January 2021 – Page 2

Erfahren Sie, wie die Datenkomprimierung funktioniert

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Erfahren Sie, wie die Datenkomprimierung funktioniert

Audio data compression

Vor vielen, vielen Jahren sollte das Internet die Kraft sein, die die Musikindustrie demokratisieren würde, die physische Verbreitung sollte überholt sein und es war möglich, Musik im Internet zu veröffentlichen und von Millionen von Zuschauern gehört zu werden.

Audio Data Compression

In der Tat haben Enthusiasten und Unternehmen Websites erstellt, auf denen Fans neue Musik hören können, das MP3-Format hat es einfach gemacht, Songs für Kritiker zu platzieren, und Musikdemostücke helfen jetzt dabei, eine CD oder LP physisch zu verkaufen. Es ist nicht schwierig, Ihre Musik ins Internet zu stellen. Wenn Sie jedoch kein Star der ersten Größenordnung sind, müssen Sie die Platzierung der Daten in komprimiertem Format akzeptieren, um Speicherplatz auf dem Server zu sparen und den Download zu speichern. Zeit für diejenigen, die ihr Meisterwerk herunterladen. Obwohl es viele Kritiker von MP3 gibt, gibt es Möglichkeiten, einige der Einschränkungen dieses Formats zu umgehen.

Das MP3-Format basiert auf der Verwendung von Datenkomprimierungsalgorithmen, mit denen die zum Abspielen von Musik erforderliche Datenmenge reduziert werden kann. Komprimierungsalgorithmen in MP3 funktionieren mit Datenverlust. Sie funktionieren nicht wie Zip- oder Rar-Komprimierungsalgorithmen, die die Originaldatei ohne Datenverlust wiederherstellen. MP3-Algorithmen verwerfen “unnötige” Daten. Wenn eine Spur beispielsweise viel Sound mit hohem Pegel enthält, kann der Algorithmus davon ausgehen, dass Sie kein Material mit niedrigem Pegel hören können, und denken, dass nur 24 dB Dynamikbereich für diesen Teil des Audiomaterials ausreichen. Es werden nur 4 Datenbits benötigt, ein Viertel der Daten, die für die 16-Bit-Auflösung benötigt werden. Leider ist es schwierig, die Klangqualität von Musik beim Komprimieren beizubehalten, aber es ist möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, Algorithmen wie FLAC oder einige von Microsoft und Apple für ihre Audioformate angebotene Algorithmen zu verwenden, die ohne Datenverlust funktionieren. Diese Algorithmen führen jedoch nicht zu einer signifikanten Verringerung der Dateigröße. Bei komplexer Musik kann die Größenreduzierung nur 10-20% betragen.

Obwohl es viele Algorithmen zum Komprimieren von Audiodaten gibt, sind nur einige die häufigsten:

MP3. Dieses Format ermöglicht mehrere Codierungsebenen. Sie können Audiodateien nahezu jeder Größe mit einer kleineren Größe mit größerem Genauigkeitsverlust erstellen. Es gibt viele kostenlose und Shareware-MP3-Player (wie iTunes und Windows Media Player). Zum Codieren von MP3 können Sie iTunes und die meisten digitalen Audio-Editoren verwenden.

AAC. Als natives iPod-Format ist dieses Format sehr beliebt und klingt nach Ansicht der meisten Benutzer bei gleicher Dateigröße besser als MP3. ITunes kann Dateien in AAC konvertieren.

Windows Media Audio. Das Format wird von Windows beworben, jedoch weniger häufig als MP3 oder AAC verwendet. Die WMA-Klangqualität ist im Allgemeinen besser als bei MP3. Während Microsoft Benutzern keine WMA-Wiedergabesoftware für die Mac-Plattform anbietet, kann das Dienstprogramm Flip4Mac (kostenlose Version verfügbar) Windows Media-Formate auf dem Mac abspielen.

Ogg Vorbis. Ein großartiges, aber selten verwendetes Format, das bei gleicher Bitrate besser als MP3 klingt. Im Gegensatz zu MP3 sind die Codierungstools für Entwickler kostenlos. Ogg Vorbis-Dateien sind noch nicht weit verbreitet, aber bei fortgeschrittenen technischen Benutzern beliebt.

FLAC. Dieses beliebte verlustfreie Format wird von vielen tragbaren Musik-Playern nicht unterstützt, aber Musiker verwenden häufig FLAC, um Dateien auszutauschen, wenn sie an gemeinsamen Projekten arbeiten. Hohe Klangqualität bleibt erhalten.

Obwohl MP3 nicht die beste Qualität bietet, wird dieses Format am häufigsten verwendet, wenn Audiodateien im Netzwerk abgelegt werden. Alle Spieler können MP3 abspielen. Es ist wichtig, die richtigen MP3-Einstellungen zu wählen. Beim Codieren von Dateien in MP3 ist es immer am besten, eine hochwertige Quelldatei ohne Komprimierung zu verwenden. Wählen Sie dann die Komprimierungseinstellungen. Beim Speichern im MP3-Format können Sie im Allgemeinen zwischen verschiedenen Bitraten (Bits pro Sekunde) wählen, von 320 kbit / s Stereo (hervorragende Qualität, aber auch eine ziemlich große Datei) bis 8 kbit / s Mono (gut genug für Diktate). Zusätzlich zu den festen Einstellungen gibt es eine VBR-Codierung (Variable Bit Rate), die den Bitstrom entsprechend dem Wiedergabematerial optimiert. Die VBR-Codierung wird daher nicht von allen Spielern unterstützt.

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Digitale Audiokodierung

Digitale Audiokodierung

Digital audio encoding

Tatsächlich ist die eine oder andere digitale Form der Darstellung von analogen Audiosignalen bereits eine Codierungsmethode – eine Folge von Zahlen, die ein analoges Audiosignal beschreibt, ist selbst ein digitaler Code.

Digital Audio Encoding

Die Kodierung, über die wir jetzt sprechen werden, ist jedoch etwas anderes. Schauen wir uns nun die Methoden zum Codieren digitaler Audiosignale an.

Ein digitalisiertes Audiosignal “in seiner reinen Form” ist eine ziemlich genaue, aber nicht die kompakteste Art, das ursprüngliche analoge Signal aufzuzeichnen.

Urteile selbst. Um vollständige Informationen über das ursprüngliche analoge Signal im Frequenzbereich 0-20 kHz (im hörbaren Frequenzbereich) zu erhalten, muss das analoge Signal mit einer Frequenz von mindestens 40 kHz abgetastet werden. Daher legt der CD-DA-Standard (der Standard zum Aufzeichnen von Daten auf Audio-CDs, die allen bekannt sind) die folgenden Codierungsparameter fest: Aufzeichnen von zwei oder einem Kanal im PCM-Format mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz und einer 16-Bit-Quantisierungsbittiefe . Eine Stunde Musik in diesem Format nimmt ungefähr 600 MB Speicherplatz ein (60 Minuten * 60 Sekunden * 2 Kanäle * 44100 Samples pro Sekunde * 2 Bytes pro Sample = ungefähr 605 MB). Wenn man berücksichtigt, dass beispielsweise die Musiksammlung eines gewöhnlichen Musikliebhabers 5.000 Titel mit einer durchschnittlichen Länge von jeweils etwa 3 Minuten enthält, ist der Speicherbedarf, der erforderlich ist, um sie in ihrer ursprünglichen digitalen Form zu speichern, ziemlich bedeutend. Daher erfordert das Speichern relativ großer Mengen von Audiodaten, um eine ziemlich gute Klangqualität sicherzustellen, die Verwendung verschiedener “Tricks”, um die Daten zu komprimieren.

Im Allgemeinen können alle vorhandenen Methoden zum Codieren von Audioinformationen bedingt in nur zwei Typen unterteilt werden.

1. Die verlustfreie Datenkomprimierung (“verlustfreie Codierung”) ist eine Methode zum Codieren (Komprimieren) digitaler Audioinformationen, die eine hundertprozentige Wiederherstellung der Originaldaten aus der komprimierten Übertragung ermöglicht (der Begriff “Originaldaten” bedeutet hier die ursprüngliche Form von die digitalisierten Audiodaten). Diese Methode der Datenkomprimierung wird in Fällen verwendet, in denen eine hundertprozentige absolute Erhaltung der Qualität der ursprünglichen Audiodaten erforderlich ist. Die heute existierenden verlustfreien Komprimierungsalgorithmen können das Datenvolumen um 20-50% reduzieren und gleichzeitig eine 100% ige Wiederherstellung des ursprünglichen digitalen Materials aus den komprimierten Daten gewährleisten. Die Betriebsmechanismen solcher Codierer ähneln den Betriebsmechanismen allgemeiner Datenarchivierer wie ZIP oder RAR, sind jedoch gleichzeitig speziell für die Komprimierung von Audiodaten angepasst. Verlustfreie Codierung Obwohl sie im Hinblick auf die Aufbewahrung ideal ist Aufgrund der Qualität der Audiomaterialien kann kein hohes Maß an Komprimierung erzielt werden.

2. Es gibt eine andere modernere Möglichkeit, Daten zu komprimieren. Diese sogenannte verlustbehaftete Datenkomprimierung (engl. “Lossy Coding”) Der Zweck der Codierung besteht darin, mit allen Mitteln die höchste Datenkomprimierungsrate zu erzielen und gleichzeitig die Klangqualität auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Die Idee hinter verlustbehafteter Codierung basiert auf zwei einfachen Überlegungen:

Die ursprünglichen digitalen Audiodaten sind redundant: Sie enthalten viele unnötige Informationen, die für das Ohr unbrauchbar sind und entfernt werden können, wodurch das Komprimierungsverhältnis erhöht wird.
Die Anforderungen an die Klangqualität von Audiomaterial können variieren und hängen von bestimmten Zwecken und Anwendungsbereichen ab.
Eine verlustbehaftete Codierung wird daher als “verlustbehaftet” bezeichnet, was zum Verlust einiger Audioinformationen führt. Eine solche Codierung führt dazu, dass das decodierte Signal bei seiner Wiedergabe ähnlich wie das Original klingt, in Wirklichkeit jedoch nicht mehr mit diesem identisch ist. Die meisten verlustbehafteten Codierungsmethoden beruhen auf der Verwendung der psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Hörsystems sowie auf verschiedenen Tricks, die mit dem Resampling und Resampling des Signals verbunden sind. In der Frequenz analysiert der Encoder während des Komprimierungsprozesses die Audiodaten, um verschiedene Details des Sounds zu identifizieren, die ignoriert werden können. Verdeckte Frequenzen, unhörbare und unhörbare Klangdetails können für ein höheres Kompressionsverhältnis geopfert werden. Wenn Verständlichkeit nur für den Ton wichtig ist (z. B. in der Telefonie, wo das Vorhandensein von Frequenzen über 4 kHz nicht erforderlich ist), werden die Audioinformationen während des Codierungsprozesses ernsthaft “vereinfacht”, was zusammen mit der Verwendung von ” intelligente “Quantifizierer” und “gierige” Datenkomprimierungsalgorithmen.

Audiokomprimierungsalgorithmen für Streaming-Zwecke.

Audiokomprimierungsalgorithmen für Streaming-Zwecke.

Das Problem der Übertragung der erforderlichen Anzahl von Audiokanälen über ein Netzwerk mit begrenzter Kapazität zwingt uns, auf die Audiokomprimierung zurückzugreifen. Trotz des Einsatzes moderner digitaler Technologien wirkt sich die Komprimierung negativ auf die Klangqualität aus und führt zu einer zusätzlichen Verzögerung der Signalübertragung.

Derzeit gibt es zwei grundlegend unterschiedliche Ansätze zum Komprimieren von Audiosignalen. Dieser Artikel bietet einen allgemeinen Vergleich zwischen diesen beiden unterschiedlichen Komprimierungsprinzipien. Außerdem werden Diagramme des Frequenzgangs (Amplitudenfrequenzcharakteristik) des Klangbeispiels in seiner ursprünglichen unkomprimierten Form und nach einem Zyklus des Codierens und Decodierens unter Verwendung von MPEG Layer II und Enhanced apt-X dargestellt.

Algorithmen wie MPEG und AAC verwenden die Codierung unter Verwendung eines psychoakustischen Modells der Schallwahrnehmung. Ein anderer Ansatz ist die Zeitcodierung unter Verwendung von Adaptive Differential PCM (ADPCM) in Algorithmen wie Enhanced apt-X.

Lineares PCM-Audio
Vor der Komprimierung wird das Audio im Allgemeinen im linearen PCM-Format bei 32 kHz, 44,1 oder 48 kHz mit einer Auflösung von 16 oder 24 Bit digitalisiert.

Das analoge Signal wird in unkomprimiertem digitalem PCM digitalisiert. Die digitalen Eingänge der Codecs verwenden Oversampling, um die Konvertierung ohne Zeitprobleme sicherzustellen. Das unkomprimierte PCM-Signal ist unser Maßstab für den Vergleich komprimierter Audiodateien.

MPEG Layer II-Komprimierung
MPEG 1 Layer II ist ein weit verbreitetes Format. Dies ist ein typisches Beispiel für einen Algorithmus zur Codierung der psychoakustischen Wahrnehmung, der das eingehende Signal analysiert und mit einem theoretischen Modell vergleicht, um festzustellen, welche Frequenz und welche Zeitbereichsinformationen verloren gehen könnten. Die Notwendigkeit, das Audiosignal zu analysieren, führt zu einer obligatorischen Verzögerung, typischerweise größer als 30 ms.

Theoretisch können hohe Komprimierungsverhältnisse erreicht werden, aber selbst bei relativ geringer Komprimierung kann MPEG die Audioqualität ernsthaft beeinträchtigen. In Fig. 2 ist der Frequenzgang nach einem Durchgang der MPEG-Codierung der Quelldatei dargestellt.

Beachten Sie Frequenzen, die vom ursprünglichen PCM-Audio verloren gehen oder verzerrt sind.

Komprimierungsverstärktes Apt-X
Enhanced apt-X verwendet die ADPCM-Audioverarbeitungstechnologie. Das Signal ist in vier Frequenzbänder unterteilt, die mit einem Viertel der ursprünglichen Abtastrate unter Verwendung einer variablen Bitrate und eines variablen Quantisierungsschritts verarbeitet werden können. Da die gesamte Verarbeitung auf einer Zeitbereichsmethode basiert, gibt es keine andere Verzögerung als die tatsächlich erforderliche Verarbeitungszeit.

Infolgedessen behält ein Komprimierungsverhältnis von 4: 1 den gesamten Frequenzinhalt des ursprünglichen Signals mit einer Codierungsverzögerung von weniger als 3 ms bei. Das Frequenzgangdiagramm in Fig. 3 zeigt das Ergebnis einer Codierung / Decodierung mit einem Durchgang unter Verwendung von Enhanced apt-X bei 256 kbps und zeigt die hohe Wiedergabetreue von Enhanced apt-X im Vergleich zum ursprünglichen unkomprimierten Signal.

So funktioniert Enhanced apt-X
Der verbesserte apt-X-Codierungsalgorithmus leitet die ursprünglichen PCM-Daten durch ein speziell entwickeltes zweistufiges Q-Spiegelfilter, um das Signal in vier Teilbänder zu unterteilen und den Takt auf 1/4 der ursprünglichen Taktfrequenz zu reduzieren. Das Quantisierungsverfahren besteht aus der Verarbeitung von vier Untersignalen, um jedes Signal von 16 Bit auf 7 Bit in Teilband 1, 4 Bit in Teilband 2, 3 Bit in Teilband 3 und 2 in Teilband 4 zu reduzieren.

Das inverse Quantisierer- und Vorhersageschema verwendet die obigen Werte, um die Größe des nächsten Signals vorherzusagen. Dieser Wert wird mit dem tatsächlichen Signal verglichen und die “Differenz” gemessen. Der Codierer überträgt dieses gemessene “Differenz” -Signal an den Decodierer. Jedes Teilband wird parallel verarbeitet und die Ausgabe des String-Quantisierers und Prädiktors wird mit einer vorbestimmten Auflösung codiert. Der Verarbeitungsausgang der vier Teilbänder wird in ein einzelnes verstärktes 16- oder 24-Bit-Apt-X-Signal gemultiplext. Anschließend werden zusätzliche Daten und Synchronisierungsdaten zum Streaming hinzugefügt.

Vergleich nach Hauptpunkten
Die MPEG / AAC-Codierung ist destruktiv: Während des Codierungsprozesses gehen Frequenzen verloren.
Die verbesserte apt-X-Codierung ist zerstörungsfrei, da jede im ursprünglichen Signal vorhandene Frequenz im codierten und decodierten Signal gespeichert wird.
MPEG und AAC leiden unter dem Verkettungseffekt: Wiederholte Codierungs- und Decodierungszyklen beeinträchtigen die Audioqualität schnell.
Enhanced apt-X ist verkettungsbeständig – wiederholte Codierungs- und Decodierungszyklen führen zu keiner merklichen Verschlechterung der Klangqualität.

Digitale Audioformate

Digitale Audioformate

Digital Audio

Das digitale Audioformat ist ein Format zur Darstellung von Audiodaten, die bei der digitalen Audioaufzeichnung verwendet werden, sowie zur zusätzlichen Speicherung von aufgezeichnetem Material auf einem Computer und anderen elektronischen Medien, sogenannten Audiomedien.

digital audio

Die Audiodatei (eine Datei mit einer Tonaufnahme) ist eine Computerdatei, die Informationen über die Amplitude und Frequenz des Tons enthält und für die spätere Wiedergabe auf einem Computer oder Player gespeichert wird.

Verschiedene digitale Audioformate.

Es gibt verschiedene Konzepte für das Audioformat.

Die digitale Darstellung der Audiodaten hängt davon ab, wie der Digital-Analog-Wandler (DAC) quantisiert. In der Tontechnik sind derzeit zwei Arten der Quantisierung am häufigsten:

Pulscodemodulation

Sigma-Delta-Modulation

Quantisierungstiefe und Abtastrate werden häufig für verschiedene Audioaufzeichnungs- und -wiedergabegeräte als digitales Audio-Rendering-Format (24 Bit / 192 kHz; 16 Bit / 48 kHz) angegeben.

Das Dateiformat bestimmt die Struktur und Präsentationseigenschaften der Audiodaten beim Speichern auf einem PC-Speichergerät. Um die Redundanz der Audiodaten zu beseitigen, werden Audiocodecs verwendet, mit deren Hilfe die Audiodaten komprimiert werden. Es gibt drei Gruppen von Audiodateiformaten:

unkomprimierte Audioformate wie WAV, AIFF

verlustfreie komprimierte Audioformate (APE, FLAC)

verlustbehaftete komprimierte Audioformate (mp3, ogg)

Modulare Musikdateiformate werden hervorgehoben. Synthetisch oder aus voraufgezeichneten Live-Instrumenten-Samples erstellt, werden sie hauptsächlich zur Erstellung moderner elektronischer Musik (MOD) verwendet. Dies kann auch auf das MIDI-Format zurückgeführt werden, bei dem es sich nicht um eine Tonaufnahme handelt. Gleichzeitig können Sie mit einem Sequenzer Musik mit einem bestimmten Befehlssatz in Form von Text aufnehmen und abspielen.

Digitale Audiomedienformate werden sowohl für die Massenverteilung von Tonaufnahmen (CD, SACD) als auch für die professionelle Tonaufnahme (DAT, Minidisc) verwendet.

Bei Surround-Sound-Systemen können auch Tonformate unterschieden werden, bei denen es sich hauptsächlich um Mehrkanal-Soundbegleitungen für Filme handelt. Diese Systeme verfügen über vollständige Formatfamilien von zwei Hauptkonkurrenten, Digital Theatre Systems Inc. (DTS) und Dolby Laboratories Inc. (Dolby Digital).

Das Format wird auch als Anzahl der Kanäle in Mehrkanal-Soundsystemen (5.1; 7.1) bezeichnet. Dieses System wurde ursprünglich für Kinos entwickelt, wurde aber seitdem für Heimkinosysteme erweitert.