Digitale Audiokodierung


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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.


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MP3- und Audio-Digitalisierung.

MP3- und Audio-Digitalisi
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Die ganze Menschheit hat sich an alltägliche Dinge wie das Aufnehmen und Wiedergeben von Ton gewöhnt, sei es ein Diktiergerät, ein Anrufbeantworter oder Musikaufnahmen ihrer Lieblingskünstler. Und Menschen, die die meiste Zeit in der Nähe des Computers verbringen, können sich ein Leben ohne Ton wahrscheinlich nicht vorstellen. Dieser Artikel konzentriert sich auf ein allgemeines Codierungsformat wie MP3.

Nun, Thomas Alva Edison begann mit der Aufnahme, als er die Worte “Mary hatte ein Lamm” auf seiner “Talking Machine” rief. Die “sprechende Maschine” war das weltweit erste Gerät, das Ton aufzeichnete und wiedergab: ein Phonograph, der einen Soundtrack mechanisch auf einer Wachswalze aufzeichnete. Zu dieser Zeit war dies sicherlich ein großer Fortschritt, wie zu dieser Zeit, und dies war im Jahr 1877, als niemand auf die Idee kam, etwas Ähnliches zu schaffen.

Der größte Nachteil dieses Tonträgers war jedoch die Fragilität der Aufnahme. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie lernten die Menschen, Ton nicht nur mechanisch wie Edison, sondern auch elektromechanisch und fotoelektrisch aufzunehmen, und mit dem Aufkommen von Computern wurde es möglich, Ton in digitaler Form aufzunehmen. Der Hauptvorteil dieser Aufnahmemethode ist die Beibehaltung der Klangqualität, unabhängig davon, wie oft sie abgespielt oder neu geschrieben wurde. Da digitale Informationen auf einem Computer verarbeitet werden können, eröffnete sich eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Arbeit mit Ton. . Da die Aufnahme einer Komposition in der frühen Phase der Entwicklung des digitalen Klangs viel Speicherplatz kostete und magnetische Medien nur eine geringe Kapazität hatten, begannen Softwareentwickler, diese Tatsache zu verblüffen. wie man viel Musik auf eine kleine Festplatte legt. Dies führte zum Erscheinen verschiedener Programme – Kompressoren, die die Größe der Audiodatei reduzierten. Komprimierungsalgorithmen ermöglichten das Entfernen bestimmter Frequenzen, was zu einem Verlust der Klangqualität führte, und dann stand der Benutzer vor der Wahl, Geld für den Kauf zusätzlicher Megabyte und das Speichern unkomprimierter Musikdateien auszugeben oder Geld zu sparen. und Kompressoren verwenden.

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was “Klang” im wirklichen Leben ist. Die Übertragung von Informationen aus der Ferne mit akustischen Schwingungen ist nur aufgrund der Eigenschaften der akustischen Umgebung möglich, in der dieselben Schallschwingungen auftreten. Sie sind aufgrund des Vorhandenseins elastischer Bindungen zwischen Partikeln im leitenden Medium möglich. Die Schallquelle erzeugt einen Druckbereich durch Komprimieren von Luftmolekülen. Diese Moleküle übertragen ihre Energie auf andere in der Nähe und diese wiederum auf andere usw., was dazu führt, dass Bereiche mit erhöhtem und verringertem Druck im Verhältnis zum Umgebungsdruck auftreten. Dies erzeugt eine Schallwelle, die von Natur aus kontinuierlich ist. Einer der Parameter der Welle ist die Amplitude. Nehmen wir ein einfaches Beispiel: eine Gitarrensaite. Jeder weiß, dass es zur Erhöhung der Lautstärke des Klangs erforderlich ist, die Saite mit mehr Kraft zu ziehen, wodurch die Schwingungsamplitude erhöht wird, was zu einer Erhöhung der Druckabweichung führt. Eine Welle reicht jedoch nicht aus, um einen Schall zu übertragen, der vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern.

Nachdem wir die Natur des Klangs ein wenig verstanden haben, wechseln wir von analog zu digital. Um “natürlichen” Klang zu digitalisieren, müssen Sie ihn zuerst in ein analoges elektrisches Signal umwandeln. In diesem Fall ist das Analogon der Amplitude der Schallwelle die Amplitude der Spannungsänderung. Wie oben erwähnt, sind die Welle und das analoge elektrische Signal kontinuierliche Funktionen, aber für die Digitalisierung müssen sie in diskreter Form dargestellt werden. Hierzu wird ein ADC (Analog-Digital-Wandler) verwendet, der die kontinuierliche Welle in Abschnitte zerlegt (Sample) und die Amplitude der Welle in diesen Abschnitten als Zahl darstellt, dh quantifiziert. Es ist klar, dass für eine größere Präzision und Reinheit des Klangs die Anzahl der Samples gegen unendlich tendieren und ihre Größe gegen Null gehen muss. Die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde wird als Abtastrate oder Abtastrate bezeichnet und in Hz gemessen. Es stellt sich die Frage, welche Abtastrate beim Digitalisieren verwendet werden soll, damit das Ergebnis am natürlichsten ist. Es ist theoretisch bekannt, dass für die genaueste Rekonstruktion eines kontinuierlichen analogen Signals aus diskreten Werten eine Abtastfrequenz verwendet werden muss, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Schallfrequenz (Satz von Nyquist). Es ist bekannt, dass das menschliche Ohr Geräusche mit einer Frequenz von 18 bis 20.000 Hz wahrnehmen kann. Daher beträgt die optimale Abtastfrequenz 40 kHz oder mehr. Die häufigsten Abtastfrequenzen sind 44,1 kHz, 48 kHz. Aufgrund der Tatsache, dass Harmonische über 20 kHz auch den Gesamtklang beeinflussen, werden auch Encoder mit Abtastraten von 96 und 192 kHz verwendet. Die Klangqualität hängt auch von der Anzahl der Stellen ab, die zur Aufzeichnung der gemessenen Amplitude verwendet werden. Der Quantisierungsfehler ist umgekehrt proportional zur Bitbreite. Daher wird bei einer 8-Bit-Quantisierung der Schallpegel unter Verwendung von Zahlen im Bereich [-128; 128] mit 16 Bits von [-32768; 32768]. Bei der Aufnahme von Audio-CDs wird beispielsweise eine exakte 16-Bit-Quantisierung verwendet, damit sie eine hohe Klangqualität aufweisen.

Lassen Sie uns eine mittlere Schlussfolgerung ziehen: Der ADC wandelt das analoge Signal in Zahlen um und schreibt sie als Sequenz. Dann kommt Wave, ein Soundformat. Beachten Sie, dass Audio-CDs Ton im gleichen Format aufnehmen. Diese Speichermethode ist jedoch nicht wirtschaftlich. Viele Leute bevorzugen wahrscheinlich eine MP3-Disc, die mehr als 200 Songs enthalten kann, als eine normale CD. Dazu wird die Wave-Datei auf Kosten der Qualität komprimiert. Seien Sie jedoch nicht beunruhigt, da das menschliche Ohr den Verlust der Klangqualität nach der Komprimierung praktisch nicht erkennen kann. Lassen Sie mich jetzt erklären. Alles begann, als die Internationale Organisation für Normung (ISO) Ende der 1980er Jahre die Expertengruppe Moving Pictrures gründete, deren Aufgabe es war, einen internationalen Standard für die Darstellung digitaler Video- und Audiodaten zu entwickeln. Das Ergebnis der Arbeit der Gruppe ist das MPEG-1 Layer 3-Format, kurz MP3, das Audiodaten praktisch ohne Qualitätsverlust um 1/12 komprimiert. Der Audiokomprimierungsalgorithmus in diesem Format basiert auf den psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Hörorgans, und daher hat die Entfernung von Elementen, die vom Ohr nicht wahrgenommen werden, keinen Einfluss auf die spürbare Qualitätsverschlechterung. Angenommen, es befinden sich viele Personen im Raum, die alle lautstark miteinander sprechen. Wenn Sie versuchen, eine Person anzurufen, die nur wenige Meter von Ihnen entfernt ist, ohne Ihre Stimme zu erheben, erwarten Sie nicht, dass sie Ihren Anruf entgegennimmt. , da es Sie aufgrund des erzeugten Geräusches nicht hört. Dies liegt daran, dass Klänge derselben Frequenz mit höherer Amplitude andere Frequenzen mit niedrigerer Amplitude maskieren. Dieser unglückliche Effekt wird jedoch gerne zum Komprimieren von digitalisiertem Audio verwendet. Der Wellenstrom enthält alle Toninformationen, auch maskiert, die für das Ohr nicht hörbar sind. Nach der Komprimierung werden diese Informationen jedoch entfernt, wodurch die Dateigröße verringert wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal des zur Kompression verwendeten menschlichen Hörorgans ist die Trägheit. Das Ohr ist, um es vulgär auszudrücken, ein Trägheitsgerät, daher kann eine Person an der Grenze des Unterschieds des Schallpegels vom höchsten zum niedrigsten für eine bestimmte Zeit (~ 100 ms) keinen Schall mit niedrigerer Amplitude hören Daher wird der Ton in diesem Zeitraum möglicherweise nicht gespeichert. Es ist auch möglich, den Schall, der über der Empfindlichkeitsschwelle liegt, nicht zu speichern, dh dessen Schallpegel unter einem bestimmten Wert liegt und daher für eine Person unhörbar ist. Eine weitere interessante Eigenschaft, die zum Codieren verwendet wird (jedoch nicht von ”

Zusammen führt dies zu erheblichen Einsparungen beim von der Audiodatei belegten Speicherplatz. Eine durchschnittliche Musikdatei, die 30-40 MB in “voller” Form belegt, belegt nach dem Codieren in MP3 bereits 3-4 MB, sodass Sie mehr als 11 Stunden Musik auf einer Disc aufnehmen können. Dies ist jedoch nicht die Grenze. Im Jahr 2001 hatte das MP3-Format einen Nachfolger: das MP3Pro-Format. Schöpfer sind Thomson Multimedia und das Fraunhofer-Institut in Deutschland. Eine Besonderheit des neuen verbesserten Formats ist, dass die Dateien im neuen Format bei gleicher Qualität im Vergleich zu normalen MP3s doppelt so viel Speicherplatz beanspruchen. Beispielsweise hat eine MP3Pro-Datei mit einer Klangqualität von 128 kbit / s dieselbe Größe wie eine MP3-Datei mit 64 kbit / s. Ein weiterer Vorteil ist

Mal sehen, wie dies erreicht wird. Das Funktionsprinzip des MP3Pro-Formats ist recht einfach. Beim Codieren wird der Audiostream in zwei Teile unterteilt, zwei Streams. Das erste ist das niederfrequente, das im üblichen MP3-Format codiert ist, wodurch die Formate übrigens abwärtskompatibel werden, da normale Player nur diesen Teil der Datei abspielen. Der zweite Stream ist eine Hochfrequenz, die in dem Teil des MP3-Streams codiert ist, den ältere Player ignorieren. Der neue Decoder kombiniert diese beiden Streams und führt zu einem vollen Klang über das gesamte Frequenzband.
In Bezug auf die Förderung des neuen Formats auf dem Markt hat MP3Pro im Vergleich zu seinem älteren Bruder keine so breite Verbreitung erhalten. Thomson Multimedia bietet eine kostenlose Version des MP3Pro Player / Encoder zum Download von seiner Website an. Die Einschränkungen dieser Version bestehen darin, dass nur 64 kbit / s für die Codierung verfügbar sind. WinAmp-Liebhaber haben ein Plugin zum Abspielen von MP3Pro-Dateien

Natürlich konvergierte das Licht nicht bei MP3, es gibt andere digitale Codierungsformate, aber trotzdem ist es immer noch das beliebteste.

Missverständnisse über digitales Audio

Missverständnisse über digitales Audio

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Je höher die Bitrate, desto besser die Spur

Dies ist nicht immer der Fall. Lassen Sie mich zunächst daran erinnern, welche Bitrate t (Bitrate statt Bitterkeit). Tatsächlich ist dies die Datenrate in Kilobit pro Sekunde während der Wiedergabe. Das heißt, wenn wir die Größe der Spur in Kilobit nehmen und durch ihre Dauer in Sekunden dividieren, erhalten wir ihre Bitrate, den Aufruf. Dateibasierte Bitrate (FBR), die sich normalerweise nicht zu stark von der Bitrate des Audiostreams unterscheidet (der Grund für die Unterschiede ist das Vorhandensein von Metadaten auf der Spur: Tags, “eingebettete” Bilder usw.) .

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Nehmen wir nun ein Beispiel: Die auf einer normalen Audio-CD aufgezeichnete unkomprimierte PCM-Audio-Bitrate wird wie folgt berechnet: 2 (Kanäle) × 16 (Bits pro Abtastung) × 44100 (Abtastungen pro Sekunde) = 1411200 (bps) ) = 1411.2 kbps … Lassen Sie uns nun den Track mit einem verlustfreien Codec (“verlustfrei” – “verlustfrei”, dh einem, der nicht zu Datenverlust führt), zum Beispiel dem FLAC-Codec, greifen und komprimieren. Infolgedessen erhalten wir eine niedrigere Bitrate als das Original, aber die Qualität bleibt unverändert. Hier ist deine erste Gegenargumentation.

Hier ist noch etwas hinzuzufügen. Die verlustfreie Komprimierungsausgangsbitrate kann sehr unterschiedlich sein (ist jedoch im Allgemeinen niedriger als bei unkomprimiertem Audio). Dies hängt von der Komplexität des komprimierten Signals bzw. von der Datenredundanz ab. Einfachere Signale werden also besser komprimiert (dh wir haben eine kleinere Dateigröße bei gleicher Dauer => niedrigere Bitrate), und komplexere Signale sind schlechter. Deshalb hat verlustfreie klassische Musik eine niedrigere Bitrate als beispielsweise Rock. Es muss jedoch betont werden, dass die Bitrate hier in keiner Weise ein Indikator für die Qualität des Klangmaterials ist.

Lassen Sie uns nun über verlustbehaftete Komprimierung sprechen. Zunächst müssen Sie verstehen, dass es viele verschiedene Encoder und Formate gibt, und selbst innerhalb desselben Formats kann sich die Codierungsqualität für verschiedene Encoder unterscheiden (z. B. QuickTime AAC-Codierungen sind viel besser als veraltete FAAC), ganz zu schweigen von der Überlegenheit von moderne Formate (OGG Vorbis, AAC, Opus) in MP3. Einfach ausgedrückt, von zwei identischen Spuren, die von verschiedenen Encodern mit derselben Bitrate codiert wurden, klingen einige besser und andere schlechter.

Es gibt auch eine Aufwärtskonvertierung. Das heißt, Sie können einen Titel im MP3-Format mit einer Bitrate von 96 kbps aufnehmen und in MP3 mit 320 kbps konvertieren. Die Qualität wird sich nicht nur nicht verbessern (schließlich können Daten, die während der vorherigen 96-kbit / s-Codierung verloren gegangen sind, nicht zurückgegeben werden), sondern auch noch schlechter werden. Es ist erwähnenswert, dass bei jeder verlustbehafteten Codierungsstufe (bei jeder Bitrate und jedem Codierer) eine gewisse Verzerrung in das Audio eingeführt wird.

Und noch mehr. Es gibt noch eine Nuance. Wenn beispielsweise die Bitrate eines Audiostreams 320 kbit / s beträgt, bedeutet dies nicht, dass die 320 kbit / s genau in dieser Sekunde codiert wurden. Dies ist typisch für die Codierung mit konstanter Bitrate und für Fälle, in denen eine Person in der Hoffnung auf höchste Qualität eine zu hohe konstante Bitrate erzwingt (z. B. Einstellen von CBR auf 512 kbps für Nero AAC ). Wie Sie wissen, wird die Anzahl der einem bestimmten Rahmen zugewiesenen Bits durch das psychoakustische Modell reguliert. Falls der zugewiesene Betrag jedoch viel niedriger als die eingestellte Bitrate ist, wird auch die Bitablagerung nicht gespeichert (Begriffe siehe Artikel “Was ist CBR, ABR, VBR?”) – Als Ergebnis erhalten wir nutzlose “Null-Bits”, die die Frame-Größe einfach auf die gewünschte “umbrechen” (dh die Größe des Streams auf die angegebene Größe erhöhen). Dies ist übrigens leicht zu überprüfen: Komprimieren Sie die resultierende Datei mit einem Aktenschrank (vorzugsweise 7z) und betrachten Sie das Komprimierungsverhältnis – je mehr, desto mehr Null-Bits (da sie zu Redundanz führen), desto mehr Speicherplatz wird verschwendet.

Verlustbehaftete Codecs (MP3 und andere) können mit moderner elektronischer Musik umgehen, aber klassische (akademische), Live- und Instrumentalmusik nicht effizient codieren.
Die “Ironie des Schicksals” ist hier, dass tatsächlich alles genau das Gegenteil ist. Wie Sie wissen, folgt akademische Musik in den allermeisten Fällen melodischen und harmonischen Prinzipien sowie der Instrumentalkomposition. Aus mathematischer Sicht führt dies zu einer relativ einfachen harmonischen Komposition der Musik.