Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien RIFF (Resource Interchange File Format)
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- Benjamin Rainer Heinrich
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1 5. Ton und Klang 5.1 Ton: Physikalische und physiologische Aspekte 5.2 Kompression von Audio-Signalen: MPEG-Audio 5.3 Audio-Datenformate: Übersicht 5.4 Klangerzeugung und MIDI Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-24 RIFF (Resource Interchange File Format) IFF: 1985 von der Firma Electronic Arts eingeführt Sehr einfaches Einheitsformat für verschiedene Arten von Multimedia-Daten, stark verbreitet auf AMIGA-Rechnern Prinzip ( Tagged File Format ):» Header gibt Dateityp an» Eigentliche Daten in einer Folge von ebenfalls (über Header) typisierten chunks RIFF: Bestandteil der Multimedia Programming Interface and Data Specifications von Microsoft und IBM, 1991 Basiert auf der Idee von IFF Existiert prinzipiell in zwei Varianten:» RIFF für Intel-Architektur ( little Endian )» RIFX für Motorola-Architektur ( big Endian ) (RIFX heutzutage auch auf Motorola-Prozessoren ungebräuchlich) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-25
2 Grundstruktur von RIFF-Dateien RIFF-Header (in Bytes): R I F F W A V E Dateigröße RIFF-Typ Chunk-Header (in Bytes): f m t... Signatur Chunkgröße (Chunk-Typ) Datenbereich Verbreitete RIFF-Datentypen (als eigenständige Dateiformate bekannt): WAVE (oder.wav): Audio, unkomprimiert AVI: Video (Audio/Video Interlaced), unkomprimiert RMI: MIDI-Daten (sh. später) BND: Bündel von RIFF-Dateien Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-26 Wave-Format Spezialfall des RIFF-Formats (RIFF-Typ WAVE ) Zwei Arten von Chunks: FMT-Chunk (Signatur fmt )» Format-Typ (z.b. MS PCM, IBM ADPCM)» Anzahl Kanäle» Sampling-Rate (Hz)» Datenrate (Bytes/s)» Größe von Datenblöcken» Formatspezifische Information (Z.B. bei MS PCM 2 Byte Sample-Größe (bits/sample) DATA-Chunk (Signatur data ), meist nur ein solcher Chunk vorhanden» Bei mehreren Kanälen interleaving, d.h. alle Kanäle für einen Zeitpunkt in Folge Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-27
3 QuickTime Bibliothek von systemnahen Programmen für MacOS und Windows für die Bearbeitung von zeitbasierten Medien ( movies ) Entwickelt von Apple ca heute Sehr allgemeines Konzept für Medienstrukturen Atom : Allgemeiner Container für Mediendaten Mehrere Tracks je Präsentation Pro Track:» Medienstruktur (Referenzen zu Medien verschiedenen Typs)» Edit List für Zeitsynchronisation QuickTime wurde al Basis für die MPEG-4 Dateistruktur gewählt. Viele verschiedene Dateitypen von QuickTime unterstützt Wichtiges spezifisches QuickTime-Format: Movie (MOV) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien Ton und Klang 5.1 Ton: Physikalische und physiologische Aspekte 5.2 Kompression von Audio-Signalen: MPEG-Audio 5.3 Audio-Datenformate: Übersicht 5.4 Klangerzeugung, insbesondere MIDI Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-29
4 Klangerzeugung Klänge für Musik oder Sprache können künstlich produziert werden Tonhöhe, Lautstärke, Klangfarbe einstellbar Klangerzeuger: Einfache Klangerzeuger in Soundkarten enthalten (Frequenzmodulation einfacher Wellenformen) Hochwertige Klangerzeuger z.b. in elektronischen Musikinstrumenten ( Synthesizer, MIDI-Keyboards) Wavetable -Verfahren» Basiert auf Aufnahmen realer Töne Akustische Modellierung» Versucht reale Klanmgerzeuger mathematisch nachzubilden Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-30 Wavetable-Verfahren und ADSR-Modell Aufnahmephase beim Wavetable-Verfahren: Einige ms Ton der Quelle digitalisiert Einsatz in verschiedenen Situationen: Bei längerer Dauer: Sample aus Wave-Table wird wiederholt Modulation nach dem ADSR-Modell Attack (A), Decay (D), Sustain (S), Release (R) Höhe und Breite der vier Parameter variabel A D S R Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-31
5 Akustische Modellierung Modellierung eines Klangerzeugers (physikalisch-akustisch) Vereinfachtes physikalisches Modell der Klangerzeugung Auflösung zu Wellenform: endlich viele gekoppelte nichtlineare Differentialgleichungen (Alternativ: Direkte Modellierung realer Instrumente durch Differentialgleichungen und Lösung partieller Differentialgleichungen) Modellierung eines Raums (architektonisch-akustisch) Modifikation von Audiodaten gemäß Akustik eines speziellen Raums Bestimmung der Raumakustik vor Ort mit Impulsschall verschiedener Frequenzen Faltung des Audiosignals mit Akustik Sinnvoll auch in Gebäudeplanung und -optimierung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-32 MIDI: Geschichte und Überblick Synthesizer: Revolutionäres Musikinstrument in den 70er Jahren Beatles (White Album), Carlos (Switched on Bach),... Technische Probleme: Polyphonie, Kombination verschiedener Geräte, Synchronisation 1983: Erste Interoperabilitäts-Verführung MIDI (Musical Instrument Digital Interface) Standard International MIDI Association (IMA) MIDI Manufacturers Association (MMA) Bedeutung für Multimedia: Standardisierte Sprache für» Übernahme von Daten aus Endgeräten, die Musikinstrumenten entsprechen (insb. Keyboard)» Ansteuerung von Peripheriegeräten (Synthesizer, Beleuchtung)» Abstrahierte Darstellung von gespielter Musik Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-33
6 MIDI-Grundbegriffe Ereignis (event): Musikalische Aktion, z.b. Musiker drückt Taste auf Keyboard mit bestimmter Anschlagsstärke (velocity)» etwa: NOTE ON C3 velocity 100 Nachricht (message): Binäre Codierung der in einem Ereignis enthaltenen Information Kann gespeichert, weitergegeben, vervielfältigt, modifiziert werden Befehl (command): Anweisung an ein externes Gerät, bestimmte musikalische Aktionen auszuführen Klangfarbe (timbre): Charakteristik eines bestimmten wiederzugebenden Instruments Multitimbral Kanal (channel): Identifikator für bestimmten Empfänger (traditionell 16 Kanäle) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-34 MIDI-Nachrichten Channel Voice Messages Eigentliche Musikdaten (sh. nächste Folie) Channel Mode Messages Steuerung des Synthesizers» Ein-/Ausschalten der eigenen Tastatur (z.b. bei Keyboard/Synthesizer)» Testmodus» Polyphonie-Steuerung System Real-Time Messages Synchronisationstakt Synchronisierte Sequenzen Überprüfung der Verfügbarkeit von Geräten System Exclusive Messages (SysEx) Weitergabe herstellerspezifischer Information an individuelle Geräte Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-35
7 Inhalt einer MIDI-Datei: MIDI-Ereignisse Header-Information Track-Information Track = Separat abspielbare und bearbeitbare Musikspur Track-Information Teil 1: Metainformation Track-Nummer, -Name Angaben zum Instrument (z.b. aus General Midi-Instrumenten) Zeitbasis Track-Information Teil 2: Melodie Folge von Channel Voice Messages, jeweils mit Zeitstempel relativ zur Zeitbasis Note On (Parameter Notenwert, Anschlagstärke) Note Off (Parameter Notenwert, Anschlagstärke) Polyphonic Key Pressure (Parameter Notenwert, Anschlagstärke) (Änderung der Anschlagstärke über die Zeit) Pitch Bend Change (Parameter Verschiebung) (Tonhöhenverstellung) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-36 MIDI Ereignisse: Beispiel MIDI-Dateien sind extrem kompakt. MIDI-Aufzeichnungen sind genauer als normale Notenschrift! Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-37
8 Typische Funktionen von MIDI-Sequenzern Aufnehmen und Wiedergeben von Tonspuren Verschiedene Ansichten der gleichen Information: Partitur, Keyboard-Matrix Zeitgenaue Liniendarstellung Darstellung von Zusatzinformation (z.b. velocity) Musik-Editor: Komponieren (Noten einsetzen und verschieben, Längen verändern, Transponieren,...) Instrumente variieren Effekte einfügen Synchronisieren von Spuren und Abmischen Oft integriert mit klassischer Mischpult-Funktionalität Oft integriert mit Notensatz-Funktionalität Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-38 Sprachanalyse und Sprachsynthese Ein- und Ausgabe in natürlicher Sprache Alter Traum der Informatik Grenzgebiet zu Computerlinguistik, KI Sprachausgabe: relativ stabile Technologie Bestandteil vieler Standard-Betriebssysteme Spracheingabe: immer noch relativ wenig beherrscht Trainingsfreie Systeme noch störanfällig Trainingsgebundene Systeme existieren mit akzeptabler Leistung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-39
9 Sprachsynthese: Grobablauf Text Vorverarbeitung Zerlegung Klassenbildung Syntaxanalyse Phonologie Phonembildung Silbenbildung Prosodie Phonetische Kette Klangsynthese Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-40 Epilog zu Kapitel 4 und 5 E.1 Digitale Repräsentation multimedialer Daten E.2 Weitere Themen: Medientechnik, Multimedia-Programmierung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-41
10 Modellbezogene digitale Repräsentation Sender Pragmatik (Wirkung) Semantik (Bedeutung) Syntax (Zeichen) Empfänger Semantisches Modell Kanal (Träger) Beispiele: Audio: MIDI, Sprachsynthese Bild: Vektorgrafik Film: Animation Kleine Dateien, hohe Präzision, artifizieller Eindruck Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-42 Realitätsbezogene digitale Repräsentation Pragmatik (Wirkung) Sender Semantik (Bedeutung) Syntax (Zeichen) Kanal (Träger) Empfänger Aufnahme/ Wiedergabe Beispiele: Audio: WAV, MPEG-Audio Bild: BMP, JPEG Film: MPEG Grosse Dateien oder Kompressionsverluste, natürlicher Eindruck, künstliche Artefakte durch Kompression Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-43
11 Epilog zu Kapitel 4 und 5 E.1 Digitale Repräsentation multimedialer Daten E.2 Weitere Themen: Medientechnik, Multimedia-Programmierung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-44 Medienspezifische Hardware Zur Ein- und Ausgabe von digitalen Medien wird spezielle Hardware benötigt (heute oft Standardausstattung moderner Computer): Grafikkarte Soundkarte Eingabegeräte, z.b. Kameras, Scanner, Motion-Tracker Ausgabegeäte, z.b. Monitore, Projektoren, Sound-Systeme Themen für Medientechnik! Lehrveranstaltung im Wintersemester 2003/2004 Ausblick: weitere Medientypen z.b. Tastsinn, Gleichgewichtssinn, Koordination verschiedener Sinne insbesondere Integration von Computerschnittstellen in den Alltag Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-45
12 Medientechnik Weitere Randthemen für Medientechnik : Konventionelle (analoge) Fototechnik Konventionelle (analoge) Filmtechnik Konventionelle (analoge) Audio-(Studio-)Technik Kernthemen für Medientechnik : Digitale Fototechnik Digitale Filmtechnik Digitale Audiotechnik Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-46 Multimedia-Programmierung Medienobjekte müssen programmiert werden: Animationen enthalten grosse Programmanteile Interaktion mit multimedialen Oberflächen ist wesentlich» u.u. sogar Echtzeit-Interaktion Medieneffekte werden zur Illustration in anderen grossen Programmsystemen eingesetzt Multimedia-Programmierschnittstellen auf verschiedenen Ebenen standardisiert oder proprietär Spezielle Programmierkonzepte Skriptsprachen Fliessender Übergang Dokument Programm» Programm mit Dokumentbezügen (z.b. Audio-Dateien)» Dokument mit Programmeinschüben (z.b. Skript-Programme) Themen für Medientechnik! Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 5-47
Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien RIFF (Resource Interchange File Format)
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