Wie erfolgt die Dateikomprimierung?


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Wie erfolgt die Dateikomprimierung?

Audio and Video Compression

Da es viele Computer gibt, verfügen ihre Besitzer nicht über genügend Speicher auf internen und Wechseldatenträgern, um ihre Daten aufzunehmen. Das schnelle Wachstum des Festplattenvolumens löst dieses Problem nicht. Wenn wir vor 10 Jahren noch keine 20 Megabyte auf der Festplatte hatten, sind heute 20 Gigabyte gleich.

Audio and Video Compression

Die Größe der von uns verwendeten Programme und Daten wächst mit dem Wachstum der Festplatten. Wir können es uns bereits leisten, eine Bibliothek mit Zehntausenden von Büchern auf unserer Festplatte zu speichern. Wir können jedoch Musikkompositionen für mehrere hundert Stunden Ton und Video auf der Festplatte speichern, nur einige zehn Stunden. Daher ist das Problem der Archivierung oder Komprimierung von Daten nach wie vor so dringend wie vor 10 und 20 Jahren.

Wie erfolgt die Informationskomprimierung?

Geben wir Ihnen wie üblich eine grobe, aber verständliche Analogie. Die Datenkomprimierung ähnelt der Herstellung von Milchpulver oder Trockenfrüchten. Das heißt, es ist der Prozess des Entfernens von Wasser, das dann hinzugefügt werden kann, um dem Produkt sein ursprüngliches Aussehen zu verleihen.

Und welche Art von Wasser kann in den Daten enthalten sein? Dieses Wasser ist informativ. Es gibt viele Wiederholungen in den Daten. Dies kann zum Komprimieren von Daten verwendet werden.

Das Komprimieren von Textdateien sieht beispielsweise so aus. Eine Tabelle mit Wörtern und Ausdrücken im Text wird zusammengestellt. Dann erhalten alle Wörter und Ausdrücke in dieser Tabelle Zahlen. Der gesamte Text in der Datei wird durch Zahlen aus der Wort- und Ausdruckstabelle ersetzt. Mit dieser Methode können Sie die Größe einer Textdatei 2-3 Mal reduzieren. Manchmal wird der Text bis zu 10 Mal komprimiert, wenn er viele Wiederholungen enthält.

Ein Programm, das eine Textdatei in ein “komprimiertes” Format konvertiert, wird als Wrapper bezeichnet. Die aus der Komprimierung resultierende Datei wird als gepackte oder komprimierte Datei bezeichnet.

Komprimierte Dateien werden oft als Archive oder Archive bezeichnet, was streng genommen eine falsche Bezeichnung ist. Die Dateien wurden ursprünglich als Dateien bezeichnet, die speziell während Sicherungsprozessen erstellt wurden. Während dieses Vorgangs wurde eine einzelne Datei erstellt, die mehrere Quelldateien und Ordner enthält. Dies war die Datei. Es wurde keine Komprimierung durchgeführt. Eine ähnliche Situation besteht immer noch im Linux-Betriebssystem, wo Archivierung und Datenkomprimierung zwei unabhängige Prozesse sind. Unter dem MS-DOS-Betriebssystem und später unter MS Windows unterstützten die Datenkomprimierungsprogramme ihrer frühen Versionen sowohl die Komprimierung als auch die Datenarchivierung, dh sie erstellten eine komprimierte Datei, die nicht eine, sondern mehrere enthielt Quelldateien und Ordner (archiviert). … Seitdem ist in diesen Betriebssystemen das Konzept von ”

Da die Archivdatei nicht im Textformat geschrieben ist, können Texteditoren nicht damit arbeiten. Vor dem Öffnen der Archivdatei mit einem Texteditor muss dieses Archiv entpackt werden. Die Dekomprimierung erfolgt mit demselben Programm: einem Aktenschrank. Nach dem Entpacken erhält die Textdatei genau das gleiche Aussehen und die gleiche Größe wie zuvor.

Textablageschränke können auch Programmdateien archivieren. Nur Programme sind viel weniger komprimiert als Text.

Die zum Komprimieren von Text und Programmen verwendeten Packer können Audio-, Grafik- oder Videodateien nicht effizient komprimieren. Andere komplexere Algorithmen wurden für ihre Komprimierung entwickelt. Nach dem Entpacken unterscheiden sich die resultierenden Dateien jedoch geringfügig von den Originalen (diese Komprimierung wird als verlustbehaftete Komprimierung bezeichnet). Aber das gemeinsame menschliche Ohr nimmt dies nicht wahr und das gemeinsame Auge bemerkt es nicht auf dem Bildschirm.

Eine kurze Geschichte der Aktenschränke
Soweit ich mich erinnere, war das erste populäre Datendatei das Archiv mit dem Namen “ARJ”. Erstellt Archivdateien mit einer ähnlichen Erweiterung “ARJ”. Es war in den späten 80ern, frühen 90ern des letzten Jahrhunderts. Diese Dateien existieren noch heute. Sie sind in der Regel in DOS-Codierung geschrieben.

Dann erschienen die beiden beliebtesten Archivare auf dem Gebiet der GUS: “RAR” und “ZIP”. Sie werden jetzt durch die Programme “WinRAR” und “WinZIP” dargestellt. Das Programm “WinRAR” kann auch Archive “RAR” und “ZIP” erstellen. Und “WinRAR” kann Dateien aus einem Dutzend Formaten entpacken. In diesem Sinne ist “WinRAR” für uns ein universeller und praktischer (aber nicht kostenloser) Archivierer.


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Ton unter Druck

Ton unter Druck

Audio File Formats

Computer-Sound ist längst aus diesem embryonalen Zustand hervorgegangen, als er nur für die Show vorhanden war und nicht mit speziellen Geräten konkurrieren konnte. Heutzutage sind viele Soundkarten, sogar die Mittelklasse, angesichts der nicht so mittelmäßigen HiFi-Anlage weit über ihren Konkurrenten. In letzter Zeit gibt es auch immer weniger Probleme mit der Akustik; In einem solchen Tempo wird sich in wenigen Jahren die gesamte Brutstraße endgültig in ein echtes Hi-Hi verwandeln. Neben dem Pfad gibt es aber auch ein Dateiformat, bei dessen Auswahl die Benutzer aufgrund von Unwissenheit häufig sehr eingeschränkt sind. Der Zweck dieses Artikels ist es, diese Einschränkungen zu beseitigen.

Audio File Formats

Vorbei sind die Zeiten, in denen es in der Computerakustik unmöglich war, eine Geige von einem Cello zu unterscheiden, aber das Sprichwort “CD-Qualität – MP3 128 kbps” ist geblieben, und für einige ist es nicht so archaisch. Mittlerweile sind die gängigsten Formate Wav (auch als CDA bekannt) oder MP3. Unkomprimiertes PCM (Wav und CDA) hat jedoch eine zu große Dateigröße und MP3 wird mit Qualitätsverlust komprimiert. Aber es gibt Alternativen und mehr als eine. Werfen wir einen Blick auf die beliebtesten und qualitativ hochwertigsten Formate / Codecs.

Lassen Sie uns zunächst alle Codecs basierend auf der Komprimierung in zwei Gruppen einteilen: verlustfrei und verlustbehaftet. Die ersteren arbeiten nach dem Prinzip von Aktenschränken, zum Beispiel RAR: Eine auf diese Weise komprimierte Datei verliert bis zu 50% an Gewicht, und das gesamte Original wird während der Wiedergabe vor der Komprimierung reproduziert. Verlustbehaftete Komprimierungsalgorithmen schließen „unnötige“ Informationen aus dem Originalsignal aus und komprimieren sie dann, weshalb das Originalsignal nicht vollständig wiederhergestellt werden kann. Die JPEG-Komprimierung ist ein Beispiel. Jetzt genauer.

Ratlos

MP3

Beginnen wir vielleicht, wie bei den beliebtesten, mit MP3, auch als MPEG-1-Schicht 3 bekannt. Wir komprimieren Test-Snippets mit Lame, der höchsten Qualität aller MP3-Codecs. Im Snippet mit den Klassikern sehen wir, dass es keine obere Grenzfrequenz als solche gibt, das ist großartig! An den „stärksten“ (lauten) Stellen wird jedoch der obere Teil (ab 18 kHz) verbraucht. Eine solche Dynamikverarbeitung ist für das Hören und die Hörlogik ziemlich seltsam, aber für einen Computer ist sie leicht zu erklären: Wenn die Gesamtsignaldichte zunimmt, wächst sie fast über den gesamten Bereich und daher ist ein weiterer Kanal erforderlich. breit, um den gesamten Fluss zu passieren. Da der Kanal jedoch fest ist (wir komprimieren in CBR mit einer konstanten Bitrate von 320 kbps), müssen Sie für eine normale Codierung der Mitten und Bässe die Höhen reduzieren. Ein Ausschnitt mit moderner Musik ist praktisch nicht vom Original zu unterscheiden, nur ein kleiner Schnitt in den Frequenzen, für die eine echte High-Fidelity erforderlich ist, bei dem Sie sich definitiv nicht an den MP3 erinnern werden. Neben dem Frequenzgang gibt es noch viele Eigenschaften, die durch diese verwöhnt werden Kompression. Komprimierte Dateigröße: klassisch – 6,11 MB, moderne Musik – 6,11 MB.

WMA 9

Das von Bill Gates beworbene Format ist noch nicht beliebt: Erstens unterstützt es DRM (Kopierschutz) und zweitens bietet es von allen hier betrachteten verlustbehafteten Codecs die schwächste Klangqualität. Mit fast den gleichen Abmessungen wie bei anderen Formaten ist es nicht sehr gut, einen harten Schnitt oben über 20 kHz sowie einen Schnitt oben auf der Grundlage des Gesamtpegels (ähnlich wie bei Dolby-Rauschunterdrückern) zu machen gemäß unserer Meinung. Komprimiert mit 320 kbps, WMA 9 (nicht professionell). Komprimierte Dateigröße: klassisch – 6,14 MB, moderne Musik – 6,12 MB.

OGG Vorbis

Open Source Codec mit guter Klangqualität und sicherem zweiten Platz. Es hat eine schwebende Grenzfrequenz (aber innerhalb angemessener Grenzen) in der Größenordnung von 20 kHz. Es ist wahr, dass wir in diesem Fall die Bitrate auf 350 kbps einstellen … Es hat einen weiteren Nachteil: längere Codierungszeit. Komprimierte Dateigröße: klassisch – 6,70 MB, moderne Musik – 6,65 MB.

Der Gewinner dieser Nominierung ist derjenige mit dem Sonogramm, das dem Sonogramm der WAV-Datei am nächsten kommt. Daher ist MP3 immer noch der Gewinner. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Codec unterschiedlich ist und sogar diejenigen, die nach demselben Algorithmus arbeiten. Zum Beispiel ist der gleiche MP3 lahm, es gibt Fraunhofer und Xing, wobei letzterer der schnellste ist, aber auch mit der schrecklichsten Klangqualität (der Cutoff beträgt 16 kHz).

Kein Qualitätsverlust, kein Verlust

FLAC (verlustfreier Audiokompressor)

Eines der beliebtesten Formate für verlustfreie Audiokomprimierung ist der FLAC-Codec. Die Hauptvorteile dieses Audio-Codecs sind seine ständige Aktualisierung und natürlich die Multiplattform: FLAC wird auf viele Plattformen portiert.

Wie unterscheiden sich Audiodateiformate und was bedeutet dies für die Hörer?

Wie unterscheiden sich Audiodateiformate und was bedeutet dies für die Hörer?

Music File Formats

Erklärung von MP3, AAC, WMA, FLAC, ALAC, WAV, AIFF und PCM

audio file formats

Die meisten Geräte sind in der Lage, eine Vielzahl digitaler Medienformate sofort abzuspielen, häufig ohne dass Software- oder Firmware-Updates erforderlich sind. Wenn Sie das Produkthandbuch durchblättern, werden Sie möglicherweise überrascht sein, wie viele verschiedene Typen es gibt.

Was unterscheidet sie voneinander? Sollte es Ihnen wichtig sein?

Musikdateiformate
Ist das Format bei digitaler Musik wirklich wichtig? Antwort: es kommt darauf an.

Es gibt komprimierte und unkomprimierte Audiodateien, bei denen möglicherweise Qualitätsverluste auftreten oder nicht. Verlustfreie Dateien können sehr groß sein. Wenn Sie jedoch über genügend Speicherplatz (z. B. einen PC oder Laptop, ein Netzwerklaufwerk, einen Medienserver usw.) und hochwertige Audiohardware verfügen, bietet die Verwendung ohne komprimierter oder verlustfreier Ton,

Wenn jedoch nicht genügend Speicherplatz vorhanden ist, z. B. auf Smartphones, Tablets und tragbaren Playern, oder wenn Sie einfache Kopfhörer oder Lautsprecher verwenden möchten, benötigen Sie lediglich kleinere komprimierte Dateien.

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Wie wählst du? Hier finden Sie eine Aufschlüsselung der gängigen Formattypen, einige ihrer wichtigen Funktionen und die Gründe, warum Sie sie verwenden sollten.

-MP3: MPEG-1 / MPEG-2 Layer 3 (MP3) wurde von der Moving Picture Experts Group (MPEG) entwickelt, einer Organisation, die Standards für codierte Video- und Audioprogramme entwickelt kompatibel.
MP3 ist ein verlustbehaftetes und komprimiertes Audioformat mit einer Bitrate von 8 kbit / s bis maximal 320 kbit / s und einer Abtastfrequenz von 16 kHz bis maximal 48 kHz. Kleinere MP3-Dateigrößen bedeuten schnellere Dateiübertragungen und weniger Speicherplatzverbrauch, jedoch auf Kosten einer etwas geringeren Audioqualität als verlustfreie Dateiformate.
-AAC: Advanced Audio Coding (AAC) ist bei Apple iTunes beliebt und ähnelt MP3, bietet jedoch einen zusätzlichen Vorteil:
-AAC ist ein verlustbehaftetes komprimiertes Audio- und Audioformat mit Bitraten von 8 kbps bis maximal 320 kbps und Abtastraten von 8 kHz bis maximal mit dem richtigen Codierungsprozess von 96 kHz.
AAC-Dateien bieten dieselbe Audioqualität wie MP3 und benötigen weniger Speicherplatz. ACC unterstützt auch bis zu 48 Kanäle, während die meisten MP3-Dateien nur zwei verarbeiten können. AAC ist unter anderem mit iOS, Android und tragbaren Spielgeräten weitgehend kompatibel.
-WMA. Windows Media Audio-Dateien wurden von Microsoft als Konkurrent zu MP3 entwickelt und bieten ähnliche, aber proprietäre Funktionen. Standard-WMA ist ein verlustbehaftetes und komprimiertes Audioformat, obwohl neuere Standalone-Versionen mit erweiterten Codecs möglicherweise eine verlustfreie Option bieten.
Während viele Arten von tragbaren und Home-Entertainment-Mediaplayern standardmäßig WMA-Dateien unterstützen, wird dies nur von einigen Mobilgeräten wie Smartphones und Tablets unterstützt. Viele erfordern das Herunterladen einer kompatiblen Anwendung, um WMA-Audio abzuspielen, was es weniger bequem als MP3 oder AAC machen kann.
-FLAC. Der von der Xiph.Org Foundation entwickelte kostenlose verlustfreie Audio-Codec (FLAC) ist aufgrund seiner kostenlosen Lizenz und seines offenen Formats sehr attraktiv.
-FLAC ist ein verlustfreies, komprimiertes Audioformat mit einer Dateiqualität von bis zu 32 Bit / 96 kHz (zum Vergleich: CD ist 16 Bit / 44,1 kHz). FLAC hat den Vorteil einer reduzierten Dateigröße (ca. 30-40 Prozent kleiner als die Originaldaten), ohne dass die Klangqualität beeinträchtigt werden muss. Dies macht es ideal für die digitale Archivierung (dh für die Verwendung als Masterkopie zum Erstellen komprimierter / verlorener Dateien für das allgemeine Abhören).
-ALAC: Apples Version von FLAC, Apple Lossless Audio Codec (ALAC), teilt FLAC in Bezug auf Klangqualität und Dateigröße.
-ALAC ist ein verlustfreies komprimiertes Audioformat. Es ist auch vollständig kompatibel mit iOS- und iTunes-Geräten, obwohl FLAC möglicherweise nicht unterstützt wird. Daher wird ALAC am häufigsten von Benutzern von Apple-Produkten verwendet.
-WAV: Das ebenfalls von Microsoft entwickelte Waveform-Audiodateiformat ist ein Standard für Windows-basierte Systeme und mit verschiedenen Softwareanwendungen kompatibel.

Was ist digitales Audio?

Was ist digitales Audio?

Digital Audio

Digitaler Sound ist nichts anderes als eine Kombination von Zahlen. Mit einem bestimmten Algorithmus wird Ton wie Luftdruck in Datenströme umgewandelt und zur weiteren Verarbeitung und Wiedergabe codiert. Abhängig vom verwendeten Algorithmus hat die Musikdatei das eine oder andere Format, die eine oder andere Erweiterung.

Analog Vs. Digital Sound

Denken Sie daran, dass es neben digitalem Ton auch analogen Ton gibt, der durch ein kontinuierliches elektrisches Signal dargestellt wird, das die Änderung der Schallwelle widerspiegelt. Die Analog-Digital-Tonumwandlung ist eine Einstellung des numerischen Werts der Amplitude zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer bestimmten Wertedichte. Je mehr Werte aufgezeichnet werden, desto zuverlässiger und genauer wird das Bild des digitalisierten Klangfragments neu erstellt. Bei einer solchen Digitalisierung entstehen sehr umfangreiche Datenmatrizen, die sich je nach verwendetem Format im Verhältnis von Klangqualität zu Lautstärke der endgültigen Datei unterscheiden.

Möglicherweise ist der Hauptvorteil von digitalem Audio gegenüber analogem die Möglichkeit, Daten unbegrenzt zu speichern und zu kopieren, ohne die ursprüngliche Qualität zu verlieren (während beim Kopieren von einem analogen Medium auf ein anderes eine Abnahme der Aufnahmequalität deutlich zu spüren ist).

Das heute am weitesten verbreitete und beliebteste digitale Audioformat ist MP3 (MPEG Layer 3). Es wurde nach einer Reihe von Zwischenformaten und Untersuchungen entwickelt, die 1987 vom Fraunhofer-Institut in Deutschland gestartet wurden.

Die Entwickler des Formats standen vor der Aufgabe, die Kosten für den Versand langer Musikfragmente zu vereinfachen und zu senken. Wie Sie wissen, nimmt eine Minute eines Stereosignals von einer CD (16-Bit-, 44,1-kHz-Abtastrate) etwa zehn Megabyte Speicherplatz ein. Gleichzeitig kann das Audiosignal im Gegensatz zu Text- oder Grafikdateien nicht ohne Qualitätsverlust komprimiert werden. Daher dauert die Modemübertragung einer unkomprimierten Komposition von einer 3-minütigen Audio-CD mit einer Datenübertragungsrate von beispielsweise 24 kbps mehrere Stunden. Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts gelang es, eine Komprimierung mehrerer Dateigrößen zu erreichen: Durchschnittlich dauert eine Minute eines komprimierten Audiosignals im MP3-Format etwa 1 Megabyte. Das Prinzip der Komprimierung basiert auf der Eliminierung “unnötiger” Geräusche aus der Musikdatei, gegen die das menschliche Ohr immun ist oder die sich gegenseitig duplizieren.

Der Hauptfaktor, der die Beziehung zwischen Dateigröße und Klangqualität innerhalb eines bestimmten Formats bestimmt, ist die Bitrate. Die Bitrate ist ein Indikator dafür, wie viele Informationen eine Sekunde Sound codiert. Je höher es ist, desto weniger Verzerrungen und desto näher ist die codierte Komposition am Original. Die im Internet am häufigsten verwendeten Kompositionen mit Bitraten von 128 und 192 Kbit / s. Die maximale Bitrate, die von Programmen und Geräten unterstützt wird, die mit MP3 arbeiten, beträgt 320 Kbit / s. In der Praxis kann nur ein Experte oder ein Fachmann, der mit Ton arbeitet Beachten Sie die Unterschiede zwischen einer MP3-Datei mit einer Bitrate von 320.

Um die Größe von MP3-Musikdateien bei gleichbleibender Qualität zu optimieren, wird eine variable Bitrate (Abkürzung VBR – Variable Bitrate) verwendet. In diesem Fall unterteilt das Codierungsprogramm die Datei in Fragmente unterschiedlicher spektraler Sättigung und codiert sie mit einer geeigneten Bitrate. Die meisten modernen MP3-Player unterstützen die Wiedergabe mit variabler Bitrate. Ein wesentlicher Vorteil von MP3-Dateien besteht darin, dass sie den Namen des Künstlers, den Namen des Titels und des Albums, das Jahr seiner Veröffentlichung usw. enthalten können. Der Satz dieser Daten wird als ID3-Tags bezeichnet. Die meisten modernen Spieler können sie lesen und auf dem Bildschirm anzeigen.

Im Jahr 2001 entwickelten Swedish Coding Technologies und Thomson Multimedia den MP3 Pro-Codec. Es ist MP3-basiert und daher vollständig MP3-abwärtskompatibel und nur teilweise vorwärtskompatibel. Es verwendet die SBR-Technologie (Spectral Band Replication), sodass der Codec bei niedrigen Bitraten eine gute Qualität bietet. Die Codierungsqualität bei mittleren bis hohen Bitraten ist jedoch schlechter als die der meisten anderen Codecs. Aus diesem Grund wird dieses Format hauptsächlich für Sendungen im Internet und Demonstrationen von Fragmenten neuer Musikkompositionen verwendet.

Eine andere Art von MP3 war die Entwicklung von MP3 Surround, die kürzlich von den Machern von MP3 eingeführt wurde: dem Fraunhofer-Institut. Dieses Format wiederholt alle Eigenschaften von Mehrkanalton und ist dennoch mit Standard-Stereo-MP3 kompatibel: Informationen, die die räumlichen Eigenschaften des Tons beschreiben, werden auf einer zusätzlichen Spur aufgezeichnet. Durch Abspielen von Dateien dieses Formats auf speziellen Geräten, die diese Spur lesen können, erhalten Sie Surround-Sound, der dem Surround 5.1-Standard entspricht.