Audio Codecs. Digital Audio WS 2004/05 Sebastian Kraatz Vortrag im Seminar. Dezember 2004

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1 Audio Codecs Vortrag im Seminar Digital Audio WS 2004/05 Sebastian Kraatz Dezember

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Motivation Unkomprimierte digitale Daten Was ist ein Codec? Verlustfreie Codecs Verlustbehaftete Codecs Hybrid-Codecs Datenreduktionsverfahren Hörschwellenmaskierung Frequenzmaskierung Zeitmaskierung Arbeitsweisen verschiedener Codecs Rohdaten Adaptive Pulscodemodulation (ADPCM) MPEG Layer I Layer II Layer III OGG Vorbis RealAudio WMA

3 1 Einführung 1.1 Motivation Digitale, unkomprimierte Daten benötigen eine große Bandbreite, um übertragen zu werden. So benötigt ein einminütiges Audiosignal in CD-Qualität (44 khz, 16 Bit, Stereo) 10 MB an Speicherplatz. Um diese Daten in Echtzeit zu übertragen, sind ca. 2,7 Megabit pro Sekunde nötig. Aktuelle Nutzungsmöglichkeiten wie Audio On Demand sind in dieser Form nicht kostendeckend realisierbar. Aus diesem Grund müssen Möglichkeiten gefunden werden, das Datenvolumen zu reduzieren, ohne die Qualität hörbar negativ zu beeinflussen. Audio-Codecs verfolgen dieses Ziel. 1.2 Unkomprimierte digitale Daten Um eine Schwingung einer bestimmten Frequenz zu digitalisieren, benötigt man die doppelte Anzahl an Abtastungen pro Sekunde, da eine Schwingung jeweils durch einen Hoch- und einen Tiefpunkt definiert wird. Somit können Frequenzen oberhalb der Hälfte der Abtastrate nicht dargestelt werden (das Abtast-Theorem). Da das menschliche Ohr Frequenzen bis ungefähr 17 khz hören und höhere wahrnehmen kann, hat sich eine Abtastrate von 44,1 khz als Standard für digitale Audiosignale durchgesetzt. Mit dem Begriff Dynamikumfang wird der Wertumfang eines Signals bezeichnet. Je genauer die Werte gespeichert werden, desto feiner lässt sich der Unterschied zwischen zwei Signalen darstellen. Bei der Quantisierung werden Messwerte, die zwischen zwei zulässigen Werten liegen, auf- bzw. abgerundet. Der dadurch resultierende Quantisierungsfehler macht sich durch ein gleichmäßiges Rauschen bemerkbar. Da beim Nullsignal kein Quantisierungsrauschen auftritt, wird das Rauschen zumeist vom Nutzsignal verdeckt. Lediglich bei leisen Abschnitten kann das Rauschen störend in den Vordergrund treten. 3

4 Für jedes Bit, welches nun in der Auflösung weggelassen wird (Halbierung der Auflösung), entstehen 6 db Rauschen (Verdopplung der Rauschleistung). Damit ergibt sich bei den zur Zeit üblichen 16 Bit Auflösung ein Dynamikumfang von 96 db. Von diesem Wert müssen jedoch noch ein Sicherheitsabstand nach unten (Footroom) und nach oben (Headroom) abgezogen werden, so dass im Endeffekt eine Nutzdynamik von 54 db zur Verfügung steht. 1.3 Was ist ein Codec? Der Begriff Codec steht für coder/decoder (oder auch compressor/decompressor). Man versteht darunter Hard- oder Software, die digitale Audiosignale komprimiert bzw. dekomprimiert. Sie lassen sich in drei Gruppen aufteilen: Verlustfreie Codecs Verlustfreie ( lossless ) Codecs komprimieren und dekomprimieren die Audiosignale so, dass dabei keine Daten verloren gehen, d.h. nach dem Dekomprimieren ist es bitidentisch mit dem Quellsignal. Das Verfahren ist vergleichbar mit der Arbeitsweise eines Dateipackers, durch Algorithmen oder Tabellen wird der Signalverlauf über eine geringere Anzahl an Variablen dargestellt Verlustbehaftete Codecs Bei verlustbehafteten ( lossy ) Codecs wird das Signal so komprimiert, dass bestimmte Daten weggelassen werden, sie ist also nicht bitidentisch mit dem Ori- ginal. Dabei wird das primäre Ziel verfolgt, die Dateigröße zu verkleinern, wofür ein klanglicher Unterschied des komprimierten Signals in Kauf genommen wird. Psychoakustische Verfahren werden eingesetzt, um die Unterschiede möglichst unhörbar zu machen, man spricht dann von Transparenz. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass das Schallereignis (Reiz) und das Hörereignis (Empfindung) nicht gleich sind. Man geht davon aus, dass weniger als 5% aller am Ohr eintreffenden Audioinformationen an das Bewußtsein weitergeleitet werden, was demnach theoretisch eine Komprimierung eines Audiosignals auf 5% der Ursprungsgröße 4

5 erlaubt. Es wird deshalb untersucht, welche Signale weggelassen werden können, da sie nicht wahrgenommen werden Hybrid-Codecs Inzwischen existieren auch sog. Hybrid-Codecs, die jedoch in der Praxis kaum Anwendung finden. Eine Hybrid-komprimierte Datei besteht aus einem verlustbehaftet komprimierten Signal und zusätzlich einer Korrekturdatei, mit der sich das Original wiederherstellen lässt. Dazu wird die Differenz von der verlustbehaftet komprimierten Datei zum Original mit einem verlustfreien Codec komprimiert und als zusätzliche Datei gespeichert. 5

6 2 Datenreduktionsverfahren 2.1 Hörschwellenmaskierung In jedem Intervall wird eine sogenannte Hörschwellenmaskierung vorgenommen. Dies bedeutet, die Signale, die unter der menschlichen Hörschwelle liegen und somit nicht wahrgenommen werden, aus dem Frequenzspektrum zu entfernen. 2.2 Frequenzmaskierung Werden dem Ohr zwei ähnlich klingende Geräusche dargeboten, so wird das leisere vom lauteren Geräusch verdeckt, d.h. es wird nur teilweise bzw. gar nicht wahrgenommen, der sog. spektrale Verdeckungseffekt. Dabei verdeckt ein höherfrequenter einen tieferfrequenten Schall dann, wenn der Frequenzabstand gering ist, während umgekehrt ein tieferfrequenter einen höherfrequenten Schall dann verdeckt, wenn der tieferfrequente Schall eine vergleichsweise hohe Intensität besitzt. 6

7 2.3 Zeitmaskierung Der Effekt der Frequenzmaskierung kann auch als Nachverdeckung (verdecktes Signal bleibt nach Ausbleiben des verdeckenden Signals für kurze Zeit unhörbar) oder analog als Vorverdeckung festgestellt werden, dabei handelt es sich um die sog. Zeitmaskierung. Eine zeitliche Verdeckung tritt dann auf, wenn z.b. auf eine laute plötzlich eine leise Passage folgt. Das Ohr hat sich an die Lautstärke adaptiert und benötigt eine gewisse Zeit, um sich auf die Änderung einzustellen. 7

8 3 Arbeitsweisen verschiedener Codecs 3.1 Rohdaten Die einfachste Möglichkeit zur Verringerung der Dateigröße besteht darin, eine angemessene Bandbreite und Auflösung des Materials zu wählen. Während das menschliche Ohr Frequenzen zwischen 150 Hz und 17 khz unterscheiden und örtlich wahrnehmen kann, fällt bei niedrigeren Frequenzen die räumliche Zuordnung und bei höheren Frequenzen die Unterscheidung schwer. Enthält das Signal z.b. ausschließlich Sprache, so kann man alle Frequenzen oberhalb von ca. 8 khz herausfiltern, ohne dass ein hörbarer Unterschied auftritt. Dabei ist im hohen Bereich der Sprachpegel jedoch sehr gering, so dass man ohne Verständlichkeitsverlust lediglich die Frequenzen bis ca. 4 khz betrachten muss. Eine weitere Möglichkeit besteht mit nichtlinearer Dynamik: Da leise Signale vom Ohr empfindlicher als laute wahrgenommen werden, kann man eine logarithmische Verteilung der Wortwerte (statt der üblichen Aufteilung in 16 Bit-Worte, wobei ein Bit immer 6 db entspricht) vornehmen. So werden kleine Amplitudenwerte auch entsprechend feiner aufgelöst. 3.2 Adaptive Pulscodemodulation (ADPCM) Das adaptive Pulscodemodulations-Verfahren arbeitet mit einem Vorhersagemechanismus. Diese Prädiktion versucht, das folgende Signal zu ermitteln und bildet daraus die Differenz mit dem tatsächlichen Signal. Da diese Differenz geringer als das tatsächliche Signal ist, lässt sich weiterer Speicher einsparen. Mit ADPCM ist eine Komprimierung von 1:4 erreichbar. Jedoch ist durch die Abhängigkeit der Pakete zueinander eine beliebige Positionierung in einem Stream nicht möglich. 3.3 MPEG Seit den 80er Jahren entwickelte die Moving Picture Experts Group Standards für Audio-Kompressionsverfahren. Dabei wurden bis heute drei verlustbehaftete Verfahren (sog. Layer) verabschiedet, die jeweils in den Videoformaten MPEG 1 8

9 und MPEG 2 benutzt werden. Durch Nutzung von psychoakustischen Analysen wird die Dateigröße verringert. Nach der Spezifikation gibt es drei verschiedene Betriebsmodi: Dual Channel zwei unabhängige Kanäle (z.b. für bilinguale Filme) Stereo Kanäle links und rechts, technisch identisch mit Dual Channel Joint Stereo Redundanzen auf beiden Kanälen werden ausgenutzt Der Unterschied zwischen MPEG 1 und MPEG 2 liegt in den zulässigen Samplingraten: Während MPEG 1 32 khz, 44,1 khz und 48 khz zulässt, sind bei MPEG 2 auch niedrigere Raten (8 khz, 11,025 khz und 12 khz) zugelassen. Zusätzlich unterstützt MPEG 2 die Codierung von bis zu 6 getrennten Kanälen (davon ein tieffrequenter Kanal). Die höhere Anzahl an Kanälen ermöglicht neben Surroundabbildungen auch komplexere Codierungsverfahren: Dynamic Transmission Channel Switching Um die Qualität zu erhöhen, werden zusätzliche Daten-Informationen in wenig ausgelastete Kanäle ausgelagert Phantom-Coding Of Center Beim PCC wird ein Kanal aus der Summe bzw. Differenz anderer Kanäle gewonnen Prüfsummen Integrität der Audiodaten und Kodierungsparameter wird sichergestellt Bei den MPEG-Algorithmen wird das Ziel verfolgt, bei 384 kbit/s eine mit dem unkomprimierten Material vergleichbare Qualität zu erreichen. Dabei sind die Layer aufsteigend nach ihrer Komplexität sortiert. Das Grundprinzip der Codierung ist bei allen Verfahren gleich: Das Spektrum wird linear in 32 Bänder unterteilt. Durch eine Fast-Fourier-Transformation werden die Amplituden der enthaltenen Frequenzen gewonnen. Daraus entscheidet sich, welches Band mit welcher Genauigkeit abgespeichert wird. Der dann komprimierte Datenstrom wird in einzelne Blöcke (sog. Frames) aufgeteilt und mit Steuerinformationen (sog. Header) versehen. 9

10 3.3.1 Layer I Das Grundprinzip liegt darin, im komprimierten Datenstrom alle Subbänder entfernt zu haben, deren Pegel unter der Verdeckungsfunktion lagen. Weiterhin lassen sich die 16 Bit zur Darstellung der Pegel verringern, indem die führenden Nullen weggelassen werden (diese werden meisten nicht benutzt). So wird aus der Pegelinformation durch Abschneiden die Information Nach dem Grundprinzip der Quantisierung entsteht für jedes weggelassene Bit 6 db Rauschen. Solange dieses Rauschen jedoch durch ein Subband verdeckt wird, kann man auch untere Bits einsparen (Least Significant Bits). Angenommen, ein Subband verdeckt 30 db an Quantisierungsrauschen. Dann könnte man aus den Wert erhalten, da die 5 untersten Bits entfernt werden können. Bei der Dekodierung muss nun ein Skalierungsfaktor die Bits wieder in die richtige Position setzen (also im Beispiel 5 Nullen anhängen). Zudem muss die aktuelle Wortlänge ebenfalls abgespeichert werden. Diese Informationen gelten immer für 12 Samples pro Subband. Auf diese Weise lässt sich eine Komprimierung von 4:1 erreichen. Erst durch weitere Erhöhung der Kompressionsstufe wird das Quantisierungsrauschen hörbar. Alternativ lassen sich zur weiteren Komprimierung hohe Frequenzbänder (bzw. Subbänder) entfernen, dies resultiert jedoch in einem dumpfen Klang, weshalb diese Möglichkeit nur bei Sprachsignalen empfehlenswert ist Layer II Im Vergleich zu Layer I benutzt Layer II eine größere Blocklänge, nämlich 36 statt 12 Samples. Es lassen sich nun neben frequenzmäßigen auch zeitliche Verdeckungseffekte ausnutzen, um Datenreduktion zu erreichen. Dabei wird eine dynamische Zuweisung der Kompressionsfaktoren genutzt. Da hochfrequente Signale eine wesentlich geringere Signalenergie als niedrigfrequente Signale haben, können dort weniger Quantisierungsabstufungen eingesetzt werden. Dadurch lässt sich eine Komprimierung von 1:8 erreichen. 10

11 3.3.3 Layer III Bei Layer III erfolgt eine weitere Verfeinerung der Frequenzbandaufteilung von 32 linearen in 576 Bänder variabler Breite. Zusätzlich wird eine nichtlineare, dem menschlichen Ohr nachempfundene, Dynamik über die verschiedenen Frequenzen verwendet. Die Daten werden schließlich mit einem Huffman-Algorithmus komprimiert. Es wird eine Komprimierung von ca. 1:12 erreicht. 3.4 OGG Vorbis OGG Vorbis befindet sich seit ca in der Entwicklung. Die Xiphophorous Foundation (xiph.org) ist der Entwickler. Eine erste Version des unter GPL-Lizenz frei verfügbaren Encoders, die den Beta-Status verlassen hat, gibt es seit Während der MP3-Codec bei 64 kbit/s schlechte Qualität liefert, erreicht der Vorbis-Encoder bei praktisch gleicher Dateigröße eine erheblich bessere Signalqualität. Der Vorbis-Encoder arbeitet in drei Modi: Variable Bitrate (VBR) Das Quellsignal wird Frame für Frame abgearbeitet. Die Höhe der Bitrate wird jeweils neu berechnet und an den Inhalt angepasst. Constant Bitrate (CBR) Alle Frames des Quellsignals werden mit derselben Bitrate kodiert. Dies hat eine stark verringerte Effizienz in Bezug auf Qualität und Speicherplatz des kodierten Signals zur Folge. Von Vorteil ist der Modus nur, wenn konstante Bitraten benötigt werden (z.b. Internet- Streams). Average Bitrate (ABR) Beim Average Bitrate-Modus handelt es sich um eine Mischung aus CBR und VBR. Dabei wird eine Grundbitrate angegeben, von der über die Frameberechnungen leicht variiert wird. Das komprimierte Signal hat in etwa dieselbe Dateigröße wie eine CBR-kodierte Datei, bietet jedoch bessere Qualität. Zusätzlich wurden bei Vorbis neue technische Funktionen implementiert. Dazu zählen: 11

12 Channel coupling: Bei einem Stereosignal werden die beiden Kanäle auf Gemeinsamkeiten überprüft. Ist eine hohe Ähnlichkeit vorhanden, wird nur ein Kanal kodiert und die Differenzinformation des anderen Kanals wird als Zusatzinformation beigefügt, wodurch eine hohe Platzersparnis erreicht wird. Bitrate peeling: Beim bitrate peeling wird die kodierte Datei in mehrere Schalen aufgeteilt. Dies erlaubt die nachträgliche Umkodierung auf eine andere Bitrate, ohne dass die Datei vorher dekodiert werden muss. Ähnlich wie bei einer Zwiebel können von der Datei einzelne Schalen abgelöst und dadurch die Bitrate verringert werden. Auf den äußeren Schalen liegen dabei die mit hoher Codierung erzeugten Daten, innen liegen die Basisdaten. Bei anderen Codecs müssen die Informationen erst dekodiert werden, um anschließend erneut mit einer anderen Bitrate kodiert zu werden. 3.5 RealAudio RealAudio wurde von Anfang an als Streaming-Format vorgesehen und besitzt entsprechende Optimierungen. So passt sich die Ausgabequalität der vorhandenen Bandbreite an (Real nennt dieses Verfahren SureStream ). Die Übertragung der einzelnen Pakete wird über das ungesicherte UDP-Protokoll realisiert, d.h. auf dem Weg verlorene Pakete werden softwareseitig interpoliert. Bevor der Abspielvorgang beginnt, wird ein Puffer beim Empfänger gefüllt, um die Wiedergabe ohne Unterbrechung zu gewährleisten. Bei der Codierung in das RealAudio-Format werden in den Dateicontainer mehrere Versionen des Signals für verschiedene Bandbreiten abgelegt, zwischen denen während des Abspielvorgangs gewechselt werden kann. 3.6 WMA Windows Media Audio verwendet drei verschiedene Komprimierungs-Arten: Eine verlustlose Komprimierung, eine Kodierung von Mono- bzw. Stereosignalen sowie eine Mehrkanalkodierung als Pro- Codec. Dabei arbeitet der Encoder sehr schnell, die Ergebnisse sind jedoch zumeist nicht sehr gut. Zudem lassen sich beim Encoder, der nur für Windows zur Verfügung steht, nur wenige Einstellungen selber vornehmen. Microsoft hat zudem die Dekodierung nicht vorgesehen, sie ist nur 12

13 mit professioneller Software möglich. 13

14 Literatur [1] MP3 ist tot! Es lebe Ogg Vorbis! - Fortschritte in der verlustbehafteten Audio-Datenreduktion, Markus Fiedler, , [2] Hörphysiologie und Psychoakustik, Markus Fiedler, , [3] Multimedia4Linux - Audio Codecs, David Joerg, , [4] Discussion of Audio Compression, ff123, , [5] AudioHQ Forum, [6] Audiokompression (Datenreduktion), Alexander Leidinger, 1999, [7] Multimedia Netz Praxis, Dr. Ludwig Wolf, Andreas Heik, , [8] ADPCM, Torsten Berger, , [9] Dare to compare!, Monty, , [10] Einige Aspekte der Hörphysiologie und der Hörpsychologie, BTU Cottbus, [11] Ogg Vorbis zur Audiokompression, Christian Späth, , [12] Wikipedia - Die freie Enzyklopädie, 14

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