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Digitale Audioformate Referent Stephan Lehmann. Digitale Audioformate 2 Wozu das Ganze ? Speicherung und Archivierung von Audiodaten Übertragung (ISDN,

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Präsentation zum Thema: "Digitale Audioformate Referent Stephan Lehmann. Digitale Audioformate 2 Wozu das Ganze ? Speicherung und Archivierung von Audiodaten Übertragung (ISDN,"—  Präsentation transkript:

1 Digitale Audioformate Referent Stephan Lehmann

2 Digitale Audioformate 2 Wozu das Ganze ? Speicherung und Archivierung von Audiodaten Übertragung (ISDN, Internet )

3 Digitale Audioformate 3 Was braucht man dafür ? Eine digitale Repräsentation für die Audio-Daten Möglichkeiten zur Datenreduktion

4 Digitale Audioformate 4 Digitalisierung Abtasten Quantisieren Kodieren

5 Digitale Audioformate 5 Abtastung Signalstärke wird regelmäßig gemessen

6 Digitale Audioformate 6 Quantisierung Umwandlung Spannungswerte > Zahlenwerte

7 Digitale Audioformate 7 Kodierung Zahlenwerte werden binär kodiert

8 Digitale Audioformate 8 Qualität abhängig von Anzahl der Quantisierungsstufen Abtastrate

9 Digitale Audioformate 9 Platzbedarf Bitrate/s = Abtastrate/Hz * Bits/Abtastwert Beispiel Audio-CD 44,1kHz * 2 * 16bit = 1,4 MBit/s Speicherbedarf bei 60 min : 635 MB

10 Digitale Audioformate 10 Datenmengen 44,1 kHz22 kHz11 kHz 16 Bit1408 kBit704 kBit352 kBit 12 Bit1056 kBit528 kBit264 kBit 8 Bit704 kBit352 kBit176 kBit

11 Digitale Audioformate 11 Übliche Abtastraten 8 kHz für Videokonferenz 32 kHz für Rundfunk 44,1 kHz für Audio-CD 48 kHz für DVD

12 Digitale Audioformate 12 Übliche Quantisierungen 8-16 Bit PC 16 Bit Audio-CD 24 Bit Tonstudio

13 Digitale Audioformate 13 Realisierung PCM (Pulse Code Modulation) Telefonsystem CD/DVD digitaler Rundfunk etc…

14 Digitale Audioformate 14 Lineares PCM gleichmäßige Verteilung der Quantisierungsstufen

15 Digitale Audioformate 15 Kompressionsmöglichkeiten verlustfrei Run-Length-Encoding Pattern Matching Statistische Verfahren verlustbehaftet Redundanz- / Irrelevanzreduktion

16 Digitale Audioformate 16 Psychoakustik Informationen, die vom Gehör unter bestimmten Umständen nicht wahrgenommen werden, können weggelassen werden. begrenzter Frequenzbereich Maskierung / Verdeckung frequenzabhängiges Lautstärkeempfinden

17 Digitale Audioformate 17 Frequenzbereich SchallbereichFrequenz Infraschall<16 Hz Hörbarer Schall16 Hz bis 16 kHz Ultraschall16 kHz bis 10 Mhz Hyperschall>10 MHz

18 Digitale Audioformate 18 Maskierung 2 Personen unterhalten sich ein Flugzeug fliegt vorbei wenn sie sich in der gleichen Lautstärke sprechen würden, könnten sie sich nicht mehr verstehen

19 Digitale Audioformate 19 Verdeckung wenn nach einem lauten Ton ein leiser folgt ist er am Anfang schlecht zu hören

20 Digitale Audioformate 20 Frequenzabhängiges Lautstärkeempfinden Mit höherer Frequenz erscheinen Töne lauter (bis zu einem best. Punkt)

21 Digitale Audioformate 21 Weber-Fechnersches Grundgesetz der Psychophysik Ein Reiz (Rx) muß gegenüber einem Schwellenreiz (Ro) logarithmisch wachsen, wenn er als stärker empfunden werden soll

22 Digitale Audioformate 22 Anwendung der Psychoakustik bei Dynamischem PCM leise Geräusche werden vom Mensch differenzierter wahrgenommen als Laute also müssen leise Werte genauer quantisiert werden als laute

23 Digitale Audioformate 23 Dynamisches PCM Logarithmische Verteilung der Quantisierungsstufen

24 Digitale Audioformate 24 Dynamisches PCM Umrechnen der linearen Samplewerte in Logarithmische nennt man Kompandierung µ-Law Kompander (Amerika/Japan) A-Law Kompander (Europa)

25 Digitale Audioformate 25 µ-Law Kompander S µ =Log(1+255*S)/log(256) S – Linearer Samplewert zwischen 0 und 1 S µ - Logarithmischer Samplewert

26 Digitale Audioformate 26 A-Law Kompander S A = A · S/(1 + ln A) wenn S 1/A S A = (1 + ln (A · S))/(1 + ln A) wenn 1/A S 1 A = 87,6

27 Digitale Audioformate 27 Dynamisches PCM gleiche Datenrate wie lineares PCM, aber bessere Qualität

28 Digitale Audioformate 28 Differential PCM (DPCM) Bei hoher Abtastfrequenz sind die Unterschiede zwischen 2 Samples klein Statt Samplewerten werden deshalb Sampleänderungen erfasst

29 Digitale Audioformate 29 Differential PCM (DPCM)

30 Digitale Audioformate 30 Differential PCM (DPCM) Folge : man benötigt weniger Bits zum Kodieren der Samplewerte Problem bei schnellen großen Änderungen

31 Digitale Audioformate 31 Differential PCM (DPCM) es sollen viele kleine und wenige große Änderungen in möglichst wenig Bits kodiert werden eine Lösung : Kodierungstabellen Bitwert Änderung Fibonacci Änderung Exponential

32 Digitale Audioformate 32 Differential PCM (DPCM) feste Menge von möglichen Änderungswerten. zu ungenau !

33 Digitale Audioformate 33 Adaptive Differential PCM (ADPCM) Änderungswerte werden deshalb an die Signalform angepasst andere Möglichkeit ist die Einführung eines Vorhersagewertes wobei immer die Differenz zwischen diesem und dem echten Wert gespeichert wird

34 Digitale Audioformate 34 Adaptive Differential PCM (ADPCM) bei großen Signaländerungen braucht man große Änderungswerte bei kleinen Signaländerungen braucht man kleine Änderungswerte Anpassung mittels Faktor (Schrittweite)

35 Digitale Audioformate 35 Adaptive Differential PCM (ADPCM) Man betrachtet die vorherigen Samplewerte Differenzen werden größer -> großer Faktor Differenzen werden kleiner -> kleiner Faktor

36 Digitale Audioformate 36 IMA ADPCM Standard für ADPCM-Dateien IMA – Interactive Multimedia Association Kleinere Kompression als MPEG aber sehr schnell

37 Digitale Audioformate 37 Funktionsweise IMA ADPCM benutzt 4 Bits je Sample Nach jedem Sample wird die Schrittweite neu berechnet Der 4Bit-Wert mal der aktuellen Schrittweite entspricht dem Unterschied zwischen zwei Originalsamples

38 Digitale Audioformate 38 Berechnung der Schrittweite Jeder 4Bit-Wert besteht aus Vorzeichenbit und 3 Wertebits Wertebereich -7 bis +7 zugeordnet folgender Tabelle

39 Digitale Audioformate 39 Berechnung der Schrittweite Die Indexänderung bezieht sich auf eine 2. Tabelle in der Schrittweiten gespeichert sind Ändert sich der 4Bit-Wert wenig, dann ändert sich auch die Schrittweite wenig 4Bit Index- änderung

40 Digitale Audioformate 40 Berechnung der Schrittweite IMA ADPCM Schrittweiten-Tabelle (7 Bits)

41 Digitale Audioformate 41 Kodierung / Dekodierung Kodierung 4Bit-Wert=Unterschied geteilt durch die aktuelle Schrittweite Dekodierung Änderung=4Bit-Wert mal der aktuellen Schrittweite

42 Digitale Audioformate 42 Beispiel Kodierung Letzter Samplewert = Schrittweite = 1878 Nächster Samplewert = Differenz = Gespeichert wird -2368/1878 = -1 Schrittweitenindex-1 Nächste Schrittweite = 1707

43 Digitale Audioformate 43 Beispiel Dekodierung Letzter Samplewert = Schrittweite = 1878 Eingelesen wird eine -1 -1*1878=-1878 Also Samplewert= =10490 Schrittweitenindex-1 Nächste Schrittweite = 1707

44 Digitale Audioformate 44 Problem ! Woher bekommt der Decoder die aktuelle Schrittweite den aktuellen Samplewert wenn die Audio-Wiedergabe mittendrin starten soll ?

45 Digitale Audioformate 45 Lösung Audiostream wird in Pakete aufgeteilt Am Anfang jeden Paketes steht der letzte Samplewert und die aktuelle Schrittweite

46 Digitale Audioformate 46 Struktur Pakete bestehen aus Kopf (2-8 Bytes) Sampledaten (n*4 Bit)

47 Digitale Audioformate 47 Implementierungen Keine genauere Spezifizierung durch die IMA -> verschiedene Implementierungen MS-ADPCM (Microsoft) AIFF-C / Quicktime (Apple)

48 Digitale Audioformate 48 Microsoft Paketkopf (32 Bit) Startsample (8/16 Bit) Aktuelle Schrittweite (8 Bit) 0-Byte Paketdaten Unterschieden nach Mono/Stereo

49 Digitale Audioformate 49 Microsoft Mono Paket Format KopfSample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5… Stereo Paket Format Kopf links Kopf rechts Sample 1 links Sample 1 rechts Sample 2 links Sample 2 rechts …

50 Digitale Audioformate 50 Apple Paketkopf (16 Bit) Startsample (obere 9 Bit) Aktuelle Schrittweite (7 Bit) Paketdaten Immer 64 Samples Extra Pakete für Rechts/Links

51 Digitale Audioformate 51 Vergleich MS-ADPCM beliebige Paketgröße weniger Overhead bei großen Paketen AIFF-C einfacher da nur eine Form von Paketen

52 Digitale Audioformate 52 WAVE - FORMAT Implementation der RIFF-Spezifikation Ressource Interchange File Format Entwickelt von Microsoft (übernommen von Electronic Arts AIFF) Weit verbreitet auf PC-Systemen

53 Digitale Audioformate 53 RIFF - Format Allgemeines Format für Multimediadaten Bilder Videos Sound etc

54 Digitale Audioformate 54 RIFF Aufbau Besteht aus Teilpaketen (Chunks) z.B. WAVE,AVI Jeder Chunk kann aus Subchunks zusammengesetzt sein hierarchische Struktur

55 Digitale Audioformate 55 Chunks bei WAVE Besteht aus einem Chunk WAVE Dieser besteht aus 2 Subchunks fmt-Chunk (Format) data-Chunk (Daten)

56 Digitale Audioformate 56 Aufbau WAVE

57 Digitale Audioformate 57 Aufbau WAVE ChunkID enthält die Zeichen "RIFF" ChunkSize 36 + SubChunk2Size Format enthält die Zeichen "WAVE Subchunk1ID enthält die Zeichen "fmt Subchunk1Size 16 für PCM, das ist die Größe des Subchunk1, ab hier gezählt

58 Digitale Audioformate 58 Aufbau WAVE AudioFormat Lineares PCM = 1, andere Werte bedeuten Kompression NumChannels Mono = 1, Stereo = 2, etc. SampleRate 8000, 44100, etc. ByteRate = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8 BlockAlign = NumChannels * BitsPerSample/8

59 Digitale Audioformate 59 Aufbau WAVE BitsPerSample 8 bits = 8, 16 bits = 16, etc. Subchunk2ID enthält die Zeichen "data" Subchunk2Size = NumSamples * NumChannels * BitsPerSample/8

60 Digitale Audioformate 60 Beispieldatei WAVE

61 Digitale Audioformate 61 Literatur Telematik-Vorlesung A programmers guide to sound 1998 Addison Wesley Das PC-Tonstudio: von der Aufnahme und Verarbeitung mit dem PC bis zur Master-CD 1998 Franzis luebeck.de/vorlesung/_private/sinne/sinnesphysiologie.pdf


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