44. DFN-Betriebstagung Berlin, 7. Februar mp3, AAC, MPEG Surround: Audiocodierung und ihre vielfältigen Anwendungen

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Anneliese Lichtenberg
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1 44. DFN-Betriebstagung Berlin, 7. Februar 2006 mp3, AAC, MPEG Surround: Audiocodierung und ihre vielfältigen Anwendungen Abteilungsleiter Multimedia-Echtzeitsysteme Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Erlangen

2 mp3, AAC, MPEG Surround Grundlagen der Audiocodierung mp3, AAC mp3 surround MPEG Surround Seite 2

3 Audiocodierung ist eine Quellcodierung Quellen: Tonsignale aller Art Codierung:»Daten sparen, Qualität bewahren«kleinere Datenmengen erfordern weniger Speicherplatz geringere Transportkosten kürzere Übertragungszeiten Audiocodierung: Schlüssel zur effizienten Speicherung und Übertragung von Tonsignalen Seite 3

4 Wie funktioniert s?»was ich nicht weiß, macht mich nicht heiß«der Mensch hört nicht alles gleich gut Audiocodierung nutzt Wahrnehmung des Menschen wichtige Signalanteile muss man erhalten bei unwichtigen Signalanteilen kann man Daten sparen hoher Aufwand (einige 10 Millionen Rechenschritte pro Sekunde) seit etwa 10 Jahren erlauben leistungsfähige»chips«die Anwendung in Produkten aller Art Seite 4

5 Wahrnehmungseffekte (1) Verdeckung im Zeitbereich Nach einem Knall ist man hinterher»etwas taub«. Verdeckung im Frequenzbereich Laute Töne»maskieren«die Wahrnehmung leiserer Töne ähnlicher Frequenz. Seite 5

6 Audio-Encoder untersucht zeitliche Abschnitte (»frames«, z.b. 24 ms) des Audiosignals und errechnet ihre Darstellung im Frequenzbereich ermittelt die momentan gültige Mithörschwelle des Ohres und quantisiert die Spektralwerte mit der für die Wahrnehmung erforderlichen Genauigkeit (Irrelevanzreduktion) codiert die quantisierten Spektralwerte verlustfrei (Redundanzreduktion) und erzeugt das gewünschte Datenformat Seite 6

7 Audio-Decoder regeneriert aus dem Bitstrom die quantisierten Spektralwerte rekonstruiert die zugehörigen zeitlichen Abschnitte des Audiosignals Seite 7

8 MPEG Audio ISO/IEC Moving Pictures Expert Group internationaler»offener«standard, der für alle kommerziellen Anwender zu vernünftigen Bedingungen der Patentinhaber nutzbar ist Format und Decoder sind standardisiert Encoder ist nicht standardisiert: es gibt keine definierte (»bit-exakte«) ISO-Referenz Verbesserungen der Tonqualität sind möglich ohne Formatänderungen (»fit für die Zukunft«) zwei wesentliche MPEG-Audioformate sind: mp3 (weltweit populärstes Format) AAC (weltweit leistungsfähigstes Format) Seite 8

9 mp3, AAC, MPEG Surround Grundlagen der Audiocodierung mp3, AAC mp3 surround MPEG Surround Seite 9

10 mp3 Steckbrief mp3 ist eine Abkürzung: ISO/IEC Moving Pictures Expert Group (MPEG) Audio Layer-3 wird verwendet für Mono- und Stereo-Signale Reduktionsfaktor und erreichbare Tonqualität: 8:»Sendequalität«12:»gute Qualität«(= 128 kbit/s für Stereosignal) 16:»gute Qualität«mit mp3pro :»brauchbare Qualität«für bestimmte Anwendungen (z.b. Klingeltöne) Signallaufzeit ca. 200 ms Seite 10

11 mp3 ist heute das weltweit beliebteste Format Millionen portabler mp3-spieler (April 2005) mit mp3 CDs mit bis zu 4 GB Flash-Memories (64 h Musik) mit GB Festplatten ( h Musik) mp3 ist mindestens einmal auf jedem PC oder Mac mp3 ist in den meisten DVD-Spielern mp3 ist in vielen Mobiltelefonen und PDAs mp3 ist in Armbanduhren, Autoradios, Kameras, Kopfhörern, Musikboxen, Sonnenbrillen, Spielkonsolen, WorldSpace- Satellitenradios,... Seite 11

12 AAC Steckbrief AAC ist eine Abkürzung: Advanced Audio Coding (ISO/IEC MPEG Standard) wird verwendet für Mono- und Stereo-Signale für Surround-Sound (z.b.»5.1 Lautsprecher«) Reduktionsfaktor und erreichbare Tonqualität: 12:»Studioqualität«(= 128 kbit/s) :»gute Qualität«32..48:»gute Qualität«mit HE-AAC Signallaufzeit ca. 200 ms Seite 12

13 AAC ist heute das weltweit leistungsfähigste Format Millionen von portablen AAC-Spielern / PSPs & UMDs Januar 2006: 42 Mio ipods, 850 Mio verkaufte Songs bei itunes AAC ist auf vielen PCs oder Macs AAC / HE-AAC wird in Rundfunksystemen eingesetzt in allen digitalen Radio- / TV-Standards in Japan im XM-Satellitenradio in USA im weltweiten Digital Radio Mondiale Radio HE-AAC wird für Musikdienste in mobilen Geräten empfohlen (3GPP spec Rev. 6) HE-AAC ist Teil der DVD-A, HD-DVD, BluRay, DVB-H, ISMA und MediaFlo-Spezifikationen Seite 13

14 mp3, AAC, MPEG Surround Grundlagen der Audiocodierung mp3, AAC mp3 surround MPEG Surround Seite 14

15 Surround Sound heute (1): Nutzung Kinofilme, Computerspiele, Tonstudios, Rundfunk- Produktionen und Camcorder arbeiten mit Mehrspur- Aufnahmen private Nutzung von Surround am PC oder Mac (Spiele, DVDs) im Wohnzimmer / Auto (SACDs, DVDs, DVB) häufigste Lautsprecher-Anordung:»5.1«Vorne: Links Mitte Rechts Hinten: Links Rechts plus Subwoofer Seite 15

16 Surround Sound heute (2): Material DVD-Audio, SACD höchste Tonqualität, sehr hohe Datenraten erfordern Multiformat-DVD-Spieler bisher sehr geringes Angebot an Tonträgern Dual Disc eine Seite CD, eine Seite DVD (-Audio, -Video, -ROM) DVD-Video steigende Beliebtheit von Musikvideos (Live-Konzerte, Clips) für praktisch alle modernen Kinofilme gibt es mindestens eine 5.1-Tonspur Stereo- und 5.1-Tonspuren sind gleichzeitig vorhanden Seite 16

17 Wahrnehmungseffekte (2) räumliche Schallwahrnehmung ist ein vielschichtiger Vorgang wesentliche Anhaltspunkte (»cues«): Interaural Level Differences (ILD) Interaural Phase/Time Differences (IPD/ITD) Interaural Coherence (ICC) je weniger ähnlich die beiden Signale sind, um so größer wird die empfundene räumliche Breite des Schallereignisses Seite 17

18 Surround Sound morgen:»spatial Audio Coding«(1) digitale Darstellung eines Multikanal-Tonsignals als: Mono- oder Stereosignal plus Zusatzsignal für den Raumklang (»cues«) nur kbit/s für 5.1 kanalige Wiedergabe sehr gute Tonqualität bei sehr niedrigen Datenraten rückwärtskompatibel: einfache Empfänger ignorieren das Zusatzsignal und liefern hervorragenden Stereo-Ton»Spatial«-Empfänger nutzen das Zusatzsignal zur Erzeugung des Raumklangs Seite 18

19 Surround Sound morgen:»spatial Audio Coding«(2) nahtloser Übergang von Stereo- zu Surround- Rundfunk z.b. DAB, HD-Radio, DVB-H, Web Radios Erweiterung von Musik- oder Film-Download-Seiten im Internet auf Surround-Sound Technik funktioniert mit jedem Audioformat Seite 19

20 mp3 surround (1) erstes»spatial Audio«Format Basis-Codec = mp3 stereo Surround-Encoder = EBCC (Enhanced Binaural Cue Coding) 100% von allen mp3-spielern in Stereo abspielbar gute Tonqualität bei 192 kbit/s (für 5.1) das weltweit beliebteste Audioformat (mp3) unterstützt nun Stereo-Ton und Surround-Ton lizensiert von Thomson Seite 20

21 mp3 surround (2): Encoder L R C Ls Rs LFE Compatible Stereo Downmix Lc Rc Standard mp3 Encoder mp3 surround Bitstream Ancillary Data Surround Encoder Surround Enhancement Seite 21

22 mp3 surround (3): Decoder mp3 surround Bitstream Standard mp3 Decoder Lc Rc Surround Decoder L R C Ls Rs LFE Ancillary Data Surround Enhancement Seite 22

23 mp3 surround: mp3sx (stereo extended) ( 2 rein, 5.1 raus ) verbesserter 5.1-Raumklang für Stereo- Signale: lokalisierbare Klangquellen für die 3 Front-Lautsprecher räumliche Klangquellen für alle 5 Lautsprecher mp3 sx ist 100% kompatibel mit mp3 und mp3 surround Erweiterung des mp3 surround encoders für Stereosignale Konvertierung von mp3 stereo in mp3 sx Seite 23

24 mp3 surround: Ensonido Wiedergabe von Surround-Aufnahmen mit ganz normalen Stereo-Kopfhörern prinzipieller Ansatz seit vielen Jahren bekannt: Berücksichtigung der Kopf- und Ohrform Berücksichtigung der Raum-Akustik Fraunhofer-Verfahren =»Ensonido«(seit 2005) Kombination mit mp3 surround Spieler für Kopfhörer- Wiedergabe derzeit 4 Wiedergabe-Modi wählbar unterstützt optional Headtracking Schlüssel für mobilen Surround-Spaß! Seite 24

25 kostenlose Software für private Nutzung für die gesamte mp3surround Familie! mp3 surround encoder mp3sx converter mp3 surround player 2.x unterstützt mp3 sx bietet Ensonido sofort Surround-Spaß ohne 5.1- Quellen und Lautsprecher! Seite 25

26 mp3, AAC, MPEG Surround Grundlagen der Audiocodierung mp3, AAC mp3 surround MPEG Surround Seite 26

27 MPEG Surround generisches»spatial Audio«Format Basis-Codec = wählbar (z.b. HE-AAC) Surround-Encoder = MPEG Surround MPEG-Standard Ende 2003 initiiert durch Fraunhofer IIS 3/2005»Referenzmodell 0«6/2006 voraussichtliche Fertigstellung Kombination HE-AAC & MPEG Surround erreicht gute Tonqualität für 5.1 Kanäle bereits bei kbit/s (gesamte Datenrate)! Seite 27

28 Audiocodierung aus Erlangen das Gebiet der Audiocodierung ist spannend und faszinierend (bei uns in Erlangen schon seit über 18 Jahren!) am Fraunhofer IIS beschäftigen sich damit 80 bis 120 begeisterte Leute (Mitarbeiter und Studenten) mehr Informationen über unsere Arbeiten findet man hier: mail to: Seite 28

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