Neue Technologien in Internet und WWW. 0. Einleitung. 1. Digitalisierung 1.1 Sampling und Quantisierung (1) 1. Digitalisierung

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1 Neue Technologien in Internet und WWW 0. Einleitung Kodierung und Komprimierung von Audiodaten Was ist Schall? Schwingungen von Molekülen in einem elastischen Medium, die sich wellenförmig ausbreiten. Schalldruck = Lautstärke Frequenz = Tonhöhe Wie bringt man diese analogen Signale auf ein digitales Computersystem? Digitalisierung Seminar WS 2003/2004 Norman Bichler erfolgt in 3 Schritten Abtastung (sampling) Quantisierung Kodierung 1.1 Sampling und Quantisierung (1) zunächst Zerlegen des zeitkontinuierlichen Signals in diskrete Einzelzeitpunkte dann Diskretisierung der Signalwerte (Quantisierung) 1.1 Sampling und Quantisierung (2) analoges Signal Sampling zeitdiskret / wertkontinuierlich Quantisierung digitales Signal 1.1 Sampling und Quantisierung (3) Beispiel Audio-CD Samplingrate 44.1 khz 16bit Quantisierungsstufen stereo s -1 * 16bit = bit/s = byte/s wegen stereo byte/s 1MB ( byte) / byte/s = 5,94 s 650 * 5,94 s = 3863,8 s = 64,4 min

2 1.2 Fehler bei Digitalisierung (1) bei Sampling damit Ausgangssignal rekonstruiert werden kann, ist eine gewisse Mindestabtastrate notwendig Abtasttheorem bei Quantisierung Quantisierungsrauschen 1.2 Fehler bei Digitalisierung (2) Abtasttheorem Samplingrate mindestens doppelt so hoch, wie höchste vorkommende Frequenz im Audiosignal f A > 2 f max 1.2 Fehler bei Digitalisierung (3) Quantisierungsrauschen entsteht durch Auf- bzw. Abrundung der wertkontinuierlichen Werte auf das Bitraster maximaler Fehler: q/2 1.3 Kodierung Quantisierungsintervalle werden durch binäre Codewörter beschrieben digitales Signal Quantisierungsfehler ist hier natürlich enthalten, aber meist nicht relevant, da so gewählt, dass unterhalb des menschlichen Hörvermögens 1.4 Pulse Code Modulation (PCM) (1) Umwandlung von analog nach diskret wird auch als Pulse Code Modulation (oder Waveform-Encoding) bezeichnet. 1.4 Pulse Code Modulation (PCM) (2) + Lineare PCM + Dynamische PCM + Differenzielle PCM

3 1.4 Pulse Code Modulation (PCM) (3) - Lineare PCM Unterteilung in gleich große Quantisierungsintervalle Vorteil: geringer Quantisierungsfehler Nachteil: hohe Datenrate notwendig + Dynamische PCM + Differenzielle PCM 1.4 Pulse Code Modulation (PCM) (4) + Lineare PCM - Dynamische PCM Unterteilung in unterschiedlich große Intervalle leise Passagen feiner codiert als laute besser ans menschliche Hörempfinden angepasst + Differenzielle PCM 1.4 Pulse Code Modulation (PCM) (5) + Lineare PCM + Dynamische PCM - Differenzielle PCM nicht Signalwerte selbst, sondern Differenz aufeinanderfolgender Abtastwerte wird codiert bei schnellen Signalschwankungen schwerwiegende Quantisierungsfehler 2.1 Verlustfreie Komprimierung Grundidee adaptive Differenzenkodierung mit linearer Prediktion Huffmann-Codierung Komprimierungsrate ca. 1:2 2.2 Verlustbehaftete Komprimierung (1) verlustfreie Komprimierung ermöglicht Kompressionsraten von ca. 1:2 deshalb: gezielte Veringerung der Qualität Grundprinzip: nicht oder kaum wahrnehmbare Anteile der Audiodaten nicht mitkodieren 2.2 Verlustbehaftete Komprimierung (2) menschliches Gehör kann nur Signale wahrnehmen, deren Schalldruck zwischen 0dB und 120dB liegt Frequenz zwischen 20Hz und 20kHz liegt Signale außerhalb dieser Bereiche müssen nicht kodiert werden

4 2.2 Verlustbehaftete Komprimierung (3) Durch Verdeckung müssen auch nicht alle Signale innerhalb des menschlichen Hörbereiches kodiert werden. 2.2 Verlustbehaftete Komprimierung (4) Verdeckung: akkustisches Signal in lauter Umgebung u.u. nicht mehr wahrnehmbar es liegt unter der Verdeckungsschwelle Arten der Verdeckung: simultane Verdeckung temporäre Verdeckung 2.2 Verlustbehaftete Komprimierung (5) simultane Verdeckung Signal mit niedrigem Pegel wird von zeitgleich auftretendem Signal mit hohem Pegel maskiert temporäre Verdeckung starke Signale nach (bis 200ms) und kurz vor (bis 50ms) dem schwächeren Signal verdecken dieses ebenfalls. Wissen über bereits kodiertes Signal wird zur Vorhersage des Folgesignals benutzt nur Differenz zwischen Signal und dessen Vorhersage wird abgespeichert. Fourier-Transformation des Wellensignals damit in Frequenzraum überführt diese Darstellung ändert sich langsamer

5 Einschub: mathematische Grundlagen der Fouriertransformation psycho-akkustisches Modell Audio-Spektrum wird in Frequenzbänder aufgeteilt fast alle Bänder haben gegenüber dem lautesten weniger relevante Information 3. Formate 3.1 unkomprimierte Formate das.wav-format Teil von Windows RIFF mehrere unabhängige Blöcke (Chunks) ein Format-Chunk (Format der einzelnen Sampleblöcke, Anzahl der Kanäle, Samplingrate...) Daten-Chunk (Reihe von Sampleblöcken) 3. Formate 3.1 unkomprimierte Formate riff-chunk R I F F file size W A V E format-chunk chunk size wave format # channels # smp / sec avg bytes / sec block align data-chunk size data bits / sample 4.1 MPEG (1) ursprünglich Gremium für Codierung und Komprimierung von Video- und Audiodaten MPEG 1 Video Compact Disc (VCD) MP3 (MPEG 1 - Layer 3) MPEG 2 DVD und digitales TV 4.1 MPEG 1 - Layer 3 (MP3) (1) entwickelt vom Frauenhofer Institut in Erlangen Basiert auf Subband-Coding mit psychoakkustischem Modell MP3-Datei besitzt keinen Header in dem Sinne, sondern ist Aneinanderreihung einzelner Datenblöcke mit jeweils eigenem Header + Audioinformationen

6 4.1 MPEG 1 - Layer 3 (MP3) (3) Sync MPEG ID Layer CRC Flag Bitrate Index Samplingrate Padding Priv Channel Mode Mode Extens. Copyr. Flag Original Emphas. 16-Bit CRC Audio Data zur Synchronisation verwendete MPEG-Version/Layer verwendete Bitrate Samplingfrequenz Stereo / Stereokodierung Copyright Informationen optionale Prüfsumme 4.1 MPEG 1 - Layer 3 (MP3) (4) diese Datenblöcke nicht immer unabhängig voneinander (aufgrund des Bytereservoirs) jedoch maximal 9 Blöcke nötig, um einen Block wiederzugeben Bei VBR: Bitrate in jedem neuen Datenblockheader möglicherweise anders ID3-Tag Titelinformationen 4.1 MPEG 1 - Layer 3 (MP3) (3) Einige Eigenschaften von MP3 Bitreservoir zur Erhöhung der Auflösung Intensity Stereo - Technik Variable Bitrate 4.1 MPEG (2) MPEG 4 genereller Multimedia-Standard für mobile Kommunikation bei geringen Bitraten MPEG 7 Beschreibung und Indizierung von Audio- und Videoinhalten MPEG 21 Infrastruktur zur Übertragung von Multimediainhalten 4.2 ATRAC Adaptive Transform Accustic Encoding von Sony als Codec für MiniDisk Datenreduktion von ca. 5:1 ebenfalls psychoakustisches Modell bei mehrfacher En- und Dekodieren Kaskadeneffekte 4.3 Dolby AC (1) AC 1 für Satelitenverbindungen für TV und UKW einfaches psycho-akkustisches Modell Komprimierung 3 : 1 überschneidende Subbänder 40 (43) Subbänder bei 48kHz (32kHz)

7 4.3 Dolby AC (2) AC 2 PC Soundkarten und prof. Audioanwendungen sehr hohe Qualität bei 256kb/s Komprimierungsrate 6.1 : 1 (bei 48kHz) zusätzlich: Time Domain Aliasing Cancellation 4.3 Dolby AC (3) AC 3 Komprimierung von Mehrkanalton Tonstandard für Heimkinoanlagen 6 Kanäle (5 + 1 [Sub]-Bass-Kanal) nutzt Maskierungseffekte um irrelevante Information zu entfernen im Kino mit 640kbps, auf DVD mit 384kbps 4.4 OggVorbis Open-Source Encoder basiert wie MP3 auf Transformationsencoding wegen freier Verfügbarkeit weite Verbeitung auf vielen Betriebssystemen 4.5 MIDI MIDI (Musical Instrument Digital Interface) ursprünglich für Datenaustausch zwischen elektronischen Musikinstrumenten keine Audiosignale - nur Kontrollsignale Instrument, Note, Lautstärke, Länge...

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