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DIGITAL AUDIO
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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
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3
Töne
Sprache
Geräusche
Musik
...
Was ist Audio? I
Was ist Audio?
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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?
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5
Amplitude! objektiv:
Energie des Klanges
! subjektiv:Lautstärke der Schwingung
Was ist Audio? II
Was ist Audio?
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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?
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Was ist Audio? IV
7Was ist Audio?
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Longitudinal- und Transversalwellen
Longitudinalwelle:
! Oszillatoren schwingen in der Ausbreitungsrichtung
Transversalwelle:
! Oszillatoren schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung
8Eigenschaften von Schallwellen
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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
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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
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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
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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
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13
Das menschliche Ohr
Das menschliche Ohr
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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
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Schnecke (Cochlea)
15Das menschliche Ohr
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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
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Laufzeitdi!erenzen
17Räumliches Hören
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Head Related Transfer Functions (HRTF)
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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
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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
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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
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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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24
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
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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
25
Probleme der AD/DA-Wandlung I
Nyquist
Shannon
Kotelnikov
Probleme der AD/DA-Wandlung
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26
Quantisierungsrauschen! Fehler durch Rundung bei der Digitalisierung
Probleme der AD/DA-Wandlung II
Probleme der AD/DA-Wandlung
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27
! Beispiele
Probleme der AD/DA-Wandlung II
Probleme der AD/DA-Wandlung
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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
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29
Hörschwelle! unterschiedliche Empndlichkeit
(Lautstärkeeindruck) des Gehörs für verschiedene Frequenzbereiche
! höchste Empndlichkeit im Bereich von 2 kHz bis 4kHz
Psychoakustik I
Psychoakustik
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Psychoakustik II
30Psychoakustik
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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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32
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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33
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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34
Algorithmus (Übersicht)
Kompression MP3 II
Kompression
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35
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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36
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
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37
Algorithmus (Übersicht)
Kompression MP3 V
Kompression
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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
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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
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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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42
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
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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
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Film: http://www.celemony.com/
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»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
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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
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