ГОСТ Р 56047-2014

Группа П77

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Системы охранные телевизионные

КОМПРЕССИЯ ОЦИФРОВАННЫХ АУДИОДАННЫХ

Классификация. Общие требования и методы оценки алгоритмов

Video surveillance systems. Digital audio data compression. Classification. General requirements and evaluation algorithm methods

ОКС 13.320

ОКП 43 7200

Дата введения 2015-09-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Закрытым акционерным обществом "Нордавинд" и Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 234 "Системы тревожной сигнализации и противокриминальной защиты"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 июня 2014 г. N 677-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в годовом (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (gost.ru)

Введение

Активное применение в системах охранных телевизионных (СОТ) методов компрессии оцифрованных аудиоданных, заимствованных из мультимедийных применений телевидения, из-за низкого качества восстановленных после компрессии оцифрованных аудиоданных привело к невозможности осуществления следственных мероприятий, а также оперативных функций, с использованием отдельных СОТ.

Важной отличительной особенностью методов компрессии оцифрованных аудиоданных для СОТ является необходимость обеспечения высокого качества звука в восстановленных аудиоданных. Настоящий стандарт позволяет упорядочить существующие и разрабатываемые методы компрессии оцифрованных аудиоданных, предназначенные для применения в составе систем противокриминальной защиты.

В качестве критерия для классификации алгоритмов компрессии оцифрованных аудиоданных в настоящем стандарте установлены значения метрик качества, характеризующих степень отклонения восстановленных оцифрованных данных от соответствующих им исходных аудиоданных.

Методика классификации алгоритмов компрессии оцифрованных аудиоданных, приведенная в настоящем стандарте, основана на оценке качества восстановленных аудиоданных, с учетом психоакустических особенностей человеческого слуха. Этот подход к оценке качества восстановленных аудиоданных рекомендован Сектором радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р), членом которого является Российская Федерация.

     1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на цифровые системы охранные телевизионные (далее - ЦСОТ) и устанавливает классификацию, общие требования и методы оценки алгоритмов компрессии оцифрованных аудиоданных.

Настоящий стандарт устанавливает методику сравнения различных алгоритмов компрессии и декомпрессии оцифрованных аудиоданных.

Настоящий стандарт применяют к алгоритмам компрессии и декомпрессии аудиоданных независимо от их реализации на аппаратном уровне.

Настоящий стандарт применяют совместно с ГОСТ Р 51558.

     2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 15971 Системы обработки информации. Термины и определения

ГОСТ Р 51558 Средства и системы охранные телевизионные. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 15971 и следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) (fast Fourier transform, FFT): Набор алгоритмов, реализация которых приводит к существенному уменьшению вычислительной сложности дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Примечание - Смысл быстрого преобразования Фурье состоит в том, чтобы разбить исходный N-отсчетный сигнал x(n) на два более коротких сигнала, дискретные преобразования Фурье которых могут быть скомбинированы таким образом, чтобы получить дискретное преобразования Фурье исходного N-отсчетного сигнала.

3.2 алгоритм декомпрессии (decompression algorithm): Точный набор инструкций и правил, описывающий последовательность действий, согласно которым сжатые аудиоданные преобразуются в восстановленные, реализуемый при помощи аудиодекодера.

3.3 алгоритм компрессии (compression algorithm): Точный набор инструкций и правил, описывающий последовательность действий, согласно которым исходные аудиоданные преобразуются в сжатые, реализуемый при помощи аудиокодера.

3.4 амплитудно-временная метрика (time-amplitude metric): Метрика качества, основанная на сравнении оцифрованных и восстановленных аудиоданных по форме волны.

3.5 аналого-цифровой преобразователь, АЦП (analog-to-digital converter, ADC): Устройство, преобразующее входной аналоговый аудиосигнал в оцифрованные аудиоданные.

3.6 аудиодекодер (audio decoder): Программные, аппаратные или аппаратно-программные средства, с помощью которых осуществляется декомпрессия сжатых аудиоданных.

3.7 аудиокодер (audio encoder): Программные, аппаратные или аппаратно-программные средства, с помощью которых осуществляется компрессия оцифрованных аудиоданных.

3.8 аудиоданные (audio data), аудиосигнал (audio signal), моноканальный аудиосигнал (mono channel audio): Аналоговый сигнал, несущий информацию об изменении во времени амплитуды звука.

3.9 битрейт (bitrate): Выраженная в битах оценка количества сжатых аудиоданных, определенная для некоторого временного интервала и отнесенная к длительности выбранного временного интервала в секундах.

3.10 восстановленные аудиоданные (recovered audio data): Данные, полученные из сжатых аудиоданных после их декомпрессии.

3.11 декомпрессия сжатых аудиоданных (decompression of compressed digitized audio data): Восстановление оцифрованных данных из сжатых аудиоданных.

3.12 дискретное преобразование Фурье, ДПФ (discrete Fourier transform, DFT): Преобразование, ставящее в соответствие N отсчетам дискретного сигнала N отсчетов дискретного спектра сигнала.

3.13 дифференциация (differentia): Выделение частного из общей совокупности по некоторым признакам.

3.14 искаженный фрейм (distorted frame): Фрейм, для которого максимальное отношение шума к порогу маскирования превышает 1,5 дБ.

3.15 искусственная нейронная сеть (artificial neural network, ANN): Модель биологической нейронной сети, которая представляет собой сеть элементов - искусственных нейронов - связанных между собой синаптическими соединениями.

Примечание - Нейронная сеть предназначена для обработки входной информации и в процессе изменения своего состояния во времени формирует совокупность выходных сигналов.

3.16 качество восстановленных аудиоданных (decoded audio data quality): Объективная оценка соответствия восстановленных аудиоданных исходным оцифрованным аудиоданным на основе рассчитанных метрик качества.

3.17 кодек аудиоданных (audio codec): Программный, аппаратный или аппаратно-программный модуль, способный выполнять как компрессию, так и декомпрессию аудиоданных.

3.18 компрессия (сжатие) оцифрованных аудиоданных (digitzed audio data compression): Обработка оцифрованных аудиоданных с целью уменьшения их объема.

3.19 компрессия оцифрованных аудиоданных без потерь (lossless digitized audio compression): Обработка оцифрованных аудиоданных, при которой не происходит потери информации, вследствие чего восстановленные (в результате выполнения декомпрессии) оцифрованные аудиоданные не отличаются от исходных оцифрованных аудиоданных.

3.20 компрессия оцифрованных аудиоданных с потерями (lossy compression of digitized audio data): Обработка оцифрованных аудиоданных, при которой происходит потеря информации, и вследствие этого восстановленные (в результате выполнения декомпрессии) оцифрованные аудиоданные отличаются от исходных оцифрованных аудиоданных.

3.21 метод оценки алгоритма компрессии (evaluation method of compression algorithm): Метод аналитического определения значений метрик качества на соответствие требованиям, предъявляемым к алгоритмам компрессии аудиоданных.

3.22 метрика качества (quality metric): Аналитически определяемые параметры, характеризующие степень отклонения восстановленных аудиоданных от исходных оцифрованных аудиоданных.

3.23 многоканальный аудиосигнал (multi-channel audio): Аудиосигнал, состоящий из объединения определенного количества аудиосигналов (каналов), которые несут информацию об одном и том же звуке.

Примечание - Предназначен для более качественной передачи звука с учетом пространственной ориентации.

3.24 окно (window): Весовая функция, которая используется для управления эффектами, обусловленными наличием боковых лепестков в спектральных оценках (растеканием спектра).

Примечание - Имеющуюся конечную запись данных или имеющуюся конечную корреляционную последовательность удобно рассматривать как некоторую часть соответствующей бесконечной последовательности, видимую через применяемое окно.

3.25 оконное преобразование Ханна (short-time Fourier transform with Hann window): Дискретное преобразование Фурье с весовой функцией - окном Ханна.

3.26 оцифрованные аудиоданные (digitized audio data): Данные, полученные путем аналого-цифрового преобразования аудиоданных, представляющие собой последовательность байтов в некотором формате (WAV или др.).

3.27 передискретизация аудиосигнала (resampling): Изменение частоты дискретизации аудиосигнала.

3.28 пиковое отношение сигнал/шум (peak-to-peak signal-to-noise ratio): Соотношение между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума.

3.29 порог маскирования (masking threshold): Пороговый уровень сигнала, не различаемого человеком из-за эффекта психоакустического маскирования.

3.30 психоакустическая модель (psychoacoustics model): Модель для сжатия аудиоданных с потерями, использующая особенности восприятия звука человеческим ухом.

3.31 психоакустическое маскирование (psychoacoustics masking): Подавление (сокрытие) при определенных условиях одного звука другим звуком из-за особенностей восприятия звука человеческим ухом.

3.32 разрядность АЦП (resolution of ADC): Количество бит, которым кодируется каждый отсчет сигнала в процессе АЦП.

3.33 сжатые аудиоданные (compressed audio data): Данные, полученные путем компрессии оцифрованных аудиоданных.

3.34 спектр сигнала (frequency spectrum): Результат разложения сигнала на простые синусоидальные функции (гармоники).

3.35 спектрограмма (spectrogram): Характеристика плотности мощности сигнала в частотно-временном пространстве.

3.36 степень сжатия (compressionratio): Коэффициент сокращения объема оцифрованных аудиоданных в результате компрессии.

3.37 стереофонический двухканальный аудиосигнал (stereophonic audiosignal), стерео аудиосигнал (stereo audio signal), двухканальный аудиосигнал (two-channel audio signal): Многоканальный аудиосигнал, состоящий из двух моноканальных аудиосигналов.

3.38 формат оцифрованных аудиоданных (digitized audio data format): Представление оцифрованных аудиоданных, обеспечивающее их обработку цифровыми вычислительными средствами.

3.39 фрейм (frame): Фрагмент звукового сигнала с заданным количеством значений (длиной фрейма).

3.40 частота дискретизации (sample rate): Частота взятия последовательных значений непрерывного во времени сигнала при его аналого-цифровом преобразовании в оцифрованные аудиоданные.

3.41 частотно-временная метрика (time-frequency metric): Метрика качества, основанная на сравнении спектрограмм оцифрованных и восстановленных аудиоданных.

3.42 шум (noise): Совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты, не несущая полезную информацию.

     4 Общие требования

4.1 Оценку качества восстановленных после сжатия аудиоданных определяют по качеству каждого отдельного звукового фрагмента восстановленных аудиоданных.

4.2 Размер звукового фрагмента определяется в секундах или количеством оцифрованных значений внутри фрагмента.

4.3 Качество звукового фрагмента восстановленных аудиоданных определяют по значениям метрик качества алгоритмов компрессии оцифрованных аудиоданных (далее - метрики качества), характеризующих степень искажения восстановленных после сжатия аудиоданных в сравнении с исходными оцифрованными аудиоданными. Описание метрик приведено в разделе 6 настоящего стандарта, а порядок их расчета приведен в приложении А.

4.4 Алгоритмы компрессии оцифрованных аудиоданных относят к одному из трех классов, установленных в разделе 5 настоящего стандарта.

     5 Классификация

5.1 Класс алгоритма компрессии оцифрованных данных определяют по рассчитанным для него значениям метрик качества. Для оценки качества восстановленных аудиоданных и классификации алгоритмов компрессии используют метрики качества, указанные в таблице 1.

Таблица 1 - Диапазоны значений метрик качества по классам алгоритмов компрессии оцифрованных аудиоданных