DIGITAL AUDIO

Zu diesem Foliensatz wurden zahlreiche Audiobeispiele gezeigt, die in der PDF-Version nicht enthalten sind.

Was ist Audio?

Eigenschaften von Schallwellen

Das menschliche Ohr

Räumliches Hören, Töne, Klänge & Geräusche

Warum Audio digitalisieren?

Analog zu Digital

Probleme der AD/DA-Wandlung

Psychoakustik

Kompression (MP3)

Übertragung (MIDI)

Audio Retrieval

Übersicht

2AGENDA

3

Töne

Sprache

Geräusche

Musik

...

Was ist Audio? I

Was ist Audio?

4

Schall

! Schwingungen (Wellen) die sich in einem Träger

räumlich ausbreiten (Veränderung des Drucks)" Flüssigkeiten

" Festkörpern

" Gasen (Schallgeschwindigkeit: 330m/s = 1188 km/h)

! periodische Schwingungen (Klänge)" Musikinstrumente

" Gesang

" Wind

" ...

! nichtperiodische Schwingungen" Sprache

" Geräusche

" ...

Was ist Audio? II

Was ist Audio?

5

Amplitude! objektiv:

Energie des Klanges

! subjektiv:Lautstärke der Schwingung

Was ist Audio? II

Was ist Audio?

6

Frequenzen! Infraschall: 0 bis 20 Hertz (Hz)

! Hörschall: 20 bis 20 kHz

! Ultraschall: 20 kHz bis 1 GHz

! Hyperschall: 1 GHz bis 10 THz

Was ist Audio? III

Was ist Audio?

Was ist Audio? IV

7Was ist Audio?

Longitudinal- und Transversalwellen

Longitudinalwelle:

! Oszillatoren schwingen in der Ausbreitungsrichtung

Transversalwelle:

! Oszillatoren schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung

8Eigenschaften von Schallwellen

Wellenlänge

Die Länge einer Welle (d.h. der Abstand bis zur nächsten Wiederholung) bestimmt sich aus der Periodenlänge T und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c

9Eigenschaften von Schallwellen

Reexion

10

Reexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) gilt für Schallwellen nur, wenn die Grenzäche groß genug im Vergleich zur Wellenlänge ist

! d.h. in kleineren Räumen keine Reexion tiefer Frequenzen

Rauigkeit der Oberäche führt zu di!user (zerstreuender) Reexion, wenn Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge

! d.h. auch bei zentimetergroßen Unebenheiten wirkt Wand auf tie!requenten Schall als "glatt"

Eigenschaften von Schallwellen

Absorption, Brechung

Ein Teil der Schallenergie wird nicht reektiert

! Absorptionsgrad abhängig vom Material und der Schallfrequenz

Dissipation: Umwandlung in Wärmeenergie

Transmission: Weiterleitung im absorbierenden Medium

Aufteilung der absorbierten Energie in Dissipation und Transmission

! frequenzabhängig: niedrige Frequenzen höhere Transmission (Körperschall)

Auch Schall wird gebrochen, z.B. bei Luftschichten verschiedener Temperatur

11Eigenschaften von Schallwellen

Beugung

Schall-"Schatten" entsteht erst, wenn ein Gegenstand groß genug im Vergleich zur Wellenlänge ist

Bei Gegenständen in Größenordnung der Wellenlänge tritt Beugung auf

! Wellen iessen "um das Hindernis herum"

! Wellen werden von einem Spalt zerstreut

12Eigenschaften von Schallwellen

13

Das menschliche Ohr

Das menschliche Ohr

14

Das menschliche OhrAussenohr:

! HRTF = Head Related Transfer Function

Mittelohr:

! Trommelfell, Hammer, Amboss, Steigbügel: Verstärkung der Kraftwirkung

Innenohr:

! Schnecke (cochlea)

! Aufgerollte Röhren (Gänge), gefüllt mit Lymphüssigkeit

Das menschliche Ohr

Schnecke (Cochlea)

15Das menschliche Ohr

Räumliches HörenStereo-E!ekt

! Unterschiedliche Lautstärke des Schallereignisses an beiden Ohren

! Zeitliche Verzögerung des selben Schallereignisses in seiner Wahrnehmung durch beide Ohren

! Verzögerungsmessung liefert Information über Entfernung der Quelle

16Räumliches Hören

Kann ein einseitig tauber Mensch räumlich hören?

! Eingeschränkt: ja!

! Reexion und Beugung an Umwelt und Ohrmuscheln liefern umfangreiche Information

Frequenzabhängigkeit der Ortung:

! Niedrige Frequenzen generell schlechter zu orten

! Konsequenz physikalischer Tatsachen (Wellenlänge:Hindernis)

! Siehe z.B. „Subwoofer“-Technologie

Laufzeitdi!erenzen

17Räumliches Hören

Head Related Transfer Functions (HRTF)

18

Für alle Positionen rund um den Kopf Impulsantwort von der Position zu beiden Ohren messen (HRIR)

Fourier-Transformation davon ist die HRTF

! Enthält alle physikalischen cues für die Lokalisierung

! HRTF von Mensch zu Mensch verschieden

! Sobald HRTF für beide Ohren bekannt ist, kann mit einem Kopfhörer Raumklang (also auch vorne/hinten und oben/unten) erzeugt werden

Räumliches Hören

19

Ton, Klang und Geräusch

Töne sind vom Menschen wahrnehmbare kleine Luftdruckänderungen

Primärempndungen der Tonwahrnehmung: ! Tonhöhe (Bsp. verschiedene Klaviertasten)

! Lautstärke (Bsp. Trommelanschlag)

! Klangfarbe (Bsp. gleicher Ton auf verschiedenen Instrumenten)

Ton:! reine Sinusschwingung

Klang: ! Überlagerung von mehreren Sinusschwingungen

! alle drei Primärempndungen wahrnehmbar

Geräusch: ! entsteht durch unregelmäßige Schwingungen einer Schallquelle

! nur Lautstärke wahrnehmbar

20Klänge und Geräusche

21

Qualität der Reproduktion! Qualität ist NUR abhängig von der Analog/Digital/Analog-

Konvertierung

! Qualität ist unabhängig von" Verarbeitung (z. B. Geräte)

" Transport (z. B. Kabel)

" Speicherung (z. B. Festplatte, Magnetband, CD)

! Möglichkeiten der Konvertierung/Bearbeitung" verlustfreies Kopieren

" nicht-sequentieller Zugri!

" nicht-destruktives Editing

" platzsparendere Speicherung

" ...

Warum Digital ?

Warum Digital?

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PAM (Puls Amplitude Modulation)! Ermittlung von Amplitudenwerten innerhalb eines Zeitintervalls

Analog zu Digital I

Analog zu Digital

PWM (Puls Width Modulation)! Ermittlung von Impulsen, deren Länge die Intensität des

analogen Signals wiedergibt

23

Analog zu Digital II

Analog zu Digital

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PCM (Pulse Code Modulation)! universelles Verfahren zur

Digitalisierung von analogen Zeitreihen

! Sampling" Abtastung des analogen Signals in

einem festgelegten Zeitintervall

" Verwendung von PAM

! Quantisierung" Zuordung eines ganzzahligen

Wertes innerhalb eines festgelegten Zahlenbereiches

Analog zu Digital III

Analog zu Digital

Nyquist Abtast-Theorem! Harry Nyquist (1889 – 1976)

! Mathematisch bewiesen durch Claude E. Shannon und Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov

! die Abtastrate (Sampling Frequenz) muss doppelt so hoch sein, wie die höchste Frequenz des abzutastenden Signals

! Folge: Frequenz-Überlappung (Aliasing)ggf. falsche Rekonstruktion des Signals

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Probleme der AD/DA-Wandlung I

Nyquist

Shannon

Kotelnikov

Probleme der AD/DA-Wandlung

26

Quantisierungsrauschen! Fehler durch Rundung bei der Digitalisierung

Probleme der AD/DA-Wandlung II

Probleme der AD/DA-Wandlung

27

! Beispiele

Probleme der AD/DA-Wandlung II

Probleme der AD/DA-Wandlung

28

Verzerrungen (Clipping)! Übersteuerung des Eingangsignals

! Abschneiden der Spitzen eines Signals

! Folge von Variablenüberläufen

Probleme der AD/DA-Wandlung III

Probleme der AD/DA-Wandlung

29

Hörschwelle! unterschiedliche Empndlichkeit

(Lautstärkeeindruck) des Gehörs für verschiedene Frequenzbereiche

! höchste Empndlichkeit im Bereich von 2 kHz bis 4kHz

Psychoakustik I

Psychoakustik

Psychoakustik II

30Psychoakustik

31

Maskierung! Überdeckung eines Frequenzbereiches durch ein Störsignal

(gleichzeitige Maskierung)

! Zeitliche Maskierung verdeckt auch nach Abschalten des Störsignals den betre!enden Frequenzbereich(zeitliche Maskierung)

Psychoakustik III

Psychoakustik

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Dynamikkompression! Einsatz nichtlinerarer (logarithmischer) Quantisierung

! kleine Signale werden mit niedrigeren Bitwerten kodiert

! Beispiele: A-law, u-Law

Psychoakustische Kompression! Verwendung von Subband-Kodierung & Maskierung

! dadurch Entfernung von irrelevanten Daten

! Reduktion der Datenrate

! Beispiel: MP3, AAC

Audio-Kompression

Kompression

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Kurzform von MPEG-1 Audio Layer 3

! Verwendung der»psychoakustischen Kompression«

! Nicht für den Menschen hörbare Informationen werden entfernt

! Entfernung von Redundanzen

Kompression von Audiodaten bei vermeintlich geringem Qualitätsverlust

! Kanalkopplung (Stereo) – Di!erenzsignalbildung

! Entfernung nicht hörbarer Frequenzen und maskierter Audioinformation

Karl-Heinz Brandenburg, Harald Popp: An Introduction to MPEG Layer 3. EBU Technical Review, Juni 2000.

! http://www.iis.fhg.de/amm/

Kompression MP3 (I) Übersicht

Kompression

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Algorithmus (Übersicht)

Kompression MP3 II

Kompression

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Algorithmus (1)! Anwendung eines Faltungslters, um ein Signal in 32 Bänder zu

unterteilen

! Berechnung des Schallddruckpegels eines Bandes

! wenn der Schalldruckpegel eines Bandes kleiner ist als der Maskierungsschwellwert eines Nachbarbandes, wird dieses Band nicht kodiert.

! Andernfalls werden die Koe!zienten quantisiert

Kompression MP3 III

Kompression

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Algorithmus (2)! Unterteilung des

Datenstromes in Frames

! Ein Frame entspricht einem Tonsignal über eine bestimmte Zeiteinheit

! Jeder Frame enthält 384 (1152) Samples, die Abtastwerte aus 32 Teilbändern repräsentieren

! Aus jedem Teilband stammen 12 Werte

Kompression MP3 IV

Kompression

37

Algorithmus (Übersicht)

Kompression MP3 V

Kompression

Kompression MP3 VI

Datenrate von 32 bis zu 320 KBit/s

Samplingrate 32/44,1/48 kHz16 Bit Stereo

Abb. zeigt typische Kompressionsartefakte bei der Fourier-Transformation

38Kompression

Advanced Audio Coding (AAC)Vergleich zu MP3

! bessere Qualität bei gleicher Dateigröße

! tonale und geräuschhafte Elemente im Eingangssignal e!ektiver erkannt und kodiert

! Pre-Echo Problem (Kompressionsartefakte) verbessert.

! Unterstützung für Multichannel-Audio (bis 48)

! Bis zu 96 KHz Abtastfrequenz

! DRM-Verfahren »FairPlay« implementiert

Entwicklung! Standardisiert bei der ISO MPEG2/MPEG4, EBU-Recommendation

! Dolby (AC3), Fraunhofer IIS (MP3), AT&T, Sony, Nokia ...

Erweiterung HE-AAC für niedrige Bitraten! MPEG-4 High E"ciency Advanced Audio Coding,

mit Spectral Band Replication (SBR) auch AACplus v1

! Mit Parametric Stereo (PS) auch AACplus v2

39Kompression

Hörbeispiele Audiocodecs

40

http://inka.fhtw-berlin.de/Herzog/

Kompression

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MIDI (Musical Instrument Digital Interface)! standardisiertes Protokoll zur Steuerung

elektronischer Musikinstrumente und Musike!ektgeräte

! physikalische Schnittstelle

! Überbegri! für die Musik, die diesem Standard genügt

! 1984 entwickelt

! Standardisierung und Weiterentwicklung durch " International Midi Organisation (IMA)

" MIDI Manufacturers Association(MMA)http://www.midi.org/

Übertragung - MIDI (I)

Übertragung

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Komponenten! Sequenzer

" Komponieren/Wiedergabe von Musik mit Rechner

" MIDI Sequenzen werden in MIDI-Dateien gespeichert

! Synthesizer" Synthetische Erzeugung und

Manipulation von Klängen

! Sampler" Wie Synthesizer, jedoch synthetisiert

ein Sampler Töne aus einer Palette von Instrument-Samples

Übertragung - MIDI (II)

Übertragung

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Datenformat! instrumentenbezogene Kodierung

" Lautstärke

" Grundfrequenz

" Bezeichnung des Instruments

! MIDI-Nachrichten bestehen aus einem Statusbyte und bis zu 3 Datenbytes" Statusbyte 1 B B B K K K K

" Datenbyte 0 _ _ _ _ _ _ _

" Statusbyte kündigen eine Aktion an und gliedern sich in Kanal- und Systembefehle.

" Kanalbefehle (BBB) beziehen sich auf der insgesamt 16 Kanäle (KKKK), mit denen jeweils ein angeschlossenes Instrument assoziiert ist

Übertragung - MIDI III

Übertragung

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Vorteile! MIDI-Dateien sind plattformübergreifend

! MIDI-Dateien sind sehr klein: 1 min Musik ca. 15- 30 Kbyte

! MIDI Kodierung entspricht der Vorgehensweise beim klassischen Komponieren

Nachteile! Ohne wirklich gute Instrumente kein schöner Klang,

da synthetische Klangerzeugung

! keine Sprache oder Geräusche

! MIDI-Dateien klingen auf unterschiedlichen Systemen, je nach eingesetzten Geräten unterschiedlich

Übertragung - MIDI (IV)

Übertragung

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General Midi (GM)! Standard-Erweiterung

ermöglicht geräteunabhängig möglichst originalgetreue Wiedergabe

Midi über IEEE 1394 (FireWire)! Verwendung aktueller

Technologien und Protokolle

Übertragung MIDI V

Übertragung

Audio Retrieval

Tempoerkennung

! Verfahren zur automatischen Schätzung des Rhythmus beschreibenden Elemente Tempo, Taktart und Mikrotime

Query by Humming (QbH)

! Melodieerkennung/Musiktitelerkennung auf Grundlage gesungener oder anderer monophoner Melodien

! Bsp: http://www.musicline.de/de/melodiesuche/

Statistische Klassikation

! Jedes Geräusch hat typische Werte (loudness, pitch, brightness, bandwidth)

! Trainingsset von Geräuschen einer Klasse ermöglicht Einordnung (Bsp. Gelächter, Beifall, Kinder)

...

46Audio Retrieval

Film: http://www.celemony.com/

»Taschenbuch Multimedia«! HENNING, PETER A., Fachbuchverlag Leipzig,

2. Auage 2001, gebundene Ausgabe, 603 Seiten, ISBN 3446217517, ca. ! 20

»Multimedia Technologie«! Grundlagen, Komponenten und Systeme

Steinmetz, Henning, Springer Verlag Heidelberg, 3. überarbeitete Auage 2000, gebundene Ausgabe, 968 Seiten, ISBN 3-540-67332-6, ca. ! 55

»The Art of DIGITAL AUDIO«! Watkinson, John, Focal Press Oxford,

Third Edition 2001, Hardcover, 752 Seiten, ISBN 0-240-51587-0, ca. ! 84

48

Literatur

Literatur

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http://www.ieee.org

http://www.itu.int/ITU-T/

http://www.cs.columbia.edu/~hgs/audio/

http://www.digitalaudioguide.com/glossary.htm

http://www.mp3encoding.de

http://www.midi.org/

http://www.superaudio-cd.com/

Links

Links