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AAC: Die verlustbehaftete Codierung wird besser – Zusammenfassung des AAC-Formats


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AAC: Die verlustbehaftete Codierung wird besser – Zusammenfassung des AAC-Formats

AAC Music File Format

Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels ist der MP3-Codec über 23 Jahre alt. Um mich nicht mit dem Artikel (der neuesten Version) zu wiederholen, der bereits die OGG Vorbis-Codecs beschreibt (und nochmals Hallo an die Xiph-Organisation, dies ist auch ihre Entwicklung), MPC (Musepack), WMA (Windows Media Audio) und AAC, Ich werde das Format hier kurz beschreiben. AAC in Bezug auf Technologien, die bis vor kurzem an der Spitze der verlustbehafteten Codierung standen.

AAC Format

Meiner bescheidenen Meinung nach ist AAC (Advanced Audio Codec) eines der fortschrittlichsten Formate im Bereich der Datencodierung. Ich werde die Hauptmerkmale dieses Formats beschreiben, beginnend mit den beliebten Profilen, die durch eine Matroschka dargestellt werden können (siehe Abbildung unten):

– Erweiterte Audiocodierung mit geringer Komplexität (LC-AAC)

Die geringe Komplexität der Decodierung eignet sich hervorragend für die Implementierung eines Hardware-Codecs. Die Hardwareanforderungen für CPU und RAM sind ebenfalls gering, was für dieses Profil eine große Popularität erlangt hat. Es codiert das 96-kbit / s-Signal effizient.

– Hocheffiziente erweiterte Audiocodierung (HE-AAC).

Das HE-AAC-Profil ist eine Erweiterung von LC-AAC und wird durch die patentierte SBR-Technologie (Spectral Band Replication, Thick – “Spectral Repetition”) ergänzt. Es ist eine Spektralwiederholungstechnologie, mit der Sie hohe Frequenzen durch Codierung mit niedrigen Bitraten “erhalten” können.

Warum ist “Speichern” in Anführungszeichen? Weil der König nicht real ist: Der Codec lässt Raum für zusätzliche Informationen, die vom Codec-Synthesizer verwendet werden, um die hohen Frequenzen wiederherzustellen. Da diese Frequenzen jedoch synthetisiert werden, dh vom Codec neu erstellt werden, handelt es sich tatsächlich um a grobe Kopie der hohen Frequenzen, die in der Originaldatei vorhanden waren. … In der Praxis klingt ein mit 48 kbit / s codiertes Signal beispielsweise als MP3 mit 98 kbit / s, wenn es vom Decoder unterstützt wird. Andernfalls wird die Datei einfach abgespielt, ohne die hohen Frequenzen wiederherzustellen, und die Bitrate entspricht der MP3-ähnlichen Qualität.

– Hocheffiziente erweiterte Audiocodierung Version 2 (HE-AACv2)

Dieses Profil ist relativ jung (beschrieben im Jahr 2006) und wurde für eine effizientere Audiocodierung unter Bedingungen mit geringer Bandbreite erstellt.
Die zweite Version des Profils ist eine Erweiterung des ersten Profils. Die Änderungen betreffen die PS-Technologie (Parametric Stereo). Das Prinzip ähnelt der SBR-Technologie: Der Codec bietet auch Platz für die Wiederherstellung von Informationen von der Stereobasis, wodurch die Präzision beeinträchtigt wird.

Die Betriebsbedingungen für dieses Profil sind die gleichen wie für das oben beschriebene HE-AAC; Die fehlende Profilunterstützung durch den Decoder lässt die Aufnahme in Mono klingen.

– AAC-LD (erweiterte Audiocodierung – geringe Verzögerung)

Das AAC-LD-Profil verfügt über fortschrittliche Codierungsalgorithmen, um Verzögerungen (bis zu 20 ms) zu reduzieren.

– AAC-ELD (Erweiterte Audiocodierung – Verbesserte niedrige Verzögerung)

Dieses Profil, das alle Funktionen von HE-AACv2 übernimmt (analoge SBR- und PS-Technologien werden verwendet, sind jedoch für geringe Latenzen ausgelegt).

– AAC-Hauptprofil

Dieses Profil wurde als MPEG-2 AAC oder HC-AAC (High Complexity Advanced Audio Coding) eingeführt. Nicht kompatibel mit LC-AAC;

– AAC-LTP (Advanced Audio Coding – Langzeitvorhersage)

Dieses Profil ist komplexer und ressourcenintensiver (aber auch von höherer Qualität) als alle anderen. Es ist auch nicht kompatibel mit LC-AAC.

Das ist alles, was ich über diesen Codec schreiben wollte. Ich lege größten Wert auf die Technologien, die in verschiedenen AAC-Profilen verwendet werden (die übrigens viele Abkürzungen erzeugen: AAC, LC-AAC, eAAC +, aacPlus, HE-AAC usw.), da ich sie mit den vergleichen werde von Opus, aber der Codec macht seinen Job: Er ist weit verbreitet im Internetradio sowie in digitalen Funkübertragungstechnologien: DRM (Digital Radio Mondiale) und DAB (Digital Audio Broadcasting) (Sie können diese Technologien hier sehen), YouTube , als Audiospur für viele Videos in mp4, mkv usw.

2. Einführung in Opus: Beschreibung des Formats

Am 21. Dezember 2017 kündigte Xiph die Beta-Version des Opus Audio Codec Version 1.3 an. Ich werde nicht auf wichtige Angelegenheiten eingehen, wenn ich diesen Codec beschreibe, da solche Informationen frei verfügbar sind (zum Beispiel hier, hier und für diejenigen, die Englisch sprechen, hier und hier). Die Versionshinweise für diese Beta-Version finden Sie hier. Hier möchte ich darauf hinweisen, dass dieser Codec ein ausgezeichneter Kandidat ist, um andere Codecs zu ersetzen. Es hat viele Vorteile:

Bitrate von 6 bis 510 Kbit / s;
Abtastfrequenz von 8 bis 48 kHz;
Unterstützung für konstante Bitraten (CBR) und Variablen (VBR);
Unterstützung für Schmalband- und Breitband-Audio;
Unterstützung für Stimme und Musik;
Unterstützung für Stereo und Mono;


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Soundcodierung

Soundcodierung

Sound Coding

Klang ist physischer Natur. Jedes Geräusch sind Schwingungen im Raum (in diesem Fall in der Luft), die von unseren Ohren erfasst werden. Die Schwingungen sind kontinuierlich und können durch mathematische Modelle beschrieben werden. Wir werden dies natürlich nicht tun, aber wir werden die Frage stellen: Wie können Schwingungen kontinuierlicher Natur auf eine Maschine geschrieben werden, die nur mit Nullen und Einsen arbeitet?

Sound Coding

1.1. Keine Komprimierung, kein Verlust

Das WAV (WAVE) -Format bewahrt die Audiospur in ihrer wahren Qualität, ohne die Audiodatei selbst zu manipulieren.

Um Ton aufzunehmen, müssen wir ihn in eine Reihe von Nullen und Einsen konvertieren. Im Fall des WAV-Formats geschieht dies auf die dümmste Weise: Der eingehende Audiostream wird in die kleinsten Segmente unterteilt (wie viele, daher die Begriffe “Abtastrate”, “Abtastrate” oder “Abtastrate”). Abtastung “) und in jedem Zeitintervall wird der aktuelle Wert des analogen Signals binär geschrieben. Formen. WAV-Dateien können mit Abtastraten von beispielsweise 8 kHz bis 192 kHz aufgezeichnet werden, der De-facto-Standard beträgt jedoch 44,1 kHz.

Es ist zu beachten, dass WAV als Container auch andere Möglichkeiten zum Speichern von Audioinformationen unterstützt: Zum Beispiel ADPCM, das in Abhängigkeit von der Bandbreite Audiodaten mit einer variablen Abtastrate codieren kann.

Die Frequenz von 44,1 kHz war kein Zufall. Wenn wir Ungenauigkeiten in der Beschreibung zugeben, dann wurde diese Zahl als Aussage von Kotelnikovs Theorem erzeugt: um die korrekteste Wellenform bei Frequenzen bis zu 20 kHz (der theoretischen Grenze der Hörbarkeit des menschlichen Ohrs) beizubehalten, eine Frequenz von Sampling doppelt so hoch: 40 kHz. Tatsächlich ist die Frequenz bei 44,1 kHz auf technische Aspekte zurückzuführen, deren Details hier gelesen werden können.

In jedem Segment dieses Typs wird die tatsächliche Spannung des analogen Signals in binärer Form codiert: Der höchste Pegel kann als “1111” dargestellt werden, der niedrigste als “0000”. Und hier kommt der zweite Parameter ins Spiel: die Tiefe des Klangs, die bestimmt, wie genau der Wellenwert über einen bestimmten Zeitraum digitalisiert wird. WAV-Dateien werden häufig in 16 oder 32 Bit geschrieben. Eine höhere Bittiefe bedeutet eine genauere Aufzeichnung.

Übrigens über PCM. Was brennt auf eine gewöhnliche CD, die nach Audiokassetten so beliebt ist? Das heißt, eine Folge von unkomprimierten Nullen und Einsen im PCM-Format. Bittiefe: 16 Bit, Abtastfrequenz: 44,1 kHz. Wie hoch ist dann die Bitrate dieser Aufnahme?

Eine 16-Bit-Nummer wird 44100 Mal pro Sekunde geschrieben. 44100 * 16 = 705600 Bit / s für einen Kanal;
Bei Stereoaufnahmen wird dieser Wert mit 2 – 1411200 Bit / s oder ~ 1411 KBit / s multipliziert.
Bei 32-Bit-Aufnahmen ist dieser Wert doppelt so hoch: ~ 2822 kbps.

Fazit: daher die Völlerei dieser Dateien für freien Speicherplatz auf der Festplatte, aber als Vorteil: das völlige Fehlen von Verlusten beim Aufnehmen und Anhören einer Audiodatei.

1.2. Verlustfreie Kompression

Ich werde nicht viel über verlustfreie Komprimierung schreiben. Dieser Begriff ist hier zu finden. Tatsächlich besteht diese Methode im Allgemeinen aus der Archivierung von Audioaufzeichnungen unter Verwendung von im Codec integrierten Algorithmen, aber die Daten gehen nicht verloren und die Fähigkeit, die Audioaufzeichnung bitweise wiederherzustellen, bleibt erhalten. Durch das Dekodieren dieser Formate erhalten wir tatsächlich das gleiche WAVE-Format, nur dass es weniger Speicherplatz beansprucht. Die Komprimierung ist ungefähr doppelt so hoch und hängt von der Art der codierten Zusammensetzung ab. Beim Anhören der Aufnahme “dekomprimiert” der Codec die Komposition und sendet eine Folge von unkomprimierten Nullen und Einsen, damit die Soundkarte sie verarbeiten kann.

Es gibt viele Codecs dieses Typs: Dies ist FLAC (Free Lossless Audio Codec), entwickelt von der Xiph-Organisation (ebenfalls entwickeltes Opus), ALAC (Apple Lossless) von der gleichnamigen Firma APE (Monkey’s Audio), WV (WavPack) und andere weniger bekannte verlustfreie Audiokomprimierungsformate.

1.3. Verlustbehaftete Kompression: Wir täuschen unsere Ohren

Wissenschaftler begannen zu denken, dass es im Prinzip oft nicht sinnvoll ist, vollständige Informationen über eine Audioaufnahme zu speichern, da unser Gehör nicht perfekt ist. Möglicherweise hören Sie nach lauten Tönen keine leisen Töne, möglicherweise keine zu hohen oder zu niedrigen Frequenzen usw. Diese Phänomene werden als Maskierungseffekt bezeichnet.

Als Ergebnis haben wir verstanden: Schließlich können Sie es hier werfen, dort schneiden, und der Hörer wird praktisch nichts bemerken – ein unvollkommenes Ohr gibt dem Hörer einfach die Möglichkeit, sich selbst zu täuschen. Daher ist es möglich, die psychoakustische Redundanz in der Datei zu beseitigen.

Tatsächlich existiert die Psychoakustik als Disziplin und untersucht die psychologischen und physiologischen Eigenschaften der menschlichen Wahrnehmung von Geräuschen.

Erfahren Sie, wie die Komprimierung von Audiodaten funktioniert

Erfahren Sie, wie die Komprimierung von Audiodaten funktioniert

Audio Data Compression

MP3s um uns herum 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 beim Verkauf einer CD oder LP. physisch. 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 Platz auf dem Server zu sparen und Downloadzeit für diejenigen zu sparen, 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 nicht von allen Spielern unterstützt.

Welche Klangqualität ist besser als 320 oder 128?

Welche Klangqualität ist besser als 320 oder 128?

Bit Rate

Was sind Bitraten? Wie wirken sie sich auf die Qualität von Musik und Video aus? Optimale Bitrate für verschiedene Musikstile

Bit Rate

Heutzutage wird viel darüber geredet, dass wir mit dem Aufkommen komprimierter Audioformate wie MP3, AAC und dergleichen echte Musik verloren haben. Ist es wirklich so? Wird verlustfreie Musik Musik retten? Kann ein unerfahrener Hörer den Unterschied zwischen MP3- und FLAC-Musik erkennen? Schauen wir uns dieses Problem an.

Was ist Bitrate?

Sie haben den Begriff “Bitrate” wahrscheinlich schon einmal gehört und haben wahrscheinlich eine grundlegende Vorstellung davon, was er bedeutet, aber es könnte eine gute Idee sein, sich mit seiner offiziellen Definition vertraut zu machen, um herauszufinden, wie alles funktioniert.

Die Bitrate ist die Anzahl der Bits oder die Datenmenge, die über einen bestimmten Zeitraum verarbeitet wird. In Audio bedeutet dies im Allgemeinen Kilobit pro Sekunde. Zum Beispiel beträgt die Musik, die Sie bei iTunes kaufen, 256 Kilobyte pro Sekunde, was bedeutet, dass jede Sekunde des Songs

Je höher die Bitrate der Spur ist, desto mehr Speicherplatz wird auf Ihrem Computer belegt. Audio-CDs nehmen normalerweise viel Platz ein, daher ist es gängige Praxis, diese Dateien zu komprimieren, damit Sie mehr Musik auf Ihre Festplatte (oder Ihren iPod, Ihre Dropbox oder was auch immer) brennen können. Hier kollidieren die Formate “verlustbehaftet” und “verlustbehaftet”.

Verlustfreie und verlustbehaftete Formate: Was ist der Unterschied?

Wenn wir verlustfrei sagen, meinen wir, dass wir die Originaldatei nicht wirklich geändert haben. Das heißt, wir kopieren einen Titel von der CD auf unsere Festplatte, komprimieren ihn jedoch nicht so weit, dass Daten verloren gehen. Im Wesentlichen das gleiche wie der Original-CD-Track.

Meistens werden Sie Ihre Musik jedoch wahrscheinlich im Lossy-Format extrahieren. Das heißt, Sie haben eine CD genommen, auf Ihre Festplatte kopiert und die Titel komprimiert, damit sie nicht viel Platz beanspruchen. Ein typisches Album ist wahrscheinlich etwa 100 MB groß. Das gleiche verlustfreie Album wie (auch bekannt als Apple Lossless) nimmt etwa 300 MB ein. Daher ist es gängige Praxis, verlustbehaftete Formate zu verwenden, um schnellere Startzeiten und mehr Festplatteneinsparungen zu erzielen.

Das Problem ist, dass Sie beim Komprimieren einer Datei aus Platzgründen Datenblöcke entfernen. Genau wie wenn Sie ein qualitativ hochwertiges Bild aufnehmen und es in JPEG komprimieren, erfasst Ihr Computer die Rohdaten und “trickst” bestimmte Teile des Bildes so aus, dass sie im Grunde gleich sind, jedoch mit einem gewissen Verlust an Klarheit und Qualität.