Audio Codecs. Vortrag im Seminar. Digital Audio. Sebastian Kraatz. 15. Dezember 2004

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1 Vortrag im Seminar Digital Audio 15. Dezember 2004

2 1 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? 2 Hörschwellenmaskierung Frequenzmaskierung Zeitmaskierung 3

3 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Warum ist Komprimierung notwendig? Problem hoher Speicherplatzbedarf hoher Bandbreitenbedarf Lösungsansatz Daten ohne hörbaren Qualitätsverlust reduzieren

4 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Abtasttheorem Abtastrate muss mehr als doppelt so hoch wie die höchste im Signal vorhandene Frequenz sein Abtastrate von 44,1 khz hat sich als Standard durchgesetzt Dynamikumfang Wertumfang eines Signals - je genauer die Werte gespeichert werden, desto genauer lassen sich Unterschiede darstellen

5 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Quantisierung Messwerte, die zwischen zwei zulässigen Werten liegen, werden auf- oder abgerundet Quantisierungsfehler macht sich durch Rauschen bemerkbar Für jedes in der Auflösung weggelassene Bit entsteht 6 db Rauschen, bei 16 Bit Auflösung also 96 db Dynamikumfang Durch Abziehen von Headroom und Footroom stehen 54 db Nutzdynamik zur Verfügung

6 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Definition coder/decoder oder compressor/decompressor komprimiert/dekomprimiert digitale Audiosignale

7 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Verlustfreie Codecs Bei der Kompression gehen keine Daten verloren (bitidentisch mit dem Original) Arbeitsweise: Algorithmen / Tabellen bilden Signalverlauf durch Variablen ab Vergleich: Dateipacker

8 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Verlustbehaftete Codecs Ziel: Dateigröße verkleinern - Unterschiede werden in Kauf genommen Sind keine hörbaren Unterschiede vorhanden, spricht man von Transparenz Einsatz von psychoakustischen Verfahren zur Bestimmung der wegzulassenden Signale

9 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Hörumfang des menschlichen Gehörs

10 Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Hybrid-Codecs Mischprodukt aus verlustfreien und verlustbehafteten Codecs Basis: Verlustbehaftet komprimiertes Signal Zusätzliche Korrekturdatei, mit der sich das Original wiederherstellen lässt Findet in der Praxis kaum Anwendung

11 Hörschwellenmaskierung Frequenzmaskierung Zeitmaskierung Signale, die unter der menschlichen Hörschwelle liegen, werden aus dem Frequenzspektrum entfernt

12 Hörschwellenmaskierung Frequenzmaskierung Zeitmaskierung Ähnlich klingende Geräusche werden voneinander verdeckt (spektrale Verdeckung)

13 Hörschwellenmaskierung Frequenzmaskierung Zeitmaskierung Das Ohr adaptiert die Lautstärke eines Signals und verdeckt dadurch bei Abschaltung für kurze Zeit ein verdecktes Signal weiter

14 Möglichkeiten der Datenreduktion am Rohmaterial Wahl einer angemessenen Bandbreite und Auflösung des Materials Bei Sprache können alle Frequenzen ab 8 khz ohne hörbaren Unterschied ausgefiltert werden Nichtlineare Dynamik durch logarithmische Verteilung der Wortwerte

15 Betrachtung von Unterschieden zweier Samples, nicht absoluten Amplitudenwerten Vorhersagemechanismus versucht, folgendes Signal zu ermitteln Differenz zum tatsächlichen Signal wird gespeichert Erreichbare Kompression: 1:4 Nachteil: Im Stream keine freie Positionierung möglich

16 Entwicklung eines Standards für Audio-Kompression seit den 80er Jahren Bis heute drei Layer verabschiedet Dateigröße wird durch psychoakustische Verfahren verringert Unterschied von 1 und 2 liegt in den zulässigen Samplingraten 2 unterstützt bis zu 6 getrennte Kanäle

17 Verschiedene -Betriebsmodi Dual Channel zwei unabhängige Känale (z.b. für bilinguale Filme) Stereo Kanäle links und rechts, technisch identisch mit DC Joint Stereo Redundanzen auf beiden Kanälen werden ausgenutzt

18 Erweiterte Codierungsverfahren von 2 Dynamic Transmission Channel Switching zusätzliche Dateninformationen werden in wenig ausgelastete Kanäle ausgelagert Phantom-Coding Of Center Kanal wird aus der Summe bzw. Differenz anderer Kanäle gewonnen Prüfsummen Integrität der Audiodaten und Kodierungsparameter wird sichergestellt

19 -Layer Inhalt Ziel: bei 384 kbit/s eine mit dem unkomprimierten Material vergleichbare Qualität erreichen Grundprinzip: 1 Spektrum linear in 32 Bänder unterteilen 2 Fast-Fourier-Transformation gewinnt die Amplitudeninformation der enthaltenen Frequenzen 3 Damit wird Genauigkeitspriorität bestimmt, mit der gespeichert wird 4 Komprimierter Datenstrom wird in Frames aufgeteilt und mit Header versehen

20 Layer 1 Kodierung 1 Alle Subbänder entfernen, deren Pegel unter der Verdeckungsfunktion liegen 2 Führende Nullen bei der Pegeldarstellung abschneiden 3 Solange Quantisierungsrauschen durch Subband verdeckt wird, können auch untere Bits abgeschnitten werden

21 Layer 1 Inhalt Dekodierung: Skalierungsfaktor setzt die Bits wieder auf die richtige Position Zusammen mit Wortlängen-Information immer für 12 Samples gespeichert Erreichbare Kompression: 1:4

22 Layer 2 Inhalt Benutzt größere Blocklänge von 36 Samples (Layer 1: 12 Samples) neben Frequenz- können auch Zeitverdeckungseffekte genutzt werden Kompressionsverfahren werden dynamisch zugewiesen Erreichbare Kompression: 1:8

23 Layer 3 Inhalt Verfeinerung der Frequenzbandaufteilung von 32 linearen in 576 Bänder variabler Breite nichtlineare, dem menschlichen Ohr nachempfundene, Dynamik über die verschiedenen Frequenzen wird verwendet Erreichbare Kompression: 1:12

24 Seit 1993 von der Xiphophorous Foundation in Entwicklung Encoder hat 2002 den Beta-Status verlassen Im Vergleich zu MP3 bessere Qualität bei gleicher Bitrate Lizenzfreier Codec

25 Kodierungsmodi Inhalt Variable Bitrate Quellsignal wird Frame für Frame abgearbeitet, Bitrate wird für jeden Frame neu berechnet Constant Bitrate Alle Frames werden mit derselben Bitrate kodiert Average Bitrate Grundbitrate wird angegeben, von der leicht variiert wird

26 Vorbis Sonderfunktionen Channel coupling Beim Stereosignal werden Kanäle auf Gemeinsamkeiten überprüft, bei hoher Ähnlichkeit wird nur ein Kanal und Differenzinformation gespeichert Bitrate peeling Kodiertes Signal wird in mehrere Schalen aufgeteilt, erlaubt die nachträgliche Umkodierung auf eine andere Bitrate ohne Dekodierung

27 Von Beginn als Streamingformat entwickelt Ausgabequalität passt sich der vorhandenen Bandbreite an (SureStream) Interpolation der über das UDP-Protokoll verlorenen Pakete Datenpuffer wird auf Empfängerseite gefüllt, bevor Abspielvorgang beginnt Bei Kodierung werden verschiedene Versionen des Signals im Dateicontainer abgelegt

28 drei verschiedene Komprimierungs-Arten: 1 Verlustlose Komprimierung 2 Kodierung von Mono-/Stereosignalen 3 Mehrkanal-Kodierung (WM-Pro-Codec) Vorteil: sehr schnelle Komprimierung Nachteile: 1 schlechter Klang (hohe Frequenzen werden abgeschnitten) 2 starke Einschränkungen beim Encoder 3 Dekodierung kompliziert

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