Valutazione della qualità audio percepita di segnali ricampionati

Questo elaborato si propone di contribuire al lavoro di valutazione oggettiva della qualità audio percepita relativa a formati compressi, e di stimare l’effetto del ricampionamento in tale ambito.
In particolare si cercherà di verificare quanto la modifica della frequenza di campionamento influisca sui test oggettivi conformi alla recommendation ITU-R BS.1387, utilizzati anche in altri studi.

Il metodo suggerito dall’ITU prevede infatti un’unica frequenza di campionamento a cui effettuare il test: 48000Hz. La maggior parte dei segnali di partenza utilizzati hanno invece una frequenza di campionamento di 44100Hz. E’ quindi necessario effettuare un ricampionamento per poter eseguire i confronti tra il segnale originale e le sue versioni compresse.
La valutazione verrà effettuata tramite Peaqevaludio, software sviluppato dall’università McGill conformemente alla recommendation e utilizzato in molti studi sulla valutazione della qualità audio percepita.

Nell’elaborato verrà spiegato il funzionamento dei test e verranno presentate alcune tecniche di ricampionamento. Si passerà poi alla definizione delle modalità di test, dai ricampionatori al trattamento dei segnali prima del test.

La scelta dei ricampionatori è caduta su 3 prodotti molto diversi tra loro come destinazione: un ricampionatore sviluppato da un’università (Resampaudio 2.0, sempre della McGill), uno incluso in un editor audio open source (Audacity 1.2.3) e un terzo facente parte di un sequencer a pagamento (Cool Edit Pro 3.0). Scopo dei test è anche stabilire quale dei tre ottiene risultati migliori per quanto riguarda la qualità audio percepita.

Sono state selezionate due modalità di test, definite Single Step e Transrating. La prima prevede la generazione o acquisizione di segnali a più frequenze di campionamento, ed un unico ricampionamento che le porti alla frequenza di test. La modalità Transrating parte da un singolo segnale a cui viene applicato un doppio ricampionamento per ognuna delle frequenze prese in esame.

Le frequenze di campionamento selezionate sono 10: 8000, 11025, 12000, 16000, 22050, 24000, 32000, 44100, 96000 e 192000Hz. Sono state scelte queste frequenze in quanto molto utilizzate nell’editing audio e nei formati compressi. Dai test ci si attende un calo della qualità audio sulle frequenze più basse dovuta alla perdita d’informazione frequenziale che consegue al sottocampionamento. Ci si attende inoltre risultati peggiori sulle frequenze di 44100, 22050 e 11025Hz, che non sono in rapporto diretto con la frequenza di test (48000hz).

Per i test sono stati selezionati 22 segnali, 16 naturali e 6 sintetici. I segnali ricampionati sono stati sottoposti al confronto con Peaqevalaudio 3 volte, con piccole differenze nel trattamento pre-test. Nel primo caso, non è stata apportata alcuna modifica; nel secondo test il numero di campioni dei segnali è stato portato in pari con il segnale di test; l’ultima modalità prevede l’eliminazione dei campioni iniziali e finali dei segnali di test e del segnale di riferimento.

In totale sono stati effettuati confronti su 102 gruppi di segnali ricampionati. I risultati sono stati recuperati ed elaborati tramite Matlab e Excel. In particolare sono stati presi in considerazione due dei parametri estratti da peaqevalaudio: l’ODG (Objective Difference Grade) che fornisce una valutazione riassuntiva della qualità audio percepita, e l’NMR (Noise to Mask Ratio) che stima il livello di rumore presente nel segnale rispetto alla soglia di mascheramento. Dai dati sono stati ricavati grafici che illustrano l’andamento dei due valori rispetto alle frequenze e ai ricampionatori.

I risultati ottenuti mostrano come tra i ricampionatori presi in esame Resampaudio rispetti maggiormente la qualità audio. I risultati medi del software della McGill sono infatti superiori su tutte le frequenze rispetto agli altri 2 resampler. Inoltre i valori alle frequenze più alte, e in particolare a 44100Hz, indicano una perdita minima di qualità audio, difficilmente percepibile all’orecchio. Il ricampionamento a tali frequenze dunque non apporta variazioni sensibili alla valutazione della qualità audio percepita.

Per quanto riguarda l’influenza delle frequenze di ricampionamento sulla qualità audio, si registrano come previsto valori peggiori di ODG e NMR alle frequenze più basse. Si evidenzia inoltre un degrado proporzionale maggiore alle frequenze di campionamento non compatibili con i 48000Hz, ovvero 44100 e sottomultiple. I dati raccolti portano a validare l’estensione dei test PEAQ, pensati per la codifica compressa dei segnali, alla valutazione dei ricampionatori.