UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA
DA MPEG ALLE WEB RADIO
Relatore
Chiar.mo Prof. Ing. A. POGGI
Tesi di Laurea di
ALBERTO CALOROSI
Ringraziamenti
C’è qualcosa di intrinsecamente anacronistico nel capitolo dei ringraziamenti,
tradizionalmente posti a principio di una tesi e sovente scritti al termine della
stessa. Viene istintivo viaggiare a ritroso nel tempo, vagolare con la memoria,
ripensando a quella formula che proprio non voleva uscire, a quel capitolo scritto
e riscritto mille volte, a quell’intuizione notturna che fa sobbalzare e correre ad
accendere il PC.
E’ ciò che faccio ora, viaggiare, nel profondo di questa notte sferzata dalla
pioggia e dal vento che agita i ricordi come lenzuola di fantasmi. Chiudo gli occhi
e mi abbandono contro lo schienale. Chiudo gli occhi e navigo nella notte. Con
me ci sono tutti i miei amici. Li saluto con un’occhiata. I miei amici, quelli che
hanno saputo soffiare a pieni polmoni nelle mie vele sgonfie in occasione dei
(numerosi, ahimè) momenti di bonaccia creativa. Vi ringrazierò uno per uno,
statene certi. Ma non qui. Lo farò di persona, a tempo debito. In questa sede mi
limiterò a menzionare le tre persone che più di chiunque altro hanno desiderato
che terminassi questo percorso lungo e accidentato: mamma, papà e Sara. Non lo
nascondo: senza di loro, quella dei ringraziamenti sarebbe l’unica pagina di questa
tesi.
Ringrazio infine il professor Agostino Poggi per tutto ciò che è fattivamente
legato ai contenuti di questa tesi, ma soprattutto per la sua straordinaria capacità di
fornirmi, nei momenti di difficoltà, stimoli rapidi e risolutori. Senza i quali, alla
pagina dei ringraziamenti, verosimilmente non sarei mai arrivato.
i
Indice
Prefazione ………………………………………………………………... vi
1
Sistemi audio digitali ……………………………………………………..
2
Psicoacustica ……………………………………………………………... 16
3
L’algoritmo di compressione Mp3 ………………………………………. 28
4
Un’applicazione: la web radio …………………………………………… 57
1
Conclusioni ……………………………………………………………..... 69
Appendice A: L’acustica e l’orecchio umano ……………………………. 71
Appendice B: Filtri polifase …………………………………………….... 84
Appendice C: Trasformata Discreta a Coseni Modificata ……………….. 89
Appendice D: Intervista a Dalse di Yastaradio.com ……………………... 92
Bibliografia ……………………………………………………………..
ii
99
Indice delle figure
2.01 Le curve di Fletcher-Munson ……………………………..……………....... 18
2.02 Minimum Audible Field in funzione dell’età e del sesso ..…………………. 20
2.03 Differente percezione del tono diffuso vs. tono diretto ..…………………..
20
2.04 Bande critiche: banda di frequenze ……………………..………………..... 21
2.05 Intensità percepita in funzione della larghezza di banda ..…………………. 21
2.06 Diagramma di Stevens …………………………………..………………....
23
2.07 Legame tra altezza sonora soggettiva e bande critiche ..…………………...
24
2.08 Alterazione della curva MAF di Fletcher-Munson in presenza di più toni ..
25
2.09 Curve di attenuazione di pre-mascheratura e post-mascheratura ………….
26
3.01 Schema a blocchi di un encoder Mp3…………………..……………….....
31
3.02 Sottobande del banco di filtri vs. bande critiche psicoacustiche …………..
34
3.03 Il banco di filtri polifase Mp3 …………………………..……………….....
35
3.04 Diagramma di flusso di un banco di filtri polifase Mp3 ..…………………. 35
3.05 Ampiezza del filtro FIR in banda base …………………..………………...
38
3.06 Trasformazione di un tono vicino al confine tra due sottobande ………….
39
3.07 Diagramma di stato del blocco MDCT ………………..…………………... 42
3.08 Differenti PE in funzione del segnale in ingresso ……..…………………… 47
3.09 Algoritmo di quantizzazione. Diagramma di flusso …..…………………… 49
3.10 Quantizzazione: ciclo esterno. Diagramma di flusso .…..…………………. 51
3.11 Tipico aspetto di un sub-frame dell’encoder entropico …..………………... 53
3.12 Struttura del frame: implementazione reservoir bit ……..…………………. 53
3.13 Schema a blocchi di un encoder MPEG-2 ……………..………………......
55
4.01 Internet: bacino di utenza complessivo negli Stati Uniti nel 2009 ………… 59
iii
4.02 Web radio: bacino di utenza complessivo negli Stati Uniti nel 2009………. 60
4.03 Web radio: utenti abituali negli ultimi dieci anni…………………………… 60
4.04 Web radio: preferenza radio web rispetto alla radio tradizionale ………….. 61
4.05 Il plugin Shoutcast source e Shoutcast D.N.A.S. ………..……………….... 66
4.06 Il logo di Yastaradio.com .………………………………..……………......
67
A.1
Propagazione del suono con sorgente puntiforme o sferica ……………….
73
A.2
L’orecchio umano ………………………………………..……………......
74
A.3
Movimento degli ossicoli ………………………………..………………..
76
A.4
Saturazione degli ossicoli ………………………………..………………..
76
A.5
Canali semicircolari ……………………………………..………………...
77
A.6
Coclea …………………………………………………..………………....
77
A.7
Sezione della coclea ……………………………………..………………..
78
A.8
Organo di Corti …………………………………………..…………….....
78
A.9
Disposizione delle celle filamentose …………………..………………….
78
A.10 Cella filamentosa ………………………………………..………………...
78
A.11 Disegno “raddrizzato” della coclea ……………………..………………...
79
A.12 Oscillazione della coclea a differenti frequenze ………..………………….
80
A.13 Oscillazione della coclea a differenti frequenze ………..………………….
80
A.14 Sharpening nella coclea ………………………………..………………......
80
A.15 Oscillazioni della membrana di base a differenti frequenze ………………
82
B.1
Sottobande lineari ………………………………………..……………......
84
B.2
Sottobande logaritmiche ………………………………..………………....
84
B.3
Banco di filtri PQF ……………………………………..………………....
86
iv
Indice delle tabelle
1.1 Fattori di compressione per “layer” ……………………..………………..... 10
1.2 Livelli di qualità percepita in funzione del fattore di compressione ………. 11
2.1 Le 27 bande critiche della psicoacustica: caratteristiche …………………... 22
B.1 I coefficienti di un filtro polifase nel caso dell’Mp3 ………………………. 86
v
Prefazione
Nei ventidue anni che intercorrono tra la fondazione del Moving Picture
Experts Group (MPEG) e oggi, un interesse sempre crescente è gravitato attorno
alla digitalizzazione “intelligente” di segnali multimediali, audio e video.
Agli albori, la ricerca prese impulso dalla impellente necessità di trasmettere
informazioni dotate di una banda più grande della capacità del canale a
disposizione. Nel caso specifico, la trasmissione di un segnale parlato su un cavo
telegrafico. L’impressione iniziale che all’aumentare della capacità del canale la
necessità di comprimere il segnale sarebbe stata sempre meno impellente, si rivelò
profondamente sbagliata. Al contrario, nonostante l’avvento di fibre ottiche, linee
DSL e supporti di stivaggio di grandi capacità (il DVD o il recente Blu-ray), la
compressione oggi è più importante che mai, in virtù della crescita esponenziale
della domanda di trasmissione di contenuti multimediali su canali wireless e su
reti a pacchetti di dati. Una ulteriore criticità è costituita dalle elevate aspettative
da parte dell’utente. Vale a dire che soltanto applicazioni in grado di fornire un
servizio di alta qualità risultano, alla luce dei fatti, commerciabili.
L’avvento del Compact Disc nei primi anni 80 congelò di fatto lo standard per
l’alta fedeltà audio, ma alle spese di due gravi limitazioni: una elevatissima
ridondanza di segnale e l’impossibilità da parte dell’algoritmo di evolvere.
La ricerca effettuata principalmente (ma non solo) dal MPEG negli anni
immediatamente successivi è avvenuta nella direzione del superamento di questi
due limiti, creando un algoritmo capace di mantenere una elevata qualità percepita
del segnale ricostruito in termini di fedeltà e spazialità, e al contempo versatile in
termini di adattività al segnale in ingresso. Inoltre, l’algoritmo deve essere facile
da processare, pertanto cruciali sono la scalabilità di banda, la complessità
vi
dell’algoritmo, la latenza di codifica e il consumo di risorse. Infine, nel caso di
applicazioni broadcast, è richiesta una certa robustezza all’errore di canale, che si
accompagni possibilmente a una degradazione “gradevole” in presenza di un
incremento di errori di canale.
Lo stato dell’arte oggi è rappresentato da encoder capaci di generare suoni
percettivamente trasparenti con un rapporto di compressione vicino a 1 a 10 e, in
caso di applicazioni network, fornire una discreta qualità sottocampionando fino a
1 bit per campione.
Lo scopo di questa tesi è fornire un’analisi top-down dei presupposti tecnici e
scientifici che hanno fattivamente contribuito al raggiungimento degli scopi
summenzionati decretando il successo mondiale dell’Mp3, lanciando un’occhiata
alle modalità evolutive dell’algoritmo nella forma dei suoi successori, cioè l’AAC
e l’Mp4 e a una delle applicazioni oggigiorno più interessanti, la radio web.
vii
Capitolo 1
Sistemi audio digitali
Questo capitolo fornisce un compendio storico-sociale delle motivazioni che
hanno condotto alla sperimentazione e successiva standardizzazione di algoritmi
di compressione audio. Fornisce altresì una breve descrizione dei presupposti
tecnici soggiacenti alla realizzazione di un algoritmo di compressione audio.
1.1 Dalla scoperta dell’America allo
standard MPEG
“I
l caso aiuta soltanto la mente preparata al nuovo e all'inconsueto”. Così
commentava il grande scienziato Louis Pasteur a chi gli chiedeva di
spiegare il ruolo giocato dal destino per quanto riguarda le sue brillanti
scoperte sulla fermentazione e sulla vaccinazione.
E’ un dato di fatto che numerose tappe fondamentali del progresso scientifico
siano consistite in scoperte meramente casuali, quando addirittura non generate da
grossolani errori
E’ il caso del geniale (ma imprudente) chimico svizzero Christian Schönbein.
Schönbein soleva condurre esperimenti chimici nella cucina di casa, con grande
Sistemi audio digitali
2
disappunto della moglie. Un giorno gli capitò di rompere sbadatamente l’ampolla
in cui stava distillando acido nitrico e acido solforico: le due sostanze corrosive si
versarono sul pavimento della cucina. In preda al panico, il chimico si affannò a
pulire in giro utilizzando la prima cosa che gli capitò a tiro: il grembiule della
moglie, composto in gran parte di cellulosa. Il grembiule prese inaspettatamente
fuoco. Stupefatto, Schönbein, analizzò l’accaduto e capì che la cellulosa del
grembiule, unita ai due acidi, si era trasformata in una nuova sostanza che, oltre a
essere estremamente infiammabile, poteva essere modellata col calore per
assumere qualsiasi forma. Si trattava della nitrocellulosa, l’antenato della plastica.
O il signor Percy Spencer, intraprendente tecnico di una grande azienda
produttrice di radar. Un giorno il signor Spencer si rese conto che le valvole dei
radar scioglievano le caramelle che teneva nella tasca dei pantaloni. Colpito dal
fenomeno, mandò a prendere un sacchetto di granoturco, lo sistemò davanti alla
valvola e in breve tempo ottenne i popcorn. Era evidente che le microonde
prodotte dalla valvola radar avevano la proprietà di cuocere i cibi istantaneamente.
Percy Spencer aveva appena inventato il forno a microonde.
Oppure il signor Arthur Fry, impiegato alla società americana 3M, ingegnere
chimico per professione e appassionato corista per hobby. I foglietti segnalibro
che Fry soleva inserire tra i suoi spartiti cadevano a terra ogniqualvolta egli si
accingesse a poggiare il plico sul leggio, con grande frustrazione del Signor Fry.
Egli si ricordò, dunque, di un collante blando realizzato per errore da un collega e
successivamente scartato in quanto non commerciabile. Pensò di spennellarne un
po’ sui foglietti segnalibro in modo che non cadessero. In quel modo, Fry aveva
risolto tutti i suoi problemi con gli spartiti e contemporaneamente inventato il
post-it.
Percepire il progresso alla stregua di una fortuita successione di effetti
collaterali, come una sorta di reiterato (invero affatto illuministico) “buscar
l’oriente par l’occidente”1, è certamente un approccio capzioso e riduttivo
1
Le parole con cui Cristoforo Colombo ebbe modo di convincere la regina Isabella di Spagna
a finanziare il suo ambizioso progetto di circumnavigare il globo così da raggiungere da ovest
quell’estremo oriente la cui opulenza era già favoleggiata da Marco Polo duecento anni addietro.
Colombo, grande avventuriero ma mediocre navigatore, aveva stimato la circonferenza terreste
inferiore di circa il 40% al valore reale (peraltro già calcolato con eccellente approssimazione dallo
scienziato egiziano Eratostene indietro nel terzo secolo a.C.). Dopo il 1492, Colombo compì altri
Sistemi audio digitali
3
ancorché marginalmente faceto. Fornisce in questa sede il pretesto per una breve
inciso sulla genesi del “fenomeno” Mp3, i cui primi vagiti avvengono all’interno
di un progetto tanto importante quanto innovativo, ma certamente di portata
minore, perlomeno negli intenti iniziali: la trasmissione radiofonica digitale via
etere2.
Il primo progetto orientato alla creazione di un algoritmo di compressione per
flussi multimediali audio risale all’anno 1987. In quell’anno la “Fraunhofer IISA”, in collaborazione con l’università di Erlangen diede vita a un progetto
finalizzato allo sviluppo di uno standard per broadcast digitale radiofonico (DAB
– Digital Audio Broadcast) denominato EU-1473, all’interno del progetto di
ricerca EUREKA finanziato dalla Comunità Europea. EU-147 si fonda
principalmente su un algoritmo di codifica detto MUSICAM (Masking pattern
Universal Sub-band Integrated Coding And Multiplexing), una sorta di bisnonno
dell’Mp3, e da uno schema di modulazione digitale detto COFDM (Coded
Orthogonal Frequency Division Multiplexing), caratterizzato da un elevatissimo
numero di portanti (fino a 1536, spaziate di 1 KHz) e ottimizzato in modo da
essere robusto agli errori di multipath (echi) e piuttosto agile in termini di
occupazione di banda. L’obiettivo di EU-147 era di fornire un servizio
radiofonico più affidabile e di maggiore qualità, più versatile e capace di fornire
servizi supplementari rispetto al servizio analogico. Oggi EU-147 dà voce a un
migliaio di radio digitali che raggiungono circa 500 milioni di utenti in tutto il
tre viaggi (nel 1493, nel 1498 e nel 1503) senza mai riconoscere l’errore. Sembra che nel corso
dell’ultimo dei suoi viaggi, dopo aver esplorato per cinquanta giorni l'isola di Cuba, abbia costretto
i marinai a giurare, di fronte ad un notaio, che quella che stavano calpestando era la Cina.
2
Ritenere la trasmissione radiofonica digitale via etere un progetto di scarsa portata è un punto
di vista strettamente personale e assolutamente discutibile. La radio digitale via etere mi appare
come una sorta di ibrido digitale/analogico da collocare storicamente di fianco a tecnologie già
superate quali, in tempi non lontani, il videodisco o il DCC. Tutt’altro discorso per quanto riguarda
la radio digitale via internet (web radio), che, anzi, a giudicare dall’estensione dei servizi è già da
qualche anno un’interessante realtà (si confronti l’ultimo capitolo di questa tesi).
3
Si confrontino:
- “Audio in digital radio -- the Eureka 147 DAB system”, pubblicato in “Electronic Engineering”,
April 1998. Autore AJ Bower (BBC)
- A technical overview of digital radio, autore Stephen Baily, BBC research and development,
Kingswood Warren, Tadworth, KT20 6NP, United Kingdom
Sistemi audio digitali
4
mondo4. La BBC inglese, la prima ad abbracciare questa tecnologia, fornisce oltre
300 servizi commerciali in DAB dal 20015.
Mi sia consentito aggiungere per dovere di cronaca che tutto questo
rappresenta solamente metà del firmamento: gli Americani (precisamente gli Stati
Uniti: il Canada si è conformato al modello Europeo) hanno preferito invece
perseguire un modello ibrido analogico/digitale denominato IBOC (In-Band OnChannel) che consiste nell’aggiungere una sottoportante digitale all’interno del
segnale analogico AM o FM. Questa scelta ha permesso di evitare il problema di
ulteriori assegnazioni di banda; d’altro canto vi sono però forti limitazioni in
termini di prestazioni: la maggiore energia complessiva del segnale RF genera
interferenze tra canali adiacenti, inoltre la comunque scarsa banda a disposizione
per il segnale digitale (che in molti casi è stato sovrapposto a quello analogico)
permette prestazioni sicuramente scarse. Nonostante l’iniziale svantaggio in
termini di prestazioni col rivale EU-147 negli ultimi anni IBOC, sotto la guida di
Ibiquity6, ha recuperato parecchio terreno, complice la scelta di sfruttare nuovi e
più efficienti algoritmi di compressione audio.
Questi primi tentativi di compressione audio fornirono risultati più che
incoraggianti: gli streaming ottenuti erano di ottima qualità e di dimensioni molto
ridotte rispetto ai fratelli maggiori, i file audio cosiddetti “a qualità compact
disc/disk”7. La compressione audio acquisì crescente fama e cominciò a essere
4
Si confronti: http://www.worlddab.org/
Si confronti: www.bbc.co.uk/digitalradio/
6
Si confronti: http://www.ibiquity.com/technology/index.htm
7
Capita sovente che l’ingresso nel linguaggio comune di nuovi termini generi un transitorio
temporale di... confusione toponomastica. Nella maggioranza dei casi è proprio la consuetudine,
più che gli standard, a definire ciò che è corretto e ciò che non lo è. In certi casi il periodo
transitorio è inaspettatamente lungo. La dicotomia disc/disk rappresenta un ottimo esempio. Il
termine disk entrò a far parte della lingua inglese verso al metà del 17-esimo secolo. Il vocabolo
era originariamente scritto con la k finale, sul modello di parecchie altre parole più vecchie (es:
whisk). La versione con la c arrivò soltanto mezzo secolo più tardi, diretta derivazione del termine
latino discus. Entrambi i vocaboli disc e disk furono usati in maniera intercambiabile ed
equivalente durante tutto il 20-esimo secolo nell’universo anglofono, con una certa preponderanza
del termine disc in Inghilterra, mentre oltreoceano si preferiva disk. Alla fine del 19-esimo secolo
si cominciò a utilizzare il termine disc in riferimento alle registrazioni fonografiche realizzate con
una nuova tecnica di incisione fonografica su dischetti piatti: una tecnica nata in Europa e poi
esportata in America. Lo spelling con c divenne convenzionale in questo contesto, al di là delle
divisioni geografiche poco prima evidenziate: chi mette i dischi alla radio è un disc jockey, non un
disk jockey. Negli anni ’40, agli albori dell’era informatica, gli scienziati Americani, scelsero
5
Sistemi audio digitali
5
oggetto di interesse più generale: non più soltanto finalizzato alla trasmissione
radio digitale, ma come parte di un progetto di ottimizzazione dei flussi digitali
multimediali, cioè sia audio che video.
Il Moving Picture Experts Group (MPEG) fu creato nel Maggio 1988 da parte
di
25
membri
fondatori,
con
l’obiettivo
di
sviluppare
standard
per
rappresentazioni codificate di immagini in movimento, audio e combinazione dei
due. Il MPEG lavora sotto la direzione congiunta dell’International Standards
Organization (ISO) e dell’International Electro-Technical Commission (IEC),
designazione ufficiale: ISO/IEC
JTC1/SC29 WG11. La comunità MPEG
annovera ora circa 350 esperti appartenenti a 200 aziende/enti di 20 nazioni
differenti. Nonostante la sua struttura ancora informale, il gruppo MPEG emette
standard di alta rilevanza strategica. In questo senso non sorprende il fatto che tra
i membri del gruppo vi siano eminenti team di ricerca e sviluppo delle più
importanti aziende di informatica e telecomunicazioni8.
Un gruppo di lavoro si sviluppò attorno alle persone di Karlheinz
Brandenburg9 e Jürgen Herre. Essi cominciarono i loro studi partendo dai due
principali algoritmi dell’epoca, il MUSICAM (noto anche come MPEG layer II o
invece lo spelling disk, a loro più congeniale, per dare nome ai dispositivi di immagazzinamento
portatili, da cui, successivamente, hard disk e floppy disk. Quando apparvero sul mercato i primi
compact disk/c, entrambe le forme furono inizialmente mantenute. Gli informatici tendevano a
preferire lo spelling familiare con la k mentre i discografici, che vedevano i CD come una
evoluzione delle vecchie tecniche di registrazione fonografiche, vi si riferivano come compact
disc. Questa differenza, anziché scomparire, si ampliò mano a mano che l’oggetto prendeva piede
nei due differenti mondi discografico e informatico. Oggi si compera un compact disk in un
negozio di informatica e un compact disc in un negozio di musica. Qualche anno dopo comparve
un nuovo supporto molto versatile ampiamente utilizzato sia dagli addetti dell’informatica che da
quelli del’entertainment. Curioso osservare che primi lo chiamarono optical disk, i secondi,
videodisc. (fonte: http://www.bartleby.com)
8
Per ulteriori informazioni sul modus operandi del MPEG group si confronti
http://www.chiariglione.org/mpeg/about_mpeg.htm
9
Karlheinz Brandenburg è da molti considerato il papà dell’Mp3 per via del contributo
massivo fornito nel definire i parametri dello standard MPEG layer 3 (l’Mp3, appunto) e,
successivamente, per aver gettato le basi teoriche per lo sviluppo del successore dell’Mp3, lo
standard AAC. Ma soprattutto per avere precorso i tempi, occupandosi di compressione musicale
già nel lontano 1977, quando ebbe modo di confrontarsi con le teorie del professor Dieter Seitzer
finalizzate al trasferimento di musica su una linea telefonica standard. Sul piano personale non
posso che condividere col professor Brandenburg il suo disinteresse per il profitto in confronto con
la scienza e il progresso (“Non mi interessano i numeri sul mio conto in banca: io sono soddisfatto
del mio lavoro, delle persone con le quali lo porto avanti e dei risultati ottenuti”) nonché la sua
passione per Suzanne Vega. Si confronti:
www.ieee.org/portal/pages/about/awards/bios/2004ibuka.html
http://www.iis.fraunhofer.de/EN/bf/amm/products/Mp3/Mp3history/Mp3history01.jsp
Sistemi audio digitali
6
MP2) e l’ASPEC, che integrarono con una serie di intuizioni nuove. E’ storia che
il brano prescelto da Brandenburg per testare la bontà della propria creatura fosse
“Tom’s diner” nella versione originale a cappella10, brano scelto per la sua
leggerezza e semplicità che lo rendevano ideale per percepire eventuali
imperfezioni nella riproduzione. Nacque così lo standard MPEG layer III,
altrimenti (arci)noto come Mp3. E Suzanne Vega passò alla storia, tra le altre
cose, per essere la prima artista codificata in Mp3. Nel 1992 entrambi gli
algoritmi (MUSICAM alias MPEG layer II e Mp3 alias MPEG layer III) furono
finalizzati e standardizzati nella norma ISO/IEC-11172-3, pubblicata poi l’anno
successivo.
Una doverosa puntualizzazione, prima di proseguire.
In questa sede sovente si fa riferimento allo standard MPEG in termini di
compressione audio. Ciò è inesatto in quanto, come detto, MPEG sviluppa
standard per la codifica sia audio che video. A parte qualche eccezione che mi
periterò di segnalare, è mia concentrarmi soltanto sulla codifica audio.
Nella sua forma definitiva lo standard MPEG è costituito da tre differenti strati
(“layers” in inglese) cronologicamente successivi l’uno all’altro e di crescente
complessità e prestazioni. Ogni strato successivo è compatibile con i precedenti in
forma gerarchica e ne estende le caratteristiche.
La forma più semplice è il layer 1 (chiamato anche PASC), concepito per il
formato DCC11. Si tratta del protocollo più vecchio e più elementare. Ha
prestazioni di compressione e fedeltà limitate per quanto già sorprendenti, dal
10
“Tom’s diner” è la prima traccia del secondo album di Suzanne Vega “Solitude standing”,
pubblicato nel 1987. A metà anni ottanta, in un contesto musicale mai come allora tanto ipertrofico
quanto povero d’idee, Suzanne irruppe con le sue liriche intimiste, sovente autobiografiche, dotate
di arrangiamenti limpidi in grado di emozionare al primo ascolto. A mio umile modo di vedere, in
quegli anni fracassoni, Suzanne era seconda soltanto a Patti Smith per impatto emotivo e
personalità.
11
DCC: Digital Compact Cassette. Formato di registrazione digitale su nastro magnetico
sviluppato dalla Philips nel 1992 e dismesso pochi anni più tardi. Facendo uso di testine statiche
garantiva una maggior resistenza agli urti e alle vibrazioni. La velocità della testina era la
medesima dei nastri analogici, il che garantiva una retro compatibilità. Implementava un codec di
compressione audio MPEG-1 audio layer 1 (MP1) chiamato PASC, a bitrate costante384 kbps: un
rapporto di compressione di 1 a 4 in confronto al CD audio. Davanti a ogni traccia era possibile
anteporre una tag testuale.
Sistemi audio digitali
7
momento che garantisce una qualità12 analoga a quella del CD con un rapporto di
compressione approssimativamente di 1 a 4.
Il layer 2 introduce parecchie delle caratteristiche tipiche dei moderni
algoritmi di compressione. La possibilità di definire la qualità del suono
compresso, per esempio, permette l’utilizzo di questo standard nel broadcasting
digitale via etere, come sopra accennato. Dal momento che il fattore di
compressione minimo è 1:4 (come il layer 1: la cosiddetta qualità CD) mentre il
massima è 1:192 (48 volte maggiore rispetto al layer 1: qualità paragonabile a
quella di un segnale telefonico), è stato possibile creare radio digitali con
differenti prestazioni: minima compressione per le radio musicali, in grado così di
superare di gran lunga la qualità raggiunta dalle “sorelle” analogiche, elevata
compressione – e quindi ridotta occupazione di banda – per le radio “parlate”
(radiocronache sportive, sedute parlamentari)13. Inoltre un migliore algoritmo
permette di ottenere con un fattore di compressione 1 a 6 le medesime prestazioni
raggiunte dal layer 1 con compressione 1 a 4. D’altro canto, è opinione comune
che per rapporti di compressione inferiori a 1 a 6 l’algoritmo ceda il passo, in
termini di qualità sonora.
Il layer 3 (detto anche Mp3) introduce un certo numero di caratteristiche
avanzate. Una risoluzione di frequenze molto maggiore rispetto ai predecessori,
per esempio, rende lo standard molto più “snello” in termini di adattività al
segnale in ingresso con conseguente riduzione del rumore di quantizzazione.
L’utilizzo poi di una codifica entropica permette una ulteriore compressione di
segnale laddove vi siano delle ridondanze numeriche dovute alla codifica stessa.
L’introduzione di un “reservoir” system che permette una maggiore flessibilità
12
Il termine qualità, nel contesto di questa tesi, intende quantificare la riproducibilità di un
segnale, o meglio, la fedeltà di una riproduzione (audio) in riferimento a una (sovente ipotetica)
esecuzione originale. Sottintende implicazioni sia sensoriali, quindi soggettive, che oggettive, cioè
la riproduzione della forma d’onda stessa. Nella reciproca compenetrazione di queste due
differenti aree, il termine acquisisce implicazioni talvolta non banali. E’ compito di questa tesi
cercare di fare luce su questo aspetto. Una prima definizione, invero piuttosto euristica, della
cosiddetta qualità CD potrebbe essere l’attitudine, da parte di un determinato flusso audio
compresso, di mantenere una sorta di indistinguibilità percettiva nei confronti del medesimo
segnale audio codificato tramite lo standard dei CD audio commerciali.
13
Di nuovo:
- “Audio in digital radio -- the Eureka 147 DAB system”, pubblicato in “Electronic
Engineering”, April 1998. Autore AJ Bower (BBC)
- A technical overview of digital radio, autore Stephen Baily, BBC research and development,
Kingswood Warren, Tadworth, KT20 6NP, United Kingdom
Sistemi audio digitali
8
nella compressione medesima negli istanti temporali in cui il segnale dovesse
essere particolarmente “difficile”. Queste e altre caratteristiche hanno di fatto
trasformato l’Mp3 in un algoritmo estremamente potente e versatile per lo
stivaggio e la trasmissione via internet di file audio.
A pochi mesi dalla finalizzazione e dalla successiva standardizzazione, l’Mp3
godeva già di indiscussa fama mondiale non solo negli ambienti dedicati ma
anche e soprattutto all’interno dell’immensa comunità dei soldati semplici
dell’informatica: gli utenti.
I risultati ancora una volta sorprendenti diedero ulteriore impulso a queste
attività: l’MPEG acquisiva di giorno in giorno maggiore autorità e credibilità; i
suoi membri erano sempre più numerosi e sempre più influenti. In aggiunta,
molteplici altri gruppi facenti capo a entità locali o addirittura ad iniziative
personali cominciavano a sviluppare i loro personali algoritmi, in conformità con
la specifica ISO-11172, o talvolta in disaccordo con essa.
Il primogenito dell’Mp3, sviluppato da un gruppo di lavoro MPEG composto
dal Fraunhofer institute IIS in collaborazione con aziende del calibro di AT&T,
Sony e Dolby, fu dichiarato standard internazionale (ISO/IEC 13818) con il nome
di MPEG-2. Composto di vari strati, il più evoluto dei quali denominato AAC
(Advanced Audio Coding) standardizzato nell’Aprile 1997, rappresenta una
evoluzione considerevole nei confronti del predecessore MPEG layer 3.
L’implementazione di un supporto fino a 48 canali laddove l’Mp3 ne prevedeva
solamente 1 (mono) oppure 2 (stereo) rende AAC adeguato per standard
commerciali quali per esempio il DVD14, che necessita di 5+1 canali distinti in
combinazione “surround” (sinistro, destro, centrale, surround destro, surround
sinistro + subwoofer) esattamente come nei cinema di oggi. Una maggiore
robustezza nel formato bit-stream ha permesso l’utilizzo di AAC come algoritmo
14
DVD: Digital Versatile Disc. Da molti considerato lo ‘standard definitivo’ poiché frutto della
sofferta accensione del calumet della pace tra Toshiba, Philips e Sony a seguito della annosa e
infruttuosa guerra di standard che ha visto coinvolti, tra gli altri, le tre major negli anni passati. Nel
formato audio supporta varie configurazioni (da mono a 7.1 surround) a varie frequenze di
campionamento, fino a 24 bit / 192 kHz (il ‘nonno’ CD audio si fermava a 16 bit / 44 kHz).
La pace fu oltremodo breve. Solo pochi anni più tardi la guerra dei formati riprese con la disputa
Blu ray (Sony/Philips) vs. HD-DVD (Toshiba). Wikipedia fornisce un gustoso excursus sulla
guerra dei formati al link http://en.wikipedia.org/wiki/Format_war
Sistemi audio digitali
9
di codifica audio per vari formati di TV satellite digitale e TV via cavo. MPEG-2
è lo standard prescelto per la compressione audio e video per il DVB (Digital
Video Broadcasting), lo standard di trasmissione digitale terrestre, satellitare e via
cavo attualmente più avanzato e performante. Un ulteriore affinamento
dell’algoritmo di compressione permette, infine, un rapporto di compressione di 2
a 1 rispetto all’Mp3 a parità di prestazioni.
Naturale
evoluzione
dell’MPEG-2,
l’MPEG-4
rappresenta
ad
oggi,
nell’autorevole opinione del laboratorio di ricerca MPEG, lo stato dell’arte
riguardo alla compressione audio e video. Si tratta di un contenitore estremamente
complesso suddiviso in differenti profili, anch’essi definiti “layers” ma dal
significato profondamente diverso. Tra le prerogative di questo nuovo standard vi
sono la multiplazione di vari streaming audio e video in un solo file, il supporto
per immagini ferme e per sottotitoli, un encoder parametrico per il parlato con
conversione text-to-speech e persino un rudimentale sintetizzatore sonoro e
vocale. La assoluta versatilità di questo standard lo rende ottimale per applicazioni
multimediali quali lo streaming via web, il videotelefono e la televisione digitale
ad alta qualità. La (relativa) giovinezza combinata con la estrema complessità di
questo standard fa sì che ad oggi non vi siano applicazioni concrete che gli
rendano giustizia.
Come già accennato, al fianco di (in certi casi in contrasto con) il laboratorio
MPEG sono stati sviluppati altri algoritmi, ciascuno dei quali, a detta del
rispettivo fautore, rappresenta il non plus ultra nel campo della compressione
audio. E’ chiaro che un piccolo team di sviluppo intraprendente, talentuoso e,
laddove lo ritenesse opportuno, slegato dall’osservanza pedissequa degli standard
generali MPEG, può produrre un algoritmo estremamente potente in termini di
efficienza e fedeltà, magari in grado, nell’immediato, di mettere sotto scacco gli
standard MPEG. Dall’altro lato, a lungo termine, difficilmente il medesimo team
riuscirà a restare al passo coi tempi.
Sistemi audio digitali
10
1.2 L’algoritmo di compressione
Il parametro principale per dare una prima quantificazione della compressione
di un algoritmo è il bitrate, ovvero il numero di bit processati per unità di tempo.
Il successo commerciale a livello mondiale del CD audio avvenuto a cavallo
tra gli anni ottanta e novanta lo ha reso, de facto, il termine di paragone universale
nel giudizio della bontà di un algoritmo di compressione15 in termini di qualità e
occupazione di banda.
La codifica digitale del CD commerciale ha le seguenti caratteristiche:
-
codifica PCM
-
frequenza di campionamento a 44.1 kHz
-
risoluzione a 16 bit per campione
-
2 canali (segnale stereo)
Quindi un secondo di segnale audio non compresso è pari a 44100 * 16 * 2:
quasi 1400 chilo-bit al secondo (da qui in poi 1 chilo-bit al secondo = 1 kbps).
Nei primi encoder Mp3 della Fraunhofer, ente in prima linea nello sviluppo
degli standard Mp3 ed AAC, il fattore di compressione tra un segnale audio in
qualità CD ed un segnale Mp3 a “qualità CD” è stabilito in 1 a 12, come mostra la
tabella 1.
1:4
by Layer 1 (corresponds to 384 kbps for a stereo signal),
1:6...1:8
by Layer 2 (corresponds to 256..192 kbps for a stereo signal),
1:10...1:12
by Layer 3 (corresponds to 128..112 kbps for a stereo signal),
Tabella 1.1. Fattori di compressione per “layer”.
Gli autori si affrettano ad aggiungere che anche a fattori di compressione più
elevati la qualità del suono si deteriora impercettibilmente; inoltre, qualora il
sistema possa tollerare una riduzione di banda attorno ai 10 kHz, una buona
qualità stereo può essere ottenuta con un fattore di compressione 1 a 24.
15
La definizione stessa di algoritmo di compressione presuppone implicitamente un confronto
in termini di occupazione di banda con uno standard audio digitale non compresso. Tipicamente, il
formato CD audio.
Sistemi audio digitali
sound quality
11
bandwidth
mode
bitrate
reduction ratio
telephone sound
2.5 kHz
mono
8 kbps *
96:1
better than short wave
4.5 kHz
mono
16 kbps
48:1
better than AM radio
7.5 kHz
mono
32 kbps
24:1
similar to FM radio
11 kHz
stereo
56...64 kbps
26...24:1
near-CD
15 kHz
stereo
96 kbps
16:1
CD
>15 kHz
stereo
112..128kbps
14..12:1
*) Fraunhofer IIS uses a non-ISO extension of MPEG Layer-3 for enhanced performance ("MPEG 2.5")
Tabella 1.2. Livelli di qualità percepita in funzione del fattore di
compressione
Forse sospinti dall’entusiasmo nei confronti della propria creatura, forse
indotti da motivazioni promozionali, o magari solamente un po’ duri d’orecchio, i
signori della Fraunhofer hanno decisamente sovrastimato le loro valutazioni
contribuendo a creare la diatriba tra puristi audiofili, i quali rifuggono l’Mp3 nel
modo in cui un antiquario teme le tarme, e oltranzisti Mp3, principalmente
teenagers, i quali dell’Mp3 apprezzano principalmente la maneggevolezza in
termini di chilobytes…
Come spesso accade la verità sta nel mezzo, e se da un lato è vero che basta un
impianto con discrete prestazioni per percepire le differenze tra una file audio non
compresso ed uno compresso in “qualità CD” a 128 kbps, dall’altro è altrettanto
vero che un buon encoder può creare file indistinguibili anche all’orecchio più
attento già a 224 / 256 kbps. Si tratta, naturalmente, di una valutazione
assolutamente sommaria, non essendo specificato né l’encoder né il tipo di
segnale né le apparecchiature di riproduzione, ma generalmente vera.
La contesa pro-Mp3 / anti-Mp3 è destinata a protrarsi per qualche anno
ancora, dividendo in due opposte fazioni il villaggio globale dell’informatica così
Sistemi audio digitali
12
come fece in Italia il dualismo tra Bartali e Coppi negli anni ’50 o quello tra
Duran duran e Spandau ballet negli anni ’8016.
Come è stato possibile implementare caratteristiche di compressione elevate e
al contempo ottenere una buona qualità? I fattori che contribuiscono a questo
brillante risultato sono molteplici e correlati tra loro: innanzitutto uno studio
accurato della psicoacustica, cioè della scienza che studia l’acustica in termini di
percezione umana. In secondo luogo una maggiore versatilità nei confronti della
forma del segnale: il segnale acustico ha un maggiore contenuto energetico
attorno ad alcune frequenze e minore attorno ad altre. Infine l’implementazione di
un algoritmo di compressione entropica lossless finalizzato ad eliminare le
ridondanze più “tradizionali”.
Le considerazioni di base che conducono ad un accurato studio di modelli
psicoacustici per aumentare la compressione muove da due postulati principali:
- E’ cosa ben nota che l’orecchio può essere considerato, in termini
ingegneristici, alla stregua di un filtro passabanda il cui ingresso è un segnale
sotto forma di oscillazione del dielettrico in cui l’orecchio stesso è immerso e la
cui uscita è un segnale elettrico collegato direttamente al sistema percettivo
umano che risiede nel cervello. La banda passante è (ottimisticamente) stimata tra
i 20Hz e i 20kHz. Si tratta di una approssimazione piuttosto grossolana dal
momento che le capacità uditive variano da individuo a individuo, e mutano a
seconda dell’età: un maschio adulto generalmente non è in grado di percepire
suoni oltre i 16 kHz mentre in una donna le facoltà uditive tendono a degradarsi
più lentamente. Inoltre la capacità uditiva è generalmente più accentuata tra i
16
Sulla rivalità Coppi/Bartali e su una “Italia anno zero” ridotta in macerie e volonterosa di
rinascere e voltare pagina una volta per tutte ha recentemente scritto un piacevole amarcord
Leonardo Coen. Si confronti:
http://www.repubblica.it/2004/e/rubriche/sulleantichestradedelgiro/co5/co5.html.
Per quanto concerne invece la diatriba Duran duran / Spandau ballet, epigoni rivali di quel pop
facilone e televisivo che imperversò per un intero decennio; e per quanto concerne gli anni ottanta
in generale, i consumistici, disimpegnati anglofili anni ottanta, quegli ultimi ludici anni
immediatamente antecedenti alla tardiva consapevolezza di un miracolo italiano effettivamente
mai concretizzato; per tutto ciò che riguarda quello strano sberluccicante decennio mi riservo di
non dire nulla, giacché a quei tempi ero troppo giovane per ritenermi dotato di una qualche
coscienza critica. E poi, a quei tempi, a me piacevano i Pink floyd.
Sistemi audio digitali
13
2kHz e i 4 kHz come conseguenza, si pensa, di una mutazione evolutiva relativa
al fatto che la voce umana si colloca più o meno in quella medesima banda.
- E’ altrettanto noto che il cervello compie un ulteriore filtraggio dei dati in
ingresso che riceve dai cinque sensi. Si stima che un cervello sano processi un
miliardesimo delle informazioni provenienti dall’apparato sensoriale, trascurando
tutto ciò che viene considerato irrilevante o superfluo. In particolare si parla di
“mascheratura” in riferimento a questo processo spontaneo di filtraggio delle
informazioni.
Proprio in virtù del fatto di aver rimosso tutto ciò che l’uomo non sarebbe
comunque in grado di sentire tramite una accurata e complessa selezione del
contenuto sonoro, gli algoritmi di compressione di questo tipo sono detti
“algoritmi percettivi”. Aprendo la scatola Mp3 e volendo dare un’occhiata tanto
macroscopica quanto guardare la Terra dalla Luna17, possiamo individuare un
certo numero di blocchi logici:
-
Analisi del segnale in frequenza al fine di determinare la sua distribuzione
di energia spettrale. In questa fase il segnale viene suddiviso in un certo
numero di sottobande che vengono processate in modo indipendente.
17
La terra vista dalla Luna: uno spettacolo di rara bellezza (www.earth.google.it), ma anche
archetipo immaginifico per eccellenza. Basti pensare al primo film della storia del cinema: il
“Viaggio nella Luna” di George Méliès, del 1902.
Più in generale, metafora del cambio di prospettiva che conduce alla presa di coscienza, da parte
dell’essere umano, di una nullità appartenente a un universo infinito e spietato dove
antropocentrismo e finalismo sono soltanto risibili assurdità.
“…e quando miro
Quegli ancor più senz’alcun fin remoti
Nodi quasi di stelle,
Ch’a noi paion qual nebbia, a cui non l’uomo
E non la terra sol, ma tutte in uno,
Del numero infinite e della mole,
Con l’aureo sole insiem, le nostre stelle
O sono ignote, o così paion come
Essi alla terra, un punto
Di luce nebulosa; al pensier mio
Che sembri allora, o prole
Dell’uomo?” [G. Leopardi “La Ginestra”]
Infine, allegoria di un’altra espressione di sé, oscura eppure non malvagia, tanto lontana dalla
realtà quanto vicina alla verità. Si confronti “La terra vista dalla Luna” di Pier Paolo Pasolini
http://www.pasolini.net/cinema_terra_vistadallaluna.htm, discusso episodio del film “Le Streghe”
nonché (bellissimo) inno alla lunaticità come forma di ribellione.
Sistemi audio digitali
14
L’algoritmo di compressione è il medesimo, anche se ottimizzato tramite
alcuni parametri per migliorare l’efficienza sottobanda per sottobanda.
-
Definizione del contenuto di ciascuna sottobanda in base ai parametri di
compressione definiti dall’utente (generalmente il bitrate massimo). In
questi termini il numero di bit per unità di tempo diventa una risorsa
limitata da distribuire tra le varie sottobande in relazione alle loro
necessità, cioè proporzionalmente al contenuto energetico percentuale di
ciascuna sottobanda.
-
Definizione del contenuto di ciascuna sottobanda tramite confronto con il
modello psicoacustico, generalmente integrato all’interno dell’encoder
stesso, come riferimento. Questo blocco logico esegue un’operazione
analoga a quella del blocco precedente; in questo caso però la
distribuzione dei preziosi bit avviene tramite un criterio differente: il
confronto col modello psicoacustico nei termini accennati qualche pagina
più su. Viene in questo modo scartato tutto ciò che l’orecchio non può
sentire (o che può sentire poco ma ingombra molto…). E’ intuitivo che un
buon algoritmo di compressione deve la sua fortuna non solo a una
efficiente implementazione di questi ultimi due blocchi, ma anche e
soprattutto ad una ottimale interazione tra i medesimi. Nella realtà, infatti,
gli encoder Mp3 implementano una iterazione ciclica tra questi due
blocchi funzionali dalla quale si esce solamente quando la distribuzione
dei bit è ottimale. Resta inteso che ogni valutazione sull’efficienza di un
algoritmo a partire dal parametro oggettivo di compressione (il bitrate) non
può prescindere da considerazioni di tipo assolutamente personale in
funzione, soprattutto, del tipo di segnale audio sorgente: una esecuzione di
Rostropovich richiede un trattamento ben diverso rispetto
a una
schitarrata metal18 di Yngwie J. Malmsteen!
18
Heavy metal. Termine di uso comune identificativo di un genere musicale tanto snobbato da
certa critica musicale quanto amato dagli appassionati, caratterizzato da sonorità aggressive
costituite da ritmiche incalzanti e spericolati virtuosismi (eminentemente chitarristici).
Nonostante la varietà stilistica e di approccio formale alle liriche, l’heavy metal è caratterizzato da
un certo numero di tematiche ricorrenti. Fra tutte, l’eterna lotta tra Bene e Male diventa metafora
di una dicotomia tra due contrapposte seppur sovrapposte anime umane, una delle quali oscura,
nascosta, latente, ma non meno reale. La (discutibile) esaltazione di questo dualismo si innesta su
un tessuto sociale discontinuo, disgregato, incomprensibile, e su un materialismo-nichilismo dove
Sistemi audio digitali
-
15
Codifica di Huffman. Al fine di aumentare ulteriormente il fattore di
compressione è utile applicare una codifica lossless, generalmente una
codifica di Huffman, che riduca le ridondanze più tradizionali. Tanto per
rendere l’idea: un passaggio musicale molto complesso con un elevato
livello di polifonia potrà trarre vantaggio dalla codifica percettiva. Una
singola nota sostenuta a lungo certamente no. In virtù però dell’elevato
tasso di ridondanza, in quest’ultimo caso tornerà utile la codifica di
Huffman. Mediamente, la codifica di Huffman permette di risparmiare un
altro 20% sulle dimensioni totali del file.
-
Bitstream. Una volta compresso in tutti i modi possibili il segnale viene
suddiviso il pacchetti, detti “frames”, della durata di una frazione di
secondo, etichettati con un header di 32 bit. Il file è composto dalla
globalità dei pacchetti in forma sequenziale cui viene applicata una “tag”,
un’etichetta contenente informazioni di tipo testuale sul contenuto del file
medesimo. La tag può essere posizionata all’inizio oppure al termine del
file, a seconda del tipo di tag.
proprio l’individuo è protagonista e unico/duplice attore. Ciò che ha dato luogo a numerosi
equivoci e fraintendimenti. “Abbiamo massacrato quei bastardi al suono della vostra musica” ha
raccontato un soldato Americano di ritorno dall’Iraq a un allibito Al Jourgensen, frontman dei
Ministry, band di spicco del metal estremo quali precursori, sul finire degli anni ottanta, del
cosiddetto industrial-metal, band da sempre critica nei confronti della politica imperialistica
occidentale. Infine, paradossalmente, nell’estetica riflessa negli utenti medesimi, potente strumento
di aggregazione e condivisione, quantomeno a livello inconscio, di una comune disperazione
esistenziale. Comprensibile, e condivisibile, da parte di chi, come me, appartiene alla prima
generazione del secolo scorso che non ha mai vissuto una rivoluzione. Per una interessante storia
dell’heavy metal si confronti:
http://www.anus.com/metal/about/history.html
E’ storia che il termine sia stato polemicamente attribuito da un noto critico musicale dell’epoca
agli Steppenwolf coll’intenzione di liquidare lo stile musicale grezzo della band, prelevandolo
proprio dal loro hit più famoso: “Born to be wild”
“I like smoke and lightning
Heavy metal thunder
Racin' with the wind
And the feelin' that I'm under”
[Born to be wild, Steppenwolf, 1968]
Per quanto già William Burroughs si esprimesse in termini simili già nel 1964:
“With their diseases and orgasm drugs and their sexless parasite life forms - Heavy Metal People
of Uranus wrapped in cool blue mist of vaporized bank notes - And the Insect People of Minraud
with metal music” [Nova express, William Burroughs, 1964]
Capitolo 2
Psicoacustica
La psicoacustica è la scienza che studia l’acustica percepita dall’orecchio
umano. Questo capitolo analizza i concetti fondamentali che vedono applicazione
in un algoritmo di compressione audio.
2.1 La psicoacustica
L
addove l’acustica è per definizione quella scienza che si occupa di studiare
le caratteristiche intrinseche delle onde sonore, la psicoacustica si occupa
invece della percezione umana del suono.
La psicoacustica affonda le proprie basi necessariamente nell’acustica, ma ne
sviluppa i contenuti nella direzione di una comprensione il più possibile
dettagliata di quali suoni sono percepiti da parte dell’orecchio umano, e in quale
modo. Le grandezze di riferimento sono quindi grandezze “percepite” e non
assolute. Una (spero) interessante carrellata sulle leggi principali dell’acustica e
sul funzionamento dell’orecchio umano è fornita in appendice A. Ciò che segue è
una analisi degli aspetti macroscopici della psicoacustica nell’ottica della
comprensione del modello percettivo incluso negli algoritmi di compressione
audio.
La psicoacustica
17
Una quantificazione della intensità del suono percepito viene espressa tramite
una grandezza detta SPL (Sound Pressure Level), espressa in dB rispetto ad una
grandezza di riferimento.
p
p2
SPL = 20 log10 1 = 10 log10 12 [dBSPL]
p0
p0
dove:
-
p1 è il valore di pressione sonora relativamente al quale si intende valutare
il SPL
-
p0 è il valore di pressione sonora di riferimento pari a 2 * 10-5 Pascal
Il Phon è l’intensità sonora percepita. Alla frequenza di 1 KHz, 1 Phon è
definito uguale a 1 dB di SPL al di sopra del valore di riferimento di 2 * 10-5
Pascal, per un segnale a 1 kHz.. Suddetto valore era inizialmente considerato
essere la soglia uditiva di riferimento a 1 KHz., definizione obsoleta che verrà
chiarita e corretta nel paragrafo successivo.
In letteratura (nei testi più obsoleti, in verità) si trova anche l’unità di misura
del Sone.
1 Sone = 2
L − 40
10
dove L è espresso in Phon.
2.2 Le curve di Fletcher-Munson
Il livello di intensità della sensazione uditiva con suoni sinusoidali, diretti e
non diffusi, viene espresso significativamente dalle curve di Fletcher-Munson.
In una camera anecoica, scelta come campione del livello di intensità uditiva
la sensazione ottenuta con la frequenza di 1000 Hz a un dato livello di pressione
sonora (dato oggettivo), il livello di intensità uditiva di un altro suono (dato
soggettivo) viene determinato per confronto con il campione; il valore ottenuto
viene espresso in Phon. Va aggiunto che le curve risultanti sono di natura
soggettiva ma anche statistica, perciò dipendenti da come viene selezionata la
popolazione-campione.
La psicoacustica
18
Figura 2.1. Le curve di Fletcher-Munson
E’ possibile quindi definire (statisticamente), per ogni frequenza udibile, qual
è l’intensità sonora necessaria affinché quella frequenza venga percepita di
intensità uguale rispetto a quella campione di 1 kHz. Questa analisi può essere
ripetuta per diversi livelli di intensità del campione, ottenendo le curve
“isofoniche” dette appunto di Fletcher-Munson di figura 2.1. Tutti i punti
appartenenti a una curva isofonica sono percepiti dall’uomo con la stessa
intensità. Dall’andamento delle curve si osserva che l’orecchio è più sensibile a
frequenze tra 1 kHz e 4 kHz. In particolare la sensibilità massima viene raggiunta
attorno ai 3.7 kHz. Per una interessante spiegazione di ciò nonché del perché
esiste un secondo picco di sensibilità ad una frequenza approssimativamente tripla
si veda l’Appendice A.
La psicoacustica
19
Le curve sopra riportate fanno riferimento ad una condizione assolutamente
ideale e ottimale: camera anecoica e confronto tra due toni continui e diretti.
La curva inferiore, denominata MAF (Minimum Audible Field)19, riporta la
soglia di udibilità binaurale in un campo frontale di toni puri per persone
otologicamente normali di età compresa tra i 18 ed i 30 anni. A 1000 Hz la soglia
vale 4,2 dB.
Una buona ancorché empirica approssimazione dell’andamento del MAF in
funzione della frequenza è determinato dalla formula seguente, in cui la frequenza
è espressa in Hertz e la pressione sonora in dB SPL
f 0.8
) − 6.5e
Tq ( f ) ≅ 3.64(
1000
f
− 0.6
− 3.3
1000
2
f
+ 10
1000
4
−3
Escludendo patologie specifiche e considerando una esposizione al rumore
“normale”, si osserva che la sensibilità dell’orecchio umano varia a seconda
dell’età e del sesso. In Figura 2.2 è visualizzata la curva MAF in funzione dell’età
e del sesso20.
E’ curioso osservare che l’orecchio maschile è decisamente meno sensibile di
quello femminile a frequenze superiori ai 2 KHz, mentre è vero l’opposto a
frequenze inferiori. E’ opportuno ipotizzare che l’uomo nei secoli abbia
sviluppato geneticamente una sorta di protezione naturale nei confronti degli strilli
della moglie!
19
In alcuni testi altrimenti denominata ATH (Absolute Threshold of Hearing)
fonte: “United States Occupational Health and Environment Control, Standard Number:
1910.95 App F”
20
La psicoacustica
20
Figura 2.2. Minimum Audible Field in funzione dell’età e del sesso
E’ interessante osservare che il comportamento delle curve cambia qualora si
confronti il solito tono diretto a con un tono diffuso in modo che supponiamo
uniforme in tutte le direzioni.
Figura 2.3. Differente percezione del tono diffuso vs. tono diretto
La psicoacustica
21
In figura 2.3 è mostrato il risultato di un esperimento di questo tipo. La scala
riportata sulle ordinate fa riferimento alla pressione sonora reale in rapporto a
quella del tono campione. Si osserva che tra gli 1.5 e i 4 kHz è necessaria una
pressione minore del tono diffuso rispetto ad tono campione di analoga frequenza
per avere uguale percezione, mentre al di fuori di questo intervallo è vero
l’opposto.
2.3 Bande critiche
Le curve di Fletcher-Munson sono valide per i toni puri. Per la determinazione
della curva del livello di intensità acustica percepita prodotta da un suono
composto da una banda di frequenze si faccia riferimento alla figura 2.4.
Figura 2.4. Bande critiche: banda di frequenze
Figura 2.5. Intensità percepita in funzione della larghezza di banda
La psicoacustica
22
Si consideri un segnale il cui contenuto in frequenza sia uniformemente
distribuito all’interno di una banda, e si ipotizzi che l’energia sonora complessiva
sia la medesima, risultando in valore massimo decrescente, al crescere della banda
di segnale. Il risultato di questa esperienza è visibile in figura 2.5: fino ad una
certa ampiezza di banda l’intensità percepita è la medesima; da un certo punto in
relativo
Largh. di banda
banda
Larghezza di
centrale
Frequenza
banda
Numero di
relativo
Largh. di banda
banda
Larghezza di
centrale
Frequenza
banda
Numero di
poi invece comincia a crescere, in funzione della larghezza di banda stessa.
N
Fc
B
B/Fc
N
Fc
B
B/Fc
1
25
50
2
15
1853
235
0,1269
2
73
45
0,6207
16
2155
370
0,1717
3
118
45
0,383
17
2530
380
0,1502
4
188
95
0,5067
18
3000
560
0,1867
5
283
95
0,3363
19
3560
560
0,1573
6
375
90
0,24
20
4265
850
0,1993
7
490
140
0,2857
21
5065
750
0,1481
8
610
100
0,1639
22
5908
935
0,1583
9
730
140
0,1918
23
7033
1315
0,187
10
870
140
0,1609
24
8533
1685
0,1975
11
1033
185
0,1792
25
10500
2250
0,2143
12
1195
140
0,1172
26
13500
3750
0,2778
13
1383
235
0,17
27
17813
4875
0,2737
14
1618
235
0,1453
Tabella 2.1. Le 27 bande critiche della psicoacustica: caratteristiche
La larghezza della banda all’interno della quale vengono mantenute le
medesime caratteristiche di percezione è detta “banda critica”. A 1000 Hz la
banda critica è di circa 160 Hz.. Si può dividere lo spettro sonoro in 27 bande
critiche a cui corrispondono altrettante frequenze critiche. La larghezza di
La psicoacustica
23
ciascuna banda critica è crescente con la sua frequenza di centro banda. In tabella
2.1 sono mostrate le caratteristiche principali delle 27 bande psicoacustiche21.
2.4 Altezza sonora soggettiva
Si definisce “altezza sonora soggettiva” un ordinamento di suoni dal basso
verso l’alto, in termini di contenuto frequenziale, L’unità di misura che fa
riferimento a questa grandezza è il Mel, definito semplicemente come la
frequenza percepita. In figura 2.6 è illustrato il cosiddetto “Diagramma di
Stevens” che quantifica la frequenza percepita in funzione della frequenza reale.
Figura 2.6. Diagramma di Stevens
Si tratta di una curva ricavata empiricamente e rielaborata statisticamente, in
camera anecoica: si fanno ascoltare a un opportuno campione di persone due toni
puri generati da oscillatori elettronici, uno a frequenza molto bassa L ed un ad una
21
Si confronti D. Y. Pan, "Digital Audio Compression", Digital Technical Journal Vol. 5/ No.
2, Spring 1993
La psicoacustica
24
frequenza definita F. Si chiede poi a ciascuna persona di generare tramite un terzo
oscillatore un tono che secondo lei si collochi a metà tra i il tono L e il tono F.
Fino approssimativamente ad 2 kHz la risposta è lineare con la frequenza media
reale (L+F)/2; oltre i 2 Khz la risposta sarà generalmente inferiore a (L+F)/2. E’
importante osservare che le bande critiche hanno un contenuto approssimativo di
100 Mel ciascuna.
Figura 2.7. Legame tra altezza sonora soggettiva e bande critiche
Si tratta di una curva ricavata empiricamente e rielaborata statisticamente, in
camera anecoica: si fanno ascoltare a un opportuno campione di persone due toni
puri generati da oscillatori elettronici, uno a frequenza molto bassa L ed un ad una
frequenza definita F. Si chiede poi a ciascuna persona di generare tramite un terzo
oscillatore un tono che secondo lei si collochi a metà tra i il tono L e il tono F.
Fino approssimativamente ad 2 kHz la risposta è lineare con la frequenza media
reale (L+F)/2; oltre i 2 Khz la risposta sarà generalmente inferiore a (L+F)/2. E’
importante osservare che le bande critiche hanno un contenuto approssimativo di
100 Mel ciascuna. In figura 2.7 è mostrato il legame dell’altezza sonora soggettiva
con le bande critiche: si osserva facilmente che ad ogni banda corrisponde un
incremento di circa 1 Bark22.
22
Unità di misura in stato di avanzata obsolescenza: 1 Bark = 100 Mel
La psicoacustica
25
2.5 Effetto mascheratura
Empiricamente, si è osservato che l’intensità sonora percepita complessiva
dipende fortemente dalle distanza in Mel tra i toni. In altre parole: un segnale
sonoro composto da più toni contemporanei è percepito come una predominanza
del tono più intenso nei confronti di quello più debole. Ad esempio:
-
due toni a 13 Sone appartenenti alla 2° e 12° banda critica rispettivamente
vengono percepiti come un suono a 26 Sone.
-
due toni a 13 Sone appartenenti alla 7° e 9° banda critica rispettivamente
vengono percepiti come un suono a 19 Sone.
-
due toni a 13 Sone appartenenti entrambi all’ 8° banda critica vengono
percepiti come un suono di appena 16 Sone.
Figura 2.8. Alterazione subita dalla curva MAF di Fletcher-Munson in
presenza di più toni
L’entità di questo fenomeno dipende dalla frequenza di riferimento (la
frequenza del tono più intenso) e dal livello di pressione sonora. Questo fenomeno
prende il nome di ‘mascheratura in frequenza’.
La psicoacustica
26
In figura 2.8 è mostrata l’alterazione subita dalla curva MAF di FletcherMunson in presenza di più toni. In presenza del tono S0 la soglia di udibilità MAF
viene alterata in modo significativo. Il tono s1, altrimenti udibile in circostanze di
quiete, in presenza di s0 scende al disotto della soglia di udibilità MAF e non
viene più udito dall’orecchio. Il suono SL viene ancora percepito ma in maniera
minore rispetto al caso di quiete.
Figura 2.9. Curve di attenuazione di pre-mascheratura e post-mascheratura
Un fenomeno del tutto analogo ha luogo nel dominio duale del tempo: un tono
intenso ha la facoltà di mascherare toni più deboli percepiti nelle immediate
vicinanze temporali del tono dominante. Qualora il tono debole precede
temporalmente il tono dominante si parla di pre-mascheratura: Si parla invece di
post-mascheratura nel caso opposto. E’ opportuno osservare che i periodi di premascheartura e post-mascheratura sono significativamente differenti. Nella
fattispecie l’intervallo di post-mascheratura è approssimativamente 8 volte più
lungo (circa 160 ms contro circa 20ms). Le aree grigie in figura 9 mostrano le
curve di attenuazione generate dai due intervalli summenzionati. La durata di
questi intervalli ha anche una debole dipendenza dalla frequenza del tono
I segnali audio generici sono caratterizzati da uno spettro estremamente
complesso e da una quantità innumerevole di scenari di mascheratura.
La psicoacustica
27
Nell’ambito della codifica audio compressa lo studio di questi fenomeni diventa
di vitale importanza per una buona riuscita. Si identificano tre scenari differenti:
-
Rumore maschera tono. Un rumore a banda stretta (1 Bark) maschera un
tono nella medesima banda critica. Il rapporto segnale-rumore tra il tono e
la soglia di mascheratura (SMR) è minimo quando la frequenza del tono è
uguale alla frequenza centrale della banda di rumore. Il SMR minimo varia
nel range da -5 dB a +5 dB
-
Tono maschera rumore. Un tono puro che si colloca al centro di una
banda critica maschera il rumore di qualunque sottobanda Il SMR minimo
avviene quando la frequenza del tono è vicina al centro della banda di
rumore. Il SMR minimo, in questo caso, è nel range di 21 – 28 dB
-
Rumore maschera rumore. Scenari di rumore mascherato da rumore
sono più difficili da concettualizzare in virtù della complicata correlazione
tra i due segnali. Alcuni risultati hanno dimostrato che il SMR si colloca
attorno ai 26 dB
Un altro importante aspetto della psicoacustica riguarda la percezione della
direzionalità in funzione della frequenza. Si è dimostrato che a frequenze ai limiti
della banda uditiva, la direzionalità percepita è molto inferiore che a centro banda.
Alcuni algoritmi di compressione sfruttano questa caratteristica dell’orecchio
umano per comprimere ulteriormente il segnale sonoro.
Capitolo 3
L’algoritmo di
compressione Mp3
Questo capitolo illustra lo schema a blocchi di un algoritmo di compressione Mp3
e analizza nel dettaglio i singoli blocchi.
3.1 Caratteristiche generali
L’
algoritmo di compressione MPEG rappresenta il primo standard
internazionale di compressione audio ad alta fedeltà operante per
segnali audio generici. Altri algoritmi di compressione audio precedenti
facevano riferimento ad applicazioni dedicate quali la codifica di segnali vocali
oppure di segnali generici a media fedeltà.
-
Algoritmo CELP (Code excited Linear prediction (CELP). E’ un algoritmo
di codifica relativo al parlato. La sua efficacia è dovuta a una serie di
assunzioni relative al contenuto del segnale da processare.
-
Algoritmo a legge-µ. E’ un algoritmo di codifica piuttosto semplice in
grado di mantenere una discreta fedeltà del segnale. Non è possibile
L’algoritmo di compressione Mp3
29
mantenere l’indistinguibilità col segnale non compresso, prerogativa
dell’alta fedeltà.
-
Algoritmo ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). E’ un
algoritmo basato sul una variante PCM-delta adattiva della codifica PCM
dei segnali non compressi. Anche in questo caso è possibile mantenere una
discreta
fedeltà
del
segnale
ma
non
è
possibile
mantenere
l’indistinguibilità in termini percettivi col segnale non processato.
L’algoritmo di compressione MPEG audio non è univoco. Esso unisce le due
contrapposte filosofie di uniformità e flessibilità.
-
Uniformità laddove sia necessaria interazione. Ad esempio: l’algoritmo è
rigido nella sintassi del bitstream codificato, nella definizione del processo
di decodifica e delle procedure necessarie a definire l’accuratezza del
decoder stesso. Questa scelta è finalizzata alla possibilità, o meglio,
necessità che ogni decoder conforme MPEG audio possa processare
correttamente un bitstream MPEG audio senza errori. E’ un dato di fatto
che oggi ogni applicazione di riproduzione audio digitale debba fare i
conti con questo standard.
-
Flessibilità laddove l’iniziativa personale e la ricerca permettano
miglioramenti continui. E’ il caso dell’algoritmo di codifica che, basandosi
su elementi di elaborazione dei segnali e analisi psicoacustica, è a tutt’oggi
un work-in-progress nelle mani di svariati team di sviluppo.
Trattandosi di un algoritmo di compressione per segnali audio generici, MPEG
audio offre una vasta panoramica di modalità di compressione diverse:
-
Frequenza di campionamento audio: 32 kHz, 44.1 kHz e 48 kHz. In base
al teorema di Nyquist significa ottenere in uscita un segnale con cutoff a
16 kHz, 22.05 kHz e 24 kHz rispettivamente. Ricordando che il limite
superiore della banda uditiva è circa 20 kHz, risulta abbastanza facile
L’algoritmo di compressione Mp3
30
comprendere il motivo per cui la frequenza di campionamento a 44.1 kHz
sia divenuta lo standard per i CD audio23.
-
Canali audio: due canali in stereofonia utilizzabili in 4 differenti modalità:
o Modo monofonico per segnali audio a canale singolo
o Modo stereofonico per segnali audio a due canali indipendenti
o Modo stereofonico con condivisione dei bit per segnali audio a due
canali con una certa correlazione
o Modo “joint-stereo” per segnali audio a due canali con una certa
correlazione e considerando l’irrilevanza di fase tra i due canali24
-
Bitrate: sono disponibili parecchi valori di bitrate da 32 kbps per canale a
224 kbps per canale con un risultato in termini di fattore di compressione
da 2.7 a 24. In aggiunta è presa in considerazione una modalità detta “free
bitrate” che permette allo sviluppatore dell’encoder di implementare una
bitrate differente da quelle standard
-
Strati di compressione (“layers”). Sono permessi tre differenti strati di
compressione facenti riferimento a tre differenti algoritmi
o Layer 1. Fa riferimento all’algoritmo di compressione più
semplice, che utilizza un bitrate fisso a 192 kbps per canale. Un
esempio di applicazione di questo tipo è il Digital Compact
Cassette Philips (DCC)
o Layer 2. Fa riferimento ad un algoritmo di compressione
intermedio, utilizzato da varie applicazioni quali Digital Audio
Broadcasting (DAB), CD-I (Compact Disc Interactive) e Video CD
23
Alcune applicazioni audio successive, come il DAT, utilizzano una frequenza di
campionamento leggermente ridondante di 48 kHz. Questo aspetto è giustamente tenuto in
considerazione dallo standard MPEG
24
Chiunque abbia sperimentato un sistema audio 5+1 avrà certamente osservato che a
differenza delle casse satellite, altamente direzionali, il subwoofer ha una posizione generalmente
irrilevante nella dinamica della fedeltà sonora. Il motivo è dovuto al fatto che l’orecchio umano è
insensibile alla provenienza delle sorgenti sonore molto alte e molto basse (agli estremi, cioè della
banda uditiva). Alla luce di ciò l’effetto joint-stereo si perita di combinare il contenuto sonoro dei
due canali destro e sinistro in un'unica traccia riducendo di fatto della metà il contenuto in bit.
Alcuni encoder introducono una certa quantità di informazione aggiuntiva finalizzata a collocare
spazialmente i toni alti e bassi, ovviamente con un certo grado di approssimazione, alla fine di
ricrearne parzialmente la direzionalità. Questa funzionalità è particolarmente utile all’estremità alta
dello spettro di basse frequenze, dove l’orecchio comincia ad avere una certa sensibilità alla
locazione spaziale dei suoni.
L’algoritmo di compressione Mp3
31
o Layer 3. Fa riferimento all’algoritmo di compressione più
complesso, altrimenti noto come Mp3.
-
Codice per la rivelazione di errori. Il bitsream supporta in opzione il CRC
(Cyclic Redundancy Check)
-
Dati aggiuntivi. E’ previsto l’eventuale inserimento di dati aggiuntivi
(“ancillary data”), da trattare separatamente al bitstream stesso.
3.2 Lo schema a blocchi
Figura 3.1. Schema a blocchi di un encoder Mp325
La figura 3.1 schematizza il funzionamento di un encoder Mp3, evidenziando
gli schemi a blocchi principali.
-
Filter bank. Il banco di filtri ha la funzione di suddividere il segnale PCM
in ingresso in 32 sottobande di egual dimensione. Esso consiste in un
25
Lo schema proviene dal sito http://www.iis.fraunhofer.de
L’algoritmo di compressione Mp3
32
ibrido tra un banco di filtri polifase e una MDTC (Modified Discrete
Cosine Transform).
-
Perceptual model. Il modello psicoacustico è l’elemento principale che
determina la bontà dell’encoder. Analizza in ingresso il flusso di dati non
compresso e definisce in uscita, per ciascuna sottobanda, il valore
massimo accettabile di rumore di quantizzazione ad sotto del quale il
segnale è “ben codificato” e (teoricamente) indistinguibile da parte
dell’orecchio umano. A valle di questo blocco vi è il blocco di
quantizzazione e codifica, che si occuperà di rispettare questi valori di
soglia.
-
Joint stereo. La funzione di questo blocco è quella di implementare la
modalità “joint-stereo” che opera sulle sottobande più alte e più basse
nella quale, lo ricordo, il contenuto delle due canali destro e sinistro viene
fuso per acquistare efficienza a scapito della perdita di direzionalità su
suddette sottobande.
-
Scale factors / Quantizer / Noiseless coding. L’algoritmo di
quantizzazione e codifica consiste nella iterazione di due differenti
blocchi, annidati l’uno nell’altro. Il blocco più interno è costituito da:
o Scale factors. Questo blocco imposta il fattore di scala per la
quantizzazione, cioè il numero di livelli di quantizzazione. E’ il
parametro principale che determina la “grossolanità” della
quantizzazione
sul
quale
agire
per
variare
il
trade-off
compressione/qualità
o Quantizer. Si utilizza un quantizzatore a legge esponenziale. In
questo modo, il contenuto a frequenze più alte è quantizzato più
grossolanamente.
o Noiseless coding. I valori quantizzati sono ulteriormente compressi
tramite codifica di entropica, che assegna parole più brevi ai valori
più frequenti
Al termine di questa serie di operazioni viene controllato il bitrate risultante.
Se questo è superiore al bitrate target assegnato dal loop più esterno il ciclo
L’algoritmo di compressione Mp3
33
interno viene reiterato con un fattore di scala maggiore che renderà più
“grossolano” il quantizzatore ma che risulterà in un bitrate finale minore.
Quando il bitrate target è stato ottentuto interviene il ciclo più esterno,
composto dal Rate/distortion control process. Questo controlla il rumore di
quantizzazione di ciascuna sottobanda. Se il rumore è maggiore della soglia
definita dal modello psicoacustico è necessario ridefinire i bitrate per ciascuna
banda e reiterare il ciclo interno, che modificherà di nuovo i fattori di scala per
convergere nuovamente al bitrate target
-
Bitstream multiplex. Si tratta della fase finale, in cui i campioni
compressi sono già stati definiti e generati. Questo blocco si occupa di
generare il bitstream in conformità al protocollo definito dalla norma.
3.3 Il banco di filtri
La funzione del banco di filtri è quella di suddividere il segnale in 32
sottobande di egual dimensione. Si tratta di un filtro di relativa semplicità con una
buona risoluzione temporale ed una adeguata risposta in frequenza. Tenendo in
considerazione il dominio di applicazione vi sono tre aspetti principali, che ne
limitano le prestazioni:
-
L’equidimensionalità delle bande non rispecchia accuratamente il
comportamento dell’orecchio umano nel dominio delle frequenze. Il
comportamento in termini di percezione dell’orecchio umano è funzione di
27 bande critiche. Molti effetti psicoacustici sono prerogativa di una o più
bande critiche. In figura 3.2 è mostrata una comparazione qualitativa tra le
32 sottobande generate dal filtro polifase e le bande critiche
psicoacustiche. A basse frequenza si nota facilmente che una sottobanda fa
riferimento a parecchie bande critiche psicoacustiche, ciascuna con una
propria peculiarità. In questo caso non è possibile una sintonizzazione
ottimale tra sottobanda e modello psicoacustico; anzi, la sottobanda dovrà
fare riferimento alla banda critica con il minor rumore di mascheratura, il
che si traduce in uno spreco di bit. Oppostamente, ad alte frequenze in cui
L’algoritmo di compressione Mp3
34
più sottobande corrispondono ad una sola banda critica il problema non si
pone.
Figura 3.2. Sottobande del banco di filtri vs. bande
critiche psicoacustiche26
-
La trasformazione del segnale operata dal banco di filtri non è
oggettivamente lossless, pertanto anche senza quantizzazione non sarebbe
possibile ricostruire perfettamente il segnale. L’errore introdotto dal banco
di filtri è comunque trascurabile in quanto trasparente all’orecchio umano.
-
Le bande non sono perfettamente adiacenti e separate; sono invece
sovrapposte, pertanto medesime porzioni di segnale possono essere
collocate in due sottobande differenti.
Lo standard ISO MPEG audio descrive la procedura di computazione del
banco di filtri polifase27. Nello stesso frame vengono filtrati 1152 campioni audio
PCM, così che ciascuna sottobanda contiene 36 campioni, In figura 3.3 è fornita
26
Si confronti D. Y. Pan, "Digital Audio Compression", Digital Technical Journal Vol. 5/ No.
2, Spring 1993
27
Lo standard MPEG audio si basa sul metodo descritto da J.H. Rothweiler in “Polyphase
Quadrature Filters – a New Subband Coding Technique”, Proc of the Int. Conf. IEEE ASSP, 27.2,
pp
1280-1283,
Boston,
1983.
Si
confrontino
anche
Phil
Schitner
in
http://cnx.rice.edu/content/m10931/latest/#footnote1 e l’Appendice B di questa tesi.
L’algoritmo di compressione Mp3
35
una chiara rappresentazione a blocchi del banco di filtri polifase utilizzato, mentre
in figura 3.4 è rappresentato il diagramma di flusso esplicativo del funzionamento.
Figura 3.3. Il banco di filtri polifase Mp3
Figura 3.4. Diagramma di flusso di un banco di filtri polifase Mp3
L’algoritmo di compressione Mp3
36
Come illustra la figura 3.4 il filtro funziona con un buffer FIFO di 512
campioni. Ad ogni step vengono inseriti 32 campioni. Essi vengono moltiplicati
per 512 coefficienti definiti nello standard ISO MPEG e raggruppati in 64 somme
di 8 elementi distanti 64 posizioni l’uno dall’altro. I 64 coefficienti ottenuti
vengono così modulati tramite una matrice di analisi Mi,k risultando in 32
campioni in uscita, ciascuno appartenente ad una delle 32 sottobande.
Il segnale in uscita è quindi:
63
st [i] =∑
k =0
7
∑ M [i][k ] * (C[k + 64] * x[k + 64 j])
j =0
(1)
dove:
-
i è l’indice di ciascuna sottobanda (varia da 1 a 32)
-
st[i] è il campione in uscita dal banco di filtri nell’istante temporale t. E’
opportuno osservare che t = 32/r dove r è la frequenza di campionamento
-
C[n] è l’n-esimo coefficiente della finestra di analisi
-
x[n] è il segnale in ingresso letto nella posizione n-esima del buffer,
all’istante t
-
M[i][k] è la matrice dei coefficienti di analisi definita come:
M [i ][k ] = cos[
(2 * i + 1) * (k − 16) * π
]
64
(2)
L’equazione (1) è ottimizzata in termini di step di computazione: essendo il
termine tra parentesi tonde indipendente dal valore di i, ed essendo la matrice
M[i][k] indipendente da j, per ottenere l’uscita del filtro è necessario fare
512+32*64 = 2560 moltiplicazioni e 64*7+32*63 addizioni, cioè circa 80 somme
e 80 moltiplicazioni per ciascun campione di ciascuna sottobanda.
Per capire meglio la natura dell’equazione (1) è possibile ottenere, tramite
alcuni passaggi matematici:
L’algoritmo di compressione Mp3
37
511
st [i ] = ∑ x[t − n] * H i [n]
n =0
(3)
dove:
-
x[τ] è il campione in ingresso nell’istante τ = t-n
-
H i [n] = h[n] * cos[
-
− C[n] se la parte intera di (n/64) è dispari
con h[ n] =
se la parte intera di (n/64) è pari
C[n]
(2 * i + 1) * (n − 16) * π
]
64
(4)
(5)
L’equazione scritta nella forma (3) non è ottimizzata in termini di step di
computazione dal momento che sono necessari3 32*512 = 16384 moltiplicazioni
e 32*511 = 16352 addizioni.
Permette però di comprendere meglio la natura del filtro in questione. Si tratta
di un banco di filtri Hi[n] convoluzionali, ciascuno riferito alla i-esima sottobanda
(per i=1 to 32, ovviamente). Si tratta di un banco di filtri polifase. Infatti ciascun
filtro Hi[n] è passabanda, costituito da
-
un filtro banda base FIR (Finite Impulse Response) la cui risposta
all’impulso è h[n]
-
un termine in coseno (4) che opera lo spostamento nella opportuna banda
di frequenza
Gli Hi[n] hanno frequenza di centro banda in multipli dispari di (πr)/64 dove r
è la frequenza di campionamento e hanno una banda nominale di (πr)/32.
Alcune considerazioni:
-
Aliasing. In virtù del pesante sottocampionamento operato dal filtro (da 32
campioni per il segnale in ingresso a 1 campione per ciascuna sottobanda
del segnale in uscita). Non è possibile rimuovere completamente il rumore
di aliasing, ma è possibile dimensionare i coefficienti C[n] del filtro in
L’algoritmo di compressione Mp3
38
modo da ottimizzare la risposta in frequenza complessiva28. Per queste
ragioni il filtro non è oggettivamente lossless, ma è comunque possibile
controllare la distorsione introdotta in modo che essa sia impercettibile
all’orecchio umano.
Figura 3.5. Ampiezza del filtro FIR in banda base
-
Cutoff. In figura 3.5 è mostrata, invero con scarsa precisione, l’ampiezza
del filtro h[n] normalizzata. Si può in ogni caso osservare che il cutoff non
è molto ripido in prossimità del valore nominale. Ciò implica una
consistente sovrapposizione di sottobande adiacenti. Un tono vicino al
confine tra due sottobande risulterà, in uscita, parte di entrambe, con
differenti contenuti di energia. La figura 3.6 mostra come un tono a
28
Si confrontino:
Henrique S. Malvar: “Signal Processing With Lapped Transforms” (Artech House:
Norwood MA, 1992)
- John P. Princen e Alan B. Bradley: “Analysis/synthesis filter bank design based on time
domain aliasing cancellation", IEEE Trans. Acoust. Speech Sig. Proc. ASSP-34 (5), pp.
1153-1161 (1986)
- A.W. Johnson and A. B. Bradley: “Adaptive transform coding incorporating time domain
aliasing cancellation" Speech Comm. 6, 299-308 (1987).
-
L’algoritmo di compressione Mp3
39
1.5kHz campionato a 32 kHz sviluppi, una volta trasformato, un contenuto
di energia consistente nella sottobanda adiacente a quella di appartenenza.
Ogni componente in frequenza del segnale in ingresso influenza due
sottobande adiacenti in uscita al banco di filtri. Considerando alla stregua
di segnale la componente contenuta all’interno della sottobanda originaria
e aliasing la componente di segnale contenuta nella banda adiacente, è
possibile compensare quest’ultima all’interno di ciascuna sottobanda
sottraendovi la componente di segnale del filtro adiacente moltiplicata per
un opportuno fattore di scala. Questo compito viene espletato dalla h[n]
così come definito nella (5).
Figura3.6. Trasformazione di un tono vicino al confine tra due sottobande
L’algoritmo di compressione Mp3
40
In Appendice B è descritto un tipico filtro polifase.
Ciascuna sequenza di 36 campioni appartenenti a ciascuna delle 32 sottobande
viene quindi mappata in una Trasformata Discreta a Coseni Modificata (MDCT).
La (6) mostra la formula della MDCT29:
[(
)(
1 n=1
yk = ∑ f j cos j + 1 k + 1 + n
2
2
2
n j =0
)]
(6)
Prima della MDCT medesima, quattro differenti finestre vengono applicate a
ciascuna sequenza. Lo standard MPEG-1 layer 3 specifica due finestre lunghe da
18 campioni e due corte da 6 campioni. Se la sequenza mostra un comportamento
stazionario, allora viene applicata la finestra lunga (tipo 0); in caso contrario, cioè
in presenza di transitori significativi, viene applicata la finestra corta (tipo 2) in
modo da aumentare la risoluzione temporale a scapito della risoluzione in
frequenza ed eliminare eventuali effetti pre-eco. Le altre due finestre utilizzate
sono le cosiddette finestra di inizio e finestra di termine. Si osserva che la finestra
corta è un terzo della finestra lunga e, in presenza di transitori, viene applicata tre
volte consecutivamente in modo che il numero di campioni MDCT all’interno
della medesima sottobanda rimanga il medesimo.
All’interno di un frame audio la MDCT può avere soltanto blocchi lunghi,
oppure soltanto blocchi corti, oppure una modalità mista. La modalità mista
prevede una finestra lunga per le due sottobande a più bassa frequenza e tre
finestre brevi per le rimanenti 30 sottobande. Le funzioni che descrivono le
finestre sono descritte dalle formule sottostanti:
1) Blocco 0 (finestra lunga)
(
)
π
f j = xi sin
i+ 1
2
36
2) Blocco 1 (finestra di inizio)
29
Si confronti l’appendice C di questa tesi.
i = 0 → 35
(7)
L’algoritmo di compressione Mp3
(
41
)
π
1
x
sin
i 36 i + 2
xi
fj =
xi sin π i − 18 + 1
2
12
0
(
)
i = 0 →17
i =18→23
i = 24→29
i = 30→35
(8)
3) Blocco 2 (finestra corta)
(
)
π
f j = xi sin i + 1
2
12
i = 0 → 11
(9)
4) Blocco 3 (finestra di arresto)
0
π
1
x
sin
i 12 i − 18 + 2
fj =
xi
x sin π i + 1
2
i 33
(
)
(
)
i = 0 →5
i = 6 →11
i = 12 →17
i = 18→35
(10)
Come detto, in presenza di un segnale eminentemente stazionario, lo stato di
default è il tipo 0. Le transizioni verso lo stato 2 e indietro allo stato 0 avvengono
tramite due stati intermedi 1 e 3 secondo il diagramma di stato in figura 3.7. la
funzione degli stati intermedi è quella di preservare la proprietà di perfetta
ricostruibilità della MDCT.
Le transizioni da uno stato all’altro vengono sollecitate da un segnale attack /
no attack che proviene dal modello psicoacustico. In particolare, il segnale attack
viene generato quando la grandezza PE (entropia percettiva) è superiore al valore
empirico di 1800. Il significato della grandezza PE è ampiamente illustrato nel
paragrafo successivo.
L’algoritmo di compressione Mp3
42
Figura 3.7 – Diagramma di stato del blocco MDCT
3.4 Il modello psicoacustico
In virtù della sua natura limitata in tempo e frequenza, il meccanismo uditivo
umano è (estremamente) selettivo. Al cervello umano giunge solamente una parte
dello stimolo sonoro iniziale. Si definisce PE una quantità denominata entropia
percettiva. Si tratta del minimo numero di bit necessario per rappresentare la parte
rilevante del segnale audio; escludendo pertanto il rumore e la parte di segnale
mascherata. Utilizzando al meglio un numero di bit pari al PE l’algoritmo, sì, è
lossy, ma è trasparente dal punto di vista percettivo.
Il compito di questo blocco dell’algoritmo di compressione consiste proprio
nel determinare, per ciascuna banda critica, le soglie di mascheratura al di sotto
delle quali è possibile scartare le componenti di segnale e rumore.
Vediamo come.
L’energia di segnale contenuta all’interno di ciascuna banda critica è definita
come:
L’algoritmo di compressione Mp3
43
bh
Bz =
∑ P( f )
f =blz
(11)
Dove:
-
blz e bhz sono rispettivamente i limiti in frequenza della z-esima banda
critica.
-
P(f) = Re2(f) + Im2(f) è lo spettro di potenza del segnale
La funzione di eccitazione della membrana base posta nella coclea
dell’orecchio interno, per ciascuna banda critica z, si può descrivere come
convoluzione di due grandezze:
C z =Bz * SpFz
(12)
Dove:
-
Bz è l’energia di segnale all’interno della banda critica z
-
SpFz è la funzione di distribuzione di risposta dell’eccitazione a un singolo
tono per una banda critica z
Nel caso del modello psicoacustico utilizzato nel MPEG layer 3 (Mp3) la SpFz
è una funzione triangolare indipendente dalla frequenza con una pendenza di 25
dB/Bark a basse frequenze e -10dB/Bark ad alte frequenze. Analiticamente:
SpF ( z ) = 15.81 + 7.5( z + 0.474) − 7.5 1 + ( z + 0.474) 2
(13)
La soglia di mascheratura si determina sottraendo un offset dalla funzione di
eccitazione Cz. Come evidenziato nel capitolo 2, la soglia di mascheratura dovuta
a un tono è ben differente dalla soglia di mascheratura dovuta a un rumore a banda
stretta. Pertanto il valore dell’offset è fortemente dipendente da quale dei due
fenomeni si stia verificando.
Le due soglie si possono calcolare in questo modo:
THN = ET – OT
THT = EN – ON
Dove:
L’algoritmo di compressione Mp3
-
44
ET è l’energia del tono ‘mascherante’ all’interno della banda critica presa
in considerazione
-
EN è l’energia del rumore ‘mascherante’ all’interno della banda critica
presa in considerazione
-
OT = (14.5 + z) è l’offset in caso di mascheratura di tono
-
ON = K è l’offset in caso di mascheratura di rumore. Tipicamente, un
valore compreso tra 3 e 5 dB
Per determinare quale dei due casi si stia verificando in quel momento
all’interno banda critica z, è opportuno definire un parametro che quantifichi la
piattezza dello spettro di segnale. Sia SFM (Specral Flatness Measurement):
SFM =
µg
µa
dove µg e µa sono rispettivamente la media aritmetica e geometrica del
segnale. E’ intuitivo osservare che valori di SFM vicini a zero coincidono con uno
spettro a banda stretta, di natura tipicamente tonale, mentre valori vicini a uno
sono indicativi di spettro piatto, cioè rumore.
Traslando nella scala dB, otteniamo un più intuitivo coefficiente di tonalità
definito come:
α = min(
SFM dB
,1)
− 60
Ora, le componenti tonali hanno valori vicino all’unità mentre componenti di
rumore hanno valori vicino a zero.
A questo punto, l’offset relativo a una determinata banda critica z è definibile
come
Oz = αOT+(1-α)ON = α(14.5 + z) + (1-α)K [dB]
(14)
Si osserva quindi che l’offset di mascheratura è funzione del numero di banda
critica e del coefficiente di mascheratura di rumore, entrambi pesati con il
coefficiente di tonalità.
L’algoritmo di compressione Mp3
45
Nel modello ISO/MPEG, la soglia di mascheratura per ciascuna banda critica
z è definita come:
C
Tz = max[ Ozz ; Tq ( z )]
10 10
(14)
Dove:
-
Cz rappresenta la funzione di eccitazione relativa alla banda critica z
-
Oz rappresenta l’offset relativo alla banda critica z
-
Tq(z) è il MAF (minimum audible field) come definito nel paragrafo 2.3
La soglia di mascheratura Tz testé calcolata è l’estremo superiore al di sopra
del quale il rumore di quantizzazione diventa percepibile dall’orecchio umano.
3.5 Il quantizzatore
La soglia di mascheratura Tz, calcolata nel dominio Bark, permette di
calcolare la potenza di mascheratura in funzione della frequenza, nel seguente
modo:
Pm ( f ) =
Tz
2(bhz − blz )
(15)
Dove:
-
Tz è la soglia di mascheratura
-
bhz e blz sono i limiti superiore/inferiore in frequenza della banda critica z
Il fattore 2 al denominatore proviene dal fatto che la FFT è una operazione nel
dominio dei numeri complessi.
In un quantizzatore uniforme, se supponiamo che il quantizzatore abbia un
numero di livelli di quantizzazione abbastanza grande da poter considerare
uniforme il rumore all’interno di ciascun livello di quantizzazione, la potenza del
rumore di quantizzazione è definibile come
L’algoritmo di compressione Mp3
46
∆2
σ =
12
2
Condizione
(16)
necessaria
affinché
l’algoritmo
di
compressione
sia
percettivamente trasparente, è che:
σ 2 ≤ Pm ( f )
(17)
Cioé
∆n ( f ) ≤
6Tz
bhz − blz
(18)
Questa formula può essere utilizzata iterativamente per variare gli step di
quantizzazione fino a quando non si ottiene una soddisfazione ottimale
dell’equazione (18)
Il numero richiesto di livelli di quantizzazione vale:
Re( f )
LRe ( f ) = int
∆
(
)
f
n
Im( f )
LIm ( f ) = int
∆
(
f
)
n
Supponendo di utilizzare un quantizzatore uniforme il numero di bit per la
parte reale e immaginaria del segnale diventa
bRe ( f ) = log 2 (2 LRe ( f ) + 1)
bIm ( f ) = log 2 (2 LIm ( f ) + 1)
Per una FFT a N elementi, il numero totale di bit necessari per quantizzare
tutti gli elementi con un rumore di quantizzazione inferiore alla soglia di
mascheratura è pari a:
N
∑ (b
f =1
Re
( f ) + bIm ( f ) )
L’algoritmo di compressione Mp3
Figura 3.8. Differenti PE in funzione del segnale in ingresso
Pertanto la PE (entropia percettiva) si definisce come:
47
L’algoritmo di compressione Mp3
1
PE =
N
N
∑ (b
f =1
Re
48
( f ) + bIm ( f ) ) =
Re( f )
Im( f )
+ 1 + log 2 2 int
+ 1 =
log 2 2 int
∑
∆
(
f
)
∆
(
f
)
f =1
n
n
N
Im( f )
Re( f )
1
log
2
int
+
1
+
log
2
int
+
1
∑
2
2
N f =1
6
6
T
T
z
z
bh − bl
bh − bl
z
z
z
z
N
1
N
(19)
Essendo quindi PE come il numero di bit necessari per ciascun frame della
TTF.
Sulla base di studi estensivi, si è valutato che il valore di PE si aggira attorno a
2.1 bit/campione. Naturalmente il valore di PE è pesantemente dipendente dalla
natura del segnale medesimo. La figura 3.8 dà un’idea delle curiose fluttuazioni di
PE in funzione dei tipi di segnale audio in ingresso.
L’MPEG 1 layer 3 utilizza un algoritmo di quantizzazione non uniforme a
legge esponenziale per quantizzare i coefficienti della trasformata MDCT. Questa
legge è data dalla formula
3
4
X (i)
X q (i) = int ∆ − 0.0946
2 4
(20)
Dove:
-
X(i) è l’i-esimo coefficiente della MDCT proveniente dalle (6) – (10)
-
∆ è lo step di quantizzazione
La funzione dell’elevamento a potenza ¾ è quella di quantizzare in modo più
grezzo grandi ampiezze e di quantizzare più finemente piccole ampiezze. Questo
L’algoritmo di compressione Mp3
49
fornisce un miglior rapporto segnale/rumore complessivo nel range di
quantizzazione.
L’MPEG 1 layer 3 quantizza i valori di spettro allocando a ciascuna
sottobanda esattamente il numero di bit necessario a mantenere una trasparenza
percettiva a una determinata bitrate. In altre parole modella lo spettro del rumore
quantizzato in modo che questi rimanga al di sotto del livello di udibilità.
Codifica
entropica
Figura 3.9. Algoritmo di quantizzazione. Diagramma di flusso
L’algoritmo di compressione Mp3
50
Questa fase avviene iterativamente, mediante l’implementazione di due cicli
annidati uno dentro l’altro. Il ciclo esterno, detto anche ciclo di controllo della
distorsione, controlla il rumore di quantizzazione prodotto dal ciclo interno.
Quest’ultimo, detto anche ciclo di controllo di banda si occupa di effettuare la
miglior quantizzazione per una determinata bitrate.
Quindi: il ciclo interno sceglie un quantizzatore, effettua la quantizzazione sui
valori di segnale e conta il numero di bit necessari dopo la codifica entropica. Se il
bitrate risultante è troppo alto, iterativamente incrementa il gradino del
quantizzatore (diminuendo di fatto il numero di livelli) ricalcola il bitrate e se
ancora sfora effettua un ulteriore ciclo (cfr. figura 3.9).
Il ciclo esterno calcola il rumore di quantizzazione di ciascuna sottobanda. Nel
caso in cui il rumore di quantizzazione di qualcuna di queste ecceda il limite
imposto dal modello psicoacustico, vengono modificati i fattori di scala per quella
sottobanda e viene riconvocato il loop interno. (cfr. figura 3.10).
Questo processo continua finché
-
Non ci sono più sottobande con distorsione maggiore di quanto consentito
-
Tutte le sottobande sono già state amplificate fino al limite consentito
-
Viene raggiunto un time-out (sono nel caso di implementazioni real-time)
L’algoritmo di compressione Mp3
51
Figura 3.10. Quantizzazione: ciclo esterno. Diagramma di flusso.
3.6 La codifica entropica
La codifica entropica è applicata sulla base di un encoder di Huffman.
L’encoder di Huffman fornisce una codifica lossless, cioè riduce il numero di bit a
parità di qualità del segnale.
L’algoritmo di compressione Mp3
52
Nella codifica di Huffman l’entropia è basata sulla conoscenza della
distribuzione statistica dei dati in ingresso. Dalle statistiche sui dati vengono
compilate delle tabelle di conversione. In linea di principio, valori con un’altra
probabilità di essere rappresentati sono associati a parole corte mentre i valori
scarsamente probabili sono associati a parole più lunghe.
Analogamente al modello psicoacustico, l’encoder entropico divide il frame in
due sub-frames di 576 campioni. In virtù delle caratteristiche di un generico
segnale audio, le componenti in alta frequenza hanno contenuto energetico nullo o
trascurabile. Pertanto all’interno del frame i campioni devono essere ordinati per
frequenza crescente, così da ottenere una lunga sequenza di zeri alla fine. Ciò è
banale in caso di finestra lunga [cfr. le (7) - (10)]; in caso di finestra breve
l’ordinamento avviene prima per frequenza e poi per finestra. Ora, vengono
identificate tre aree differenti:
1) Partendo dalla frequenza di Nyquist, viene individuata la più lunga
sequenza di zeri. Questa area viene identificata col nome di rzero. Questa
regione non deve essere codificata poiché il contenuto è banale e la
lunghezza può essere calcolata semplicemente deducendola dalle
dimensioni delle altre due. Unico accorgimento: deve contenere un
numero pari di zeri poiché le altre regioni non lavorano su bit singoli ma
su un numero pari di bit.
2) Successivamente vengono identificati i quartetti di valori quantizzati non
più grandi di 1 in valore assoluto (-1, 0 e 1). Questa area è chiamata
count1.
3) Infine, la restante porzione di banda, contenente la maggior parte del
contenuto energetico del segnale, viene detta bigvalues.
In figura 3.11 è possibile osservare il tipico aspetto di un sub-frame (576
coefficienti MDCT quantizzati per un target di 128 kbps). L’area detta bigvalues
viene successivamente suddivisa in altre tre sottoaree, a ciascuna delle quali viene
applicata una codifica di Huffman ottimizzata sulla base delle statistiche di quella
regione di banda (cfr. ancora figura 3.9).
L’algoritmo di compressione Mp3
53
Figura 3.11. Tipico aspetto di un sub-frame dell’encoder entropico
3.7 Bitstream
Figura 3.12. Struttura del frame: implementazione reservoir bit
L’ultimo blocco di un encoder è quello che si occupa di produrre il flusso di
dati secondo la specifica MPEG-1 layer 3. Contiene i bit codificati secondo
Huffman e una intestazione.
L’algoritmo di compressione Mp3
54
Il bitstream è partizionato in frame, ciascuno dei quali rappresenta 1152
campioni audio.
L’intestazione descrive quale bitrate e frequenza di
campionamento è stata utilizzata per la codifica (oltre a un certo numero di
informazioni accessorie)30.
Quando un frame viene codificato con un numero di bit inferiore al bitrate
imposto, l’encoder “dona” i bit risparmiati a un apposito guardaroba (reservoir).
Qualora un frame successivo si trovi in difficoltà a mantenere il bitrate, questi può
ricevere indietro i bit extra e utilizzarli in modo da mantenere la qualità percepita
del suono. La gestione all’interno del bitstream avviene con un puntatore a 9 bit
chiamato main_data_begin che indirizza al punto di inizio di ciascun frame (cfr.
figura 3.12).
3.8 MPEG-2 e MPEG-4
Lo standard MPEG-2 (fig. 3.13) rappresenta un miglioramento delle
caratteristiche dell’MPEG-1 e implementa una serie di strumenti aggiuntivi per
abbracciare un range più ampio di applicazioni.
L’MPEG-2 BC [ISO/IEC 13818-3] rappresenta un’estensione dell’MPEG-1 a
basso bitrate. Supporta tre formati di campionamento a 16, 22.05 e 24 kHz.
Supporta bitrate da 32 a 256 kbps per il Layer 1 e da 8 a 160 kbps per i Layer 2 e
3. Supporta anche una estensione multicanale per applicazioni sonore surround
fino a 5 canali principali (Destro, Sinistro, Centrale, Destro surround e Sinistro
surround) e un canale addizionale comunemente detto Subwoofer. Il limite
superiore consentito del bitrate è 1Mbit/sec.
Il bitstream è retrocompatibile con l’MPEG-1: un segnale a due canali viene
ottenuto dal segnale a cinque canali tramite una matrice di conversione e
codificato nello standard MPEG-1. I rimanenti canali vengono codificati il frame
secondari, ignorati dall’MPEG-1.
30
Cfr: http://www.id3.org/mp3Frame per una mappa esaustiva dell’header di un frame.
L’algoritmo di compressione Mp3
55
L’MPEG-2 AAC [ISO/IEC 13818-7] fornisce una codifica audio di altissima
qualità da 1 a 48 canali ciascuno campionabile a una frequenza da 8 a 96 kHz con
supporto multicanale, e multilingue. L’AAC funziona a bitrate da 8 kbps per un
segnale parlato monofonico a 160 kbps/canale per una codifica di altissima
qualità. L’AAC non ha retrocompatibilità con l’MPEG-1.
L’AAC utilizza tre profili di complessità: principale, basso e a frequenza
scalabile di campionamento (SSR). Utilizza un banco di filtri MDCT a 2048 punti
in caso di segnale stazionario e 256 punti per i transitori. In alternativa supporta
un filtro passabanda a seni o un filtro di Kaiser-Bessel (KBD). Il banco di filtri è
adattivo al segnale poiché supporta un blocco di Temporal Noise Shaping (TNS)
che agisce prevedendo i coefficienti delle MDCT. Il TNS riduce la richiesta di
elevato bitrate in presenza di transitori di attack. Il TNS può essere applicato a
tutto lo spettro del segnale oppure soltanto a una porzione di esso, a seconda di ciò
che è necessario.
Figura 3.13. Schema a blocchi di un encoder MPEG-2
Lo standard MPEG-4 [ISO/IEC 14496-3] integra una famiglia di strumenti per
la codifica e la composizione di oggetti audiovisivi naturali e sintetici. Il bitstream
L’algoritmo di compressione Mp3
56
comprende la descrizione degli oggetti e come questi interagiscono a formare una
scena.
Un segnale parlato viene codificato con un algoritmo parametrico HVXC
(Harmonic Vector eXcitation Coding) per bitrate da 2 a 4 kbps o con un algoritmo
CEPL per bitrate maggiori.
Un segnale audio generico viene codificato con un algoritmo TWIN-VQ fino a
16 kbps. Per bitrate maggiori è utilizzata invece una versione estesa dell’MPEG-2
ACC. L’algoritmo di codifica audio è stato inoltre alleggerito in modo da avere
una codifica quasi real-time. Il frame è stato dimezzato a 512 campioni, la
divisione in blocchi di differente lunghezza è stata rimossa e i reservoir bit e sono
stati minimizzati quando non del tutto abbandonati.
Per segnali codificati AAC o TWIN-VQ è stato introdotto un Long Term
Predictor (LTP) per migliorare la qualità dei segnali stazionari.
E’ stato inoltre implementato uno strumento denominato Perceptual Noise
Substitution (PNS) che si basa sull’osservazione che un rumore suona più o meno
come un altro. Ciò significa che la struttura esatta di un rumore è molto meno
importante rispetto alla percezione del rumore stesso. Pertanto, invece di
trasmettere le componenti di un vero spettro di rumore, il bitstream si limita a
segnalare che quella regione di frequenza è “rumorosa”, e a fornire qualche
informazione sull’energia complessiva in quella medesima banda. Il PNS agisce
selettivamente sulle sottobande.
Gli oggetti audio sintetici sono codificati con un’interfaccia text-to-speech
(TTSI) oppure con strumenti di codifica audio strutturato (utilizzati, per esempio
per aggiungere al suono componenti artificiali quali echi, riverberi o
diversificazioni spaziali). Tra questi, il Structured Audio Orchestra Language
(SAOL) fornisce la sintassi per definire un’orchestra di strumenti sintetizzati da
un linguaggio opportuno (MIDI).
Capitolo 4
Un’applicazione: la web
radio
Questo capitolo analizza il fenomeno in espansione delle web radio. La web radio
rappresenta un’interessante applicazione dell’algoritmo di compressione audio.
4.1 Un nuovo mass-media?
È’
storia recente che Internet abbia destabilizzato l’assetto del sistema dei
media, determinando una fase di cambiamento in cui il ruolo
dominante della televisione è stato fortemente messo in discussione.
Oppostamente, la radio ha vissuto e sta vivendo una mutazione che la porta ad
essere uno dei pochi medium “classici” in grado di convivere proficuamente e
concretamente con Internet. Nel gioco delle convergenze che si sono create fra i
media, la radio sta acquistando una nuova modernità: la web-radio è la nuova
frontiera della libertà radiofonica per chiunque intenda trasformarsi in emittente
on line, e per le radio affermate rappresenta un buon canale per la diffusione dei
Un’applicazione: la web radio
58
programmi da affiancare alla tradizionale diffusione nell’etere. Sono molti a
sostenere che Internet ha salvato la radio dall'estinzione. Aggiungiamo che,
contemporaneamente, ha estinto l’iconografia classica radiofonica presentando
una situazione quasi paradossale, in cui la radio medesima, smaterializzandosi,
assume una nuova materialità, diventa un medium “visibile”. La contraddizione,
invero soltanto apparente, veicola in realtà la possibilità di esplorare di nuovi
formati mediatici resi possibili dal passaggio on-line.
E’ affascinante osservare come la radio sia il medium che più di altri ha saputo
escogitare e attuare un compromesso davvero vincente nel panorama dei media
digitali. Proprio per la sua natura imperfetta, la radio è riuscita a evolvere
“darwinianamente” verso una nuova e più evoluta forma di comunicazione.
Come?
Ascoltare la radio ha sempre rappresentato qualcosa di molto diverso da altre
esperienze di fruizione mediale, come la lettura di un libro o di un giornale: la
radio è sempre adesso: “È” nel momento in cui la si ascolta.
Nel panorama comunicativo dominato dalla tv, l’ascolto della radio
rappresenta da parte dell’utente, una scelta ben precisa più ancora che una
necessità: il rapporto degli ascoltatori con la loro emittente radiofonica è assai
diverso da quello che lega spettatore e televisione ed è contraddistinto da una
fidelizzazione più intensa e da una maggior identificazione. Per molti, l’ascolto
della musica in radio scandisce ogni attimo della giornata e le voci degli speaker
accompagnano ogni gesto. Si crea un rapporto amichevole, confidenziale,
ancorché unidirezionale tra ascoltatore e speaker.
Per gran parte delle radio trasmettere anche in Internet significa espandere le
proprie possibilità espressive, ampliare il proprio bacino di utenza, rafforzare il
rapporto con gli ascoltatori. L’ascoltatore entra in contatto visivo con quelli che
considera i propri amici e compagni di vita, naviga tra le pagine del sito della
emittente preferita, associa nuovi volti alle voci amiche. In questi termini la radio
in Internet, tramite il sito, diventa “visibile” senza perdere, anzi, potenziando la
peculiarità del solo ascolto.
Dall’altro lato del firmamento, l’ibridizzazione della radio tradizionale ha
sollecitato l’iniziativa personale della immensa comunità virtuale degli utenti
Un’applicazione: la web radio
59
della Rete. In brevissimo tempo sono nate innumerevoli radio web sviluppate in
totale autonomia, in linea con la (sovente discussa) dimensione “orizzontale”31,
cioè libera, della rete. Oggigiorno è possibile per l’utente della Rete creare la
propria radio web utilizzando risorse hardware di media entità e strumenti di
sviluppo open source facilmente reperibili in rete.
Figura 4.1. Internet: bacino di utenza complessivo negli Stati Uniti nel 2009
(percentuale sulla popolazione over 12)
Secondo
un’analisi
annuale
effettuata
dalla
agenzia
demoscopica
Arbitron/Edison32, nell’anno solare 2009, l’85% della popolazione Statunitense si
è connessa a Internet almeno una volta, da qualunque postazione, contro l’82%
dell’anno precedente (figura 4.1).
31
32
http://vitadigitale.corriere.it/2009/02/nielsen_internet_italia_facebook_youtube_answers.html
http://www.arbitron.com/study/digital_radio_study.asp
Un’applicazione: la web radio
60
Figura 4.2. Web radio: bacino di utenza complessivo negli Stati Uniti nel
2009 (percentuale sulla popolazione over 12)
Figura 4.3. Web radio: utenti abituali negli ultimi dieci anni (percentuale
sulla popolazione over 12)
Gli utenti che al momento del sondaggio hanno dichiarato di avere ascoltato
una radio internet nell’ultimo mese sono passati da 54 milioni nel 2008 a 69
milioni nel 2009. Gli utenti abituali, cioè quelli che dichiarano di ascoltare una
Un’applicazione: la web radio
61
web radio tutte le settimane sono passati dal 2% della popolazione nel 2000 al
17% nel 2009, per un totale di 42 milioni di utenti abituali (figure 4.2 e 4.3).
Secondo la Arbitron/Edison la principale ragione per cui gli utenti
preferiscono la web radio alla radio tradizionale è costituita dal fatto che le web
radio rappresentano una voce fuori dal coro in termini di prodotto musicale
erogato (figura 4.4).
Figura 4.4. Web radio: principali ragioni per le quali il campione
demoscopico preferisce una radio web alla radio tradizionale (percentuale
sulla popolazione over 12)
Nonostante il numero di radio internet stia crescendo esponenzialmente (circa
quindicimila soltanto negli Stati Uniti), il bacino di utenza americana tutt’oggi
tende a raccogliersi attorno a questi cinque principali portali di musica on line33:
AOL radio network, Yahoo music, MSN music, Shoutcast e Live36534, ciascuno
dei quali ospita parecchie migliaia di web radio.
33
In rete sono disponibile numerose statistiche di ascolto, sovente discordanti. Uno studio
interessante è stato effettuato nel 2008 da questo sito:
http://www.readwriteweb.com/archives/statistics_online_music_apps.php.
34
AOL
radio
network:
http://music.aol.com/radioguide/bb;
Yahoo
music:
http://new.music.yahoo.com/;
MSN
music:
http://music.msn.com/
Shoutcast:
http://www.shoutcast.com/; Live365: http://www.live365.com/index.live.
Un’applicazione: la web radio
62
4.2 Che cos’è una web radio?
In generale con il termine “web radio” (o “internet radio”) si definisce un
servizio continuo di divulgazione audio che utilizza la rete Internet come mezzo
fisico di propagazione. Per finalità e modalità di utilizzo, la radio web è
paragonabile alla radio tradizionale via etere, alla quale è accomunata da due
principali caratteristiche:
-
La trasmissione consiste in un flusso di streaming che non può essere
interrotto o riprodotto, ciò che rappresenta una differenza essenziale
rispetto ai siti di file serving on demand.
-
E’ possibile identificare un descrittore unico della radio web, nella forma
del suo indirizzo URL, analogamente alle radio tradizionali univocamente
(ma territorialmente) identificate da una frequenza di trasmissione.
Oppostamente, radio web e radio tradizionale differiscono per molteplici
caratteristiche:
-
Il già menzionato mezzo di trasmissione (la rete Internet per le web radio,
l’etere per le radio tradizionali) e, di conseguenza, il metodo di
trasferimento dati (onde elettromagnetiche nel caso della radio
tradizionale; pacchetti di dati nel caso della web radio).
-
Le radio tradizionali sono ricevute soltanto localmente mentre le radio web
possono essere ascoltate ovunque.
-
Il numero di stazioni che possono trasmettere contemporaneamente su un
determinato territorio è limitato dalla banda disponibile35. Nel caso della
web radio non esiste un limite superiore teorico.
-
La relativa semplicità con la quale un utente della rete può creare una sua
radio web ha generato in pochi anni una quantità enorme di radio più o
meno amatoriali, in modo che ciascun ascoltatore può individuare quella
che aderisce maggiormente ai suoi gusti musicali.
-
La ricerca di una stazione radio tradizionale avviene tramite la (paziente)
scansione dell’intera banda assegnata da parte dell’utente. Nel caso delle
radio web è praticamente impossibile scansionare l’intera Rete. Il compito
35
E’ noto che la banda destinata alle radio FM ha un’ampiezza di 20,5Mhz: tradizionalmente
da 87,5MHz a 108 MHz.
Un’applicazione: la web radio
63
di cercare canali radiofonici web è pertanto demandato a motori di ricerca
più o meno specifici.
-
La web radio è implicitamente interattiva: i siti web assurgono a luoghi
virtuali di aggregazione per gli utenti e di interazione con la stazione
emittente (chat, e-mail, forum e, in alcuni casi, messaggi video e audio).
Dal canto suo, il sito, sovente mette a disposizione archivi on-demand:
vecchie trasmissioni oppure brani musicali non protetti da copyright.
Una semplice web radio è composta da più elementi software disposti in
sequenza, in modo che ciascuno abbia come input l’output del precedente. La
modularità garantisce una maggior versatilità. Gli elementi necessari per rendere
operativa una web radio sono:
-
Un player, la cui funzione è di riprodurre il file audio e generare il flusso
di dati grezzo
-
Un encoder, la cui funzione è di codificare il flusso grezzo
-
Un server, che riceve il flusso codificato e lo trasmette in rete
Banalmente, il player è una qualsivoglia applicazione in grado di generare un
flusso di dati compatibile con l’encoder medesimo.
L’encoder ha il compito di generare lo stream audio interpretando l’input del
player o, alternativamente, leggendo da una playlist. E’ qui che si decide il
formato (o i formati) da adottare per la web radio. Generalmente si tratta di una
codifica lossy in un formato proprietario (Windows Media Audio, Real Audio) o
aperto (Ogg Vorbis, Mp3, AAC). In virtù delle sue caratteristiche versatili e
innovative è verosimile ipotizzare che a breve termine l’MP4 (MPEG-4)
rappresenterà il nuovo standard dominante.
Lo streaming server è la parte della catena esposta alla rete. Si occupa di
inviare alla rete il flusso codificato. Lo streaming server adotta un modello
client/server i cui componenti interagiscono tramite un protocollo di rete,
generalmente il TCP/IP o l’UDP/IP.
Uno dei problemi maggiori nella gestione di una web radio è rappresentata
dalla scalabilità.
Un’applicazione: la web radio
-
64
Unicast. Nell’approccio classico unicast, in cui le richieste degli utenti (i
client) vengono processate da un server o da una batteria di server, la
banda complessiva è direttamente proporzionale al numero di client e al
bitrate dello stream. Finché gli utenti sono in numero esiguo (entro
qualche centinaio) la banda necessaria in upstream, e quindi i costi, sono
ragionevoli. Se però l’audience cresce i costi operativi possono diventare
insostenibili. Sono molti i casi di web radio “casalinghe” vittime del
proprio successo.
-
Network distribuiti (CDN). Si tratta di un grande numero di server vicini
agli utenti. Ogni server usa la medesima homepage e contiene gli stessi
contenuti. Il client si connette al server migliore (il più prossimo oppure il
più disponibile) in modo da minimizzare i tempi d’attesa. Si tratta di una
soluzione di forza bruta: moltiplicando i server è possibile moltiplicare i
client di un medesimo fattore, ma con lo stesso coefficiente di
proporzionalità crescono i costi.
-
Multicasting. Si tratta di una tecnica per gestire una comunicazione unoa-tanti all’interno della rete senza conoscere a priori il numero e le
destinazioni degli utenti client. Un solo pacchetto viene generato dello
streaming server e duplicato localmente, nei server intermedi, soltanto
quando necessario.
-
Peercast. Anziché prelevare lo stream da un unico server, ogni client si fa
carico di una parte della banda in uscita, ritrasmettendo lo stream ricevuto
e diventando in questo modo server a sua volta. E’ possibile farsi
pubblicare su un apposito servizio di Yellow pages in modo da agevolare
la reperibilità, ma è anche possibile generare i link peercast necessari per
sfruttare la modalità peer to peer. Il server Peercast si configura in maniera
molto simile a uno streaming server tradizionale, con poche opzioni
peculiari (indirizzo del server Yellow pages, limitazioni alle connessioni
dirette). I client che volessero sfruttare la modalità peer-to-peer
necessitano di un client che riceva un URL in formato peercast e,
consultando il servizio di yellow pages, permettano a un player audio di
connettersi a uno dei peer. Altrimenti, per le stazioni che lo permettono, è
Un’applicazione: la web radio
65
possibile la connessione diretta al server. In questo modo lo streaming
server si trova a sopportare un carco minimo di client, ma al contempo si
complica il protocollo di trasmissione unitamente alla gestione,
assolutamente non banale, della connessione / disconnessione inattesa dei
client.
Lato client, il flusso di dati in ricezione dalla Rete viene ricostruito da un
player che genera il segnale digitale che verrà poi localmente convertito in
analogico e riprodotto da un sistema di amplificazione. In principio si trattava
esclusivamente di applicazioni software da installare su computer. Winanp,
iTunes, RealPlayer, MusicMatch Jukebox, XMMS sono soltanto alcuni tra i più
comuni. In tempi più recenti sono stati sviluppati media player per consolle quali
Microsoft Xbox e Sega Dreamcast e telefoni cellulari di terza generazione.
Esistono sul mercato player stand-alone per web radio (i cosiddetti Network
music players), generalmente costosi e dotati di un’estetica piuttosto ricercata e
“vintage”.
4.3 Elementi operativi
Tecnicamente l’identificatore unico di una radio web è il suo URL.
Analogamente noi associamo una radio web con il suo sito internet, che si tratti o
meno della propaggine online di una radio tradizionale consolidata.
Un altro modo di creare una radio web consiste nell’utilizzare opportuni
portali online. Tramite essi, chiunque dotato di una connessione internet e di
opportuni software freeware è in grado di costruire la propria radio fai-da-te.
SHOUTcast è il principale strumento online per la creazione di una web radio
personale. Permette di effettuare una trasmissione audio dal proprio PC a tutti gli
utenti Internet o a qualunque altra rete IP-based (per es. le LAN) in real time
oppure on-demand. Per la spedizione dell’audio supporta una tecnologia Mp3 o
AAC+. Supporta tutte le principali piattaforme come Windows (tutte le versioni
da Windows 98 in avanti), Unix, Linux, FreeBSD e MacOsX.
Gli strumenti necessari per creare una web radio con SHOUTcast sono:
-
Un computer con un sistema operativo supportato da SHOUTcast
Un’applicazione: la web radio
66
-
Una connessione a Internet a banda sufficientemente larga
-
Un player supportato da SHOUTcast (per esempio, Winamp36)
-
Il “plugin” di Winamp denominato “Shoutcast source”, la cui funzione è
quella di creare uno stream comprensibile da parte dello streaming
server37.
-
Shoutcast D.N.A.S. (Distributed Network Audio Server)2, il vero e proprio
streaming server che si occupa di trasmettere il segnale agli ascoltatori.
Figura 4.5. Il plugin Shoutcast source e Shoutcast D.N.A.S.
In rete sono disponibili numerosi tutorial che aiutano passo a passo a effettuare
l’installazione e i relativi settaggi di sistema38.
L’utente che desideri ascoltare una radio online deve possedere un PC, una
connessione Internet e un player (o, in alternativa un Network music player). Per
ascoltare una determinata radio online ospitata su SHOUTcast egli deve quindi
collegarsi al sito www.shoutcast.com e selezionare la radio desiderata tra le oltre
trentamila ospitate dal sito. Semplicemente cliccando sul collegamento
ipertestuale si aprirà una playlist all’interno del player di default.
36
http://www.winamp.com/
http://www.shoutcast.com/download#11
38
Tra i tanti, questo (http://www.ziospock.com/incominciamo.php) in italiano pare uno dei più
chiari e completi
37
Un’applicazione: la web radio
67
Diverso il discorso per chi intende realizzare una radio web professionale. Di
seguito, la preziosa testimonianza di Dalse, fondatore e direttore di
Yastaradio.com39, una delle più interessanti radio online del panorama italiano in
termini sia di palinsesto che di contenuti. In appendice a questa tesi è possibile
leggere l’intervista completa.
“Innanzitutto è necessario distinguere tra la componente prettamente audio e
quella del sito web. La prima, a sua volta, si compone di una stazione di codifica
ed una piattaforma di emissione.
Figura 4.6. Il logo di Yastaradio.com.
Nel caso di Yastaradio.com la stazione di codifica è una workstation in
ambiente Windows dotata di un sottosistema dischi in RAID1 che ospita decine di
migliaia contenuti di musicali, codificati in mp3, e un’applicazione di radioautomation chiamata SAM Broadcaster. Tramite questa applicazione è possibile
gestire praticamente tutte le attività di messa in onda, mixando file mp3 con
contributi live (acquisiti da una piccola regia audio) e codificando in tempo reale
l’output in uno stream Windows Media Audio. Tale stream viene quindi messo a
disposizione di un origin server della piattaforma di emissione basata su Windows
Media Services tramite una connessione ADSL. La piattaforma di emissione,
ospitata e gestita da un importante Internet Service Provider (ISP) nazionale è di
tipo shared, ovvero non dedicata esclusivamente a Yastaradio.com, ma condivisa
tra più clienti indipendenti. Una piattaforma affidabile e performante è un
componente fondamentale per dare la migliore continuità del servizio e supportare
eventuali picchi di ascolto in caso di eventi che richiamino audience
particolarmente rilevanti.
39
www.yastaradio.com
Un’applicazione: la web radio
68
Per quanto riguarda il sito è stata scelta una soluzione open source chiamata
Joomla ovvero uno dei più diffusi portali sviluppati dalla comunità open. Joomla è
finemente configurabile ed espandibile tramite appositi moduli e componenti. Per
intenderci la chat, la gallery fotografica, i forum e i blog presenti sul sito sono
rispettivamente moduli e componenti opzionali che possono essere aggiunti alla
struttura di base di Joomla. Intrecciare, configurare e personalizzare pezzi di
codice php ha consentito di ottenere un portale ben strutturato e ricco di funzioni.
Per quanto riguarda l’algoritmo di compressine, nonostante i contributi
musicali di archivio siano praticamente tutti codificati in formato mp3 tanto caro
al mondo open, per l’emissione in streaming Yastaradio.com ha optato per la
codifica proprietaria Windows Media Audio (WMA). Tale scelta è derivata
dall’analisi di diversi fattori: qualità del codec, flessibilità della tecnologia,
accessibilità tramite player web per Windows (basati sull’activeX Windows
Media Player) ma anche Mac o Linux (basati sulla più recente tecnologia
multipiattaforma Silverlight). Non bisogna dimenticare anche motivazioni di
natura economica: infatti, tra gli standard proprietari, i servizi di emissione
Windows Media sono solitamente più economici rispetto alle alternative come
Adobe Flash o Real Networks.”
Conclusioni
Elevata qualità, versatilità e scalabilità. Le principali caratteristiche
dell’algoritmo di compressione Mp3 sono state raggiunte attraverso un raffinato
algoritmo di quantizzazione e codifica integrato da un modello percettivo che
muove dallo studio approfondito della psicoacustica. La possibilità di variare un
certo numero di fattori di scala permette di ottimizzare il rapporto qualità /
compressione del segnale sulla base delle esigenze dell’utente.
La standardizzazione dell’Mp3 ha rappresentato in questo senso un risultato di
grande portata, ma non è stato che il punto di partenza per sviluppi futuri.
Se per tutti gli anni novanta, infatti, il trade-off qualità percepita del segnale /
occupazione di banda ha rappresentato il paramento cruciale nella valutazione
della bontà di un algoritmo Mp3, nel primo decennio del nuovo millennio
l’evoluzione dei sistemi multimediali ha richiesto un algoritmo sempre più
evoluto, capace di integrare funzionalità specifiche per i nuovi standard
commerciali. Per esempio: l’attuale Mp4, bisnipote dell’Mp3, implementa fino a
48 canali contro i due soli dell’Mp3, integra algoritmi parametrici per la voce e i
suoni sintetici, oltre a numerosi e complessi sistemi di codifica audio strutturata
finalizzati a una miglior resa di echi, riverberi e diversificazione spaziale del
suono.
Tra le altre, la radio web rappresenta una interessante applicazione
dell’algoritmo di codifica audio.
Fenomeno non recentissimo, sta vivendo proprio in questi anni il suo boom in
termini sia di proposta che di utenza. La radio web, perlomeno in certe forme più
“artigianali”, è un’applicazione che ancora deve fare i conti con i limiti di banda
disponibile. Oggigiorno i principali strumenti online per la creazione di una radio
Conclusioni
70
web personale (vedi SHOUTcast) implementano algoritmi di compressione
“open”, quali l’Mp3 o le sue evoluzione AAC e Mp4. Al contrario, chi si dedica
allo sviluppo di radio web professionali, ancora sceglie codec proprietari per
ragioni legate a una maggior flessibilità di implementazione nei riguardi della
piattaforma di emissione.
Appendice A
L’acustica e l’orecchio
umano
Una breve descrizione in termini il più possibile ingegneristici dell’orecchio
umano e di come funziona.
A.1 Che cos’è un segnale acustico?
I
l suono è definito come una compressione e rarefazione meccanica di un
dielettrico. A seconda dello stato fisico del dielettrico la propagazione
avviene in modi differenti. Restringendo l’analisi ai dielettrici gassosi, che
supponiamo per semplicità ideali, un’onda sonora è definita come un’onda
longitudinale che si propaga perpendicolarmente ai fronti isobarici di suddetto
fenomeno di compressione / rarefazione. La velocità di propagazione del suono
all’interno di un gas ideale è definita come:
vs =
γRT
M
, dove
R è la costante universale dei gas R = 8.314 J/mol K
T è la temperatura assoluta in Kelvin
M è il peso molecolare del gas in kg/mol
γ è la costante adiabatica specifica per ogni gas
L’acustica e l’orecchio umano
72
Nell’aria γ = 1.4 e M = 28.95 gr/mol, pertanto si ottiene
1.4(8.314 J / mol K )
* T = 20.05 T m / s
0.02895 kg / mol
v aria =
Una buona approssimazione di questa formula è, esprimendo T in gradi
Celsius
v aria ≈ 331.4 + 0.6Tc m / s
A 20°C la velocità del suono è circa 344 m/s
Le onde sonore sono sostanzialmente gradienti di pressione che si propagano
nello spazio e cambiano nel tempo rispetto ad una condizione di riposo
identificabile nella pressione atmosferica. Grazie alla propria sensibilità l’orecchio
umano è in grado di percepire una variazione di pressione inferiore a un
miliardesimo della pressione atmosferica. Si è soliti considerare come valore di
soglia per l’udibilità la quantità P0 = 2 * 10-5 newton/m2 che corrisponde quindi a
0 dB. Questo parametro, detto soglia media di udibilità, è una approssimazione
grossolana di quello che è il vero comportamento dell’orecchio umano. La soglia
di udibilità è in realtà funzione di innumerevoli fattori soggettivi ed oggettivi
nonché uno dei punti fondamentali sui cui si basa lo studio della psicoacustica,
come si vedrà in seguito.
Si può definire l’intensità sonora in dB in questo modo:
P2
I
P
I (dB) = 10 log10 = 10 log10 2 = 20 log10
I0
P0
P0
Una descrizione generale dell’intensità sonora fa riferimento alla definizione
sottostante40:
T
I=
1
p(t ) * v(t )dt
T ∫0
Dove:
40
I è l’intensità sonora
Una trattazione dettagliata di questi concetti è reperibile su qualunque testo di acustica. Per
un approccio decisamente più euristico si confronti:
http://www.sengpielaudio.com/Calculations03.htm ed in particolare la ruota delle formule in
http://www.sengpielaudio.com/calculator-ak-ohm.htm
L’acustica e l’orecchio umano
73
-
p(t) è la pressione sonora
-
v(t) è la velocità delle particelle oscillanti
La propagazione spaziale del suono in un dielettrico con sorgente puntiforme o
sferica avviene tramite una legge a proporzionalità quadratica inversa, come
esprime in modo chiaro e intuitivo la figura A.1.
Figura A.1. Propagazione spaziale del suono in un dielettrico con sorgente
puntiforme o sferica
A.2 L’orecchio esterno
Come altrove accennato l’orecchio può essere considerato alla stregua di un
filtro passabanda il cui ingresso è un segnale sotto forma di oscillazione del
dielettrico in cui l’orecchio medesimo è immerso e la cui uscita è un segnale
elettrico collegato direttamente al sistema percettivo umano che risiede nel
cervello.
Quella che segue è una veloce panoramica sui meccanismi che regolano il
funzionamento dell’orecchio. In figura A.2 è rappresentato schematicamente un
orecchio umano.
L’acustica e l’orecchio umano
74
Figura A.2. L’orecchio umano
-
Pinna. Si tratta della parte più esterna dell’orecchio. La sua funzione è
quella di raccogliere più energia sonora da convogliare nel canale uditivo.
Funziona sostanzialmente come un pre-amplificatore il cui rapporto di
amplificazione varia da 2 a 3. In virtù della propria forma asimmetrica,
suoni provenienti da differenti direzioni avranno una caratteristica
spettrale differente. Questa caratteristica permette all’apparato uditivo
umano di conferire una direzionalità alto/basso al suono percepito. La
direzionalità sinistra/destra proviene più banalmente dalla differente
percezione con un orecchio rispetto all’altro.
-
Canale uditivo. Si tratta di un condotto interno che unisce la pinna alla
membrana del timpano. Può essere assimilabile ad un risonatore a tubo
chiuso, la cui frequenza di picco è determinata dall’equazione empirica
λ = 4(l + 0.4d ) dove:
o λ è la frequenza di picco del risonatore
o l è la lunghezza del tubo
o d è il suo diametro
L’acustica e l’orecchio umano
75
Il canale uditivo è quindi un filtro passabanda naturale finalizzato ad
amplificare la sottobanda 2 kHz – 5 kHz al centro della banda uditiva e ad
attenuarne altre. Si osserva infatti empiricamente che la frequenza di picco
è attorno ai 3700 Hz, che corrisponde ad una lunghezza media del canale
di circa 2.4 cm.. Tutto ciò non è casuale, dal momento che la banda
passante coincide approssimativamente con la banda di un segnale vocale.
E’ curioso notare che è presente anche il picco di 3° armonica attorno ai 13
kHz. Questa è la spiegazione dell’andamento in frequenza delle curve
isofoniche (vd. paragrafo 2)
-
Membrana. La membrana del timpano è posta al termine del canale
uditivo e sigilla l’interno dell’orecchio dall’esterno, prevenendo infezioni
batteriche. Essa vibra in maniera sincrona con l’aria, raccogliendo di fatto
il segnale e trasmettendolo a tre ossicoli all’interno della cavità auricolare.
In virtù della sua forma a cono la membrana effettua una ulteriore
amplificazione del suono di un fattore proporzionale al rapporto tra le due
superfici: quella a contatto con il canale auricolare e quella a contatto con
gli ossicoli. Empiricamente si è stimato un fattore di amplificazione di
circa 15.
-
Cavità auricolare. E’ la cavità all’interno del quale si muovono gli
ossicoli. E’ collegata alla faringe nasale tramite un condotto detto tuba di
Eustachio. Al suo interno vi è aria alla pressione atmosferica, necessaria
per permettere una corretta vibrazione della membrana. Funge pertanto da
camera di decompressione per la membrana medesima.
-
Ossicoli. Si tratta dei tre più piccoli ossi dell’organismo umano, nominati
rispettivamente malleus (temine latino che significa martello), incus
(latino: incudine) e stapes (staffa) in virtù della loro forma. Essi
trasferiscono il segnale sonoro dalla membrana alla parte interna
dell’orecchio tramite un meccanismo di leve meccaniche. Le onde sonore
sono composte da vibrazioni di molecole di aria; nell’orecchio interno
invece è presente una mucosa liquida molto più densa e meno
comprimibile dell’aria. La funzione degli ossicoli è pertanto quella di
trasformare il segnale acustico in una opportuna oscillazione del fluido.
L’acustica e l’orecchio umano
76
Rimanendo all’interno della metafora si possono definire gli ossicoli come
degli adattatori di impedenza acustica. In figura 3 è mostrato il movimento
meccanico eseguito dagli ossicoli.
Figura A.3. Movimento
Figura A.4. Saturazione
degli ossicoli
degli ossicoli
Un’altra importante funzione degli ossicoli (mostrata in figura A.4)
consiste nella protezione da suoni molto intensi. In questi casi il muscolo
tensore del timpano tende la membrana e fa arretrare gli ossicoli. L’ultimo
di questi, arretrando, comprime di meno il fluido all’interno dell’orecchio,
preservandolo così da dannose sovracompressioni. Si tratta comunque di
una azione lenta incapace di prevenire rumori forti repentini che, in casi
estremi possono provocare fitte dolorose o addirittura la rottura della
membrana. Col trascorrere del tempo questa funzione è sempre meno
efficace, il che spiega la naturale intolleranza degli anziani nei confronti
del rock and roll!
A.3 L’orecchio interno
La parte interna dell’orecchio è la più complessa nonché la più “misteriosa”
dal momento che a tutt’oggi una comprensione completa dei meccanismi di
L’acustica e l’orecchio umano
77
funzionamento è ben lontana dal compimento. L’interno dell’orecchio
sostanzialmente si divide in due parti con differenti funzioni: i canali semicircolari
e la coclea (vedi figure A.5 e A.6), entrambi contenenti un liquido detto perilinfa.
I canali semicircolari hanno la funzione primaria di fornire i segnali necessari
al cervello per mantenere l’organismo in equilibrio. Si tratta di tre anelli
semicircolari posti su tre assi ortogonali collegati tramite terminazione nervosa al
cervello. All’interno dei canali una serie di filamenti nervosi percepiscono la
posizione relativa rispetto al suolo in termini di accelerazione angolare del fluido
lungo i tre assi perpendicolari al piano di ciascun canale. Per quanto
oggettivamente interessante l’approfondimento di questo meccanismo trascende
gli scopi di questa tesi.
Figura A.5. Canali
Figura A.6. Coclea
semicircolari
La coclea invece, saggiamente definita nell’illustrazione “il microfono del
corpo”, si occupa di tradurre l’onda sonora in impulsi nervosi. Essa consiste un
condotto di forma elicoidale formato da tre cavità longitudinali parallele
denominate “scala vestibuli”, “scala tympani” e “scala media”, posta a contatto
con gli ossicoli tramite la cosiddetta “finestra ovale”, una membrana la cui
funzione è quella di trasmettere all’interno della coclea stessa il movimento
oscillatorio generato dall’ossicolo più interno, la staffa. In figura A.7 è
rappresentata una sezione della coclea. Nelle due cavità esterne è presente la
perilinfa, che propaga le onde sonore per tutta la coclea.
L’acustica e l’orecchio umano
78
Figura A.7. Sezione
Figura A.8. Organo di
della coclea
Corti
Figura A.9. Disposizione
Figura A.10. Cella
delle celle filamentose
filamentosa
L’acustica e l’orecchio umano
79
Nella cavità interna, la “scala media” è presente un elemento sensitivo detto
“organo di Corti” (figura A.8) composto da due membrane ripiegate una sull’altra.
Sull’estremità della membrana inferiore cono presenti quattro file di celle
filamentose (hair cells, vedi figure A.9 e A.10). In figura A.11 è mostrato un
disegno della coclea “raddrizzata” per migliore comprensione.
Figura A.11. Disegno “raddrizzato” della coclea
La membrana ovale trasmette l’onda sonora alla perilinfa, che si propaga per
le due cavità esterne, sollecitando la membrana di base, che oscilla su e giù. Sulla
sommità di questa, le celle filamentose fluttuano nell’endolinfa. Quando la
fluttuazione diventa consistente vi è una compensazione elettrolitica tra endolinfa
e filamenti, tra le quali esiste una differenza di potenziale di circa 120 millivolt.
Questa compensazione viene trasmessa al nervo uditivo cui i filamenti sono
ancorati, che li trasmette direttamente al cervello. Quello descritto è il
comportamento dei filamenti interni (vd. figura A.9), mentre si presume che i
filamenti esterni fungano da amplificatori, non da trasduttori, inducendo una
maggiore oscillazione della membrana tettorale (vd. figura A.8).
A.4 Percezione
I parametri identificativi della percezione umana sono fortemente determinati
dalla morfologia della coclea medesima.
L’acustica e l’orecchio umano
80
Risoluzione. In virtù della forma elicoidale della coclea ogni regione della
membrana basilare oscilla a frequenze differenti. In particolare le regioni più
vicine alla finestra ovale oscillano stimolate dalle frequenze più alte mentre quelle
più prossime alla sommità della coclea oscillano a frequenze più basse. Si
confrontino le figure A.12 e A.13.
Figure A.12 e A.13. Oscillazione della coclea a differenti frequenze
Pertanto a seconda della posizione all’interno della coclea ciascun gruppo di
filamenti è sensibile a una determinata frequenza. In questi termini è possibile
considerare la coclea come un analizzatore di spettro la cui risoluzione è a dir
poco straordinaria. Si stima infatti che l’orecchio umano riesca a distinguere,
all’interno della banda uditiva, circa 1500 frequenze diverse.
Figura A.14. Sharpening nella coclea
L’acustica e l’orecchio umano
81
Considerando che nella coclea vi sono da 16000 a 20000 filamenti risulta che
non più di una dozzina di filamenti si occupa di rilevare ciascuna frequenza.
Inoltre, considerando che la coclea ha una lunghezza di circa 3.2 cm, risulta che il
filtraggio di ciascuna frequenza avviene in uno spazio di 20 micron. Si confronti
la figura A.14.
Ne consegue che dovrebbero esistere 1500 differenti “porzioni” di membrana
capaci di oscillare per un’estensione di 20 micron. E’ difficile credere che la
membrana di base abbia una risonanza meccanica così efficace in termini di
risoluzione, pertanto si presuppone che esistano dei meccanismi di sharpening
operati in qualche modo dal cervello, finalizzati a inibire il funzionamento dei
filamenti laterali. Si tratta, come già accennato, di una conoscenza non ancora
acquisita completamente; uno dei numerosi angoli oscuri della natura non ancora
rischiarati dalla scienza che fanno dell’uomo una macchina straordinaria concepita
con una tecnologia superiore.
Bande critiche. Ogni punto della membrana di base è sensibile a una
determinata frequenza, detta “Frequenza caratteristica” per quel punto. Dal
momento che la membrana vibra con continuità e non in porzioni infinitesime,
anche le porzioni adiacenti sono sensibili, benché con ampiezza decrescente
all’aumentare della distanza dal punto di massima sensibilità. Ogni punto della
membrana può pertanto essere considerato un filtro passabanda con centro banda
sulla frequenza caratteristica. La banda passante cresce con la frequenza ma il
fattore di bontà Q rimane approssimativamente il medesimo.
In figura A.15 viene mostrata la membrana di base (raddrizzata). Si può
osservare facilmente che a frequenze più alte l’inviluppo della vibrazione è
maggiore, di conseguenza la banda passante cresce al crescere della frequenza. La
frequenza caratteristica varia a seconda della porzione di membrana considerata.
Si osserva che in virtù della propria forma elicoidale l’inviluppo dell’oscillazione
e di conseguenza la banda passante attorno a ciascuna frequenza non è
simmetrico.
La
percezione
di
un
segnale
complesso
avviene
come
sovrapposizione (altrettanto complessa) dei moti oscillatori di ciascuna porzione
di membrana. La porzione finita di membrana sollecitata da un medesimo tono è
detta “banda critica”. In termini psicoacustici viene fornita una definizione
L’acustica e l’orecchio umano
82
sperimentale di banda critica, sulla base della quale viene elaborato il modello
percettivo utilizzato negli algoritmi di compressione.
Figura A.15. Oscillazioni della membrana di base a differenti frequenze
Intensità e spazialità. Gli impulsi nervosi sono del tipo on/off, paragonabili a
segnali digitali, non sensibili pertanto all’intensità. Si pensa che una percezione
dell’intensità sonora avvenga tramite la frequenza di stimolazione di ciascun
filamento (sorta di quantificazione di “quanto intensamente oscilla” il filamento).
Inoltre, a basse frequenze (ma non troppo basse), l’impulso “on” viene trasmesso
dal filamento al sistema nervoso in maniera sincrona con l’oscillazione della
membrana, realizzando una sorta di agganciamento di fase al suono esterno.
Questo fenomeno avviene in maniera tanto più definita quanto maggiore è
l’intensità dell’onda sonora e si traduce, in termini percettivi, in una percezione
più nitida del suono. L’agganciamento di fase operato dal singolo orecchio è
debole, ma esiste un altro fattore che influisce in maniera determinante: la
L’acustica e l’orecchio umano
83
presenza di due orecchie, cioè di due differenti segnali la cui elaborazione
all’interno del cervello risulta in una buona percezione della spazialità.
Va osservato che in virtù delle caratteristiche dell’ambiente, il suono si
propaga in un “canale” più o meno “sporco”: soffitti, muri, ostacoli in genere
danno luogo a numerose onde riflesse e distorte. Per fare fronte a tutto ciò il
cervello attua opportuni meccanismi di filtraggio finalizzati a “tralasciare” questi
contenuti spuri dell’onda sonora: si tratta dei filtraggi di mascheratura
ampiamente analizzati all’interno di questa tesi.
Il funzionamento dell’orecchio umano è a mio parere un argomento di grande
fascino che in questa sede è stato estremamente sintetizzato per motivi di
pertinenza41. Lo scopo di questa sezione è di fungere da breve guida alla
comprensione dei postulati della psicoacustica esaminati nel capitolo 2.
41
Una agevole descrizione del funzionamento dell’orecchio umano in termini, per quanto
possibile, ingegneristici si può trovare in http://web.mit.edu/2.972/www/reports/ear/ear.html
Appendice B
Filtri polifase
B.1 Un filtro polifase per l’Mp3
Figura B.1. Sottobande lineari
U
n banco di filtri polifase in quadratura (detti anche PQF) è un banco di
filtri la cui funzione è quella di splittare un segnale a banda limitata in
ingresso in un determinato numero di N sottobande (generalmente una
potenza di 2) egualmente spaziale in frequenza su scala lineare (figura B.1) o
logaritmica (figura B.2)
Figura B.2. Sottobande logaritmiche
Filtri polifase
Queste
85
sottobande
sono
sottocampionate
di
un
fattore
N;
il
sottocampionamento è critico e introduce aliasing. La componente di aliasing
all’interno di ciascuna sottobanda è compensabile sottraendovi la componente di
segnale del filtro adiacente moltiplicata per un opportuno fattore di scala.
Un banco di filtri PQF è costruito utilizzando un filtro di base, che è un passabasso a fs/4N modulato da N funzioni coseno che generano N filtri passa-banda
con una banda di fs/2N.
Figura B.3 – Banco di filtri PQF
Il filtro passa-basso utilizzato nei PQF è un filtro digitale tempo-discreto FIR
(Finite Impulse Response). Lo schema di principio di un filtri FIR è mostrato in
figura 3. L’ordine n del filtro è determinato dal numero di coefficienti. Nelle
applicazioni a banchi di filtri PQF l’orine n è uguale a 8-24 volte il numero delle
sottobande.
Definito un segnale di ingresso xn e un filtro FIR di ordine P-esimo hn, la
convoluzione di x con h è definita come:
è la trasformata Z di hn denotata H(z):
Filtri polifase
86
La trasformata Z di un FIR ha solo zeri e nessun polo. Un filtro FIR è stabile, non
necessita di feedback e può avere fase lineare se e solo se i suoi coefficienti sono
simmetrici rispetto alla frequenza centrale.
Nel caso dell’MPEG audio l’ordine del filtro è n = 512, cioè 16 volte il
numero delle sottobande. In tabella B.1 sono visualizzati i 512 coefficienti del
filtro.
C[ 0]=
C[ 4]=
C[ 8]=
C[ 12]=
C[ 16]=
C[ 20]=
C[ 24]=
C[ 28]=
C[ 32]=
C[ 36]=
C[ 40]=
C[ 44]=
C[ 48]=
C[ 52]=
C[ 56]=
C[ 60]=
C[ 64]=
C[ 68]=
C[ 72]=
C[ 76]=
C[ 80]=
C[ 84]=
C[ 88]=
C[ 92]=
C[ 96]=
C[100]=
C[104]=
C[108]=
C[112]=
C[116]=
C[120]=
C[124]=
C[128]=
C[132]=
C[136]=
C[140]=
C[144]=
C[148]=
0.000000000
-0.000000477
-0.000000954
-0.000001431
-0.000002384
-0.000003815
-0.000006199
-0.000009060
-0.000013828
-0.000019550
-0.000027657
-0.000037670
-0.000049591
-0.000062943
-0.000076771
-0.000090599
0.000101566
0.000108242
0.000106812
0.000095367
0.000069618
0.000027180
-0.000034332
-0.000116348
-0.000218868
-0.000339031
-0.000472546
-0.000611782
-0.000747204
-0.000866413
-0.000954151
-0.000994205
0.000971317
0.000868797
0.000674248
0.000378609
-0.000021458
-0.000522137
C[ 1]=
C[ 5]=
C[ 9]=
C[ 13]=
C[ 17]=
C[ 21]=
C[ 25]=
C[ 29]=
C[ 33]=
C[ 37]=
C[ 41]=
C[ 45]=
C[ 49]=
C[ 53]=
C[ 57]=
C[ 61]=
C[ 65]=
C[ 69]=
C[ 73]=
C[ 77]=
C[ 81]=
C[ 85]=
C[ 89]=
C[ 93]=
C[ 97]=
C[101]=
C[105]=
C[109]=
C[113]=
C[117]=
C[121]=
C[125]=
C[129]=
C[133]=
C[137]=
C[141]=
C[145]=
C[149]=
-0.000000477
-0.000000477
-0.000000954
-0.000001907
-0.000002861
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-0.000027180
-0.000069618
-0.000095367
-0.000106812
-0.000108242
0.000101566
0.000090599
0.000076771
0.000062943
0.000049591
0.000037670
0.000027657
0.000019550
0.000013828
0.000009060
0.000006199
0.000003815
0.000002384
0.000001431
0.000000954
0.000000477
88
C[413]=
C[417]=
C[421]=
C[425]=
C[429]=
C[433]=
C[437]=
C[441]=
C[445]=
C[449]=
C[453]=
C[457]=
C[461]=
C[465]=
C[469]=
C[473]=
C[477]=
C[481]=
C[485]=
C[489]=
C[493]=
C[497]=
C[501]=
C[505]=
C[509]=
0.000307560
0.000191212
0.000093937
0.000017166
-0.000039577
-0.000077724
-0.000099182
-0.000108242
-0.000107288
0.000099182
0.000087261
0.000073433
0.000059605
0.000046253
0.000034809
0.000025272
0.000018120
0.000012398
0.000008106
0.000005245
0.000003338
0.000002384
0.000001431
0.000000954
0.000000477
C[414]=
C[418]=
C[422]=
C[426]=
C[430]=
C[434]=
C[438]=
C[442]=
C[446]=
C[450]=
C[454]=
C[458]=
C[462]=
C[466]=
C[470]=
C[474]=
C[478]=
C[482]=
C[486]=
C[490]=
C[494]=
C[498]=
C[502]=
C[506]=
C[510]=
0.000277042
0.000165462
0.000072956
0.000000954
-0.000050545
-0.000084400
-0.000102520
-0.000108719
-0.000105858
0.000096321
0.000083923
0.000070095
0.000055790
0.000043392
0.000032425
0.000023365
0.000016689
0.000011444
0.000007629
0.000004768
0.000003338
0.000001907
0.000000954
0.000000477
0.000000477
C[415]=
C[419]=
C[423]=
C[427]=
C[431]=
C[435]=
C[439]=
C[443]=
C[447]=
C[451]=
C[455]=
C[459]=
C[463]=
C[467]=
C[471]=
C[475]=
C[479]=
C[483]=
C[487]=
C[491]=
C[495]=
C[499]=
C[503]=
C[507]=
C[511]=
0.000247478
0.000140190
0.000052929
-0.000013828
-0.000060558
-0.000090122
-0.000105381
-0.000108719
-0.000103951
0.000093460
0.000080585
0.000066280
0.000052929
0.000040531
0.000030041
0.000021458
0.000014782
0.000010014
0.000006676
0.000004292
0.000002861
0.000001907
0.000000954
0.000000477
0.000000477
Tabella B.1 – I coefficienti di un filtro polifase nel caso dell’Mp3
Appendice C
Trasformata Discreta a
Coseni Modificata
C.1 La Trasformata Discreta di
Fourier
L
a Trasformata discreta di Fourier (DFT) è una trasformazione lineare
Dove C denota l’insieme dei numeri complessi.
Gli n numeri complessi x0, ..., xn-1 sono trasformati begli n numeri complessi
f0, ..., fn-1 secondo la formula:
La sua inversa (IDFT) è definita come:
Scritta in forma matriciale, la DFT è definita come:
Trasformata Discreta a Coseni Modificata
90
Il fattore di normalizzazione (qui 1) e il segno dell’esponente sono meramente
convenzionali e possono differire in letteratura.
C.2 La Trasformata Discreta a Coseni
Modificata
La Trasformata Discreta a Coseni (DCT) è una variante della DFT ristretta ai
numeri reali. Ogni elemento della successione risultante è qui visto come somma
di coseni oscillanti a differenti frequenze.
Esistono otto diversi standard di DCT. Il più comune di essi è il tipo-2, sovente
identificato come “la DCT”. La sua inversa, il tipo-3, è detto IDCT. Il tipo-4, nella
sua forma modificata (MDCT), è dotato di caratteristiche che lo rendono ottimale
per applicazioni di compressione multimediale.
La MDCT è una funzione lineare
F : R2n -> Rn
Dove R definisce i numeri reali I 2n numeri reali x0, ..., x2n-1 sono trasformati negli
n numeri reali f0, ..., fn-1 in accordo alla formula:
Il fattore di normalizzazione, qui convenzionalmente posto uguale a 1, potrebbe
differire in letteratura.
Trasformata Discreta a Coseni Modificata
91
La funzione inversa è chiamata IMDCT. In virtù del differente numero di ingressi
e uscite potrebbe sembrare che la MDCT non sia invertibile. In realtà l’errore
viene cancellato sovrapponendo il blocco successivo mediante una tecnica
chiamata cancellazione aliasing nel dominio del tempo (TDAC).
La IMDCT trasforma n numeri reali f0, ..., fn-1 in 2n numeri reali y0, ..., y2n-1
secondo la formula:
Appendice D
Intervista a Dalse di
Yastaradio.com
V
uoi presentarti?
Non che ci sia molto da dire. Varie esperienze lavorative pre e post laurea
(in biologia), una breve parentesi di ricerca con borsa di studio e poi,
allibito dalle logiche postmorattiane di gestione dell'istruzione, il rifiuto della
competizione spinta ed il conseguente inseguimento di una vecchia passione: la
musica.
Che cosa pensi del panorama radiofonico italiano tradizionale? Qual è
stato secondo te l’impatto multimediale generato dalla radiofonia web in
questi anni?
Il panorama radiofonico italiano tradizionale (quello via etere per intenderci)
vive da un lato il servilismo nei confronti delle grosse entità discografiche e
dall'altro la mediocre preparazione culturale degli speaker. Via via la proposta
musicale è degradata e hanno preso piede mediocri trasmissioni di intrattenimento
spicciolo che in modo immediato catturano superficialmente l'attenzione
dell'ascoltatore. Sono un buon esempio della deriva culturale del paese.
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
93
La radiofonia web al momento, quantomeno in Italia, non ha ancora preso
piede. Esistono molte forme di sperimentazione, ma al momento direi che si tratta
di test,più che di vere e proprie esperienze di natura professionale.
Che cosa ti ha spinto a creare una tua radio web?
Le ragioni di cui sopra, una proposta insoddisfacente via etere, l'esigenza di
comunicare attraverso un linguaggio immediato ed intuitivo come la musica e di
certo una situazione professionale complicata che mi ha indotto a cercare nuove
vie.
Che cosa pensi delle radio fai-da-te e del successo di servizi come
SHOUTcast?
Sono un fruitore delle nuove tecnologie, e tutto ciò che rappresenta possibilità
creativa e di condivisione mi stimola. Occorrerebbe fare dei distinguo, certo, ma
in linea di massima al momento tutto è ancora in una fase di studio, anche per gli
addetti al settore, pertanto gli aspetti negativi che potrebbero essere presi in
considerazione rappresentano semplicemente dei dettagli, dal momento che i
grossi sciacalli dell'imprenditoria non si sono ancora rivolti a questo mercato,
contaminandolo, e tutto ha ancora un grande carattere popolare.
Parliamo di Yastaradio. Quando e come nasce? Quali servizi
implementa? Qual è la sua visibilità in rete e nel mondo reale. Qual è il suo
pubblico? Quanti e quali ascoltatori raggiunge? Quali sono le prospettive
future?
Yastaradio.com (ci tengo al suffisso) inizia le sue trasmissioni, come se fosse
una tragedia greca, il primo aprile del 2007. L'idea risale ad almeno un anno e
mezzo prima, ma poca chiarezza da parte delle istituzioni e delle società delegate
alla tutela del diritto (dell'autore o dell'esecutore) hanno rallentato molto la
partenza ufficiale.
Yastaradio.com ha come coadiuvante naturale il portale omonimo, strutturato
come un grande blog comunitario, che permette il caricamento di recensioni,
articoli, notizie, date di eventi etc.. Il portale contiene tutte quelle strutture ad oggi
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
94
comunemente utilizzate in rete (forum, galleria fotografica, spazi ludici etc.). La
struttura della radio poi fornisce servizi di varia natura, tra i quali streaming
dedicati ed organizzazione di eventi (per lo più musicali, ma contaminati da altre
espressioni artistico/culturali).
Abbiamo optato per una forma poco invasiva di promozione: se esistono dei
link alla radio ci sono solo in virtù del fatto che altre strutture, blog o forum
parlano di essa. Non abbiamo effettuato spam, non abbiamo una mailing list e non
siamo ufficialmente presenti sui social network, eccezion fatta per myspace che ci
serve per tenere dei contatti con alcune band. Anche per quanto riguarda
l'indicizzazione sui motori di ricerca non abbiamo acquistato parole chiave e non
ci siamo fatti linkare per salire di posizione. Le alte posizioni raggiunte da alcuni
nostri contenuti sono da ritenersi giustificate solamente in virtù del numero di
letture che hanno ricevuto.
Nel mondo reale la radio ha guadagnato nel tempo una propria credibilità:
solitamente non abbiamo problemi ad ottenere gli accrediti per i concerti, anche se
di norma siamo portati all'acquisto del biglietto per lavorare senza pressioni sulle
recensioni. Siamo invitati a tutte le fiere di settore e, nei limiti di tempo, tendiamo
a partecipare più per questioni di supporto che di mera autopromozione.
Il pubblico della radio è il pubblico del web, vario ed eterogeneo. Di certo
molti musicisti / musicofili interagiscono con la struttura; chi è portato all'ascolto
facile tendenzialmente ricerca altre soluzioni. Il numero di utenti è piuttosto
difficile da stabilire esattamente, in quanto i parametri di indicazione che noi
utilizziamo non sono totalmente affidabili (perché tutti in via di sperimentazione
da parte dei provider cui ci appoggiamo). In ogni caso possiamo stimare un
numero mai inferiore ai 200 utenti unici al giorno con oltre 1000 pagine visitate
(ovviamente dal dato sono esclusi i bot). I giorni della settimana registrano
variazioni casuali che possono portare a picchi registrati anche di 1500 utenti
unici che però non siamo riusciti a correlare ad eventi particolari trasmessi. Il
numero delle contemporaneità (calcolato, perché il metro di misurazione è al
secondo) è di poco inferiore a quello degli utenti unici, segno che chi arriva sul
portale tendenzialmente viene per ascoltare la radio (e poi si sposta eventualmente
sui contenuti).
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
95
Credo sia presto per parlare di prospettive future, il mondo del web sarà a
breve regolamentato e molte strutture, tra cui noi, dovranno valutare nuovi paletti
e nuove opportunità. Allo stato attuale delle cose stiamo procedendo con l'offerta
di streaming audio/video con licenza e stiamo considerando l'idea di costituire
un'etichetta musicale ed un'agenzia di booking.
Qual è il rapporto con il pubblico? E con gli artisti?
Il sito contiene numerosi spazi di interazione con il pubblico, dalla chat in
tempo reale ai commenti che possono essere inseriti nei vari contenuti (a loro
volta creati anche dal pubblico). Abbiamo anche la possibilità di ricevere
telefonate tramite skype, e stiamo valutando l'opportunità di creare un format che
permetterà all'utente, tramite un semplice click, di scegliere cosa ascoltare in
playlist (entro un tempo ragionevole).
Con i musicisti abbiamo contatti quotidiani, selezioniamo ed intervistiamo sia
emergenti che affermati, organizziamo concerti e festival sia a nome della radio
che per comuni o associazioni.
Ci arriva materiale fonografico di ogni genere, soprattutto dall'Italia.
Ascoltiamo tutto, ma non è detto che ciò che ci viene inviato finisca in playlist.
Non accettiamo compensi che possano influenzare le nostre scelte di
programmazione.
Tecnicamente, come è stata realizzata la radio?
Innanzitutto dobbiamo distinguere tra la componente prettamente audio e
quella del sito web.
La prima, a sua volta, si compone di una stazione di codifica ed una
piattaforma di emissione.
Iniziamo quindi a descrivere la stazione di codifica, ovvero una workstation in
ambiente Windows dotata di un sottosistema dischi in RAID1 che ospita decine di
migliaia contenuti di musicali, codificati in mp3, e un’applicazione di radioautomation chiamata SAM Broadcaster. Tramite questa applicazione è possibile
gestire praticamente tutte le attività di messa in onda, mixando file mp3 con
contributi live (acquisiti da una piccola regia audio) e codificando in tempo reale
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
96
l’output in uno stream Windows Media Audio. Tale stream viene quindi messo a
disposizione di un origin server della piattaforma di emissione basata su Windows
Media Services tramite la nostra connessione ADSL. La piattaforma di emissione,
ospitata e gestita da un importante Internet Service Provider (ISP) nazionale, è di
tipo shared, ovvero non dedicata esclusivamente a Yastaradio, ma condivisa tra
più clienti indipendenti. Una piattaforma affidabile e performante è un
componente fondamentale per dare la migliore continuità del servizio e supportare
eventuali picchi di ascolto in caso di eventi che richiamino audience
particolarmente rilevanti.
Veniamo ora a parlare del sito; in questo caso abbiamo scelto una soluzione
open source chiamata Joomla ovvero uno dei più diffusi portali sviluppati dalla
comunità open. Joomla è finemente configurabile ed espandibile tramite appositi
moduli e componenti. Per intenderci la chat, la gallery fotografica, i forum e i
blog presenti sul nostro sito sono rispettivamente moduli e componenti opzionali
che possono essere aggiunti alla struttura di base di Joomla. Intrecciare,
configurare e personalizzare pezzi di codice php ci ha tenuti svegli molte notti, ma
ci ha consentito di ottenere un portale ben strutturato e ricco di funzioni… e tutto
questo senza essere web designers o sviluppatori di professione.
Qual è l’algoritmo di compressione utilizzato? Mp3 o altro? E’ un
algoritmo open o proprietario?
Nonostante i contributi musicali di archivio siano praticamente tutti codificati
in formato mp3, tanto caro al mondo open, per l’emissione in streaming abbiamo
optato per la codifica proprietaria Windows Media Audio (WMA). Tale scelta è
derivata dall’analisi di diversi fattori: qualità del codec, flessibilità della
tecnologia, accessibilità tramite player web per windows (basati sull’activeX
Windows Media Player)
ma anche Mac o Linux (basati sulla più recente
tecnologia multipiattaforma Silverlight). Non possiamo dimenticare anche
motivazioni di natura economica infatti, tra gli standard proprietari, i servizi di
emissione Windows Media sono solitamente più economici rispetto alle
alternative come Adobe Flash o Real Networks.
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
97
Come funziona la radio?
Noi abbiamo uno studio principale, che contiene i server che gestiscono il
segnale proveniente dagli “studi paralleli”.
Lo studio principale è anche adibito a studio di registrazione, quindi esistono
WJ che fanno la diretta dallo studio principale ed altri che lo utilizzano per
registrare.
Gli studi paralleli funzionano allo stesso modo, quindi si può andare di diretta
o di registrata. Il palinsesto ha cadenza settimanale ed ogni trasmissione ha la
propria collocazione in un giorno ed in un orario definiti all'inizio della stagione.
Che cosa prevede la normativa vigente in termini di diritti d’autore?
Come vi relazionate con essa? Ritieni che le norme attuali siano miopi o
promuovano invece la radiofonia web?
La normativa vigente sul diritto d'autore fa riferimento alla legge 633 del
1941, con qualche aggiustamento in corso d'opera. La legge di per sé è chiara
riguardo alla tutela dell'opera intellettuale, i problemi si incontrano poi con le
società che si pongono come depositari e garanti di queste opere, che non
agiscono nella trasparenza. Noi paghiamo una cifra fissa a queste società, in base
a contratti stipulati che presentano alcuni vizi formali, ma tant'è, l'iter è questo.
Ad oggi ritengo che gli aggiustamenti fatti alla legge tendano a favorire
maggiormente le società private in cui si depositano i diritti che i possessori reali
degli stessi. A questo proposito è un buon esempio il fatto che il presidente della
S.I.A.E. faccia parte del Comitato tecnico contro la pirateria digitale
multimediale presso la Presidenza del Consiglio dei Ministri.
La radiofonia via web è vista come una spina nel fianco, ma inevitabile. Per
questo in fretta e furia si sono creati i succitati contratti.
Come sarà lo scenario radiofonico italiano fra dieci anni? Che cosa sarà
Yastaradio nel 2020?
Anche qui faccio fatica a fare delle previsioni. Il web, la libertà danno
l'opportunità di scegliere e confrontarsi, e questo è fondamentale per la cultura,
musica compresa. Se le cose cambieranno ragionevolmente posso pensare che fra
Intevista a Dalse di Yastaradio.com
98
10 anni ci sarà un'attenzione alla musica molto più fine e diffusa, e tutto questo
grazie anche ad alcune webradio.
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