Multimediale Werkzeuge, Audio: Formate, Tools -Sound/Audio Objekte Formate, Beispiele

Multimediale Werkzeuge, Audio: Formate, Tools

-Sound/Audio Objekte

Formate, Beispiele:

- Mp3 (Kurz für MPEG1/2 Layer 3)
- PCM (z.B. Wave Datei), übliche Formate:
CD: 44100 HZ Abtastrate, 16 Bits/Abtastwert.

-> Maximale Frequenz des Audio-Signals < 22050 Hz
praktisch: < ca. 20-21 kHz wegen begrenzter
Flankensteilheit der Rekonstruktions-Tiefpass Filter.

-> Signal-to-Noise Ratio = Signal/Noise
(hier : Max. Signal / Noise). Schätzung: SNR = 6 dB/bit,
also SNR = 16 * 6 dB= 96 dB

d.h.: ist unabhäng von der Wahl von
Leistung oder Spannung für Signal oder Noise.
Beispiel: Umrechnung der 96 dB in Spannungsverhältnis:

weitere gebräuchliche Formate:
Abtastfrequenzen: 32000 Hz, 22050 Hz, ca. 11000 Hz (Apple),
8000 Hz (Sprache, < 3.5 khz Audio), 48 kHz, 96kHz. 192 kHz (High
quality Audio)

Anzahl der Bits/Abtastwert: 8bit, 20 bit, 24 bit, 32 bit
                             |
                        Sprache

Für Sprache gebräuchlich: mu-Law: Ungleichförmiger
Quantisierer, um das SNR bei kleinen Signalen zu verbessern:
Feine Schritte bei kleiner Amplituden, gröbere Schritte bei großen
Amplituden.
-> SNR sinkt nicht mehr wesentlich bei kleinen Amplituden.
Z.B. mu-Law bei 8 KHz und 8 bit / Abtastwert
                              |
                    wichtig wegen geringem SNR
-> Verwendung z.B. in ISDN Telefonen

D.h. Bitrate (Bits/Sekunde):

     Bitrate CD Signal:

      Bitrate

 Kompressionsrate von MP3: Bitrate für einen
 Monokanal: Z.B. 64 Kb/s

 Also: Kompressionsrate =

Dh. wir bekommen auch erhebliche Kompression bei
MP3 (nicht nur ein Format!)

Mehr Audio Formate, Tools wie Adobe Audition
   PCM:

                Signal, z.B. vom Mikrofon

quantisierte
Abtastwerte,
z.B. CD: 44 100 Abtastwerte (AW) pro Sekunde
16 bit -> 2 byte
-> 2 Möglichkeiten, diese 16 bit/ 2 byte pro AW darzustellen!

Es gibt verschiedene Rechnerarchitekturen, die intern
16 bit mit zuerst dem höherwertigen byte oder
dem niederwertigen byte darstellen.
Entsprechend gibt es 2 Darstellungen für PCM
Audio-Formate:
- sog." Little Endian": Das 2. byte ist das niederwertige
- sog." Big Endian": Das 2. byte ist das höherwertige.

Diese Information muß der Nutzer kennnen wenn das
Audio-Signal im sog. "raw" Format vorliegt, d.h.
wenn das File nur die AW des Signals enthält.

-> Für diese Information sind die sog. "Header"
in Audio-Formaten nützlich, wie z.B. in:
.au, .snd (SUN), .aif (Apple), wav...

Information in Header, u.a.: Little-Endian oder
Big-Endian, Abtastrate, Bits pro AW,
Lineare ode mu-Law Kennlinie, Verwendung von
Kompression, wie z.B. ADPCM...
Weiter: einfache Kommentare zum Inhalt.

ADPCM: Adaptive Differential Pulse Code Modulation.

-Prinzip: Benachbarte AW sind meist sehr ähnlich, d.h. wir können
Bits bei der Darstellung sparen, wenn wir nur die Differenz zum
vorherigen Abtastwert übertragen oder speichern (daher "Differential")

-Nächster Schritt:
Wenn die AW z.B. auf einer Kurve Liegen, die durch eine Grade
angenähert werden kann, können wir den nächsten Abtastwert
ungefähr
vorausberechnen oder schätzen ( Extrapolation der Graden),
und die Differenz zum vorausberechneten Wert übertragen.

Der Empfänger führt die gleiche Vorausberechnung durch, und addiert
diese Differenz darauf.
Das Verfahren kann erweitert werden auf Kurven, auch höherer
Ordnung. Dafür werden nur mehr AW aus der Vergangenheit benötigt,
um diese Kurven extrapolieren zu können.

Dieses Verfahren der Extrapolation wird
"Prädiktion" genannt.

ADPCM Prinzipstruktur

        Encoder                                   Decoder

    Audio                            Prädiktionsfehler

                             Prädizierter
                             Wert
Verzögerungsglied
für 1 AW, d.h. Prädiktor                     wird an das
"sieht" nur vergangene AW!                   Signal adaptiert

Üblicher Kompressionsfaktor von ADPCM: Ca. 2

Stereo, Multikanal

           Mikrofone      Lautsprecher

Woher bestimmt das menschliche Gehirn die Richtung
eines Schallereignisses?
Antwort:
-Laufzeitunterschiede/Phasendifferenzen zwischen
den Ohren, bei Frequenzen unterhalb ca. 1 kHz.
-Pegelunterschiede zwischen den Ohren
(Paning), intensity stereo.

Intensity Stereo ist weit verbreitet, weil es für
die Produktion einfach ist (Lautstärkeunterschiede
durch Regler), und weil es für die Übertragung
vorteilhaft ist: keine Phasenunterschiede, d.h.
Differenzen werden gering.

- Simples verfahren, z.B. in MP3 verwendet:
statt Links/Rechts wird Summe (Mitte) und
Differenz (Seite) übertragen, wenn es vorteilhaft ist,
ansonsten wird Links/Rechts getrennt übertragen.

- Verfeinerung: Anwendung dieses Verfahrens auf
sog. Teilbänder, also versch. Frequenzbereiche.
(Z.B. in MPEG2/4 AAC)

Neuere Kompressionsformate

-MPEG2/4 AAC (Advanced Audio Coding)
gedacht als Nachfolger von MP3.
Kompressionsrate ca. 1.5..2 größer als MP3
Verwendung z.B. in Apple iTunes, Handys...

-MPEG4: Lossless Audio Coding,
Verlustlose Komprimierung, d.h. die Original
AW werden nach der Decodierung
wieder hergestellt.
Dies ist anders als bei der verlustbehafteten
Codierung (MP3, AAC), wo das rekonstruierte
Signal gleich klingt, aber andere AW hat.
(unperfektheitenen des Ohres, Psycho akustik)

Kompressionsfaktoren von Lossless Compression
sind abhängig vom Signal, meist um Faktor 2.

-MPEG 4 Scalable Lossles: Deckt Bereich von
Lossless bis Perceptual Coding (AAC) ab,
also Kompressionsraten von Ca. 2 bis über 10!

Anwendungen: Archivierung, Studios mit
Bearbeitung des Signals und mehreren
Codier/Decodier Schritten.
(Tandem Coding Problem des Perceptual Coding,
mit jedem Codier/Decodier-Schritt verschlechtert sich
die Qualität)
Durch höhere Bitrate bekommen wir "Reserve".

Bearbeitung (z.B. Adobe Audition, Audacity)

        Filter, Equalizer,
        ändern der Abspiel-Geschwindigkeit ohne Tonhöhenänderung
        (Verwendung sog. Filterbänke)

                                N Frequenzbereiche

 x(n)
                                                                           y(n)
Eingang

                                                                       Ausgang
           Inputsantworten der Filter
                                        Verringerung der Abtastrate
                                        um Faktor r, also schnelleres Abspielen

->Tonhöhe bleibt durch die Teilband-Zerlegung konstant.

-Weitere Möglichkeit der Verarbeitung:
statt Downsampler wird ein Verstärkungs- oder Dämpfungs-Faktor
eingebaut.
-> Wir bekommen einfach wählbare Filter oder Equalizer