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Digitale Musikaufnahme Teil 4

Werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Audiodateiformate.

Mp3 erschien 1992. Mit seinem hohen Komprimierungsverhältnis und der akzeptablen Klangqualität ist es äußerst beliebt und zum De-facto-Standard für die Speicherung von Musikdateien geworden. In diesem Format werden Musikdateien auf tragbaren Playern aufgezeichnet, die bei jungen Leuten so beliebt sind. Seit dem Sommer 2002 ist MP3 jedoch eine Zahlung für Programmierer: Für das Recht, Unterstützung für das Format in ihr Programm aufzunehmen, wurde für jede Kopie eine Lizenzgebühr von 75 Cent festgelegt. Um eine neue und fortgeschrittenere Version von mp3 Pro zu erhalten, musste man für jedes Programm 1,25 US-Dollar bezahlen. Natürlich waren die Entwickler und Benutzer der Programme mit dieser Idee äußerst unzufrieden. Insbesondere war die Unterstützung von MP3 unter Open Source-Betriebssystemen wie allen Linux-Klonen nicht möglich. Die Patentinhaber – das Fraunhofer-Institut und Thomson Multimedia – hatten das Gefühl, genug zu haben, und erklärten schnell, dass sie “missverstanden” wurden, aber wie im alten Witz, “obwohl Löffel gefunden wurden, blieben die Rückstände immer noch”.

Die erfolglose und unflexible Politik der Patentinhaber hat zu einem starken Anstieg des Interesses der Computerwelt an anderen Audiokodierungsformaten geführt, von denen das erste natürlich WMA (Windows Media Audio) ist, das von Microsoft erstellt wurde. Es basiert auf der erfolgreichen Voxware Audio Codec 4-Technologie, die ursprünglich für die Sprachcodierung entwickelt wurde: Voxware 4-Dateien haben eine Verständlichkeit von 90 Prozent bei 64 Kbit / s, doppelt so viel wie die Konkurrenz.

Der modifizierte Voxware-Codec wurde zur Marke WMA und ermöglicht es Ihnen nun, Musik mit 64 Kbit / s aufzunehmen, ähnlich wie MP3 mit 128 Kbit / s. Dies bedeutet, dass eine WMA-Datei bei gleicher Klangqualität die Hälfte der Größe einer MP3-Datei einnimmt. Experten glauben, dass in WMA aufgenommene Musik “sauberer und lebendiger” klingt als in MP3.

Der interessanteste und ernsthafteste Gegner von MP3 und WMA ist das OGG-Format (Ogg Vorbis Audio). Das Projekt begann 1993 unter dem Namen “Squish”. Im Englischen hat dieses Wort viele Bedeutungen: Marmelade, Unsinn und Jammern. Es ist schwer genau zu sagen, was die Autoren vorhatten, aber eine Süßwarenfirma sagte, Squish sei ihr Markenzeichen. Ich musste den Namen dringend ändern. Um Zufälle zu vermeiden, wurde er zweifellos als wählerisch ausgewählt: Das Wort “Vorbis” stammt aus Terry Pratchetts Science-Fiction-Roman, und “Ogg” ist ein Slang-Wort für Computerspieler, was bedeutet, dass “es Macht gibt”, spielt keine Rolle ! ” “”

OGG ist ein freies und offenes Format. Der Codec unterstützt Abtastraten von bis zu 48 kHz, Bitraten von bis zu 512 Kbit / s und bis zu 255 Kanäle, ermöglicht das Speichern von Text- und Grafikinformationen in einer Datei zusammen mit einer Komposition, und der Ton wird mit variabler Rate codiert. Da die Stereokanäle zusammen und nicht getrennt codiert sind, wird die Musik, die auf beiden Kanälen erklingt, nicht zweimal, sondern einmal aufgenommen, was die Datei sehr kompakt macht. Die Komprimierung ist 20-50% besser als die von MP3 und die subjektive Klangqualität höher … Das Problem bei Ogg Vorbis ist, dass die Wale des Computergeschäfts keinen starken Konkurrenten benötigen und ihre Unterstützung nicht in gängigen Betriebssystemen enthalten.

AAS. Der vollständige Name lautet MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding). Entwickelt vom Fraunhofer-Institut und verschiedenen Handelsunternehmen. Es basiert auf dem gleichen mp3. Das AAC wurde ursprünglich für die Unterstützung von Abtastraten bis zu 96 kHz entwickelt, und die maximale Anzahl von Kanälen wurde unter Berücksichtigung zukünftiger Mehrkanalformate wie dem heutigen Dolby Digital von 2 auf 48 erhöht. Aufgrund der Verwendung komplexerer Algorithmen sind die Encoder erheblich langsamer als bei MP3-Dateien, und die Player benötigen außerdem mehr Prozessorleistung. Die beste Wahl für AAC-Encoder mit 96 Kbit / s bietet eine nicht schlechtere und manchmal sogar bessere Qualität als MP3 mit 128 Kbit / s.

Das AAC-Format ermöglicht die Verwendung von Steganografietechniken, um sogenannte Wasserzeichen in die aufgezeichnete Sequenz einzubetten: Autoren- / Künstlernamen, Copyright-Informationen usw. Anschließend erstellten die Mitautoren des Formats unabhängig voneinander mehrere Versionen davon, von denen die bekannteste Liquid Audio ist.

Bis vor kurzem galt Liquid Audio als das beste in Bezug auf die Wiedergabequalität und konnte als Nachfolger von MP3 gelten, aber der Schöpfer des Formats, Liquid Audio Company, folgte bei seiner Implementierung einer erfolglosen Richtlinie.

VQF ist eine Methode und ein Format, die von der japanischen Firma NTT entwickelt und hauptsächlich von der japanischen Firma Yamaha unter dem Namen SoundVQ beworben werden.

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Digitale Musikaufnahme Teil 3

Die Zeitmaskierung basiert auf der Tatsache, dass ein stiller Ton, der unmittelbar einem lauten Geräusch folgt, ausgeschlossen werden kann, da die Änderung der Hörschwelle eines menschlichen Ohrs nicht sofort erfolgt.

Alle verlustbehafteten Audiokodierungsmethoden arbeiten nach demselben Schema. Zunächst wird der Ton in Frames unterteilt, aus denen die maskierten Komponenten entfernt werden, wonach die Frames mit der Hoffman-Methode codiert werden, wobei den gebräuchlichsten Codewörtern die Mindestdauer und im Gegenteil die am wenigsten häufigen gegeben wird maximal. Der Unterschied zwischen den Methoden liegt in der Art und Weise, wie der Schall analysiert und die maskierten Komponenten entfernt werden.

Verlustfreie Komprimierungsalgorithmen sind relativ selten, obwohl sie ihre eigenen unbestreitbaren Vorteile haben. Der Punkt ist, jeder Verlust verdirbt den Klang. Es ist eine Sache, wenn Sie an einem Computer über chinesische Plastiklautsprecher hören – “Cheburashka” – “Und Sie küssen mich überall …” – und eine andere – wenn Sie symphonische Musik auf ernsthaften Geräten spielen. Darüber hinaus kann selbst ein Profi kaum sagen, was genau beim Codieren im Sound fehlte. Vage Begriffe wie “bunt”, “Transparenz”, “Saftigkeit” … werden verwendet.

Es gibt viele Algorithmen zum Komprimieren von Audiodateien und folglich die Formate dieser Dateien. Beispielsweise unterscheiden sich die Audioaufzeichnungsformate für PC-Spiele, Audio-Player und Internet-Downloads. Als Faustregel gilt, dass Dateien mit hoher Bitrate eine relativ hohe Audioqualität und Größe haben, während Dateien mit niedriger Bitrate kompakt sind, aber nur aus Höflichkeit als Musik bezeichnet werden können.

Darüber hinaus wurden verschiedene Audiodateiformate für verschiedene Computerplattformen wie PC, Macintosh, Amiga und andere erstellt.

Digitale Musikaufnahme

1900 demonstrierte der dänische Ingenieur W. Paulsen auf der Weltausstellung in Paris ein Arbeitsmodell eines magnetischen Aufzeichnungsgeräts, das als Alternative zu Edisons Erfindung entwickelt wurde.

Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit ertönte auf einer Magnetaufnahme eine menschliche Stimme: Die erstaunten Pariser hörten die Stimme des österreichisch-ungarischen Kaisers Franz Joseph, der die Pfeife brach. Von diesem Moment an begann vielleicht die wahre Geschichte der Tonaufnahme, deren Theorie in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts aufgestellt wurde.

Ton ist ein komplexes analoges Signal. Zur Analyse solcher Signale wird eine in der Radioelektronik weit verbreitete Technik verwendet. Mit der Fourier-Transformation wird ein komplexes Signal in eine harmonische Reihe umgewandelt, die aus Sinuskurven mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden besteht. Aber in der Praxis unterscheidet sich das Signal, mit dem wir es zu tun haben, natürlich stark von dem sinusförmigen.

Musiker nennen die erste Harmonische in diesem Spektrum den Grundton, und Harmonische mit höheren Frequenzen werden Harmonische genannt. Der Hauptton bestimmt die Tonhöhe und die Harmonischen geben ihm eine bestimmte Farbe, wodurch das Timbre einer Stimme oder eines Musikinstruments entsteht.

Zur Untersuchung der Spektren von Audiosignalen werden komplexe und teure Instrumente verwendet – Spektrumanalysatoren.

Mit Hilfe solcher Geräte kann festgestellt werden, dass einige Musikinstrumente, beispielsweise eine Geige, ein relativ einheitliches Spektrum und einige Windspektren mit ausgeprägten Maxima und Minima aufweisen, die als Formanten bezeichnet werden.

Es gibt keine Begriffe, die die Färbung des Timbres einer menschlichen Stimme oder von Musikinstrumenten direkt beschreiben. Daher müssen verschiedene Metaphern wie “tiefes Timbre”, “hartes Timbre”, “metallischer” Klang oder sogar “Transistor” verwendet werden. .

Versuche, digitale Informationsverarbeitungsverfahren im Zusammenhang mit der Tonaufzeichnung einzusetzen, wurden mehrfach unternommen, aber die ersten ernsthaften Ergebnisse wurden in den frühen 1980er Jahren des 20. Jahrhunderts erzielt und fielen mit der raschen Entwicklung von Computern und der erfolgreichen Mikrominiaturisierung des Radios zusammen. Komponenten. Der Einsatz digitaler Tonverarbeitungstechniken hat aufregende neue Möglichkeiten eröffnet.

Um Ton auf einem Computer zu verarbeiten, muss er zuerst in ein digitales, codiertes Format konvertiert werden. Ein analoges Signal wird von Geräten codiert, die als Analog-Digital-Wandler (ADCs) bezeichnet werden. Das Hauptverfahren zum Codieren eines analogen Signals ist die Pulscodemodulation, die aus drei Operationen besteht: Abtasten, Quantisieren und Codieren.

Wir werden jetzt nicht auf die Codierungstheorie eingehen, zumal sie ziemlich kompliziert ist und höhere mathematische Fähigkeiten erfordert. Für uns ist es wichtig zu verstehen, dass die Qualität des digitalisierten Klangs und die daraus resultierende Dateigröße von der Abtastrate und der Bittiefe abhängen.

Die Abtastrate ist die Frequenz, mit der die Eigenschaften eines Audiosignals gemessen werden. Aus Kotelnikovs Abtasttheorem folgt, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz des codierten Signals, um ein unverzerrtes digitales Signal zu erhalten. Daher muss beim Codieren eines Audiosignals die Abtastrate mindestens 40 kHz betragen. In digitalen Kommunikationssystemen beträgt die Abtastfrequenz 32 kHz, in Laser-CD-Playern und digitalen Consumer-Tonbandgeräten 44,1 kHz. Bei digitalen Studiogeräten ist die Abtastrate sogar noch höher: 48 kHz.

Die Bittiefe des aufgezeichneten Tons ist die Anzahl der Speicherbits, die zugewiesen sind, um jeden Wert der Amplitude des Tonsignals zum Zeitpunkt seiner Messung aufzuzeichnen. Moderne Soundkarten verwenden 8 oder 16 Bit Speicher pro Dimension, und 32-Bit-Karten höherer Qualität sind verfügbar. Je höher die Bittiefe ist, desto höher ist die Qualität des digitalisierten Klangs.

Wie bereits erwähnt, hängt die Größe einer Audiodatei von der Abtastrate und der Bittiefe des Sounds ab. Bei einer Abtastrate von 44 kHz und einer Tontiefe von 16 Bit erfordert eine Minute Ton eine Dateigröße von 5,3 MB und eine Abtastrate von 11 kHz und 8 Bit – 660 Kb.

Es ist klar, dass sich eine solche Verschwendung von Speicherplatz als inakzeptabel herausstellte und spezielle Algorithmen und Formate für die billigere Speicherung von Audiodateien erstellt wurden.

Beim Vergleich verschiedener Komprimierungsformate wird häufig der Parameter “Klangqualität bei einer bestimmten Bitrate” verwendet.

Die Bitrate ist ein Parameter, der angibt, wie viel Speicherplatz zum Speichern von 1 Sekunde Musik verwendet wird. Beispielsweise bedeutet eine Bitrate von 128 Kbit / s, dass ein dreiminütiger Song etwa 2,8 MB belegt.