DIGITAL AUDIO. Zu diesem Foliensatz wurden zahlreiche Audiobeispiele gezeigt, die in der PDF-Version nicht enthalten sind.

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1 DIGITAL AUDIO Zu diesem Foliensatz wurden zahlreiche Audiobeispiele gezeigt, die in der PDF-Version nicht enthalten sind.

2 Übersicht Was ist Audio? Eigenschaften von Schallwellen Das menschliche Ohr Räumliches Hören, Töne, Klänge & Geräusche Warum Audio digitalisieren? Analog zu Digital Probleme der AD/DA-Wandlung Psychoakustik Kompression (MP3) Übertragung (MIDI) Audio Retrieval AGENDA 2

3 Was ist Audio? I Töne Sprache Geräusche Musik... Was ist Audio? 3

4 Was ist Audio? II Schall! Schwingungen (Wellen) die sich in einem Träger räumlich ausbreiten (Veränderung des Drucks) " Flüssigkeiten " Festkörpern " Gasen (Schallgeschwindigkeit: 330m/s = 1188 km/h)! periodische Schwingungen (Klänge) " Musikinstrumente " Gesang " Wind "...! nichtperiodische Schwingungen " Sprache " Geräusche "... Was ist Audio? 4

5 Was ist Audio? II Amplitude! objektiv: Energie des Klanges! subjektiv: Lautstärke der Schwingung Was ist Audio? 5

6 Was ist Audio? III Frequenzen! Infraschall: 0 bis 20 Hertz (Hz)! Hörschall: 20 bis 20 khz! Ultraschall: 20 khz bis 1 GHz! Hyperschall: 1 GHz bis 10 THz Was ist Audio? 6

7 Was ist Audio? IV Was ist Audio? 7

8 Longitudinal- und Transversalwellen Longitudinalwelle:! Oszillatoren schwingen in der Ausbreitungsrichtung Transversalwelle:! Oszillatoren schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung Eigenschaften von Schallwellen 8

9 Wellenlänge Die Länge einer Welle (d.h. der Abstand bis zur nächsten Wiederholung) bestimmt sich aus der Periodenlänge T und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c Eigenschaften von Schallwellen 9

10 Re exion Re exionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) gilt für Schallwellen nur, wenn die Grenz äche groß genug im Vergleich zur Wellenlänge ist! d.h. in kleineren Räumen keine Re exion tiefer Frequenzen Rauigkeit der Ober äche führt zu di!user (zerstreuender) Re exion, wenn Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge! d.h. auch bei zentimetergroßen Unebenheiten wirkt Wand auf tie!requenten Schall als "glatt" Eigenschaften von Schallwellen 10

11 Absorption, Brechung Ein Teil der Schallenergie wird nicht re ektiert! Absorptionsgrad abhängig vom Material und der Schallfrequenz Dissipation: Umwandlung in Wärmeenergie Transmission: Weiterleitung im absorbierenden Medium Aufteilung der absorbierten Energie in Dissipation und Transmission! frequenzabhängig: niedrige Frequenzen höhere Transmission (Körperschall) Auch Schall wird gebrochen, z.b. bei Luftschichten verschiedener Temperatur Eigenschaften von Schallwellen 11

12 Beugung Schall-"Schatten" entsteht erst, wenn ein Gegenstand groß genug im Vergleich zur Wellenlänge ist Bei Gegenständen in Größenordnung der Wellenlänge tritt Beugung auf! Wellen iessen "um das Hindernis herum"! Wellen werden von einem Spalt zerstreut Eigenschaften von Schallwellen 12

13 Das menschliche Ohr Das menschliche Ohr 13

14 Das menschliche Ohr Aussenohr:! HRTF = Head Related Transfer Function Mittelohr:! Trommelfell, Hammer, Amboss, Steigbügel: Verstärkung der Kraftwirkung Innenohr:! Schnecke (cochlea)! Aufgerollte Röhren (Gänge), gefüllt mit Lymph üssigkeit Das menschliche Ohr 14

15 Schnecke (Cochlea) Das menschliche Ohr 15

16 Räumliches Hören Stereo-E!ekt! Unterschiedliche Lautstärke des Schallereignisses an beiden Ohren! Zeitliche Verzögerung des selben Schallereignisses in seiner Wahrnehmung durch beide Ohren! Verzögerungsmessung liefert Information über Entfernung der Quelle Kann ein einseitig tauber Mensch räumlich hören?! Eingeschränkt: ja!! Re exion und Beugung an Umwelt und Ohrmuscheln liefern umfangreiche Information Frequenzabhängigkeit der Ortung:! Niedrige Frequenzen generell schlechter zu orten! Konsequenz physikalischer Tatsachen (Wellenlänge:Hindernis)! Siehe z.b. Subwoofer -Technologie Räumliches Hören 16

17 Laufzeitdi!erenzen Räumliches Hören 17

18 Head Related Transfer Functions (HRTF) Für alle Positionen rund um den Kopf Impulsantwort von der Position zu beiden Ohren messen (HRIR) Fourier-Transformation davon ist die HRTF! Enthält alle physikalischen cues für die Lokalisierung! HRTF von Mensch zu Mensch verschieden! Sobald HRTF für beide Ohren bekannt ist, kann mit einem Kopfhörer Raumklang (also auch vorne/hinten und oben/unten) erzeugt werden Räumliches Hören 18

19 19

20 Ton, Klang und Geräusch Töne sind vom Menschen wahrnehmbare kleine Luftdruckänderungen Primäremp ndungen der Tonwahrnehmung:! Tonhöhe (Bsp. verschiedene Klaviertasten)! Lautstärke (Bsp. Trommelanschlag)! Klangfarbe (Bsp. gleicher Ton auf verschiedenen Instrumenten) Ton:! reine Sinusschwingung Klang:! Überlagerung von mehreren Sinusschwingungen! alle drei Primäremp ndungen wahrnehmbar Geräusch:! entsteht durch unregelmäßige Schwingungen einer Schallquelle! nur Lautstärke wahrnehmbar Klänge und Geräusche 20

21 Warum Digital? Qualität der Reproduktion! Qualität ist NUR abhängig von der Analog/Digital/Analog- Konvertierung! Qualität ist unabhängig von " Verarbeitung (z. B. Geräte) " Transport (z. B. Kabel) " Speicherung (z. B. Festplatte, Magnetband, CD)! Möglichkeiten der Konvertierung/Bearbeitung " verlustfreies Kopieren " nicht-sequentieller Zugri! " nicht-destruktives Editing " platzsparendere Speicherung "... Warum Digital? 21

22 Analog zu Digital I PAM (Puls Amplitude Modulation)! Ermittlung von Amplitudenwerten innerhalb eines Zeitintervalls Analog zu Digital 22

23 Analog zu Digital II PWM (Puls Width Modulation)! Ermittlung von Impulsen, deren Länge die Intensität des analogen Signals wiedergibt Analog zu Digital 23

24 Analog zu Digital III PCM (Pulse Code Modulation)! universelles Verfahren zur Digitalisierung von analogen Zeitreihen! Sampling " Abtastung des analogen Signals in einem festgelegten Zeitintervall " Verwendung von PAM! Quantisierung " Zuordung eines ganzzahligen Wertes innerhalb eines festgelegten Zahlenbereiches Analog zu Digital 24

25 Probleme der AD/DA-Wandlung I Nyquist Abtast-Theorem! Harry Nyquist ( )! Mathematisch bewiesen durch Claude E. Shannon und Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov! die Abtastrate (Sampling Frequenz) muss doppelt so hoch sein, wie die höchste Frequenz des abzutastenden Signals! Folge: Frequenz-Überlappung (Aliasing) ggf. falsche Rekonstruktion des Signals Nyquist Shannon Kotelnikov Probleme der AD/DA-Wandlung 25

26 Probleme der AD/DA-Wandlung II Quantisierungsrauschen! Fehler durch Rundung bei der Digitalisierung Probleme der AD/DA-Wandlung 26

27 Probleme der AD/DA-Wandlung II! Beispiele Probleme der AD/DA-Wandlung 27

28 Probleme der AD/DA-Wandlung III Verzerrungen (Clipping)! Übersteuerung des Eingangsignals! Abschneiden der Spitzen eines Signals! Folge von Variablenüberläufen Probleme der AD/DA-Wandlung 28

29 Psychoakustik I Hörschwelle! unterschiedliche Emp ndlichkeit (Lautstärkeeindruck) des Gehörs für verschiedene Frequenzbereiche! höchste Emp ndlichkeit im Bereich von 2 khz bis 4kHz Psychoakustik 29

30 Psychoakustik II Psychoakustik 30

31 Psychoakustik III Maskierung! Überdeckung eines Frequenzbereiches durch ein Störsignal (gleichzeitige Maskierung)! Zeitliche Maskierung verdeckt auch nach Abschalten des Störsignals den betre!enden Frequenzbereich (zeitliche Maskierung) Psychoakustik 31

32 Audio-Kompression Dynamikkompression! Einsatz nichtlinerarer (logarithmischer) Quantisierung! kleine Signale werden mit niedrigeren Bitwerten kodiert! Beispiele: A-law, u-law Psychoakustische Kompression! Verwendung von Subband-Kodierung & Maskierung! dadurch Entfernung von irrelevanten Daten! Reduktion der Datenrate! Beispiel: MP3, AAC Kompression 32

33 Kompression MP3 (I) Übersicht Kurzform von MPEG-1 Audio Layer 3! Verwendung der»psychoakustischen Kompression«! Nicht für den Menschen hörbare Informationen werden entfernt! Entfernung von Redundanzen Kompression von Audiodaten bei vermeintlich geringem Qualitätsverlust! Kanalkopplung (Stereo) Di!erenzsignalbildung! Entfernung nicht hörbarer Frequenzen und maskierter Audioinformation Karl-Heinz Brandenburg, Harald Popp: An Introduction to MPEG Layer 3. EBU Technical Review, Juni 2000.! Kompression 33

34 Kompression MP3 II Algorithmus (Übersicht) Kompression 34

35 Kompression MP3 III Algorithmus (1)! Anwendung eines Faltungs lters, um ein Signal in 32 Bänder zu unterteilen! Berechnung des Schallddruckpegels eines Bandes! wenn der Schalldruckpegel eines Bandes kleiner ist als der Maskierungsschwellwert eines Nachbarbandes, wird dieses Band nicht kodiert.! Andernfalls werden die Koe!zienten quantisiert Kompression 35

36 Kompression MP3 IV Algorithmus (2)! Unterteilung des Datenstromes in Frames! Ein Frame entspricht einem Tonsignal über eine bestimmte Zeiteinheit! Jeder Frame enthält 384 (1152) Samples, die Abtastwerte aus 32 Teilbändern repräsentieren! Aus jedem Teilband stammen 12 Werte Kompression 36

37 Kompression MP3 V Algorithmus (Übersicht) Kompression 37

38 Kompression MP3 VI Datenrate von 32 bis zu 320 KBit/ s Samplingrate 32/44,1/48 khz16 Bit Stereo Abb. zeigt typische Kompressionsartefakte bei der Fourier-Transformation Kompression 38

39 Advanced Audio Coding (AAC) Vergleich zu MP3! bessere Qualität bei gleicher Dateigröße! tonale und geräuschhafte Elemente im Eingangssignal e!ektiver erkannt und kodiert! Pre-Echo Problem (Kompressionsartefakte) verbessert.! Unterstützung für Multichannel-Audio (bis 48)! Bis zu 96 KHz Abtastfrequenz! DRM-Verfahren»FairPlay«implementiert Entwicklung! Standardisiert bei der ISO MPEG2/MPEG4, EBU-Recommendation! Dolby (AC3), Fraunhofer IIS (MP3), AT&T, Sony, Nokia... Erweiterung HE-AAC für niedrige Bitraten! MPEG-4 High E"ciency Advanced Audio Coding, mit Spectral Band Replication (SBR) auch AACplus v1! Mit Parametric Stereo (PS) auch AACplus v2 Kompression 39

40 Hörbeispiele Audiocodecs Kompression 40

41 Übertragung - MIDI (I) MIDI (Musical Instrument Digital Interface)! standardisiertes Protokoll zur Steuerung elektronischer Musikinstrumente und Musike!ektgeräte! physikalische Schnittstelle! Überbegri! für die Musik, die diesem Standard genügt! 1984 entwickelt! Standardisierung und Weiterentwicklung durch " International Midi Organisation (IMA) " MIDI Manufacturers Association(MMA) Übertragung 41

42 Übertragung - MIDI (II) Komponenten! Sequenzer " Komponieren/Wiedergabe von Musik mit Rechner " MIDI Sequenzen werden in MIDI- Dateien gespeichert! Synthesizer " Synthetische Erzeugung und Manipulation von Klängen! Sampler " Wie Synthesizer, jedoch synthetisiert ein Sampler Töne aus einer Palette von Instrument-Samples Übertragung 42

43 Übertragung - MIDI III Datenformat! instrumentenbezogene Kodierung " Lautstärke " Grundfrequenz " Bezeichnung des Instruments! MIDI-Nachrichten bestehen aus einem Statusbyte und bis zu 3 Datenbytes " Statusbyte 1 B B B K K K K " Datenbyte 0 _ " Statusbyte kündigen eine Aktion an und gliedern sich in Kanal- und Systembefehle. " Kanalbefehle (BBB) beziehen sich auf der insgesamt 16 Kanäle (KKKK), mit denen jeweils ein angeschlossenes Instrument assoziiert ist Übertragung 43

44 Übertragung - MIDI (IV) Vorteile! MIDI-Dateien sind plattformübergreifend! MIDI-Dateien sind sehr klein: 1 min Musik ca Kbyte! MIDI Kodierung entspricht der Vorgehensweise beim klassischen Komponieren Nachteile! Ohne wirklich gute Instrumente kein schöner Klang, da synthetische Klangerzeugung! keine Sprache oder Geräusche! MIDI-Dateien klingen auf unterschiedlichen Systemen, je nach eingesetzten Geräten unterschiedlich Übertragung 44

45 Übertragung MIDI V General Midi (GM)! Standard-Erweiterung ermöglicht geräteunabhängig möglichst originalgetreue Wiedergabe Midi über IEEE 1394 (FireWire)! Verwendung aktueller Technologien und Protokolle Übertragung 45

46 Audio Retrieval Tempoerkennung! Verfahren zur automatischen Schätzung des Rhythmus beschreibenden Elemente Tempo, Taktart und Mikrotime Query by Humming (QbH)! Melodieerkennung/Musiktitelerkennung auf Grundlage gesungener oder anderer monophoner Melodien! Bsp: Statistische Klassi kation...! Jedes Geräusch hat typische Werte (loudness, pitch, brightness, bandwidth)! Trainingsset von Geräuschen einer Klasse ermöglicht Einordnung (Bsp. Gelächter, Beifall, Kinder) Audio Retrieval 46

47 Film:

48 Literatur»Taschenbuch Multimedia«! HENNING, PETER A., Fachbuchverlag Leipzig, 2. Au age 2001, gebundene Ausgabe, 603 Seiten, ISBN , ca.! 20»Multimedia Technologie«! Grundlagen, Komponenten und Systeme Steinmetz, Henning, Springer Verlag Heidelberg, 3. überarbeitete Au age 2000, gebundene Ausgabe, 968 Seiten, ISBN , ca.! 55»The Art of DIGITAL AUDIO«! Watkinson, John, Focal Press Oxford, Third Edition 2001, Hardcover, 752 Seiten, ISBN , ca.! 84 Literatur 48

49 Links Links 49