Tag: was ist die Abtastrate und Bittiefe

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Grundlagen der digitalen Klangtheorie Teil 4

Mit dem MP3-Algorithmus können Sie den Sound 20 bis 30 Mal komprimieren und dabei eine gute Qualität beibehalten.

Es wird angenommen, dass die volle Qualität der CD bei einer Bitrate von ungefähr 160 Kbit / s erhalten bleibt (die Konzepte “Abtastrate” und “Abtastbittiefe” gelten nicht für MP3-Dateien). In den meisten Fällen ist jedoch viel mehr komprimiertes Audio durchaus akzeptabel. Daher wird in Flash-Animationen normalerweise die MP3-Komprimierung verwendet, die eine Bitrate in der Größenordnung von 16 bis 32 Kbit / s ergibt. Der Flash-Player unterstützt einen Bereich von Bitraten zwischen 16 und 160 Kbit / s. Sie müssen auswählen am besten geeignet, basierend auf den Anforderungen an Filmgröße und Tonqualität. Es lohnt sich oft, die MP3-Datei in der Qualität zu belassen, in der sie importiert wurde (daher ist die Einstellung Importierte MP3-Qualität verwenden standardmäßig aktiviert). Wenn sich die Qualität ändert, sollte die Änderung in Richtung einer abnehmenden, aber nicht zunehmenden Qualität erfolgen.

Wenn der Sound in einem externen Editor verarbeitet wird, können Sie berücksichtigen, dass der Flash Player nicht nur den MP3-Algorithmus unterstützt, der Teil des MPEG1 Layer 3-Standards ist, sondern auch neuere Algorithmen (MPEG2 und MPEG2.5). Diese bieten eine bessere Klangqualität bei geringer Bittiefe. Darüber hinaus unterstützt der Player die MP3-Codierung mit konstanter und variabler Bittiefe (im letzteren Fall wird das beste Komprimierungsverhältnis erreicht).

Das MP3-Format ist optimal für vorschnelle Projekte. Daher wird es in der Praxis praktisch nur verwendet. Darüber hinaus können MP3-Dateien dynamisch geladen werden und verfügen über sehr nützliche ID3-Tags mit Informationen zu diesem Sound.

• Nellymoser. Ein relativ neuer Komprimierungsalgorithmus, der von Nellymoser Inc. entwickelt wurde. Er wurde entwickelt, um die menschliche Sprache zu komprimieren. Seine Hauptidee ist, dass eine menschliche Stimme Schwingungen mit Frequenzen in einem ziemlich engen Bereich enthalten kann. Die oberen und unteren Komponenten können verworfen werden. Oberschwingungen mit sehr geringer Amplitude werden ebenfalls eliminiert. Das Ergebnis ist eine Komprimierung, die mit der MP3-Komprimierung vergleichbar ist, aber die Klangqualität ist höher. Weitere Informationen zum Nellymoser-Algorithmus finden Sie auf der Entwickler-Website http://www.nellymoser.com/.

Der Nellymoser-Algorithmus-Codec ist nur in Flash MX im Player enthalten.

In der Flash-IDE wird die Nellymoser-Komprimierung als Sprache bezeichnet. Sie können das Qualitäts- / Größenverhältnis bei Verwendung der Nellymoser-Komprimierung anpassen, indem Sie die Abtastrate ändern.

Sie können auch unkomprimiertes Audio in Ihren SWF-Film aufnehmen. In der Entwicklungsumgebung wird dieser Modus als Raw bezeichnet. In diesem Fall können Sie die Bittiefe und die Abtastrate ändern. Theoretisch können Sie unkomprimiertes Audio verwenden, wenn die Tonqualität wesentlich wichtiger als die Filmgröße ist (oder noch weniger wahrscheinlich, wenn Sie Rechenressourcen sparen müssen). In der Praxis ist es jedoch besser, die MP3-Komprimierung mit einer hohen Bitrate (mehr als 120 Kbit / s) zu verwenden.

Speicherformate
Es gibt einige Audioformate. Standardmäßig können Sie mit Flash nur zwei davon importieren.

• WAV. Das Hauptformat zum Speichern von nicht komprimiertem Audio auf der Windows-Plattform. Unterstützt Mono- und Stereo-Audio, verschiedene Samples und Bittiefen. Normalerweise ist es WAV, wo das analoge Signal digitalisiert wird, und nur dann wird einer der Komprimierungsalgorithmen angewendet. WAV-Dateien sind extrem groß, weshalb dieses Format erheblich durch MP3 ersetzt wurde. WAV ist jedoch immer noch das Hauptformat für professionelle Soundeditoren wie SoundForge.

• MP3. Audioformat unter Verwendung des oben beschriebenen Komprimierungsalgorithmus. Das Hauptformat bei Flash, da es eine gute Klangqualität und eine kleine Dateigröße perfekt kombiniert. Außerdem können Audiodateien in diesem Format im Gegensatz zu WAV-Dateien mithilfe der loadSound () -Methode der Sound-Klasse dynamisch in einen Film geladen werden.

Wenn Sie QuickTime 4 oder höher installiert haben, können Sie zusätzlich Dateien in den Formaten AIFF, QuickTime und Sun AU importieren.

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Grundlagen der digitalen Klangtheorie Teil 3

Komprimierungsalgorithmen

Versuchen wir zu berechnen, wie viel Speicherplatz eine durchschnittliche digitalisierte Musikkomposition in CD-Qualität belegt. Offensichtlich ist es dafür notwendig, die Formel t KBF-Größe ⋅ ⋅ ⋅ = zu verwenden, wobei F die Abtastfrequenz ist, B die Abtastkapazität ist, K die Anzahl der Strings ist, t die Zeit ist.

Unter der Annahme von 44,1 kHz Kräuter, B = 2 Bytes, K = 2 Kanälen und t = 300 Sekunden erhalten wir, dass der digitalisierte Song ungefähr 50 MB belegt.

Dies bedeutet, dass nur etwa 10 unkomprimierte Songs auf CD gebrannt werden können. Da jede Sekunde digitalisierten Tons in CD-Qualität fast 200 KB belegt, ist die Verwendung dieses Tons in Telefonie, Radio oder Internet sehr problematisch. Selbst wenn Sie den Ton als einen einzelnen Kanal mit einer Abtastrate von 11,05 kHz und einer Bittiefe von 8 Bit digitalisieren, belegt jede Sekunde 11 KB.

Für gewöhnliche Telefonnetzwerke ist dies zu viel, als dass Ton in einem kontinuierlichen Strom übertragen werden könnte. Ein Problem tritt auf: Irgendwie ist es notwendig, die Größe der Sounddateien zu reduzieren.

Es wird sehr effektiv durch die Verwendung verschiedener Komprimierungsalgorithmen gelöst.
Flash Player unterstützt die folgenden Komprimierungsarten.

• ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation – Adaptive Difference Pulse Code Modulation). Diese Art der Komprimierung basiert auf zwei Ideen. Zunächst wurde festgestellt, dass bei der überwiegenden Mehrheit der von uns wahrgenommenen Geräusche langsam wechselnde Niederfrequenzkomponenten vorherrschen. Daraus folgt, dass der Unterschied zwischen benachbarten Proben oft gering ist (oder vielmehr deutlich geringer ist als der absolute Wert der Proben selbst).

Dies bedeutet, dass das digitalisierte Audiosignal nicht durch die Abtastwerte selbst dargestellt werden kann, sondern durch die Unterschiede zwischen ihnen, die kleiner sind und daher weniger Bits zur Beschreibung benötigen. Zweitens erfolgt die Codierung der Differenz zwischen benachbarten Proben unter Berücksichtigung der Größe der Amplituden- und Frequenzzusammensetzung, da das menschliche Ohr Empfindlichkeitsgrenzen aufweist (die sogenannte Anpassung).

Der ADPCM-Algorithmus wird in der IP-Telefonie aktiv verwendet. Es ist aufgrund der erheblichen Verzerrungen, die es in den Klang einführt, schlecht für das Streamen von Musik geeignet (Verzerrungen kommen natürlich in die Sprache, sind aber in der Sprache kaum wahrnehmbar). Das Komprimierungsverhältnis für ADPCM ist normalerweise niedrig und reicht von 8: 1 bis 3: 1. Der ADPCM Flash Player-Codec ermöglicht 2, 3,4 oder 5 Bit, um den Unterschied zwischen Samples darzustellen. Tatsächlich können Sie eine akzeptable Klangqualität mit einer Bitrate (Bitrate, dh dem “Gewicht” einer Tonsekunde) von 16 Kbit erzielen.

Der ADPCM-Algorithmus ist MP3 deutlich unterlegen, daher lohnt es sich im Prinzip nicht, eine solche Komprimierung zu verwenden. Die MP3-Komprimierung bietet eine um eine Größenordnung bessere Qualität bei gleicher Bittiefe. Das Vorhandensein des entsprechenden Codecs wird durch die Prinzipien der Abwärtskompatibilität erklärt: Der MP3-Codec ist nur in Flash 4 in den Player integriert. Zuvor wurde nur der ADPCM-Codec verwendet, was wahrscheinlich auf die kostenlose Verteilung von zurückzuführen ist dieser Algorithmus. Der Grund, warum ADPCM in der IP-Telefonie immer noch verwendet wird, besteht darin, dass es nicht so umfangreiche mathematische Berechnungen wie MP3 erfordert, sodass die Komprimierung im laufenden Betrieb erfolgen kann.

• MP3. Einer der ersten und gebräuchlichsten Komprimierungsalgorithmen, der auf der sogenannten psychoakustischen Komprimierung basiert. Es verwendet die folgenden Eigenschaften des menschlichen Ohrs:

oder wenn ein leiser Klang einem sehr starken folgt, dann hören wir ihn nicht. Daher kann es verworfen werden;

oder eine Klangkomponente mit einer großen Amplitude maskiert Komponenten in der Nähe, jedoch mit kleineren Amplituden. Daher können sie ohne merklichen Qualitätsverlust geschlachtet werden.

oder die Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber Frequenzverzerrungen ist gering. Wenn die Komponenten nahe beieinander liegen, können sie als gleich angesehen werden.

o Wir nehmen sehr leise und sehr laute Töne falsch wahr, sodass weniger Bits für ihre Codierung zugewiesen werden können als für Töne mit einer durchschnittlichen Frequenz.

Technisch ist der MP3-Algorithmus wie folgt implementiert. Der Sound wird in Chunks einer bestimmten Länge unterteilt, die als Frames bezeichnet werden, und eine Vorwärts-Fourier-Transformation wird auf jeden Satz von Samples angewendet. Das Ergebnis ist die Zerlegung einer Schallwelle in elementare Sinuskurven unterschiedlicher Frequenzen: Harmonische. Der harmonische Koeffizient bestimmt seinen Beitrag zur resultierenden Welle. Harmonische Koeffizienten werden verglichen und die niedrigstwertigen werden verworfen.

Grundlagen der digitalen Klangtheorie Teil 2

Eine Abtastrate von 44,1 kHz ist nicht immer ideal.

Bei der Übertragung von Daten über ein Netzwerk mit geringer Bandbreite muss die Klangqualität zugunsten seiner Größe geopfert werden. In der Praxis werden normalerweise Abtastfrequenzen verwendet, die zwei-, vier- und achtmal niedriger als 44,1 kHz sind:

• 22,05 kHz: die sogenannte Radioqualität. Wird beim Codieren des Tons von UKW-Radiosendern verwendet. Im Fall von Flash eignet es sich gut zum Erstellen von Hintergrundmusik und Ereignissounds. Für die Übertragung einer menschlichen Stimme ist sie sogar etwas überflüssig;

• 11.025 kHz – Telefonqualität. Eine Abtastrate, die besser für die menschliche Stimme geeignet ist. Wird in der 1P-Telefonie verwendet.

• 5,5 kHz: Ton, bei dem die Informationskomponente verloren geht. Diese Abtastrate kann verwendet werden, um sowohl leise Töne als auch Sprache zu übertragen (wenn auch mit mittelmäßiger Qualität).

Flash Player unterstützt Sampleraten 44.1: 22.05; 11.025; 5,5 kHz. Die Wahl der Frequenz sollte von der Art des Tons sowie von der Wichtigkeit der Beibehaltung der Größe der SWF-Datei abhängen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass es keinen Sinn macht, die Abtastrate des Audiofragments im Vergleich zur ursprünglichen zu erhöhen. Dies erhöht nicht die Qualität, sondern nur unnötig die Größe des Films.

Bittiefe der Proben
Die Bittiefe bestimmt, wie viele verschiedene Amplitudenwerte während der Digitalisierung erfasst werden können. Wenn die Bitbreite 4 Bits beträgt, wird der Bereich des Amplitudenwerts von Null bis zum Maximum in nur 16 Bins unterteilt. Natürlich ist der Fehler beim Wiederherstellen des analogen Signals sehr hoch. Diese Bittiefe eignet sich sowohl für die Darstellung sehr einfacher Töne als auch für Sprache (die Qualität ist gering).

Durch die 8-Bit-Breite können 256 Amplitudenwerte dargestellt werden. Dies ist die Bittiefe, die von UKW-Radiosendern verwendet wird. Es reicht aus, jeden Klang in zufriedenstellender Qualität zu präsentieren. Die 16-Bit-Codierung ist optimal. Gleichzeitig kann es mit 65.536 Amplitudenoptionen arbeiten, was ausreicht, um den gesamten hörbaren Bereich abzudecken.

Das 16-Bit-Format wird für die CD-Aufnahme verwendet. Eine Quantisierung höherer Qualität ist nur bei der Studiotonverarbeitung gerechtfertigt.

Flash Player unterstützt 8-Bit- und 16-Bit-Quantisierung für unkomprimierte Formate (z. B. WAV) und nur 16-Bit für komprimierte Formate (MP3 gehört dazu). Beachten Sie dies beim Importieren einer Audiodatei in einen Film.

Anzahl der Kanäle Die
Stereo-Sound soll dem Wiedergabeton eine natürliche Dimension verleihen. Dies wird dadurch erreicht, dass von jedem Lautsprecher eine andere Klangkomponente wiedergegeben wird. Im Allgemeinen ist der Sound jedes Kanals eine separate Sounddatei, sodass die Größe des Stereoklangs proportional zur Anzahl der unterstützten Kanäle ist.

Herkömmliche nicht professionelle Soundkarten arbeiten mit Zweikanal-Audio. Der Flash Player unterstützt auch die gleiche Anzahl von Kanälen. Mit ActionScript können Sie den Klang der Kanäle mischen, indem Sie den linken Kanal auf dem rechten Lautsprecher und den rechten Kanal auf dem linken abspielen. Wie das gemacht wird, werden wir weiter unten besprechen.

Wenn der Sound im MP3-Format codiert ist, können Sie eines von drei Stereoformaten auswählen.

• Doppelkanal. Jeder Kanal empfängt die Hälfte des Streams und wird separat als Mono codiert. Es wird hauptsächlich in Fällen empfohlen, in denen verschiedene Kanäle ein grundlegend unterschiedliches Signal enthalten, z. B. Text in verschiedenen Sprachen.

• Stereo. Die Kanäle werden separat verschlüsselt, aber das Verschlüsselungsprogramm kann einem Kanal bei Bedarf mehr Platz als dem anderen geben. Das meiste Standardformat.

• Gemeinsame Stereoanlage. Das Stereosignal wird in zwei neue Kanäle unterteilt. Einer ist der Durchschnitt der ursprünglichen Kanäle und der andere ist der Unterschied zwischen den Kanälen. In diesem Modus wird die Klangqualität häufiger als in anderen erhalten.

Leider können Sie in der Flash-Entwicklungsumgebung nicht angeben, welches Stereoformat verwendet wird. Wenn daher die Klangqualität von größter Bedeutung ist, sollte die Erstellung von MP3-Dateien mit den erforderlichen Parametern mit einem der speziellen Programme erfolgen.

Grundbegriffe der digitalen Klangtheorie

Schall ist im Allgemeinen die Schwingung eines elastischen Mediums.

Der Schall wird durch mechanische Vibrationen eines Objekts (dies kann eine Saite, Stimmbänder usw. sein) in Kontakt mit der Umgebung verursacht. Die Schwingungsfrequenz (gemessen in Hertz) bestimmt die Tonhöhe. Je höher die Frequenz, desto lauter der Klang. Das menschliche Ohr kann Schallschwingungen aus der Luft mit einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen. Das Ohr nimmt die Amplitude der Schwingung als Volumen wahr. Je höher die Amplitude, desto lauter der Klang.

Elektromagnetische Wellen sind ein direktes Analogon von Schallwellen. Letztere sind weniger anfällig für die Verbreitung durch die Umwelt, die Informationen, die sie enthalten, sind einfacher zu speichern und zu verarbeiten. Elektromagnetische Wellen sind der wichtigste sekundäre Schallträger. Die Umwandlung von Schallwellen in elektromagnetische Wellen (sowie der umgekehrte Betrieb) erfolgt aufgrund des üblichen Induktionseffekts, der darin besteht, dass ein Strom in einem Leiter auftritt, wenn er in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird.

Einfach ausgedrückt, induziert die Schwingung des Lautsprechermembranmagneten in der Nähe der Spule einen Wechselstrom. Wenn dieser Strom an einen anderen Lautsprecher angelegt wird, bewegt sich der Magnet auf seiner Membran und erzeugt einen entsprechenden Klang.

So funktionieren Telefon und Radio.

In elektromagnetische Wellen umgewandelter Schall kann leicht gespeichert werden. Dazu muss ein Parameter des Trägers (die Tiefe der Plattenspur oder der Magnetisierungsgrad des Films) mit der Amplitude der Schwingungen (dh der Stärke des induzierten Stroms in der Lautsprecherspule) verglichen werden. . Schall, der direkt in elektromagnetische Wellen umgewandelt wird, wird als analoger Schall bezeichnet. Sein Hauptmerkmal ist die direkte Entsprechung der übertragenen oder aufgezeichneten elektromagnetischen Wellen mit den akustischen.

Digitaler Sound ist relativ neu. Der Hauptunterschied zum Analogon liegt in der Diskretion. Beim Digitalisieren misst ein spezielles Gerät, ein Analog-Digital-Wandler (ADC), in regelmäßigen Abständen (ca. 0,001 bis 0,0001 Sekunden) die Größe der Amplitude einer elektromagnetischen Welle, die einer analogen Klangform entspricht, und schreibt ihren Wert zu einer Datei mit einer bestimmten Genauigkeit. Dieser Wert wird im Allgemeinen als Stichprobe oder im Jargon als Stichprobe (der Stichprobe in Englisch als Stichprobe) bezeichnet. Die gleiche Digitalisierung wird oft als Abtastung oder Abtastung bezeichnet.

Durch Konvertieren von Ton von digital in analog (dies erfolgt durch ein Gerät, das als Digital-Analog-Wandler (DAC) bezeichnet wird).

Die Interpolation (Approximation) der Zwischenwerte der Amplitude erfolgt nach den bekannten. Da die Abtastfrequenz normalerweise hoch ist, können Sie mit dieser Operation das ursprüngliche analoge Signal ziemlich genau rekonstruieren.

Die digitale Klangform zeichnet sich durch fünf Parameter aus.

1. die Abtastrate;
2. Bitgröße der Samples.
3. Die Anzahl der Kanäle oder Spuren.
4. Komprimierungs- / Dekomprimierungsalgorithmus (Codec).
5. Speicherformat.

Da jeder dieser Parameter sehr spezifisch ist, werden wir sie separat betrachten.

Abtastrate
Die Abtastrate bestimmt, wie viele Abtastungen pro Sekunde beim Digitalisieren entnommen werden. Wenn wir digitalen Ton mit digitalen Bildern vergleichen, entspricht die Abtastrate der Auflösung (eine “realistischere” Analogie ist die Bildrate im Kino). Je höher die Abtastfrequenz ist, desto besser ist es möglich, das analoge Signal basierend auf der digitalen Form des Klangs zu rekonstruieren (genauer gesagt, je höher die Abtastfrequenz, desto breiter ist das Frequenzspektrum, das während der Digitalisierung aufgezeichnet werden kann).
Das berühmte Nyquist-Kotelnikov-Theorem besagt, dass für die korrekte Rekonstruktion eines analogen Signals aus seiner digitalen Aufzeichnung die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die maximale Schallfrequenz.

Da die obere Hörgrenze 20 kHz beträgt, sollte die Abtastrate idealerweise mindestens 40 kHz betragen. Aus diesem Grund beträgt die Standard-Abtastfrequenz für die Aufnahme von CDs 44,1 kHz (sogenannte CD-Qualität). Die Samplerate kann zwar höher sein, diese Klangqualität wird jedoch nur von Aufnahmestudios und besonders anspruchsvollen Musikliebhabern verwendet.