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Medien- Technik Audio-Kompression: MPEG Karlheinz Brandenburg Bernhard Grill Harald Popp.

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Präsentation zum Thema: "Medien- Technik Audio-Kompression: MPEG Karlheinz Brandenburg Bernhard Grill Harald Popp."—  Präsentation transkript:

1 Medien- Technik Audio-Kompression: MPEG Karlheinz Brandenburg Bernhard Grill Harald Popp

2 Medien- Technik Audio-Kompression: MPEG MPEG 1: ISO/IEC IS ( ) Ziel: Digitales Video auf CD 1,5 Mbit/s MPEG 1 Audio: ISO/IEC IS Schichten wachsender Komplexität MPEG 1 Layer 3 = MP3 Moving Pictures Experts Group Offizieller Name ISO/IEC JTC1/SC29/ WG11

3 Medien- Technik Audio-Kompression: MPEG MPEG 2: (1994) Ziel: Digitales Fernsehen, viele Bitraten z.B. DVD, Videokonferenzen MPEG 2 Audio: ISO/IEC Zusätzlich: 5-Kanal (Dolby Suround) Kleinere Bitraten / Abtastfrequenzen AAC = MPEG 2 Advanced Audio Coding Verbesserte Codecs Moving Pictures Experts Group Offizieller Name ISO/IEC JTC1/SC29/ WG11

4 Medien- Technik Komprimierung: MP3 Komressions- Rate für CD-Qualität 1:4 Layer 1 (384 kbps for a stereo signal) 1:6...1:8 Layer 2 ( kbps for a stereo signal) 1:10...1:12 Layer 3 ( kbps for a stereo signal) MPEG Layer-3 sound qualitybandwidthmodebitratereduction ratio telephone sound2.5 kHz mono 8 kbps * 96:1 better than shortwave4.5 kHz mono 16 kbps 48:1 better than AM radio7.5 kHz mono 32 kbps 24:1 similar to FM radio11 kHz stereo kbps :1 near-CD15 kHz stereo 96 kbps 16:1 CD>15 kHz stereo kbps :1

5 Medien- Technik Original-Spektrogramm aus der Pastorale Komprimierung: Psycho-Akustik Audio- Software ST-X

6 Medien- Technik Akustisch relevante Anteile Hörbarer Anteil Komprimierung: Psycho-Akustik

7 Medien- Technik Differenz-Signal ohne relevante Komponenten: unhörbar Verdeckte Komponenten Komprimierung: Psycho-Akustik

8 Medien- Technik Psychoakustik: Critical Band = Frequenzbereiche gleicher Laut(stärke)empfindung Komprimierung: Psycho-Akustik 24 Kritische Bänder im Bereich 0-15 kHz

9 Medien- Technik Komprimierung: Psycho-Akustik Simultane Maskierung Hörbarkeitsschwelle unhörbar Unhörbar bei 1000Hz-Ton mit 100dB

10 Medien- Technik Komprimierung: Psycho-Akustik Verdeckung durch kurzes lautes Signal (tonal) (Rauschsignal) Rauschsignale werden durch lautere tonale Signale verdeckt. Konsequenz: Quantisierungsrauschen wird verdeckt.

11 Medien- Technik Komprimierung: Psycho-Akustik Vor- und Nachmaskierung Rückwärtsmaskierung: Lauter Impuls überholt leises Rauschhen 20 ms200 ms Vorwärtsmaskierung: Lauter Impuls hebt die Hörschwelle an

12 Medien- Technik Jeweils um 10 dB ansteigendes Testsignal im Rauschsignal Hörbeispiel 1: Rauschen verdeckt einzelne Töne Testsignal 600 Hz Rauschsignal Hz Testsignal 1000 Hz Testsignal 1600 Hz Demo1.wav

13 Medien- Technik Jeweils um 10 dB ansteigendes Testsignal im Rauschsignal Hörbeispiel 2: Vorwärtsmaskierung Impuls Demo2.wav Rauschsignal

14 Medien- Technik Hörbeispiel 3: Rückwärtsmaskierung Impuls Demo3.wav Rauschsignal

15 Medien- Technik MPEG 1 Audio Sub-Band Coding SBC QMF Quadrature Mirror Filter VLC variable-length coding

16 Medien- Technik MPEG 1/2 Audio Layer 3 Zerlegung in 32 Frequenzbänder Jedes Band 18 mal zerlegen

17 Medien- Technik MPEG 1/2 Audio Layer 3 Zerlegung in 32 Frequenzbänder Jedes Band 18 mal zerlegen Verdeckte Komponenten ermitteln Innere Schleife: Optimale Codierung finden (Bitrate) Mehrere Hufman-Tabellen, Verstärkungsfaktoren Starkes Signal = grobe Kodierung, schwaches Signal = feine Codierung Störsignal minimieren

18 Medien- Technik MPEG 1/2 Audio Layer 3 Zerlegung in 32 Frequenzbänder Jedes Band 18 mal zerlegen Verdeckte Komponenten ermitteln Entropie- Kodierung Aufbau Frames

19 Medien- Technik MPEG 1/2 Audio Layer 3

20 Medien- Technik Mp3 Bitstream Header: Copyright2bits Syncword: 12bits Layercode: 2bits(I,II,II) Bitrate: 4bits (s. Tabelle) Sampling-F.:2bits (48,44.1,32 kHz) Mode: 2bit (stereo, mono, 2-sprachig, joint stereo) Padding 1bit Jeder Frame kann für sich dekodiert werden Jeder Frame kann andere Samplingrate und Modus besitzen (III) Joint Stereo: oMS-Stereo: Mittensignal, Seitensignal oIntensity Stereo nur hörbare Differenzen

21 Medien- Technik MPEG 1 Layers / Bitraten 44,1 kHz typewriter1.wav 3,8 MB Typewriter1-1.mp3 834 kB, joint stereo Typewriter1-2.mp3 342 kB, joint stereo Typewriter1-3.mp3 171 kB, joint stereo Typewriter1-4.mp3 43 kB, joint stereo

22 Medien- Technik Psychoakustik in MPEG Modell I: FFT (512/1024) Werte und Bandfilter berechnen Schalldruck in jedem Band Stille Regionen berechnen Tonale und nichttonale verdeckende Komponenten aus FFT Verdeckte Komponenten entfernen Modell II: FFT in wie in Modell I, jedoch für kurze (192) und lange Blöcke (576) Spreading function auf benach- barte Critical Bands anwenden

23 Medien- Technik MPEG Audio Übersicht MPEG-1 Iso/IEC (1993) mono/stereo/2-channel/joint Abstastraten 48, 44.1, 32 KHz MPEG-2 Iso/IEC (1995) Iso/IEC (1997) mono/stereo/multichannel viele Abstastraten, Daten- ströme < 64 kBit/sec, AAC Layer I Layer II Layer III Ziel: Video & Audio-CD Kommunikation

24 Medien- Technik MPEG 4 Audio MPEG-7 Multimedia Content Description Interface

25 Medien- Technik MPEG 4 Natural Audio Code Excited Linear Predictive MPEG-2 AAC Harmonic Vector eXcitation Coding

26 Medien- Technik MPEG 4 Synthesized Audio TTSI Text to Speech Interface Text mit Ausspracheinformationen Score driven Synthesis SAOL Structured Audio Orchestra Language Instrumente definieren als Sammlung einfacher Signalprozessoren Noten für diese Instrument (abstraktes MIDI) Wavetables mit Effektfiltern

27 Medien- Technik Vorlesung Medientechnik WS 1999/2000 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Institut für Informatik Universität Koblenz-Landau Rheinau Koblenz © Manfred Jackel WWW:www.uni-koblenz.de/~jklwww.uni-koblenz.de/~jkl mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel Brandenburg, Karlheinz: MP3 and AAC explained Hyperlinks zu diesem KapitelGrafik-Quellen


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