Daniela Wurhofer und Ismail Karagöz

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1 Daniela Wurhofer und Ismail Karagöz
MP3 Das Audioformat Daniela Wurhofer und Ismail Karagöz

2 Übersicht Einführung Aufbau Kompression & Codierung

3 Einführung Was ist MP3? Abkürzung für Motion Picture Experts Group, Audio Layer-3. Audiocodierungsverfahren; Audiodaten werden bis auf ein Zwölftel ihrer Größe komprimiert, ohne hörbare Qualitätsverluste. Klangqualität Modus Bitrate Kompressionsrate Telefon mono 8 KBit/s 96:1 besser als KW-Radio 16 KBit/s 48:1 MW-Radio 32 KBit/s 24:1 ähnlich UKW-Radio stereo 56 KBit/s 26 bis 24:1 annähernd CD 96 KBit/s 16:1 CD-Qualität 112 bis 128 KBit/s 14 bis 12:1 [Die Qualitätsstufen von MP3 im Vergleich]

4 Einführung Die Geschichte von MP3
ab 1987 Verfahren am Fraunhofer-Institut IIS-A (Institut Integrierte Schaltungen) in Erlangen entwickelt. 1989 Patent in Deutschland angemeldet und erteilt. 1992 von der ISO (International Standards Organisation) akzeptiert und in die Spezifikation der MPEG integriert. [Das Fraunhofer-Institut]

5 Aufbau Die Struktur eines MP3s
MP3s werden in kleinere Einheiten, die als Frames bezeichnet werden geteilt. Jeder Frame besteht aus einem Header und den Daten. Am Anfang oder Ende des MP3s können im so genannten ID3-Tag Informationen zur Musikdatei angegeben werden.

6 Aufbau Der Header

7 Aufbau Struktur des Headers Headerlänge: 32 Bit Pos. Aufgabe Länge
Frame-Sync 11 B MPEG Audioversion (MPEG-1, 2, etc.) 2 C MPEG Layer (Layer I, II, III, etc.) D Protection (wenn aktiv: Checksumme nach Header) 1 E Bitrate-Index 4 F Frequenz der Samplingrate (44.1kHz, etc.) G Padding Bit (kompensiert unvollständige Belegung) H Private Bit (Applikations-spezifische Trigger) I Channelmode (Stereo, Joint-Stereo) J Mode-Extension (bei Verwendung von Joint Stereo) K Copyright L Original ("0", wenn Kopie, "1" wenn Orignial) M Emphasis (veraltet) Struktur des Headers Headerlänge: 32 Bit

8 Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell Huffman-Codierung

9 Kompression & Codierung
Kompressionsarten Verlustlose Kompression = 100%ige Rekonstruktion der Daten (ZIP-Verfahren) Verlustbehaftete Kompression = Verminderung der Qualität akzeptabel (Bild- & Audiodaten)  MP3 ist verlustbehaftet

10 Kompression & Codierung
Arbeitsschritte beim Codierungsvorgang Einteilung der Datei in kleinere Einheiten (Frames zu 26ms) Analyse der „spektralen Energieverteilung“ Maximale Bitanzahl/Frame aufgrund der Encoding Bitrate berechnen. Komprimierung des Bitstreams mittels Huffman-Coding (verlustfrei). Ausgabe der Daten in Frames (Header vorangestellt).

11 Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell Herausfilterung der nicht wahrnehmbaren Daten  Frequenzen unter 20Hz und über 16Khz.

12 Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell

13 Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell – Maskierung Simultanes Masking: Unvermögen des Gehörs, 2 gleichzeitig auftretende, ähnliche Frequenzen auseinander zu halten  Wegfilterung einer Frequenz bei Kompression Temporales Masking 2 Töne die kurz aufeinander folgen, wird nur der lautere wahrgenommen  Wegfilterung des leiseren Tones

14 Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell – Joint Stereo Tiefe Töne werden nicht Stereo, sondern Mono encodiert  geringere Bitrate benötigt

15 Kompression & Codierung
Huffman Codierung Verlustloses Kompressionsverfahren Gesamtgrösse der Datei nochmals um 20% verringert

16 Kompression & Codierung
Huffman Codierung Analyse von relativen Häufigkeiten Variable Codewortlänge  Symbole mit höherem Vorkommen – kürzere Codeworte  Kompressionsrate

17 Kompression & Codierung
Huffman Codierung & MP3 Masking: Polyphone Elemente (viele Töne gleichzeitig und überlagert) werden komprimiert Abschnitte, in denen der Klang konstant bleibt – relativ große Redundanz  Huffmancoding

18 Kompression & Codierung
Struktur der MPEG Kompression Unterteilung des gesamten Signals in Subbänder (= Zeit-Frequenz-Zuordnung) Implementierung des Psychoakust. Modells  Fast-Fourier-Transformation (FFT) eingesetzt

19 Kompression & Codierung
Struktur der MPEG Kompression Quantifizierung und Encodierung jedes einzelnen Samples in den Subbändern Endgültige Erzeugung der komprimierten Datei – digitalisierte Audiodaten in einzelne Frames unterteilt

20 Kompression & Codierung
Erweiterung bei MP3: Weiterer Filter kommt zum Einsatz: Discrete Consine Transform Filter (DCTF)  bessere Performance und mehr Zuverlässigkeit Der 4. Phase (Vorbereitung der Frames) ist ein komplexer Algorithmus hinzugefügt  Variation der Framegrösse, Reserve Bit

21 ENDE