Hören wir das Gras wachsen? Grenzen unseres Hörvermögens und wie man daraus Nutzen ziehen kann
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- Eugen Fertig
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1 Hören wir das Gras wachsen? Grenzen unseres Hörvermögens und wie man daraus Nutzen ziehen kann Von Sinnen: Wahrnehmung und Gehirn Vortragsreihe des Nicolaus-Copernicus-Planetariums in Kooperation mit dem»turm der Sinne«, Nürnberg Prof. Dr. Heinz Gerhäuser Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS 25. März 2014 Fraunhofer IIS Hören wir das Gras wachsen? Grenzen unseres Hörvermögens und wie man daraus Nutzen ziehen kann Die Fraunhofer-Gesellschaft und das Institut Fraunhofer IIS Wie entsteht Schall? Wie funktioniert unser Gehör? Psychoakustik Technische Konsequenzen für die Audiocodierung Erfolgreiche Anwendungen der Audiocodierung Prof. Dr. Heinz Gerhäuser Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS 25. März 2014 Fraunhofer IIS
2 Joseph von Fraunhofer ( ) Entwicklung neuer Glassorten, verbesserte Glasherstellung Neue Bearbeitungsverfahren für Linsen Optische Geräte: Fernrohre, Lupen, Mikroskope Unternehmer Leiter und Teilhaber einer Glashütte Marktgerechte Produkte höchster Qualität Europaweite Vermarktung der»fraunhofer- Produkte«Forscher Werkstoffwissenschaftliche Forschung über Glas Entdecker der»fraunhofer-linien«im Sonnenspektrum Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Fraunhofer IIS Die Fraunhofer-Gesellschaft in D Gegründet 1949, Zentrale in München Heute: 67 Institute und selbstständige Forschungseinrichtungen an mehr als 50 Standorten in D Mehr als Mitarbeiter Budget: ca. 2 Milliarden ca. 70% der Finanzierung durch Vertragsforschung und öffentliche Projekte Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Bremerhaven Oldenburg Bremen Itzehoe Lübeck Hamburg Rostock Hannover Berlin Potsdam Teltow Braunschweig Magdeburg Cottbus Oberhausen Paderborn Halle Dortmund Schkopau Leipzig Duisburg Kassel Schmallenberg Dresden St. Augustin Erfurt Jena Aachen Freiberg Euskirchen Gießen Chemnitz Wachtberg Ilmenau Darmstadt Würzburg Bayreuth Erlangen Bronnbach St. Ingbert Kaiserslautern Fürth Nürnberg Saarbrücken Karlsruhe Ettlingen Stuttgart Straubing Freising Freiburg Augsburg Garching München Oberpfaffenhofen Kandern Prien Efringen- Holzkirchen Kirchen Fraunhofer IIS 4
3 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Gegründet 1985, Mitarbeiter: ca. 800, Budget: ca. 109 Mio. Standorte in Erlangen, Nürnberg, Fürth, Dresden, Ilmenau, Würzburg, Bamberg, Coburg, Deggendorf,... Fraunhofer IIS 5 Forschungsfelder des Fraunhofer IIS Audio und Multimedia IC-Design und Entwurfsautomatisierung Sensorsysteme Bildsysteme Kommunikation Lokalisierung Versorgungsketten Medizintechnik Energiemanagement Sicherheitstechnik Zerstörungsfreie Prüfung Fraunhofer IIS 6
4 Forschungsfeld Audio und Multimedia Fraunhofer IIS 7 Hören wir das Gras wachsen? Grenzen unseres Hörvermögens und wie man daraus Nutzen ziehen kann Die Fraunhofer-Gesellschaft und das Institut Fraunhofer IIS Wie entsteht Schall? Wie funktioniert unser Gehör? Psychoakustik Technische Konsequenzen für die Audiocodierung Anwendungen der Audiocodierung Prof. Dr. Heinz Gerhäuser Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS 25. März 2014 Fraunhofer IIS
5 »Das Gras wachsen hören«die Redewendung geht zurück auf die»edda«, eine Sammlung skandinavischer Götter- und Heldensagen aus dem 13. Jahrhundert. Dort wird über Heimdall, den Wächter der Götter, gesagt, er habe so gute Ohren, dass er»das Gras auf der Erde und die Wolle auf den Schafen«wachsen hören könne. Fraunhofer IIS 9 Wie entsteht Schall? Impulsschall: lauter Knall Harmonische Schwingung Rauschen Die meisten Schallereignisse bestehen aus einer zeitlich veränderlichen Kombination von Elementar-Schallereignissen Fraunhofer IIS 10
6 Schallwellen Schallwellen entstehen wenn bei der Klangerzeugung eines Objektes die umgebende Luft verdrängt und dadurch der Luftdruck verändert wird. Dieser Höhe wird Amplitude genannt Dieser Abstand bestimmt die Frequenz der Welle Zeit Bild: Fraunhofer IIS 11 Schallwellen Eine einzelne Welle = ein einzelner Ton Zeit Musik als Zusammensetzung von Tönen und Geräuschen Fraunhofer IIS 12
7 Wie funktioniert unser Gehör? Schallwellen gelangen durch den Gehörgang bis zum Trommelfell und lassen dieses schwingen Hammer, Amboss und Steigbügel sorgen dafür, dass die Wellen im Innenohr ankommen wandelt die Schallwellen in elektrische Nervensignale um, die über den Hörnerv ins Gehirn gelangen und dort interpretiert werden Der Mensch hört nicht alles gleich gut Bild: Fraunhofer IIS 13 Was hören wir eigentlich? Musik Sprache Alles, was unterhalb der Ruhehörschwelle liegt, ist unhörbar Fraunhofer IIS 14
8 Wie hören wir? - Die Mithörschwelle Musik Sprache Verschiebung der Ruhehörschwelle durch Lautsignal (Maskierung) Der Mensch hört nicht alles gleich gut, es gibt»maskierungseffekte«fraunhofer IIS 15 Was überhören wir? -»Maskierte Töne«Musik Sprache Maskierung = Verdeckung leiser durch laute Geräusche Fraunhofer IIS 16
9 Universalität durch Digitalisierung Umwandlung und Darstellung von analogen Signalen (z. B. Zeit, Temperatur, Spannung, ) als wert- und zeitdiskrete Zahlenfolgen Analoge Anzeige: unendlich viele Zeitpunkte fließende Übergänge Digitale Anzeige: endlich viele Zustände Übergänge in diskreten Stufen 22:09:37 Weiterverarbeitung, Speicherung und Übertragung meist als Binärfolge von Nullen und Einsen durch digitale Elektronik in Geräten und Systemen Darstellung im Computer: Bit (0 oder 1) und Bytes (1 Byte = 8 Bit, 2 8 = 256 mögliche Kombinationen) Beispiel: Umwandlung einer Dezimalzahl in eine Dualzahl [173] 10 = [ ] 2 = Größere Einheiten: 1 KiloByte, 1 MegaByte, 1 GigaByte, 1 TeraByte Fraunhofer IIS 17 Digitale Darstellung der Information Einheitliche Verwendung von Bits und Bytes unabhängig von der Art der Einheitliche Technik für die digitale Signalverarbeitung (digitale Schaltkreise, Prozessoren) Verlustfreies Kopieren, Speichern und Übertragen Vielfältige Verarbeitungsmöglichkeiten Verschlüsselung und elektronische Signatur Qualität wird nur durch den Aufwand begrenzt Fraunhofer IIS 18
10 Digitalisierung von Musik Analoges Signal: Amplitude (Lautstärke) Zeit t 16 Bit Auflösung: Größter Amplitudenwert: 32,767 Diskretes, digital dargestelltes Signal: Zeit t Kleinster Wert ist -32,768 Die Anzahl der Abtastwerte (Samples) pro Sekunde ist die»sample-rate«: Audio-CD hat Abtastwerte pro Sekunde Fraunhofer IIS 19 Abtastung Abtastrate: Anzahl der Abtastwerte pro Sekunde Compact Disk CD: Bandbreite: 16 Hz 20 khz Abtastfrequenz: 44,1 khz ( Abtastwerte pro Sekunde) Amplitude (Lautstärke) Telefon: Bandbreite: 300 Hz - 3,4 khz Abtastfrequenz: 8 khz (8.000 Abtastwerte pro Sekunde) Zeit t Abtastzeitpunkt Fraunhofer IIS 20
11 Abtastung Abtastrate: Anzahl der Abtastwerte pro Sekunde Compact Disk CD: Bandbreite: 16 Hz 20 khz Abtastfrequenz: 44,1 khz ( Abtastwerte pro Sekunde) Amplitude (Lautstärke) Telefon: Bandbreite: 300 Hz - 3,4 khz Abtastfrequenz: 8 khz (8.000 Abtastwerte pro Sekunde) Zeit t Abtastzeitpunkt Fraunhofer IIS 21 Digitales Signal Quantisierung: Bit pro Abtastwert (Sample) 16 Bit Amplitude (Lautstärke) 8 Bit 4 Bit Zeit t DVD: 24 Bit ( mögliche Werte für jeden Abtastwert CD: 16 Bit ( mögliche Werte für jeden Abtastwert) 8 Bit: 256 Werte 4 Bit: 16 Werte Abtastwert Fraunhofer IIS 22
12 Digitales Signal Quantisierung: Bit pro Abtastwert (Sample) 16 Bit Amplitude (Lautstärke) 8 Bit 4 Bit Zeit t Abtastwert DVD: 24 Bit ( mögliche Werte für jeden Abtastwert CD: 16 Bit ( mögliche Werte für jeden Abtastwert) 8 Bit: 256 Werte 4 Bit: 16 Werte Fraunhofer IIS 23 Digitales Signal Quantisierung: Bit pro Abtastwert (Sample) 16 Bit Amplitude (Lautstärke) 8 Bit 4 Bit Zeit t Abtastwert DVD: 24 Bit mögliche Werte für jeden Abtastwert CD: 16 Bit mögliche Werte für jeden Abtastwert 8 Bit: 256 Werte 4 Bit: 16 Werte Fraunhofer IIS 24
13 Demo: Verdeckungseffekt des Ohrs im Frequenzbereich Lautstärkepegel [db r ] Schmalbandrauschen 160 Hz 1000 Folge von Sinustönen gleicher Frequenz und zunehmender Lautstärke 7 6 Hörschwelle Frequenz 1200 [Hz] Fraunhofer IIS 25 Demo: Verdeckungseffekt des Ohrs Fraunhofer IIS 26
14 Demonstration: Das "13 db - Wunder" Historische Demonstration von J. D. Johnston und K. Brandenburg in den AT&T Bell Laboratories, USA, aus dem Jahre Originalsignal (Musik) Signal + weißes Rauschen, SNR = 13,6 db SPL (Sound Pressure Level) Signal + psychoakustisch geformtes Rauschen, SNR =13,6 db Differenzsignal: Weißes Rauschen (moduliertes Rauschen) Differenzsignal: Psychoakustisch gefärbtes Rauschen Psychoakustik hilft, den Codierfehler zu»verstecken«! Fraunhofer IIS 27 Technische Konsequenzen für die Audiocodierung Audiocodierung nutzt die begrenzte Wahrnehmung des Menschen Hoher Aufwand (einige 10 Millionen Rechenschritte pro Sekunde) Fraunhofer IIS 28
15 Blockdiagramm MPEG-1/2 Layer 3 (mp3) Encoder Quelle: Herre, J.: Lecture Advanced Topics in Perceptual Audio Coding, FAU Erlangen, SS 09 Fraunhofer IIS 29 Blockdiagramm MPEG-1/2 Layer 3 (mp3) Decoder Erste Aussagen von Abschätzungen zur Komplexität einer Realisierung: --> Komplexität zu hoch und zu teuer! (1990) Quelle: Herre, J.: Lecture Advanced Topics in Perceptual Audio Coding, FAU Erlangen, SS 09 Fraunhofer IIS 30
16 Gleichbleibende Audioqualität bei immer höheren Komprimierungsraten bei verschiedenen Audio-Codecs Datenrate kbit/s, 2 Kanäle (stereo) Original 160 PCM MP3 MPEG-2 AAC Mehr als 80-fache Datenreduktion und Datenkompression MPEG-4 AAC HE-AAC v2 xhe-aac Fraunhofer IIS 31 Quelle: Fraunhofer IIS Fraunhofer IIS 32
17 Quelle: Fraunhofer IIS Fraunhofer IIS 33 Quelle: Fraunhofer IIS Fraunhofer IIS 34
18 Forschungsfeld Audio/Multimedia am Fraunhofer IIS Aktuell steckt in ca. 7 Milliarden Geräten Audiotechnologie vom Fraunhofer IIS xhe-aac, -ELDv2 MPEG Surround, AAC-ELD AAC, AAC Low Delay mp3, mp3 Surround, mp3hd HE-AAC, HE-AACv Fraunhofer IIS 35 Von mp3 zu Extended HE-AAC Die AAC Familie (Advanced Audio Coding) Bild ipod: Fraunhofer IIS 36
19 Von mp3 zu Extended HE-AAC Die AAC Familie (Advanced Audio Coding) SBR Bild iphone: Fraunhofer IIS 37 Von mp3 zu Extended HE-AAC Die AAC Familie (Advanced Audio Coding) Digitalradio Deutschland GmbH SBR PS Fraunhofer IIS 38
20 Von mp3 zu Extended HE-AAC Die AAC Familie (Advanced Audio Coding) SBR PS Fraunhofer IIS 39 HE-AAC: Codec der Wahl für Rundfunk und Streaming und weltweit genutzt in Rundfunkstandards HE-AAC used for Digital Radio Trial with HE-AAC for Digital Radio HE-AAC for TV Broadcasting or mobile TV HE-AAC for TV Broadcasting and Digital Radio Fraunhofer IIS 40
21 Full-HD Voice Telefonie für das HD-Zeitalter Full-HD Voice: Übertragung der vollen hörbaren Audiobandbreite (mind. 14 khz) Geeignet für Sprache und Musik Die Gesprächspartner haben den Eindruck, Populärer Full-HD Voice Codec: AAC-ELD Reguläre Telefonie (3,5 khz) Full HD-Voice (mind. 14 khz) Quelle: Fraunhofer IIS Fraunhofer IIS 41 Full-HD Voice Anwendungen: Telepresence Beste Audioqualität (Multikanal, volle Audiobandbreite) HD-Video, mehrere Bildschirme Meistens verwendet: AAC-LD/LC Beispiel: Cisco Quelle: Fraunhofer IIS
22 Fraunhofer Cingo für das große Klangerlebnis auf kleinen Geräten Beeindruckender Surround-Klang über Kopfhörer oder Stereo-Lautsprecher Natürlicher und klarer Klang von Stereo- Inhalten Verbesserter Sound auch in lauten Umgebungen Fraunhofer Cingo wird von Google für alle Nexus Geräte angeboten Filme in Google Play jetzt auch in Surround mit Fraunhofer-Codec HE-AAC Fraunhofer IIS 43 Zusammenfassung Nein, wir hören das Gras nicht wachsen Die Grenzen unseres Hörvermögens kann man geschickt bei der Audiocodierung ausnutzen Fraunhofer IIS 44
23 Nachdenkliches zum Ausklang Obwohl wir nicht alles hören können, sollten wir uns vor dem, was wir hören können, nicht verschließen»wer Ohren hat zu hören, der höre.«und noch eine alte Weisheit: Matthäus 11, 15»Die Natur hat uns nur einen Mund, aber zwei Ohren gegeben, was darauf hindeutet, dass wir weniger sprechen und mehr zuhören sollten.«zenon von Elea (um v. Chr.) Zenon der Ältere, griechischer Philosoph, Schüler des Parmenides von Elea Fraunhofer IIS 45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Aufnahme: Webcam vom Standort unserer DVB-SH-Antennen am Erlanger Stadtwerketurm Fraunhofer IIS 46
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