MP3- und Audio-Digitalisi
\nerung.<\/p>\n
Die ganze Menschheit hat sich an allt\u00e4gliche Dinge wie das Aufnehmen und Wiedergeben von Ton gew\u00f6hnt, sei es ein Diktierger\u00e4t, ein Anrufbeantworter oder Musikaufnahmen ihrer Lieblingsk\u00fcnstler. Und Menschen, die die meiste Zeit in der N\u00e4he des Computers verbringen, k\u00f6nnen sich ein Leben ohne Ton wahrscheinlich nicht vorstellen. Dieser Artikel konzentriert sich auf ein allgemeines Codierungsformat wie MP3.<\/p>\n
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 Ger\u00e4t, das Ton aufzeichnete und wiedergab: ein Phonograph, der einen Soundtrack mechanisch auf einer Wachswalze aufzeichnete. Zu dieser Zeit war dies sicherlich ein gro\u00dfer Fortschritt, wie zu dieser Zeit, und dies war im Jahr 1877, als niemand auf die Idee kam, etwas \u00c4hnliches zu schaffen.<\/p>\n
Der gr\u00f6\u00dfte Nachteil dieses Tontr\u00e4gers war jedoch die Fragilit\u00e4t 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 m\u00f6glich, Ton in digitaler Form aufzunehmen. Der Hauptvorteil dieser Aufnahmemethode ist die Beibehaltung der Klangqualit\u00e4t, unabh\u00e4ngig davon, wie oft sie abgespielt oder neu geschrieben wurde. Da digitale Informationen auf einem Computer verarbeitet werden k\u00f6nnen, er\u00f6ffnete sich eine Vielzahl von M\u00f6glichkeiten f\u00fcr die Arbeit mit Ton. . Da die Aufnahme einer Komposition in der fr\u00fchen Phase der Entwicklung des digitalen Klangs viel Speicherplatz kostete und magnetische Medien nur eine geringe Kapazit\u00e4t hatten, begannen Softwareentwickler, diese Tatsache zu verbl\u00fcffen. wie man viel Musik auf eine kleine Festplatte legt. Dies f\u00fchrte zum Erscheinen verschiedener Programme – Kompressoren, die die Gr\u00f6\u00dfe der Audiodatei reduzierten. Komprimierungsalgorithmen erm\u00f6glichten das Entfernen bestimmter Frequenzen, was zu einem Verlust der Klangqualit\u00e4t f\u00fchrte, und dann stand der Benutzer vor der Wahl, Geld f\u00fcr den Kauf zus\u00e4tzlicher Megabyte und das Speichern unkomprimierter Musikdateien auszugeben oder Geld zu sparen. und Kompressoren verwenden.<\/p>\n
Lassen Sie uns zun\u00e4chst herausfinden, was “Klang” im wirklichen Leben ist. Die \u00dcbertragung von Informationen aus der Ferne mit akustischen Schwingungen ist nur aufgrund der Eigenschaften der akustischen Umgebung m\u00f6glich, in der dieselben Schallschwingungen auftreten. Sie sind aufgrund des Vorhandenseins elastischer Bindungen zwischen Partikeln im leitenden Medium m\u00f6glich. Die Schallquelle erzeugt einen Druckbereich durch Komprimieren von Luftmolek\u00fclen. Diese Molek\u00fcle \u00fcbertragen ihre Energie auf andere in der N\u00e4he und diese wiederum auf andere usw., was dazu f\u00fchrt, dass Bereiche mit erh\u00f6htem und verringertem Druck im Verh\u00e4ltnis 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 wei\u00df, dass es zur Erh\u00f6hung der Lautst\u00e4rke des Klangs erforderlich ist, die Saite mit mehr Kraft zu ziehen, wodurch die Schwingungsamplitude erh\u00f6ht wird, was zu einer Erh\u00f6hung der Druckabweichung f\u00fchrt. Eine Welle reicht jedoch nicht aus, um einen Schall zu \u00fcbertragen, der vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druck\u00e4nderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonh\u00f6he des \u00fcbertragenen Schalls. Um die Tonh\u00f6he einer Gitarre zu \u00e4ndern, m\u00fcssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedr\u00fcckt halten, dh die L\u00e4nge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen \u00e4ndern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druck\u00e4nderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonh\u00f6he des \u00fcbertragenen Schalls. Um die Tonh\u00f6he einer Gitarre zu \u00e4ndern, m\u00fcssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedr\u00fcckt halten, dh die L\u00e4nge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen \u00e4ndern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druck\u00e4nderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonh\u00f6he des \u00fcbertragenen Schalls. Um die Tonh\u00f6he einer Gitarre zu \u00e4ndern, m\u00fcssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedr\u00fcckt halten, dh die L\u00e4nge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen \u00e4ndern.<\/p>\n
Nachdem wir die Natur des Klangs ein wenig verstanden haben, wechseln wir von analog zu digital. Um “nat\u00fcrlichen” Klang zu digitalisieren, m\u00fcssen Sie ihn zuerst in ein analoges elektrisches Signal umwandeln. In diesem Fall ist das Analogon der Amplitude der Schallwelle die Amplitude der Spannungs\u00e4nderung. Wie oben erw\u00e4hnt, sind die Welle und das analoge elektrische Signal kontinuierliche Funktionen, aber f\u00fcr die Digitalisierung m\u00fcssen 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 f\u00fcr eine gr\u00f6\u00dfere Pr\u00e4zision und Reinheit des Klangs die Anzahl der Samples gegen unendlich tendieren und ihre Gr\u00f6\u00dfe 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 nat\u00fcrlichsten ist. Es ist theoretisch bekannt, dass f\u00fcr 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 Ger\u00e4usche mit einer Frequenz von 18 bis 20.000 Hz wahrnehmen kann. Daher betr\u00e4gt die optimale Abtastfrequenz 40 kHz oder mehr. Die h\u00e4ufigsten Abtastfrequenzen sind 44,1 kHz, 48 kHz. Aufgrund der Tatsache, dass Harmonische \u00fcber 20 kHz auch den Gesamtklang beeinflussen, werden auch Encoder mit Abtastraten von 96 und 192 kHz verwendet. Die Klangqualit\u00e4t h\u00e4ngt 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 Klangqualit\u00e4t aufweisen.<\/p>\n
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 Qualit\u00e4t komprimiert. Seien Sie jedoch nicht beunruhigt, da das menschliche Ohr den Verlust der Klangqualit\u00e4t nach der Komprimierung praktisch nicht erkennen kann. Lassen Sie mich jetzt erkl\u00e4ren. Alles begann, als die Internationale Organisation f\u00fcr Normung (ISO) Ende der 1980er Jahre die Expertengruppe Moving Pictrures gr\u00fcndete, deren Aufgabe es war, einen internationalen Standard f\u00fcr 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 Qualit\u00e4tsverlust um 1\/12 komprimiert. Der Audiokomprimierungsalgorithmus in diesem Format basiert auf den psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen H\u00f6rorgans, und daher hat die Entfernung von Elementen, die vom Ohr nicht wahrgenommen werden, keinen Einfluss auf die sp\u00fcrbare Qualit\u00e4tsverschlechterung. 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 Ger\u00e4usches nicht h\u00f6rt. Dies liegt daran, dass Kl\u00e4nge derselben Frequenz mit h\u00f6herer Amplitude andere Frequenzen mit niedrigerer Amplitude maskieren. Dieser ungl\u00fcckliche Effekt wird jedoch gerne zum Komprimieren von digitalisiertem Audio verwendet. Der Wellenstrom enth\u00e4lt alle Toninformationen, auch maskiert, die f\u00fcr das Ohr nicht h\u00f6rbar sind. Nach der Komprimierung werden diese Informationen jedoch entfernt, wodurch die Dateigr\u00f6\u00dfe verringert wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal des zur Kompression verwendeten menschlichen H\u00f6rorgans ist die Tr\u00e4gheit. Das Ohr ist, um es vulg\u00e4r auszudr\u00fccken, ein Tr\u00e4gheitsger\u00e4t, daher kann eine Person an der Grenze des Unterschieds des Schallpegels vom h\u00f6chsten zum niedrigsten f\u00fcr eine bestimmte Zeit (~ 100 ms) keinen Schall mit niedrigerer Amplitude h\u00f6ren Daher wird der Ton in diesem Zeitraum m\u00f6glicherweise nicht gespeichert. Es ist auch m\u00f6glich, den Schall, der \u00fcber der Empfindlichkeitsschwelle liegt, nicht zu speichern, dh dessen Schallpegel unter einem bestimmten Wert liegt und daher f\u00fcr eine Person unh\u00f6rbar ist. Eine weitere interessante Eigenschaft, die zum Codieren verwendet wird (jedoch nicht von ”<\/p>\n
Zusammen f\u00fchrt 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 k\u00f6nnen. Dies ist jedoch nicht die Grenze. Im Jahr 2001 hatte das MP3-Format einen Nachfolger: das MP3Pro-Format. Sch\u00f6pfer sind Thomson Multimedia und das Fraunhofer-Institut in Deutschland. Eine Besonderheit des neuen verbesserten Formats ist, dass die Dateien im neuen Format bei gleicher Qualit\u00e4t im Vergleich zu normalen MP3s doppelt so viel Speicherplatz beanspruchen. Beispielsweise hat eine MP3Pro-Datei mit einer Klangqualit\u00e4t von 128 kbit \/ s dieselbe Gr\u00f6\u00dfe wie eine MP3-Datei mit 64 kbit \/ s. Ein weiterer Vorteil ist<\/p>\n
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 \u00fcblichen MP3-Format codiert ist, wodurch die Formate \u00fcbrigens abw\u00e4rtskompatibel 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 \u00e4ltere Player ignorieren. Der neue Decoder kombiniert diese beiden Streams und f\u00fchrt zu einem vollen Klang \u00fcber das gesamte Frequenzband.
\nIn Bezug auf die F\u00f6rderung des neuen Formats auf dem Markt hat MP3Pro im Vergleich zu seinem \u00e4lteren Bruder keine so breite Verbreitung erhalten. Thomson Multimedia bietet eine kostenlose Version des MP3Pro Player \/ Encoder zum Download von seiner Website an. Die Einschr\u00e4nkungen dieser Version bestehen darin, dass nur 64 kbit \/ s f\u00fcr die Codierung verf\u00fcgbar sind. WinAmp-Liebhaber haben ein Plugin zum Abspielen von MP3Pro-Dateien<\/p>\n
Nat\u00fcrlich konvergierte das Licht nicht bei MP3, es gibt andere digitale Codierungsformate, aber trotzdem ist es immer noch das beliebteste.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"