đáp ứng xung của hệ thống xử lý tín hiệu 12. Thế nào là hệ thống nhân quả và ổn định? 13. Phát biểu định nghĩa hệ thống đệ quy. Cho biết hàm đáp ứng xung của hệ thống xử lý tín hiệu nào có chiều dài hữu hạn? 14. Thế nào là Multimedia? Phân tích tầm quan trọng của kỹ thuật nén tín hiệu trong lĩnh vực truyền dẫn dữ liệu Multimedia. 15. Nêu ra các phương tiện thường được dùng để lưu trữ dữ liệu số? Những thông số nào đặc trưng cho hệ thống lưu trữ dữ liệu? 16. Cho biết các định dạng ảnh tĩnh và ảnh động thông dụng được sử dụng trong hệ thống truyền phát multimedia hiện nay?    15  Chương 2 Kỹ thuật xử lý âm thanh CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT XỬ LÝ ÂM THANH 2.1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ÂM THANH 2.1.1 Giới thiệu sơ lược về âm thanh và hệ thống xử lý âm thanh 2.1.1.1 Đặc tính của âm thanh tương tự Mục đích của lời nói là dùng để truyền đạt thông tin. Có rất nhiều cách mô tả đặc điểm của việc truyền đạt thông tin. Dựa vào lý thuyết thông tin, lời nói có thể được đại diện bởi thuật ngữ là nội dung thông điệp, hoặc là thông tin. Một cách khác để biểu thị lời nói là tín hiệu mang nội dung thông điệp, như là dạng sóng âm thanh. Hình 2.1.1 Dạng sóng của tín hiệu ghi nhận được từ âm thanh của người Kỹ thuật đầu tiên dùng trong việc ghi âm sử dụng các thông số về cơ, điện cũng như trường có thể làm nên nhiều cách thức ghi âm ứng với các loại áp suất không khí khác nhau. Điện áp đến từ một microphone là tín hiệu tương tự của áp suất không khí (hoặc đôi khi là vận tốc). Dù được phân tích bằng cách thức nào, thì các phương pháp khi so sánh với nhau phải dùng một tỉ lệ thời gian. Trong khi các thiết bị tương tự hiện đại trông có vẻ xử lý âm thanh tốt hơn những thiết bị cổ điển, các tiêu chuẩn xử lý thì hầu như không có gì thay đổi, mặc dù công nghệ có vẻ xử lý tốt hơn. Trong hệ thống xử lý âm thanh tương tự, thông tin được truyền đạt bằng thông số liên tục biến thiên vô hạn. Hệ thống xử lý âm thanh số lý tưởng có những tính năng tương tự như hệ thống xử lý âm thanh tương tự lý tưởng: cả hai hoạt động một cách “trong suốt” và tạo lại dạng sóng ban đầu không lỗi. Tuy nhiên, trong thế giới thực, các điều kiện lý tưởng rất hiếm tồn tại, cho nên hai loại hệ thống xử lý âm thanh hoạt động sẽ khác nhau trong thực tế. Tín hiệu số sẽ truyền trong khoảng cách ngắn hơn tín hiệu tương tự và với chi phí thấp hơn. Trong giáo trình này, tập trung đề cập đến hệ thống số xử lý âm thanh. Thông tin dùng để truyền đạt của âm thoại về bản chất có tính rời rạc, và nó có thể được biểu diễn bởi một chuỗi ghép gồm nhiều phần tử từ một tập hữu hạn các ký hiệu (symbol). Các ký hiệu từ mỗi âm thanh có thể được phân loại thành các âm vị (phoneme). Mỗi ngôn ngữ có các tập âm vị khác nhau, được đặc trưng bởi các con số có giá trị từ 30 đến 50. Ví dụ như tiếng Anh được biểu diễn bởi một tập khoảng 42 âm vị. Tín hiệu thoại được truyền với tốc độ như thế nào? Đối với tín hiệu âm thoại nguyên thủy chưa qua hiệu chỉnh thì tốc độ truyền ước lượng có thể tính được bằng cách lưu ý giới hạn vật lý của việc nói lưu loát của người nói tạo ra âm thanh thoại là khoảng 10 âm vị trong một giây. Mỗi một âm vị được biểu diễn bởi một số nhị phân, như vậy một mã gồm 6 bit có 16 Chương 2 Kỹ thuật xử lý âm thanh thể biểu diễn được tất cả các âm vị của tiếng Anh. Với tốc độ truyền trung bình 10 âm vị/giây, và không quan tâm đến vấn đề luyến âm giữa các âm vị kề nhau, ta có thể ước lượng được tốc độ truyền trung bình của âm thoại khoảng 60bit/giây. Trong hệ thống truyền âm thoại, tín hiệu thoại được truyền lưu trữ và xử lý theo nhiều cách thức khác nhau. Tuy nhiên đối với mọi loại hệ thống xử lý âm thanh thì có hai điều cần quan tâm chung là: 1. Việc duy trì nội dung của thông điệp trong tín hiệu thoại 2. Việc biểu diễn tín hiệu thoại phải đạt được mục tiêu tiện lợi cho việc truyền tin hoặc lưu trữ, hoặc ở dạng linh động cho việc hiệu chỉnh tín hiệu thoại sao cho không làm giảm nghiêm trọng nội dung của thông điệp thoại. Việc biểu diễn tín hiệu thoại phải đảm bảo việc các nội dung thông tin có thể được dễ dàng trích ra bởi người nghe, hoặc bởi các thiết bị phân tích một cách tự động. 2.1.1.2 Khái niệm tín hiệu Là đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian, theo không gian, theo một hoặc nhiều biến độc lập khác, ví dụ như: ¾ Âm thanh, tiếng nói: dao động sóng theo thời gian (t) ¾ Hình ảnh: cường độ sáng theo không gian (x, y, z) ¾ Địa chấn: chấn động địa lý theo thời gian Biểu diễn toán học của tín hiệu: hàm theo biến độc lập Ví dụ: ¾ u (t ) = 2t 2 − 5 ¾ f ( x, y ) = x 2 − 2 xy − 6 y 2 Thông thường các tín hiệu tự nhiên không biểu diễn được bởi một hàm sơ cấp, cho nên trong tính toán, người ta thường dùng hàm xấp xỉ cho các tín hiệu tự nhiên. Hệ thống: là thiết bị vật lý, thiết bị sinh học, hoặc chương trình thực hiện các phép toán trên tín hiệu nhằm biến đổi tín hiệu, rút trích thông tin, … Việc thực hiện phép toán còn được gọi là xử lý tín hiệu. 2.1.1.3 Phân loại tín hiệu Tín hiệu đa kênh: gồm nhiều tín hiệu thành phần, cùng chung mô tả một đối tượng nào đó, thường được biểu diễn dưới dạng vector, ví dụ như tín hiệu điện tim (ECGElectroCardioGram), tín hiệu điện não (EEG – ElectroEncephaloGram), tín hiệu ảnh màu RGB. Tín hiệu đa chiều: biến thiên theo nhiều hơn một biến độc lập, ví dụ như tín hiệu hình ảnh, tín hiệu tivi trắng đen. Tín hiệu liên tục theo thời gian: là tín hiệu được định nghĩa tại mọi điểm trong đoạn thời gian [a, b], ký hiệu x(t ) . 17 Chươ ơng 2 Kỹ thu uật xử lý âm thanh Hìn nh 2.1.1 Tínn hiệu liên tụục theo thời gian g Tín hiệu rờ ời rạc thời gian: g là tín hiệu h chỉ đượcc định nghĩaa tại những thời t điểm rờ ời rạc khác nhau, n ký hiệuu x(n) . Hìn nh 2.1.2 Tínn hiệu rời rạcc theo thời gian g Tín hiệu liên tục giá trrị: là tín hiệuu có thể nhậnn trị bất kỳ trong t đoạn [Ymin , Ymax ] , ví v dụ tín hiệệu tương tự (analog). ( Hìn nh 2.1.3 Tínn hiệu liên tụục giá trị Tín hiệu rờ ời rạc giá trrị: tín hiệu chỉ c nhận trị trong một tậập trị rời rạc định trướcc (tín hiệu sốố). Chương 2 Kỹ thuật xử lý âm thanh Hình 2.1.4 Tín hiệu rời rạc giá trị Tín hiệu analog: là tín hiệu liên tục về thời gian, liên tục về giá trị. Hình 2.1.5 Tín hiệu analog Tín hiệu số: là tín hiệu rời rạc về thời gian, rời rạc về giá trị. Hình 2.1.6 Tín hiệu số Tín hiệu ngẫu nhiên: giá trị của tín hiệu trong tương lai không thể biết trước được. Các tín hiệu trong tự nhiên thường thuộc nhóm này Tín hiệu tất định: giá trị tín hiệu ở quá khứ, hiện tại và tương lại đều được xác định rõ, thông thường có công thức xác định rõ ràng 2.1.1.4 Phân loại hệ thống xử lý Gồm hai loại hệ thống là hệ thống tương tự và hệ thống số. Trong đó hệ thống xử lý số: là hệ thống có thể lập trình được, dễ mô phỏng, cấu hình, sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao, giá thành hạ, tín hiệu số dễ lưu trữ, vận chuyển và sao lưu, nhược điểm là khó thực hiện với các tín hiệu có tần số cao 19 Chương 2 Kỹ thuật xử lý âm thanh 2.1.1.5 Hệ thống số xử lý âm thanh Độ nhạy của tai người rất cao, nó có thể phân biệt được số lượng nhiễu rất nhỏ cũng như chấp nhận tầm biên độ âm thanh rất lớn. Các đặc tính của một tín hiệu tai người nghe được có thể được đo đạc bằng các công cụ phù hợp. Thông thường, tai người nhạy nhất ở tầm tần số 2kHz và 5kHz, mặc dù cũng có người có thể nhận dạng được tín hiệu trên 20kHz. Tầm động nghe được của tai người được phân tích và người ta nhận được kết quả là có dạng đáp ứng logarith. Tín hiệu âm thanh được truyền qua hệ thống số là chuỗi các bit. Bởi vì bit có tính chất rời rạc, dễ dàng xác định số lượng bằng cách đếm số lượng trong một giây, dễ dàng quyết định tốc độ truyền bit cần thiết để truyền tín hiệu mà không làm mất thông tin. Hình 2.1.7 Để nhận được tám mức tín hiệu khác nhau một cách phân biệt, tín hiệu đỉnh-đỉnh của tín hiệu nhiểu phải nhỏ hơn hoặc độ sai biệt giữa các mức độ. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu phải tối thiểu là 8:1 hoặc là 18dB, truyền bởi 3 bit. Ở 16 mức thì tỉ số tín hiệu trên nhiễu phải là 24dB, truyền bởi 4 bit. 2.1.1.6 Mô hình hóa tín hiệu âm thanh Có rất nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu được mô hình hóa và áp dụng các giải thuật trong việc khôi phục âm thanh. Chất lượng của âm thoại phụ thuộc rất lớn vào mô hình giả định phù hợp với dữ liệu. Đối với tín hiệu âm thanh, bao gồm âm thoại, nhạc và nhiễu không mong muốn, mô hình phải tổng quát và không sai lệnh so với giả định. Một điều cần lưu ý là hầu hết các tín hiệu âm thoại là các tín hiệu động trong thực tế, mặc dù mô hình thực tiễn thì thường giả định khi phân tích tín hiệu là tín hiệu có tính chất tĩnh trong một khoảng thời gian đang xét. Mô hình phù hợp với hầu hết rất nhiều lãnh vực trong việc xử lý chuỗi thời gian, bao gồm việc phục hồi âm thanh là mô hình Autoregressive (viết tắt AR), được dùng làm mô hình 20