Was ist digitales Audio?


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Was ist digitales Audio?

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Digitales Audio ist eine numerische Darstellung von Ton.

Digital Audio

Das Aufnehmen von Ton als digitaler Ton ähnelt dem Aufnehmen von Ton auf einem Kassettenrekorder. Angenommen, Sie haben ein Mikrofon an Ihren Computer angeschlossen. Immer wenn ein Ton zu hören ist (Sprechen, Singen, Spielen eines Musikinstruments oder irgendein Geräusch), “hört” das Mikrofon ihn und wandelt den Ton in ein elektrisches Signal um. Das Mikrofon sendet dann das Signal an die Soundkarte des Computers, die das Signal in Zahlen umwandelt. Diese Zahlen werden als Samples bezeichnet.

Eine Soundkarte ist ein Gerät, das in einen Computer eingesetzt wird und es ihm ermöglicht, die elektrischen Signale von jedem Soundgerät zu verstehen. Sie können sich eine Soundkarte als “Übersetzer” vorstellen. Wenn ein Audiogerät (z. B. ein Mikrofon, ein elektronisches Musikinstrument, ein CD-Player oder ein anderes Gerät, das ein Audiosignal ausgeben kann) Signale an den Computer sendet, empfängt die Soundkarte die Signale und wandelt sie in Zahlen um, die Computer kann verstehen.

Die Beispiele enthalten Informationen, die dem Computer mitteilen, wie das aufgezeichnete Signal zu bestimmten Zeiten klang. Je mehr Abtastwerte zur Darstellung des Signals verwendet werden, desto höher ist die Qualität des aufgezeichneten Signals. Um beispielsweise eine digitale Tonaufnahme mit der gleichen Qualität wie eine CD-Aufnahme zu erstellen, muss der Computer 44.100 Samples pro Sekunde empfangen. Die Anzahl der pro Sekunde entnommenen Proben wird als Abtastrate bezeichnet.

Die Größe jedes einzelnen Samples beeinflusst auch die Qualität des aufgenommenen Klangs. Diese Größe wird als Bittiefe bezeichnet. Je höher die Bittiefe, desto höher die Klangqualität. Um beispielsweise digitales Audio in CD-Qualität zu erstellen, muss jedes Sample 16-Bit sein.

Computer verwenden die Binärform, um Zahlen darzustellen. Die Stelle einer Binärzahl wird als Bit bezeichnet. Jedes Bit repräsentiert eine von zwei Zahlen: 1 oder 0. Durch Kombinieren von Bits können Computer eine beliebige Zahl anzeigen. Beispielsweise wird jede Zahl zwischen 0 und 255 als Acht-Bit-Zahl dargestellt. Mit 16 Bit kann es Zahlen im Bereich von 0 bis 65.535 darstellen.

Ihr Computer kann alle eingereichten Muster speichern. Die zeitlichen Eigenschaften der Probe werden ebenfalls gespeichert. Später kann der Computer in denselben Intervallen Samples an die Soundkarte senden, sodass Sie den Sound genau so hören, wie er aufgenommen wurde. Das Grundkonzept lautet wie folgt: Eine Soundkarte zeichnet ein elektrisches Signal von einem Audiogerät (z. B. einem Mikrofon oder einem CD-Player) auf. Die Soundkarte wandelt die Signale in Zahlenreihen um, die als Samples bezeichnet werden und auf Ihrem Computer gespeichert sind. Während der Wiedergabe werden die Samples an die Soundkarte zurückgesendet, die sie in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal wird an Ihre Lautsprecher (oder ein anderes Audiogerät) gesendet und Sie hören den Ton genau so, wie Sie ihn aufgenommen haben.

Was ist der Unterschied?
Nachdem Sie die Beschreibung von MIDI und digitalem Audio gelesen haben, sind Sie möglicherweise immer noch verwirrt über den Unterschied zwischen beiden. Immerhin zeichnen beide Prozesse die an den Computer gesendeten Signale auf und reproduzieren sie dann, oder? Der Punkt ist, wenn Sie MIDI-Daten aufnehmen, nehmen Sie keinen tatsächlichen Ton auf. Notieren Sie einfach die Anweisungen für die Wiedergabe. Es ist wie bei einem Musiker, der Noten spielt, wobei die Noten MIDI-Daten sind und der Musiker der Computer. Der Musiker (oder Computer) liest die Noten (oder MIDI-Daten) und speichert sie dann im Speicher. Der Musiker spielt dann eine Melodie auf einem Musikinstrument. Was ist, wenn der Musiker ein anderes Instrument zum Spielen nimmt? Das Spiel bleibt gleich, aber der Sound ändert sich. Gleiches gilt für MIDI-Daten.

Ein Keyboard-Synthesizer kann jeden Sound erzeugen, aber die Wiedergabe derselben MIDI-Daten mit dem Keyboard ist genau gleich.

Wenn Sie digitales Audio aufnehmen, nehmen Sie echtes Audio auf. Wenn Sie eine Aufführung eines Musikstücks als digitalen Ton aufnehmen, können Sie den Klang dieser Aufführung nicht wie oben beschrieben ändern. Aufgrund dieser Unterschiede haben MIDI und digitaler Sound ihre eigenen Vor- und Nachteile. Da MIDI als Daten für die Wiedergabe und nicht als tatsächlicher Ton aufgezeichnet wird, haben Sie viel mehr Freiheit, den Ton zu manipulieren als mit digitalem Ton. Sie können den Fehler beispielsweise leicht korrigieren, indem Sie die Tonhöhe ändern. MIDI-Daten können in Standard-Musiknotation konvertiert werden, was mit digitalem Sound nicht möglich ist.


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Digitaler Sound

Digitaler Sound

Digital Sound

Im Gegensatz zum analogen Signal simuliert das digitale Signal keinen akustischen Klang.

Digital Sound

Digitaler Sound weist einzelnen Zeitpunkten digitale Werte zu, die die Höhe der Amplitude an einem bestimmten Punkt widerspiegeln. Der zweite Unterschied zwischen digitalem und analogem Audio besteht darin, dass digitales Audio diskret ist.

Wie Sie wissen, werden digitale Informationen in Bytes gespeichert, von denen jedes aus 8 Bits besteht. Ein Bit ist die kleinste Einheit digitaler Informationen, die nur zwei Werte annehmen kann: Null oder Eins.

Wie wandelt man also ein kontinuierliches analoges Signal in eine Folge von Nullen und Einsen um und verknüpft diese Informationen sogar korrekt mit der Zeitachse? Das Konvertieren von Audio in ein digitales Format ist in zwei Vorgänge unterteilt: Abtasten und Quantisieren. Abtastung – Abtast- und Quantisierungszeit – Amplitude. Diese Vorgänge führt Ihr Audio-Interface aus.

Jedes Audio-Interface verfügt über einen ADC (Analog-Digital-Wandler) und einen DAC (Digital-Analog-Wandler). Lassen Sie uns überlegen, wie die Audioaufnahme funktioniert, wenn ein Mikrofon und ein Computer mit angeschlossenem Audio-Interface aufgenommen werden.

Wenn Sie sprechen, erzeugt Ihre Stimme Luftdruckschwankungen, die das Mikrofon aufnimmt und in ein elektrisches Wechselspannungssignal umwandelt. Das empfangene elektrische Signal ist sehr schwach, daher wird es verstärkt und dann zur digitalen Umwandlung an das Audio-Interface gesendet. Basierend auf seiner internen Uhr unterteilt der ADC die Zeit in viele verschiedene Punkte. Die Zeitabtastung erfolgt gemäß der eingestellten Frequenz, die angibt, wie viele Punkte durch 1 Sekunde Ton geteilt werden. Zu jedem empfangenen Zeitpunkt misst der ADC die Spannung des Eingangssignals und weist dem Amplitudenwert die entsprechende Ziffer zu. Die durch diese Konvertierung erhaltenen Daten können auf einem Computer gespeichert werden.

Digitaler Sound

Wenn Sie mit der Wiedergabe der Audiodatei beginnen, wird der umgekehrte Vorgang gestartet. Die digitalen Informationen werden vom Computer an Ihr Audio-Interface gesendet. Ihr DAC sorgt für eine umgekehrte Umwandlung der empfangenen Informationen in ein kontinuierliches elektrisches Signal mit Wechselspannung. Das Signal wird dann verstärkt und über Ihr Lautsprechersystem wiedergegeben.

Wie hoch ist die Abtastrate, um digitalen Sound zu erhalten, der dann wieder in analogen umgewandelt werden kann? Nach dem Satz von Kotelnikov kann jedes bandbegrenzte Signal abgetastet und dann in digitaler Form wiederhergestellt werden, solange die Abtastrate mindestens doppelt so hoch ist wie die höchste Frequenz des ursprünglichen Signals.

Dies bedeutet, dass unser Signal eine maximale Frequenz haben muss, die niemals überschritten wird. Wenn wir die höchste Frequenz einstellen, müssen Sie sie nur noch mit zwei multiplizieren und die gewünschte Abtastrate erhalten. Nach dem Theorem müssen auch alle Frequenzen über der Hälfte der Abtastrate aus dem Eingangssignal entfernt werden.

Da eine Person Geräusche von 20 Hz bis 20 kHz hört, sollte eine Abtastrate von 40 kHz ausreichen, um alle für eine Person hörbaren Geräusche zu codieren. Mit einem kleinen Spielraum für den Filter, der vor der Konvertierung in ein digitales Format im CD-Audiostandard berechnet wird, werden Töne über 22.050 Hz abgeschnitten und die Abtastrate beträgt 44.100 Hz.

Lassen Sie uns nun genau sehen, welche Zahlen der ADC den Amplitudenwerten beim Konvertieren eines analogen Signals zuweist.

Der Computer kann der Amplitude eine endliche Anzahl von Werten zuweisen. Wie oben erwähnt, ist jede Information in einem Computer eine Folge von Bits, von denen jedes Werte von Null oder Eins annimmt.

Ein numerischer Ausdruck von n Bits setzt 2 n verschiedene Varianten von Werten voraus, dh 2 n verschiedene Varianten von Folgen von Nullen und Einsen. Die Tabelle zeigt die Sequenzoptionen für n = 2,3,4.

Wie unterscheidet sich das Videoformat vom Codec?

Wie unterscheidet sich das Videoformat vom Codec?

Video format and codec

Was ist das Videoformat?

Codec Video Format

Obwohl es viele Videoformate gibt, von analogen Aufnahmemethoden (z. B. VHS) bis zu digitalen (Betamax, DV und andere), sprechen wir im Alltag häufig von Dateiformaten, die digitales Video enthalten. Tatsächlich sind diese Dateien Container, die nicht nur Video, sondern auch verschiedene Audiospuren und / oder Untertitel enthalten. Jedes Dateiformat hat seine eigenen Eigenschaften: Einige erlauben Streaming, andere nicht. Einige enthalten möglicherweise mehrere Audio- und Videospuren, während andere möglicherweise nur eine enthalten. Der Container enthält nur einen Header – “Anweisung”, der beschreibt, wie und wie die darin gespeicherten Spuren geöffnet werden. Alle Informationen sind in komprimierter Form enthalten, und jedes in einen Container gepackte Objekt wird auf eine bestimmte Weise verarbeitet, die für den ausgewählten Containertyp charakteristisch ist.
Die gängigsten Containerformate sind:
1. Von Microsoft für Windows entwickeltes AVI (Audio and Video Interleaved). Theoretisch kann es verschiedene Audio- und Videostreams speichern, in der Praxis wird es selten verwendet.
2. FLV (Flash Video) ist für das Streaming von Videos über das Internet optimiert. Vorteile: Qualitätserhaltung auch bei niedriger Bitrate, Ansicht von überall, unabhängig vom Betriebssystem.
3. 3GP konzentriert sich auf mobile Geräte, die die Möglichkeit bieten, Audio und Video aufzunehmen / anzuzeigen.
Die meisten der aufgelisteten Formate sind kommerziell, aber es gibt Projekte, die auf völlig offenen Standards basieren. Das beliebteste unter ihnen ist MKV (Matroska).
Obwohl es korrekter ist, den Begriff “Mediencontainer” zu verwenden, ist das Wort “Format” in der Umgangssprache populärer geworden. Dies ist kein Verbrechen, sodass Sie im Kommunikationsprozess sicher mit den Daten arbeiten können und die “Container” für professionelle Diskussionen belassen.
Es reicht aus, dass das Player-Programm versteht, wie der Containertyp korrekt identifiziert wird, um die darin gespeicherten Daten korrekt zu reproduzieren. Folglich muss der Benutzer wissen, welche Formate der Player unterstützt, und den erforderlichen Satz von mehreren auf dem Computer installieren (wenn nicht alle abgespielt werden können).
Im Allgemeinen ist ein Splitter-Programm am Entpacken von Datei- und Mediencontainern beteiligt (es kann auch Teil eines Players sein). Ihre Aufgabe ist es, den Inhalt zu extrahieren und erst dann jeden Audio- / Videostream zur Dekodierung mit Codecs zu übertragen.

Was ist ein Video-Codec?
Um den Inhalt eines Mediencontainers zu entschlüsseln und in einen Videostream umzuwandeln, benötigen Sie Codecs, Formelprogramme, die im Prinzip Aktenschränken ähneln. Mit dem erforderlichen Codec können Sie das komprimierte Bild korrekt dekomprimieren. Daher ist es wichtig, einen möglichst vollständigen Satz dieser Algorithmen zu haben, um keine Meldung über ein nicht unterstütztes Videoformat zu finden. Aus akademischer Sicht ist es korrekter, von Decodern zu sprechen, aber wie im vorherigen Fall ist es einfacher, mit dem Konzept des “Codecs” zu arbeiten, es ist sowohl für die Digitalisierung als auch für die Videowiedergabe universell.

Was sind die Codecs?
Die beliebtesten Video-Codecs für den Heimgebrauch sind Xvid und DivX. Auf DVD verteilte Filme werden mit dem MPEG-2-Codec codiert.
Im Allgemeinen ist DivX der am häufigsten verwendete proprietäre MPEG-4-Codec. Der Xvid-Codec basiert auf einer der DivX-Versionen, ist jedoch Open Source. Es gibt auch x264 (ein Codec für die Komprimierung im H.264-Standard) und TrueMotion VP6 (als eine der Hauptcodierungsoptionen im Flash-Video-Format verwendet). Der Rest der Codecs, und es gibt viele, brauchen Sie in der Praxis vielleicht nicht, aber es ist besser, sie alle gleich zu haben. Als Faustregel gilt, dass der vollständige Satz durch Installation des K-Lite Mega Codec Packs bezogen werden kann. Einige davon müssen jedoch möglicherweise später manuell hinzugefügt werden.

Schlussfolgerungen
Das Videoformat wird durch die Erweiterung der Containerdatei bestimmt, es ist jedoch nicht immer bekannt, welcher Codec zum Komprimieren der darin enthaltenen Informationen verwendet wurde. Wenn Sie das gewünschte Format abspielen möchten, müssen Sie nur wissen, ob der Media Player es unterstützt. Um den Codec zu ermitteln, müssen Sie ein Dienstprogramm eines Drittanbieters (z. B. AVIcodec oder GSpot) verwenden und erst dann den fehlenden Codec zum System hinzufügen.

HEVC: Was ist das?

HEVC: Was ist das?

HEVC

Seit letztem Jahr stoßen Benutzer regelmäßig auf ein neues Videoformat namens HEVC. In diesem Artikel erfahren Sie, was das HEVC-Format ist, warum es besser ist als die alten Videokodierungsformate als das Ansehen von HEVC-Dateien und wie Sie mit einem iPhone zu den alten Formaten zurückkehren können.

HEVC

HEVC-Logo Die Abkürzung HEVC steht für High Efficiency Video Coding, was als High Efficiency Video Coding ins Russische übersetzt werden kann. Es ist ein Format zum Komprimieren von Videos auf bis zu 8 KB (UHDTV, 8192 × 4320 Pixel). Ein anderer Name für das Format ist H.265, daher sind HEVC und H.265 ein und dasselbe.

HEVC wurde entwickelt, um das veraltete H.264 / MPEG-4 AVC-Format zu ersetzen. Die Arbeiten an dem neuen Standard begannen im Jahr 2004, als die Video Coding Experts Group (VCEG) nach neuen Technologien suchte, die die Grundlage für den neuen Standard bilden könnten. Dieses Projekt erhielt später die temporären Namen H.265 und H.NGVC (Next Generation Video Coding). Die Hauptanforderungen für den zu entwickelnden Standard sind: Reduzieren der Videobitrate, Beibehalten der aktuellen Bildqualität und Beibehalten der aktuellen Anforderungen an die Rechenleistung.

Entwicklung von Videokodierungsformaten

Die Entwicklung wurde seit 2012 fortgesetzt, als dieses Format offiziell genehmigt wurde. Nach dem Start wurde das Format jedoch nicht sehr beliebt. Es wurde in IP-Kameras, Fernsehsendungen und anderen Spezialgebieten verwendet. Das HEVC-Format wurde den allgemeinen Benutzern Ende 2017 bekannt, als iOS 11 veröffentlicht wurde.

Warum HEVC besser ist als ältere Formate
Mit der Einführung der Betriebssysteme macOS High Sierra und iOS 11 begann Apple aktiv mit der Implementierung neuer Formate für Videos und Fotos. Für Fotos wird jetzt das HEIF-Format verwendet, über das wir bereits gesprochen haben, und für Videos das HEVC-Format.

Der Übergang zum HEVC-Format erfolgte aus zwei Gründen. Erstens liefert dieses Format ein Bild mit höherer Qualität. Und zweitens nimmt diese Art von Video weniger Speicherplatz ein und benötigt beim Streaming über das Internet weniger Netzwerkbandbreite. Einfach ausgedrückt, bietet HEVC-Video eine signifikante Verbesserung der Bildqualität bei gleichbleibender Dateigröße und Bitrate. Laut Apple kann die Verwendung des HEVC-Formats bis zu 40 Prozent des Speichers einsparen.

Es wurden verschiedene neue Ansätze verfolgt, um diese Verbesserung der Videokomprimierung zu erreichen. Einer dieser Ansätze ist die erhöhte Blockgröße, in die die codierte Datei unterteilt ist. Bei der Codierung von Videos im H.264-Format beträgt der Block 16 x 16 Pixel (insgesamt 256), während bei Verwendung von HEVC der Block 64 x 64 Pixel (insgesamt 4096) betragen kann. Diese Blockvergrößerung zeigt besonders gute Ergebnisse bei hochauflösenden Videos, was sehr nützlich ist, da das HEVC-Format Videos mit einer Auflösung von bis zu 8192 × 4320 Pixel unterstützt.