mp 3 MP 3 Das Audioformat Daniela Wurhofer

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mp 3 MP 3 Das Audioformat Daniela Wurhofer und Ismail Karagöz

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Übersicht v Einführung v Aufbau v Kompression & Codierung mp 3

Übersicht v Einführung v Aufbau v Kompression & Codierung mp 3

mp 3 Einführung v Was ist MP 3? • Abkürzung für Motion Picture Experts

mp 3 Einführung v Was ist MP 3? • Abkürzung für Motion Picture Experts Group, Audio Layer-3. • Audiocodierungsverfahren; Audiodaten werden bis auf ein Zwölftel ihrer Größe komprimiert, ohne hörbare Qualitätsverluste. Klangqualität Modus Bitrate Kompressionsrate Telefon mono 8 KBit/s 96: 1 besser als KW-Radio mono 16 KBit/s 48: 1 besser als MW-Radio mono 32 KBit/s 24: 1 ähnlich UKW-Radio stereo 56 KBit/s 26 bis 24: 1 annähernd CD stereo 96 KBit/s 16: 1 CD-Qualität stereo 112 bis 128 KBit/s 14 bis 12: 1 [Die Qualitätsstufen von MP 3 im Vergleich]

Einführung mp 3 v Die Geschichte von MP 3 • ab 1987 Verfahren am

Einführung mp 3 v Die Geschichte von MP 3 • ab 1987 Verfahren am Fraunhofer. Institut IIS-A (Institut Integrierte Schaltungen) in Erlangen entwickelt. • 1989 Patent in Deutschland angemeldet und erteilt. • 1992 von der ISO (International Standards Organisation) akzeptiert und in die Spezifikation der MPEG integriert. [Das Fraunhofer-Institut]

Aufbau mp 3 v Die Struktur eines MP 3 s • MP 3 s

Aufbau mp 3 v Die Struktur eines MP 3 s • MP 3 s werden in kleinere Einheiten, die als Frames bezeichnet werden geteilt. • Jeder Frame besteht aus einem Header und den Daten. • Am Anfang oder Ende des MP 3 s können im so genannten ID 3 Tag Informationen zur Musikdatei angegeben werden.

Aufbau v Der Header mp 3

Aufbau v Der Header mp 3

mp 3 Aufbau v Struktur des Headers • Headerlänge: 32 Bit Pos. Aufgabe Länge

mp 3 Aufbau v Struktur des Headers • Headerlänge: 32 Bit Pos. Aufgabe Länge [Bit] A Frame-Sync 11 B MPEG Audioversion (MPEG-1, 2, etc. ) 2 C MPEG Layer (Layer I, III, etc. ) 2 D Protection (wenn aktiv: Checksumme nach Header) 1 E Bitrate-Index 4 F Frequenz der Samplingrate (44. 1 k. Hz, etc. ) 2 G Padding Bit (kompensiert unvollständige Belegung) 1 H Private Bit (Applikations-spezifische Trigger) 1 I Channelmode (Stereo, Joint-Stereo) 2 J Mode-Extension (bei Verwendung von Joint Stereo) 2 K Copyright 1 L Original ("0", wenn Kopie, "1" wenn Orignial) 1 M Emphasis (veraltet) 2

mp 3 Kompression & Codierung 1) Psychoakustisches Modell 2) Huffman-Codierung

mp 3 Kompression & Codierung 1) Psychoakustisches Modell 2) Huffman-Codierung

Kompression & Codierung mp 3 v Kompressionsarten • Verlustlose Kompression = 100%ige Rekonstruktion der

Kompression & Codierung mp 3 v Kompressionsarten • Verlustlose Kompression = 100%ige Rekonstruktion der Daten (ZIP-Verfahren) • Verlustbehaftete Kompression = Verminderung der Qualität akzeptabel (Bild- & Audiodaten) MP 3 ist verlustbehaftet

Kompression & Codierung mp 3 v Arbeitsschritte beim Codierungsvorgang • Einteilung der Datei in

Kompression & Codierung mp 3 v Arbeitsschritte beim Codierungsvorgang • Einteilung der Datei in kleinere Einheiten (Frames zu 26 ms) • Analyse der „spektralen Energieverteilung“ • Maximale Bitanzahl/Frame aufgrund der Encoding Bitrate berechnen. • Komprimierung des Bitstreams mittels Huffman-Coding (verlustfrei). • Ausgabe der Daten in Frames (Header vorangestellt).

Kompression & Codierung v Psychoakustisches Modell • Herausfilterung der nicht wahrnehmbaren Daten Frequenzen unter

Kompression & Codierung v Psychoakustisches Modell • Herausfilterung der nicht wahrnehmbaren Daten Frequenzen unter 20 Hz und über 16 Khz. mp 3

Kompression & Codierung v Psychoakustisches Modell mp 3

Kompression & Codierung v Psychoakustisches Modell mp 3

Kompression & Codierung mp 3 v Psychoakustisches Modell – Maskierung • Simultanes Masking: Unvermögen

Kompression & Codierung mp 3 v Psychoakustisches Modell – Maskierung • Simultanes Masking: Unvermögen des Gehörs, 2 gleichzeitig auftretende, ähnliche Frequenzen auseinander zu halten Wegfilterung einer Frequenz bei Kompression • Temporales Masking 2 Töne die kurz aufeinander folgen, wird nur der lautere wahrgenommen Wegfilterung des leiseren Tones

Kompression & Codierung mp 3 v Psychoakustisches Modell – Joint Stereo • Tiefe Töne

Kompression & Codierung mp 3 v Psychoakustisches Modell – Joint Stereo • Tiefe Töne werden nicht Stereo, sondern Mono encodiert geringere Bitrate benötigt

Kompression & Codierung mp 3 v Huffman Codierung • Verlustloses Kompressionsverfahren • Gesamtgrösse der

Kompression & Codierung mp 3 v Huffman Codierung • Verlustloses Kompressionsverfahren • Gesamtgrösse der Datei nochmals um 20% verringert

Kompression & Codierung v. Huffman Codierung • Analyse von relativen Häufigkeiten • Variable Codewortlänge

Kompression & Codierung v. Huffman Codierung • Analyse von relativen Häufigkeiten • Variable Codewortlänge Symbole mit höherem Vorkommen – kürzere Codeworte Kompressionsrate mp 3

Kompression & Codierung mp 3 v. Huffman Codierung & MP 3 • Masking: Polyphone

Kompression & Codierung mp 3 v. Huffman Codierung & MP 3 • Masking: Polyphone Elemente (viele Töne gleichzeitig und überlagert) werden komprimiert • Abschnitte, in denen der Klang konstant bleibt – relativ große Redundanz Huffmancoding

Kompression & Codierung v Struktur der MPEG Kompression 1) Unterteilung des gesamten Signals in

Kompression & Codierung v Struktur der MPEG Kompression 1) Unterteilung des gesamten Signals in Subbänder (= Zeit-Frequenz-Zuordnung) 2) Implementierung des Psychoakust. Modells Fast-Fourier-Transformation (FFT) eingesetzt mp 3

Kompression & Codierung mp 3 v Struktur der MPEG Kompression 3) Quantifizierung und Encodierung

Kompression & Codierung mp 3 v Struktur der MPEG Kompression 3) Quantifizierung und Encodierung jedes einzelnen Samples in den Subbändern 4) Endgültige Erzeugung der komprimierten Datei – digitalisierte Audiodaten in einzelne Frames unterteilt

Kompression & Codierung mp 3 v Erweiterung bei MP 3: • Weiterer Filter kommt

Kompression & Codierung mp 3 v Erweiterung bei MP 3: • Weiterer Filter kommt zum Einsatz: Discrete Consine Transform Filter (DCTF) bessere Performance und mehr Zuverlässigkeit • Der 4. Phase (Vorbereitung der Frames) ist ein komplexer Algorithmus hinzugefügt Variation der Framegrösse, Reserve Bit

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