Audiokodierung und -verarbeitung


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Audiokodierung und -verarbeitung

Audio processing

Toninformationen. Schall ist eine Welle, die sich mit sich ständig ändernder Intensität und Frequenz durch Luft, Wasser oder ein anderes Medium bewegt.

Audio processing

Eine Person nimmt Schallwellen (Luftschwingungen) mit Hilfe des Hörens in Form von Geräuschen unterschiedlicher Lautstärke und Tonhöhe wahr. Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe

Das menschliche Ohr nimmt Schall mit einer Frequenz von 20 Schwingungen pro Sekunde (leiser Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (hoher Schall) wahr.

Eine Person kann Schall in einem weiten Bereich von Intensitäten wahrnehmen, in denen die maximale Intensität 10 bis 14 Mal höher ist als die minimale (einhunderttausend Milliarden Mal). Zur Messung der Lautstärke wird eine spezielle Einheit “Dezibel” (dbl) verwendet (Tabelle 5.1). Das Verringern oder Erhöhen der Schalllautstärke um 10 dB entspricht einer 10-fachen Verringerung oder Erhöhung der Schallintensität.

Tabelle 5.1. Lautstärke
Lautstärke in Dezibel
Untergrenze der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs 0
Blatt flüstert zehn
Gespräch 60
Horn 90
Düsentriebwerk 120
Schmerzschwelle 140
Sound Time Sampling. Damit ein Computer Ton verarbeiten kann, muss ein kontinuierliches Audiosignal mithilfe von Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden. Eine kontinuierliche Schallwelle ist in separate kleine Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert für die Schallintensität festgelegt.

Daher wird die kontinuierliche Abhängigkeit der Lautstärke des Schalls zum Zeitpunkt A (t) durch eine diskrete Folge von Lautstärkepegeln ersetzt. In der Grafik scheint dies eine glatte Kurve durch eine Folge von “Schritten” zu ersetzen.

Abtastfrequenz. Ein an die Soundkarte angeschlossenes Mikrofon wird verwendet, um analogen Ton aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln. Die Qualität des erhaltenen digitalen Klangs hängt von der Anzahl der Messungen des Schallpegels pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz. Je mehr Messungen in 1 Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastfrequenz), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des Dialogsignals.

Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Audio-Lautstärkemessungen in einer Sekunde.

Die Audio-Abtastrate kann zwischen 8000 und 48000 Schallvolumenmessungen pro Sekunde variieren.

Audio-Codierungstiefe. Jedem “Schritt” wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautstärkepegel können als eine Reihe möglicher Zustände N angesehen werden, für die eine bestimmte Menge an Informationen I erforderlich ist, die als Audiocodierungstiefe bezeichnet wird.

Die Audiocodierungstiefe ist die Informationsmenge, die zum Codieren der diskreten Lautstärkepegel von digitalem Audio erforderlich ist.

Bei bekannter Codierungstiefe kann die Anzahl der digitalen Audio-Lautstärkepegel mit der Formel N = 2 I berechnet werden. Lassen Sie die Audiocodierungstiefe 16 Bit betragen, dann beträgt die Anzahl der Lautstärken:

N = 2 I = 2 16 = 65 536.

Während des Codierungsvorgangs wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen. Der niedrigste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.

Die Qualität des digitalisierten Klangs. Je höher die Abtastfrequenz und -tiefe des Klangs ist, desto besser ist der Klang des digitalisierten Klangs. Die niedrigste Qualität des digitalisierten Tons, die der Qualität der Telefonkommunikation entspricht, wird mit einer Abtastrate von 8000 Mal pro Sekunde, einer Abtastrate von 8 Bit und durch Aufzeichnen einer Audiospur (“Mono” -Modus) erhalten. Die höchste Qualität des digitalisierten Klangs, die der Qualität einer Audio-CD entspricht, wird mit einer Abtastrate von 48.000 Mal pro Sekunde, einer Abtastrate von 16 Bit und der Aufnahme von zwei Audiospuren (Stereomodus) erreicht. .

Es ist zu beachten, dass das Informationsvolumen in der Audiodatei umso größer ist, je höher die Qualität des digitalen Klangs ist. Es ist möglich, das Informationsvolumen einer digitalen Stereo-Sounddatei mit einer Dauer von 1 Sekunde bei einer durchschnittlichen Klangqualität (16 Bit, 24.000 Messungen pro Sekunde) zu schätzen. Dazu muss die Codierungstiefe mit der Anzahl der Messungen in 1 Sekunde multipliziert und mit 2 multipliziert werden (Stereoton):

16 Bit × 24.000 × 2 = 768.000 Bit = 96.000 Byte = 93,75 KB.

Sound-Editoren. Mit Sound-Editoren können Sie Sound nicht nur aufnehmen und wiedergeben, sondern auch bearbeiten.


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Audiokodierung: Geheimnisse gelüftet

Audiokodierung: Geheimnisse gelüftet

audio encoding

Audioeinstellungen für die Videoaufnahme und -übertragung.
Als Menschen, die direkt mit der AV-Sphäre verbunden sind, sprechen wir ständig über Audiocodierung und Audiocodecs, aber was ist das? Ein Audio-Codec ist im Wesentlichen ein Gerät oder ein Algorithmus, der ein digitales Audiosignal codieren und decodieren kann.

Audio Encoding

In der Praxis sind die über Funk übertragenen Audiowellen kontinuierliche analoge Signale. Signale werden von einem Gerät, das als Analog-Digital-Wandler (ADC) bezeichnet wird, in ein digitales Format konvertiert, und das Rückwärtskonvertierungsgerät ist ein Digital-Analog-Wandler (DAC). Der Codec befindet sich zwischen diesen beiden Funktionen und ermöglicht es Ihnen, einige wichtige Parameter für die erfolgreiche Erfassung, Aufzeichnung und Übertragung eines Audiosignals anzupassen: Codec-Algorithmus, Abtastrate, Bittiefe und Datenrate.

Die drei beliebtesten Audio-Codecs sind Pulse-Code-Modulation (PCM), MP3 und Advanced Audio Coding (AAC). Die Wahl des Codecs bestimmt die Komprimierungsrate und die Aufnahmequalität. PCM ist ein Codec, der von Computern, CDs, digitalen Telefonen und manchmal SACD verwendet wird. Die Quelle des PCM-Signals wird in regelmäßigen Abständen abgetastet und jede Abtastung ist die digitale Amplitude des analogen Signals. PCM ist die einfachste Option zum Digitalisieren eines analogen Signals.

Mit den richtigen Parametern kann dieses digitalisierte Signal ohne Verlust vollständig wieder in Analog umgewandelt werden. Leider ist dieser Codec, der eine fast vollständige Identität mit dem Original-Audio bietet, nicht sehr billig, was zu großen Dateien führt, und diese Dateien sind nicht für das Streaming geeignet. Wir empfehlen die Verwendung von PCM zum Aufzeichnen digitaler Bilder für Ihre Quellen oder bei der Audio-Nachbearbeitung.

Glücklicherweise haben wir immer die Möglichkeit, einen anderen Codec zu wählen, der digitale Daten (anstelle von PCM) komprimieren kann, basierend auf einigen hilfreichen Beobachtungen zum Verhalten von Schallwellen. In diesem Fall müssen Sie jedoch einen Kompromiss eingehen: Alle alternativen Algorithmen sind mit “Verlusten” verbunden, da es unmöglich ist, das ursprüngliche Signal vollständig wiederherzustellen, das Ergebnis jedoch so gut ist, dass die meisten Benutzer es nicht bemerken können der Unterschied.

MP3 ist ein Audiokodierungsformat, das einen digitalen Datenkomprimierungsalgorithmus verwendet, mit dem Sie das Audiosignal in kleineren Dateien speichern können. Der MP3-Codec wird von Benutzern am häufigsten zum Aufzeichnen und Speichern von Musikdateien verwendet. Wir empfehlen die Verwendung von MP3 zum Streamen von Audioinhalten, da weniger Netzwerkbandbreite erforderlich ist.

AAC ist ein neuerer Audio-Codierungsalgorithmus, der der Nachfolger von MP3 ist. AAC ist zum Standard für die Formate MPEG-2 und MPEG-4 geworden. Tatsächlich ist dies auch ein digitaler Datenkomprimierungscodec, jedoch mit weniger Qualitätsverlust als MP3, wenn er mit derselben Bitrate codiert wird. Wir empfehlen die Verwendung dieses Codecs für das Online-Streaming.

Abtastfrequenz (kHz, kHz)
Abtastrate (oder Abtastrate): Die Frequenz, mit der das Signal digitalisiert, gespeichert, verarbeitet oder von analog zu digital konvertiert wird. Zeitabtastung bedeutet, dass das Signal durch eine Anzahl seiner Abtastwerte (Abtastwerte) dargestellt wird, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden.

Gemessen in Hertz (Hz, Hz) oder Kilohertz (kHz, kHz) entspricht 1 kHz 1000 Hz. Beispielsweise können 44.100 Abtastungen pro Sekunde als 44.100 Hz oder 44,1 kHz bezeichnet werden. Die ausgewählte Abtastrate bestimmt die maximale Wiedergabefrequenz. Wie aus dem Satz von Kotelnikov hervorgeht, muss die Abtastrate doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz im Signalspektrum, um das ursprüngliche Signal vollständig wiederherzustellen.

Wie Sie wissen, kann das menschliche Ohr Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz aufnehmen. Angesichts dieser Parameter und der in der folgenden Tabelle angegebenen Werte können Sie verstehen, warum 44,1 kHz als Abtastfrequenz für CD gewählt wurde und immer noch als sehr gute Frequenz für die Aufnahme angesehen wird.

Es gibt mehrere Gründe für die Wahl einer höheren Abtastrate, obwohl es als Zeit- und Arbeitsverschwendung erscheinen mag, Geräusche außerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs wiederzugeben. Gleichzeitig reichen 44,1 – 48 kHz für den durchschnittlichen Hörer aus, um die meisten Probleme qualitativ hochwertig zu lösen.

Bittiefe
Zusammen mit der Abtastrate gibt es die Bittiefe oder die Tiefe des Klangs. Die Bittiefe ist die Anzahl der digitalen Informationsbits, die für jeden Abtastwert codiert werden sollen. Einfach ausgedrückt bestimmt die Bittiefe die “Genauigkeit” der Eingangssignalmessung. Je größer die Ziffernkapazität ist, desto kleiner ist der Fehler für jede einzelne Umwandlung von der Größe eines elektrischen Signals in eine Zahl und umgekehrt.