Phương pháp mã hoá và nén âm thanh theo chuẩn Mpeg potx

Website:










Phương pháp mã hoá và
nén âm thanh theo
chuẩn Mpeg









Website:

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 ba chiều. Sự phát triển ồ ạt này đã dẫn tới ngành công nghệ phần
cứng đã không thể đáp ứng được những đòi hỏi về lưu trữ, đồng hành với sự
phát triển này là mạng 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 hình nói trên. Do đó tốc độ truy cập, tốc
độ truyền tải trên mạng được quan tâm hơn để cho người dùng không phải sốt
ruột ngồi chờ những trang web mà mình truy cập, họ không phải bực mình khi
download những file âm thanh và những bài hát mà họ ưa thích vì đường 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 phần mềm để hỗ trợ phần
cứng. Họ đã tạo ra những chương trình phần 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, hình 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 được 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 hình ảnh động (Moving Picture Experts Group), gọi tắt
là MPEG, được thành lập để nghiên cứu đưa ra những lược đồ mã hóa phù hợp
Website:

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
Phần trình bày của luận văn chỉ nằm trong khuôn khổ "Aâm thanh". Do
đó mọi vấn đề liên quan tới hình ảnh sẽ không được 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 chuẩn 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 đã tạo điều kiện thuân lợi nhất giúp em
hoàn thành báo cáo này.
















Website:

PHẦN I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN

Website:

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 đàn hồi.
Môi trường đàn hồi có thể coi là những môi trường liên tục gồm
những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau, lúc bình thường 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 đàn hồi, cho nên nếu tác dụng lên
phân tử nào đó của môi trường thì phân tử này 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
đàn 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.
Website:

 Sóng cầu: mặt sóng là những mặt cầu phân bố đều trong không
gian, tâm là nguồn sóng. Trong môi trường đồng chất và đẳng hướng 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 mặt sóng có thể coi là những 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 trường dao
động quanh vị trí cân bằng trên phương vuông góc với tia sóng.
d. Nguyên nhân gây ra sóng ngang và sóng dọc:
 Tùy tính chất của môi trường đàn 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 xuất 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 một môi
trường có tính chất đó.
- Nếu trong môi trường không có các lực đàn hồi khi các lớp song
song bị lệch đối với nhau thì sóng ngang không thể hình thành được. Chất

lỏng và chất khí là những môi trường đó.
- Khi bị biến dạng nén hay căng mà trong môi trường có các lực
đàn hồi xuất hiện thì 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 đàn hồi.
 Như vậy trong chất lỏng và chất khí chỉ có sóng dọc truyền
được, còn trong chất rắn có thể truyền được cả hai loại sóng.
1.2. Các đặc trưng của sóng.
Website:

a. Vận tốc truyền sóng (C) :
Là quãng đường mà sóng truyền được trong một đơn vị thời gian.
b. Bước sóng :
Là quãng đường mà sóng truyền được 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 định nghĩa ta có :  = CT.
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 phương OY với vận tốc C thì
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, phương trình sóng có dạng:
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 mà thính
giác nhận biết được. Thí dụ dao động phát ra từ dây đàn, mặt 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.
Website:

 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 đàn hồi có tần số f>20.000 Hz là sóng siêu âm.
 Các dao động đàn hồi có tần số f<16 Hz là sóng hạ âm
 Mỗi âm có một tần số riêng, đơn vị của tần số là héc (Hz) với
định nghĩa:”Héc là tần số của một qúa trình dao động âm trong đó mỗi
giây thực hiện được một dao động”.
1 Héc (Hz) = 1 dao động / 1 giây
 Việc phân chia sóng hạ âm, sóng siêu âm và sóng âm (âm thanh)
liên quan tới khả năng sinh lý của thính giác
2.2. Đơn vị vật lý của âm thanh.
 Âm thanh hay tiếng động mà con người nhận biết được do tác
động của sóng âm lên màng nhĩ tai.
 Các dao động âm phát ra từ nguồn lan truyền trong môi trường

đàn hồi như không khí dưới dạng sóng đàn hồi gọi là sóng âm. Sóng âm
đến kích động màng nhĩ tai gây cảm giác về âm, do đó cần phân biệt hai
loại đại lượng về âm:
- Đại lượng âm khách quan: những đại lượng thuần túy vật lý,
không phụ thuộc vào tai người.
- 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 suất 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 suất. Aùp suất ở đây là áp suất
dư 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
2.10
2
bar, chênh lệch 10
6
lần, đó là một phạm vi rất rộng.
Website:

b. Cường độ âm (I):
- Cường độ âm ở một điểm nào đó trên phương đã 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 thường I = 2.10
-3
W/m

2
Còi ô-tô I = 5 W/m
2

Còi báo động I = 3.000 W/m
2
- Trong điều kiện chuẩn (t
o
= 20
o
C, áp suất 760mmHg):
Vận tốc âm trong không khí : C = 340 m/s
 = 0,00121 gr/cm
3
.
 = C
p
/C
v
= 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 được
Áp suất âm nhỏ nhất P
min
= 2.10
-4
bar
Cường độ âm nhỏ nhất I
min

= 10
-16
W/cm
2
.
- Aùp suất âm và cường độ âm lớn nhất mà tai người có thể chịu
được là:
P
max
= 2.10
2
bar
I
max
= 10
-4
W/cm
2
.
- Công suất âm nhỏ nhất có thể nghe thấy được W
min
= 10
-12
Watt.
2.2.2. Đơn vị âm chủ quan:
 Tai người 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
người.
 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.
Website:

 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 này 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:
P
o
= 2.10
-5
N/ m
2
.
I
o
= 10
-12
W/m
2
.
 Do cảm giác âm thanh phụ thuộc vào đặc tính sinh lý của tai
người, cho nên phải có một số đại lượng đặc trưng cho cảm giác âm thanh
phụ thuộc vào tai người, những đại lượng như vậy gọi là đại lượng âm chủ
quan.
a. Bel và decibel (db):
Theo định lý sinh lý của Vebe-Fécne, cảm giác nghe to đối với một

âm không tỉ lệ thuận với cường độ âm của âm đó. Khi cường độ âm tăng
từ I
o
tới I thì cảm giác nghe to tăng tỉ lệ với lg(I/I
o
). 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 mức zero qui ước :
lg(I/I
o
) = lg(10
-12
/ 10
-12
) = 0 bel.
Đơn vị là Bel hay db. 10db = 1 bel.
b. Mức cường độ âm (L
I
):
Nếu gọi I là cường độ âm của âm đang xét và I
o
là cường độ âm của
mức zero qui ước của âm chuẩn thì mức cường độ âm L
I
bằng :
L
I
= 10lg(I/I
o
) db

I tính bằng W/m
2
.
c. Mức áp suất âm (Lp):
Mức áp suất âm suy dẫn từ mức cường độ âm Lp = 20lg(P/P
o
) db.
Trong đó:
Website:

P :áp suất âm có ích của âm đang xét (N/m2)
P
o
:áp suất âm của âm chuẩn ở ngưỡng nghe.
Thực tế áp suất âm là đại lượng cơ bản hơn cường độ âm, nên
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 (quãng tần số):
 Quãng tần số của hai âm là khoảng cách tần số của hai âm đó.
Nếu một âm tần số là f
1
, một âm khác tần số là f
2
(f
2
> f

1
) thì f
2
/ f
1
= 2
x
.
Khi x=1 tức f
2
/ f
1
= 2 gọi là 1 quãng tần số (hay 1 ốc-ta).
Khi x=1/2 tức f
2
/ f
1
= 1.41 gọi là nửa ốc-ta.
Khi x=1/3 tức f
2
/ f
1
= 1.26 gọi là 1/3 ốc-ta.
- Mức áp suất âm của 1 ốc-ta bằng mức áp suất âm của 1/2 ốc-ta
cộng thêm 3db.
- Mức áp suất âm của 1 ốc-ta bằng mức áp suất âm của 1/3 ốc-ta
cộng thêm 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 thực 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:
Website:

- 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 bằng “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 lượng này xác định
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 nhạy 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:
Website:

âm có tần số 500 Hz mức 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 trưởng 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
Website:

nhạc cụ. Mỗi người, mỗi nhạc 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. Chẳng hạn tiếng đàn Pi-a-
nô và tiếng sáo tuy cùng một âm cơ bản nhưng lại rất dễ phân biệt,
nguyên nhân là do số lượng, cấu trúc những họa âm quanh âm cơ bản 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 mắt không nhìn thấy nguồn âm nhưng có thể
xác định chính xác vị trí của nguồn âm. Đặc điểm này 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 chênh 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 khả 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 thì hiệu qủa này mất.
4. Nghe âm và chênh lệch thời gian:
Website:

 Tương tự như tác dụng lưu ảnh của mắt, tai người cũng có tác
dụng lưu âm.
 Thí nghiệm với nhiều thính giác bình thường 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.
Website:

CHƯƠNG 2. TẬP TIN DẠNG SÓNG (WAVE FILE).

I. MULTIMEDIA WINDOWS
 Từ phiên bản Windows 3.1, Multimedia đã trở thành một tính
năng của Windows. Multimedia Windows đã bổ sung một tính năng mới:
đó là sự độc lập thiết bị trong việc xử lý âm thanh. Sự độc lập thiết bị này
thể hiện qua bộ API (Applycation Program Interface – Bộ giao diện lập
trình ứng dụng). Bộ API độc lập về thiết bị đối với phần 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, hãng Microsoft đã thực hiện được ba
điều :
 Định nghĩa một tiêu chuẩn phần cứng tối thiểu cho loại máy
Multimedia PC (viết tắt là MPC). Tiêu chuẩn này dựa trên chức năng tổng
quát hơn là sản phẩm cụ thể. Ví dụ nếu PC có thêm ổ đĩa CD-ROM và
một card âm thanh thì trở thành MPC cấp 1.
 Microsoft đã cung cấp phần mềm Multimedia Extension cho
Windows 3.0 và đã được ghép luôn vào hệ điều hành Windows từ phiên
bản 3.1. Phần mềm này bao gồm các bộ điều khiển thiết bị dành 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
Website:

.WAV trên đĩa. Các dữ liệu số này có thể 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 những 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 đã 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 (dạng file trao đổi tài nguyên). Một
RIFF file gồm một hoặc 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 mà nó không quan tâm, một chunk của RIFF file luôn bắt đầu bởi
một header có cấu trúc như sau:
Typedef struct
{
FOURCC ckid;
DWORD ckSize;
Website:

} 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 bên phải sẽ được đệm thêm vào các khoảng trắng. Cần chú ý là
các ký tự trong FOURCC có phân biệt chữ hoa và chữ thường.
Trường DWORD chứa kích thước vùng dữ liệu của chunk, vùng dữ
liệu này 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 loại “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 nAvgBytesPerSec;
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
Website:

Giá trị này báo cho phần mềm đang đọc Wave File biết kiểu mã
hóa dữ liệu âm thanh sang dữ liệu số là kiểu mã hóa PCM. Hiện nay đây
là kiểu mã hóa duy nhất 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 để 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 thì sẽ phải
lưu trữ 4 bit thừa không dùng đến.
b. Subchunk “data”.
Website:

Dữ liệu của “data” subchunk của wave file chứa các số liệu của âm
thanh đã 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 này 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 mẫu 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 mẫu âm thanh của

kênh bên trái, byte sau (byte lẻ) là của kênh bên phải.


Tóm laị cấu trúc của Wave File như sau:
Kí
ch thước
(số byte)
Giá trị Tên trường
4

“RIFF”


4 Kích thước file RIFF


4 “WAVE”
4 “fmt”
4 Kích thước subchunk
“fmt”

2 Kiểu mã hóa dữ liệu
của file wave (thường là
PCM)
WORD
nFormatTag
2 Số kênh : 1 - mono
2 - stereo
WORD
nChannels

4 Số mẫu/1giây DWORD
Website:

nSamplesPerSec
4 Số bytes/1giây DWORD
nAvgBytesPerSec
2 Số byte/1mẫu DWORD
nBlockAlign
2

S
ố bit/1mẫu

WORD
wBitsPerSample
4 “data”
4 Kích thước dữ liệu

III. ĐỌC RIFF FILES
 Để làm việc với file RIFF, ta phải mở nó và “descend” vào
chunk mà ta cần. Điều này có nghĩa là ta cần phải định vị được chunk
này, 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
mã 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
Website:

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 gọi hàm mmioDescend để định vị chunk. Nếu
định vị thành công, hàm này trả về zero và đối tượng MMCKINFO truyền
cho hàm sẽ được điền vào các thông tin về chunk.
Trường cksize định nghĩa kích thước tính bằng byte của chunk.
Đối số thứ ba của mmioDescend là cờ MMIO_FINDRIFF. Cờ này
chỉ thị cho mmioDescend tìm một file có ID là RIFF với loại chunk được
Website:

xác định bởi ckid. Nếu muốn tìm một chunk trong Wave file ta cho cờ này
là MMIO_FINDCHUNK.
Sau khi đi vào WAVE chunk, ta bắt đầu đi vào fmt subchunk của
nó:
MMIOCKINFO mmSub;
MmSub.ckid=mmioFOURCC(‘f’,’m’,’t’);
If (mmioDescend(h,(LPMMCKINFO)& mmSub,
(LPMMCKINFO)&mmParent,MMIO_FINDCHUNK)
)
{
mmioClose(h,0);
/* báo lỗi */
return(0);
}
Đến đây ta đã có thể bắt đầu đọc dữ liệu từ Wave File. Đoạn mã
sau đọc đối tượng PCMWAVEFORMAT từ fmt subchunk:
PCMWAVEFORMAT waveformat;
Int n;
n = min ((unsigned int)mmSub.cksize,

sizeof(PCMWAVEFORMAT));
if(mmioRead(h,(HPSTR)&waveformat,
(long)n) !=(long)n)
{
/* báo lỗi */
return(0L);
}
if(waveformat.wf.wFormatTag !=WAVE_FORMAT_PCM)
{
Website:

/* báo lỗi */
mmioClose(h,0);
return(0L);
}
Đối số đầu tiên của mmioRead là handle của file đang đọc. Đối số
thứ hai là con trỏ xa trỏ tới vùng đệm để chứa dữ liệu. Đối số thứ ba là số
byte cần đọc. Hàm này sẽ trả về số byte thực sự đọc được.
 Sau khi đã đọc nội dung của chunk, ta đi ra khỏi chunk để chuẩn
bị đọc chunk kế tiếp:
MmAscend(h,(LPMMCKINFO)&mmSub,0);
Đối số thứ hai của mmAscend là đối tượng MMCKINFO của
chunk mà ta “đi ra”. Đối số thứ ba là đối số giả.
 Công việc còn lại là đọc dữ liệu mã hóa mẫu âm thanh của
Wave file vào bộ nhớ. Chú ý rằng giá trị cksize trả về bởi mmioDescend
được sử dụng để xác định kích thước vùng đệm cần cấp phát để chứa dữ
liệu.
GLOBALHANDLE wavehandle;
HPSTR wavepointer;
MmSub.ckid=mmioFOURCC(‘d’,’a’,’t’,’a’);

If(mmioDescend(h,(LPMMCKINFO)&mmSub,
(LPMMCKINFO)&mmParent,MMIO_FINDCHUNK)
)
{
mmioClose(h,0);
/* báo lỗi */
return(0);
}
if((wavehandle=GlobalAlloc(GMEM_MOVEBLEIGMEM_
SHARE, mmSub.cksize))==NULL)
Website:

{
mmioClose(h,0);
/* báo lỗi */
return(0);
}
if(wavepointer=(HPSTR)GLOBALLOCK(WAVEHANDLE
))

==null)
{
GlobalFree(wavehandle);
mmioClose(h,0);
/* báo lỗi */
return(0);
}
if(mmioRead(h,wavepointer,mSub.cksize) !=

mSub.cksize)

{
GlobalUnlock(wavehandle);
GlobalFree(wavehandle);
mmioClose(h,0);
/* báo lỗi */
return(0);
}
GlobalUnlock(wavehandle);