Audio-Kompression: MPEG

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

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

3 Audio-Kompression: MPEG
(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 1:4 Layer 1 (384 kbps for a stereo signal)
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 quality bandwidth mode bitrate reduction ratio telephone sound 2.5 kHz mono 8 kbps * 96:1 better than shortwave 4.5 kHz mono 16 kbps 48:1 better than AM radio 7.5 kHz mono 32 kbps 24:1 similar to FM radio 11 kHz stereo kbps :1 near-CD 15 kHz stereo 96 kbps 16:1 CD >15 kHz stereo kbps :1

5 Komprimierung: Psycho-Akustik
Original-Spektrogramm aus der „Pastorale“ Audio- Software ST-X

6 Komprimierung: Psycho-Akustik
Akustisch relevante Anteile Hörbarer Anteil

7 Komprimierung: Psycho-Akustik
Differenz-Signal ohne „relevante“ Komponenten: „unhörbar“ Verdeckte Komponenten

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

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

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

11 Komprimierung: Psycho-Akustik Vor- und Nachmaskierung
Rückwärtsmaskierung: Lauter Impuls „überholt“ leises Rauschhen Vorwärtsmaskierung: Lauter Impuls hebt die Hörschwelle an 20 ms 200 ms

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

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

14 Hörbeispiel 3: Rückwärtsmaskierung
Demo3.wav Impuls Rauschsignal

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

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

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

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

19 MPEG 1/2 Audio Layer 3

20 Mp3 Bitstream Jeder Frame kann für sich dekodiert werden
Jeder Frame kann andere Samplingrate und Modus besitzen (III) Joint Stereo: MS-Stereo: Mittensignal, Seitensignal Intensity Stereo nur hörbare Differenzen Header: Copyright 2bits 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

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

22 Psychoakustik in MPEG Modell I:
Modell II: FFT in wie in Modell I, jedoch für kurze (192) und lange Blöcke (576) Spreading function auf benach- barte Critical Bands anwenden 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

23 MPEG Audio Übersicht MPEG-1 Iso/IEC 11172-3 (1993)
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 Ziel: Video & Audio-CD Kommunikation Layer I Layer II Layer III

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

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

26 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 Vorlesung „Medientechnik WS 1999/2000“
Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Institut für Informatik Universität Koblenz-Landau Rheinau Koblenz © Manfred Jackel WWW: mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel Brandenburg, Karlheinz: MP3 and AAC explained Hyperlinks zu diesem Kapitel Grafik-Quellen