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Digitale Audioformate

Digitale Audioformate. Referent Stephan Lehmann. Wozu das Ganze ?. Speicherung und Archivierung von Audiodaten Übertragung (ISDN, Internet ). Was braucht man dafür ?. Eine digitale Repräsentation für die Audio-Daten Möglichkeiten zur Datenreduktion. Digitalisierung. Abtasten Quantisieren

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Presentation Transcript

  1. Digitale Audioformate Referent Stephan Lehmann

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

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

  4. Digitalisierung • Abtasten • Quantisieren • Kodieren Digitale Audioformate

  5. Abtastung • Signalstärke wird regelmäßig gemessen Digitale Audioformate

  6. Quantisierung • Umwandlung Spannungswerte > Zahlenwerte Digitale Audioformate

  7. Kodierung • Zahlenwerte werden binär kodiert Digitale Audioformate

  8. Qualität • abhängig von • Anzahl der Quantisierungsstufen • Abtastrate 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 Digitale Audioformate

  10. Datenmengen Digitale Audioformate

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

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

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

  14. Lineares PCM • gleichmäßige Verteilung der Quantisierungsstufen Digitale Audioformate

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

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

  17. Frequenzbereich 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 Digitale Audioformate

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

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

  23. Dynamisches PCM • Logarithmische Verteilung der Quantisierungsstufen Digitale Audioformate

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

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

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

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

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

  29. Differential PCM (DPCM) Digitale Audioformate

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

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

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

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

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

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

  40. Berechnung der Schrittweite Digitale Audioformate

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

  42. Beispiel Kodierung • Letzter Samplewert = 12368 • Schrittweite = 1878 • Nächster Samplewert = 10000 • Differenz = -2368 • Gespeichert wird -2368/1878 = -1 • Schrittweitenindex-1 • Nächste Schrittweite = 1707 Digitale Audioformate

  43. Beispiel Dekodierung • Letzter Samplewert = 12368 • Schrittweite = 1878 • Eingelesen wird eine -1 • -1*1878=-1878 • Also Samplewert=12368-1878=10490 • Schrittweitenindex-1 • Nächste Schrittweite = 1707 Digitale Audioformate

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

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

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

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

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

  49. Microsoft • Mono Paket Format • Stereo Paket Format Digitale Audioformate

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

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