Frequenz
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Einführung in die Medieninformatik 1 Wintersemester 2008/09 Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 1 Plan (vorläufig) 29.10. 5.11. 12.11. 19.11. 26.11. 3.12. 10.12. 17.12. 7.01. 14.01. 21.01. 28.01. 4.02. 5.02. Einführung Menschen: Wahrnehmung Menschen: Wahrnehmung Medien: Digitalisierung Medien: Bilder Medien: Kompression Verlustbehaftete Kompression (Bilder) Medien: Audio: Grundlagen und Bearbeitung Verlustbehaftete Kompression (Audio) Medien: Texte und Typographie Web: Grundlagen + Techniken Menschen und Medien: Interaktion Zusammenfassung und Ausblick Abschluss-Event (ganztägig!) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 2 Einführung in die Medieninformatik 1 Teil 5: Audio Viele Folien Heinrich Hußmann (München) Rainer Malaka Vorlesung Wintersemester 2006/09 Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 3 Übersicht Medientypen (Technische) digitale Medien Visuelle Medien Bild Bewegtbild Akustische Medien Strukturierter Ton Strukturiertes AbgetasBild tetes Bild Abgetasteter Ton Sprache Geräusch Musik Vektor- Schrift/ grafik Text Zeitabhängige Medien Weitere Klassifikationskriterien: komprimiert/unkomprimiert, ... Angelehnt an Eidenberger & Divotkey Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 4 Übermacht der visuellen Eindrücke? • • Tendenz: Visuelle Gestaltung dominiert – CD-Cover, Bühnenshow, Interessenlage von Medieninformatik-Studierenden – Gibt das Auge den Ton an? Warum Gestaltung akustischer Medien? – Ohr nicht verschließbar, unbewusste Wahrnehmung als Normalfall • Akustische „Szenerie“ bestimmt Grundstimmung, siehe Filmmusik • „Ohrwürmer“ – Direkte Kopplung der Schallverarbeitung mit Emotionen • Feine „Untertöne“ in der Sprache – Verbindender, kollektivierender Effekt • Z.B.: Jugendkultur, Marschmusik – Objektivierende Wirkung • Akustische Ereignisse wesentlich schwerer zu verfälschen als optische – Aufmerksamkeitseffekt • Akustische Alarme • Audio-Gestaltung ist wesentlich in Kunst und Ingenieurwesen! Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 5 Ton (sound) • Schallwellen, d.h. schnelle Änderungen des Luftdrucks – Longitudinalwellen, keine Schwingungsebenen – Ausbreitungsgeschwindigkeit ca. 331 m/s (bei 0°C), ca. 343 m/s (bei 20°C) • Vom Menschen hörbares Spektrum ca. 20 Hz bis 20 kHz 33 kHz Ultraschall 3,3 kHz 330 Hz 20 kHz 20 Hz Hörbarer Bereich Sprache 1,65 cm 1 cm Frequenz 33 Hz 1 dm 16,5 m Infraschall Wellenlänge 10 m 1m Kammerton A 440 Hz 10240 5120 2560 1280 Prof. Dr. Rainer Malaka, 640 320 Digitale Medien 160 80 Hz Medieninformatik 1 6 Reflexion • Für Schallwellen gelten die gleichen Gesetze wie für Lichtwellen • Aber: Effekte abhängig von Wellenlänge – Wellenlänge bei Schallausbreitung in der Luft bei 20°C zwischen ca. 20 m (tiefe Frequenzen) und 2 cm (hohe Frequenzen) – Lichtwellen erheblich kürzer (Mikrometer-Bereich) • Reflexion: – Reflexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) gilt nur, wenn Grenzfläche groß im Vergleich zur Wellenlänge • d.h. in kleineren Räumen keine Reflexion tiefer Frequenzen – Rauigkeit der Oberfläche führt zu diffuser (zerstreuender) Reflexion, wenn Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge • d.h. auch bei zentimetergroßen Unebenheiten wirkt Wand auf tieffrequenten Schall als "glatt" Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 7 Beugung • Lichtwellen erzeugen immer einen Schatten hinter einem undurchsichtigen Gegenstand – Weil Gegenstand groß im Vergleich zur Wellenlänge • Schall-"Schatten" entsteht erst, wenn Gegenstand groß im Vergleich zur Wellenlänge • Bei Gegenständen in der Größenordnung der Wellenlänge tritt Beugung auf – Wellen fliessen "um das Hindernis herum" – Wellen werden von einem Spalt zerstreut hochfrequenter Schall tieffrequenter Schall an einer Säule an einer Säule hochfrequenter Schall tieffrequenter Schall an einem Spalt an einem Spalt Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 8 Effektivwert und Pegel eines Signals • Lautstärkenvergleich: – Wie bestimmen wir die „mittlere Amplitude“? – Arithmetischer Mittelwert falsch wegen negativer Werte • Effektivwert: – Quadriert Signalstärkenwerte – Bildet Mittelwert über Zeitintervall 1 2 seffektiv = s (t )dt ∫ TT Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 9 Dezibel, Absolute Pegel • Exponentieller Zusammenhang: – Verdoppelung eines physikalischen Basismaßes wird als eine Stufe (plus 1) aufgefasst (sog. logarithmisches Gesetz) – Beispiele für das logarithmische Gesetz: • Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs für Schalldruck • Verlust in Telefonkabeln (als Funktion der Länge) • Bel (B, benannt nach Graham Bell): – Logarithmisches Maß zu einem Referenzwert (0 Bel) – Referenzwert traditionell 1 mW bei 600 Ω • DeziBel (dB, „de-be“, „dee-bee“): 1 dB = 1/10 B 220Hz – 0 dB – 6 dB – 12 dB – 18 dB „Plus 6 dB ist doppelte Lautstärke“ Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 10 Räumliches Hören • Stereo-Effekt – Zeitliche Verzögerung des selben Schallereignisses in seiner Wahrnehmung durch beide Ohren – Verzögerungsmessung liefert Information über Entfernung der Quelle • Kann ein einseitig tauber Mensch räumlich hören? – Eingeschränkt: ja! – Reflexion 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 Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 11 Empfindungen: Klang und Geräusch • Töne sind vom Menschen wahrnehmbare kleine Luftdruckänderungen – Warum empfinden wir manchen Ton als "Musik"? • Primärempfindungen der Tonwahrnehmung: – Tonhöhe (Bsp. verschiedene Klaviertasten) – Lautstärke (Bsp. Trommelanschlag) – Klangfarbe (Bsp. gleicher Ton auf verschiedenen Instrumenten) • Klang: – alle drei Primärempfindungen wahrnehmbar • Geräusch: – nur Lautstärke wahrnehmbar Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 12 Periodizität • Klänge sind, als Signalform betrachtet, periodisch (d.h. wiederholen Teilabschnitte) • Geräusche sind schlechter strukturiert und meist aperiodisch. Blockflöte LKW Violine Fahrradkette Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 13 Frequenzspektrum, Oberschwingungen • Frequenz (Tonhöhe): – Maß für die Häufigkeit, mit der sich positive und negative Spannungen abwechseln, Maß 1 Hertz = 1 Schwingung/s • Audiosignal: – besteht aus Vielzahl von überlagerten Frequenzen (Frequenzspektrum) – Bandbreite: Differenz zwischen höchster und niedrigster Frequenz – Beispiel: Ton eines Musikinstrumentes • Grundton: Wahrgenommene Tonhöhe – Größter gemeinsamer Teiler aller am Signal beteiligten Frequenzen – Oft: Tiefste enthaltene Teilfrequenz • Obertöne: – reine Obertöne: ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz – zusätzlich: geräuschhafte Tonanteile (z.B. Zupfgeräusch) – Obertonspektrum ist für charakteristischen Instrumentklang bestimmend Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 14 Harmonische Schwingungen • Harmonische Schwingung (harmonischer Ton): – Beschreibbar durch Sinus- und Cosinusfunktionen • Harmonisch komplexe Schwingung (Klang): – Zusammengesetzt aus harmonischen Teilschwingungen – Grundton und ganzzahlige Vielfache • Klänge ohne Grundton: – Zusammengesetzt aus harmonischen Teilschwingungen – Keine ganzzahligen Vielfachen einer Grundfrequenz – Z.B. Pauken, Gongs Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 15 Überlagerung harmonischer Schwingungen Sinus 110 Hz (Grundton) 110 Hz + 220 Hz Sinus 220 Hz (Oberton) 110 Hz + 220 Hz + 330 Hz 220 Hz + 330 Hz Sinus 330 Hz (Oberton) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 16 Interferenz und Schwebung • Interferenz: Überlagerung von Schallwellen exakt gleicher Frequenz – konstruktive Interferenz (in phase): • Übereinstimmung der Phasenlage • Addition der Amplituden – destruktive Interferenz (out of phase): • Gegenphasige Lage (180°verschoben) • Subtraktion der Amplituden – Auslöschung • Schwebung: Überlagerung von Wellen annähernd gleicher Frequenz – konstruktive und destruktive Interferenz wechseln sich ab – Amplitudenverlauf beschreibt neues Signal mit Frequenz = Differenz der überlagerten Frequenzen Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 17 Frequenzspektren • Frequenzspektrum von Klängen – Anzahl diskreter Spektrallinien (Grund- und Obertöne) • Frequenzspektrum von Geräuschen – kontinuierliches Spektrum diverser Frequenzen Klänge: Sinus 110 Hz Blockflöte Violine Geräusche: Bach Fahrrad (Bremsen) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 18 Sounddesign • Unterschiede: Auditiver – visueller Wahrnehmungskanal – – – – – – – Wegsehen ist kein Problem, weghören schon Auge verschließbar, Ohr nur schwer Auge beweglicher als Ohr Oft kann Unsichtbares gehört werden Akustische Ereignisse erfüllen den ganzen Raum Auge: selektiv, individuell, distanzierend Ohr: universell, verbindend, kollektivierend • Akustische Ereignisse erregen Aufmerksamkeit und Emotion Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 19 Audioproduktion: Verarbeitungsschritte • Aufnahme: – Festlegung der analogen Aufnahmequalität (Micro, Recorder etc.) • Sampling und Quantisierung – Analoges Audiosignal wird digital abgetastet – Die Häufigkeit der Abtastungsschritte/Sekunde wird in kHz angegeben und die Genauigkeit des Amplitudenwertes in Bit – Generell gilt: • je höher die Abtastrate/Frequenz (in kHz) und die Genauigkeit/Auflösung (in Bit) desto besser ist die Qualität – Aus einer „Kurve“ wird durch Digitalisierung eine „Treppe“ • Postprocessing – Bearbeitung (Effekte, Schnitt usw.), Speicherung, Kopieren – Typisches Beispiel: CD Qualität = 44,1 kHz Abtastrate, 16Bit Auflösung Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 20 Bearbietung von Amplitude und Dynamik • Normalisierung – Nachträgliche Verstärkung zur Vollaussteuerung • Hüllkurve – Beschreibt den Zeitverlauf der Amplitude des Schallsignals – Eingang und Ausgang häufig durch Fade-In und Fade-Out • Dynamik – Kompressor verringert Dynamik. Mit anschließender Normalisierung wird das Signal als lauter wahrgenommen. • Anwendung: Hervorhebung von Sprachsignalen – Weitere Werkzeuge: • Limiter: Begrenzen von Signalen über Threshold • Expander: Verstärken von Signalen über Threshold • Gate: Unterdrückung von Signalen unter Threshold (z.B. Noise-Gate) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 21 Bearbietung des zeitlichen Verlaufs • Audioschnitt – – • Grundregeln: – – – – – • In Signalpausen schneiden Von einer Passage zu einer ähnlichen schneiden Von einer leisen zu einer lauten Stelle schneiden Immer in Nulldurchgängen schneiden An den Schnittpunkten möglichst gleiche Steigung des Signals Werkzeuge – – – • Bearbietung durch Schneiden, Kopieren und Einfügen Arbeiten mit Tracks (entspricht Layers bei Bildern) Loops, Resampling, Timestretching, … Andern von Tonhöhe (Pitch), Tempo, Speed, … Weitere Filter … Möglichkeit der Zeitgestaltung auf verschiedenen Ebenen: – – – – Form, Dramaturgie Puls, Tempo, Metrum Rhythmus Melodie Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 22 Räumliche Gestaltung • Hall, Nachhall • Delay, Echo • Tiefenstaffelung – Bewertung der absoluten Lautstärke – Anteil hoher Frequenzen – Verhältnis von Erstschall, Reflexionen und Nachhall • Richtung – Interauraler Intensitätsunterschied – Interauraler Laufzeit-/Phasenunterschied • Bei mehrspurigen und dichten Medien sollte ein Konzept der räumlichen Anordnung der einzelnen Quellen geben • Räumliche Zuordnungen helfen, die Quellen zu unterscheiden und vermeiden chaotisches Durcheinander Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 23 Akustische Mediengestaltung • Zusammensetzung eines Audiomediums aus Tonspuren – Typischerweise 3 Ebenen: Sprache, Geräusche, Musik – Sprache: • Kurze Texte • ggf. verschiedene Sprecher mit unterschiedlichen Raumperspektiven • Sprecher und Sprachtyp sorgfältig wählen (flüstern, sprechen, …) – Geräusche: • Atmo und Sound-Effekte • Verdichtung durch Überlagerung, Stereo für Raumwirkung – Musik: • Entweder als Sourcemusik (in der Szene) oder Hintergrundmusik • Funktion: – Dramaturgie (Spannung), – Erzählung (Verdeutlicht Ort und Zeit), – Struktur (Übergänge, Schnitte), – Emotion erzeugen. Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 24 Sound-Komprimierung • Das digitale Signal wird analysiert und es werden durch spezielle Algorithmen „überflüssige“ und „unhörbare“ Bereiche des Materials entfernt • Besonders bei hohen Tönen hört der Mensch nicht alles, was mit 44,1 kHz / 16 Bit aufgezeichnet werden kann • Zudem wird die Abtastrate (Abtastfrequenz) herabgesetzt, um das Datenaufkommen zu verringern • Es entstehen Dateien, die sogar bei einem Zehntel der Originalgröße noch annähernd wie das Original klingen • Generell: Je kleiner die Datei, umso schlechter die Qualität • Dateiformate: mp3, Real Audio, wmf (windows meta file), ogg Vorbis (open source), Quicktime Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 25 Informationsgehalt akustischer Szenen • Umgebung des Menschen ist durch Vielzahl verschiedenartiger Geräusche geprägt • Menschlicher Gehörsinn (= Hörapparat + Nachverarbeitung) – Kann gezielt Aufmerksamkeit auf sehr spezifische Teilsignale richten; Cocktailparty-Effekt – Nimmt Hintergrundinformationen neben selektierter Information weiter wahr (z.B. Alarmsignale, Durchsagen) – Kann räumlich weit verstreute Informationsquellen integrieren (wesentlich geringere Verdeckung als in der Optik) – Kann sehr genau verschiedene Schallereignisse differenzieren („Mischfarben“ vs. Wahrnehmung gleichzeitiger Töne) • Digitale Tonverarbeitung muss sich mit der Informationsverarbeitung im Gehirn befassen, nicht nur mit dem physikalischen Hörorgan Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 26 Psychoakustik • Die Psychoakustik versucht kausale Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen eines Schallsignals und den dadurch ausgelösten Empfindungen zu erfassen. Mensch wahrnehmbare Eigenschaft Computer physikalische Kenngröße Tonhöhe Grundfrequenz Lautstärke Druckamplitude Klangfarbe Frequenzspektrum Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 27 Frequenz-Maskierung • Frequenzwahrnehmung durch die Schnecke: – endliche Breite des betroffenen Bereichs – dadurch Überlappung benachbarter Frequenzbereiche • Ein lauter Ton einer bestimmten Frequenz macht leisere Töne ähnlicher Frequenz unhörbar. Hörschwellenveränderung durch einzelne Töne bestimmter Frequenz Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 28 Maskierung und Basilarmembran • Der Maskierungseffekt erklärt sich physikalisch durch die Anregung der Basilarmembran – Frequenz entspricht Ort der Anregung auf der Basilarmembran – Genaue Wahrnehmung des Maximums der Anregung (Auflösung ca. 1/12 Halbton, bestimmt durch Abstand der Haarzellen) – Anregungen in direkter Frequenz-Nähe sind bis zu einer bestimmten Amplitude nicht wahrnehmbar Hüllkurve der Vibration Basilarmembran AnregungsMaximum Hüllkurve der Vibration Basilarmembran Andere Frequenz AnregungsMaximum Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 29 Zeitliche Maskierung • Die Hörwahrnehmung beruht auf dem Mittelwert eines Zeitintervalls von ca. 30 ms – Ein lauter Ton beeinflusst die Wahrnehmung einer frequenzähnlichen Tons auch, wenn der zweite Ton in direkter zeitlicher Nachbarschaft liegt – Vorwärtsmaskierung: Nachfolgende Töne kaum wahrnehmbar – Rückwartsmaskierung: • Auch vorausgehende Töne betroffen (in kürzerem Zeitabstand) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 30 Verlustbehaftete Audio-Kompressionsverfahren • Verlustbehaftete Audiokompression – Basiert auf psychoakustischem Modell der Tonwahrnehmung – Zwei Effekte: • Maskierte Bestandteile des Audio-Signals müssen nicht codiert werden • Rauschen, das maskiert wird, kann in Kauf genommen werden (gröbere Quantisierung möglich) – Bekanntester Standard: MPEG Audio Layer III (MP3) • MPEG = Moving Picture Expert Group – Standardisierungsgremium von ISO (International Standards Organization) und IEC (International Electrotechnical Commission) – Arbeitet seit 1988 an Video- und Audio-Kompression • Untergruppe MPEG/Audio – MPEG-Audio-Standards werden z.B. verwendet bei • DAB (Digital Audio Broadcast) • DVB (Digital Video Broadcast) incl. terrestrischer Variante DVB-T • DVD-Video Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 31 Audio-Codierung in MPEG • MPEG-1 Audio: – Sampling mit 32, 44.1 oder 48 kHz – max. Datenrate 448 kbit/s • MPEG-2 Audio: – Sampling mit 16, 22.05, 24, 32, 44.1 oder 48 kHz – max. 5 Kanäle – max. Datenrate 384 kbit/s • Einteilung der Audio-Kompressionsverfahren in drei „Layer“ (I, II, III) verschiedener Kompressionsstärke – Unabhängig von Wahl des Standards MPEG-1 bzw. MPEG-2 ! – „MP3“ = MPEG Layer III (Kompression ca. 11:1) • MP3 patentrechtlich geschützt, Fraunhofer IIS Erlangen • Inzwischen wesentliche Weiterentwicklungen: – z.B. AAC, MPEG-4 Audio (siehe später) – Ogg-Vorbis Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 32 MPEG-Audio Encoder: Grundlegender Aufbau PCM Audio FilterBank Bänder Quantisierer Entropiecodierung Komprimierte Daten & Bitstromerzeugung Maskierung • Hinweis: Der MPEG-Standard definiert nicht den Aufbau eines Encoders, sondern nur die Decodierung! • Signal wird in Frequenzbänder aufgeteilt • Maskierung auf der Basis der Bänder mit einem psychoakustischen Modell Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 33 Kritische Bänder • Einteilung des Hörbereichs in kritische Bänder – Breite (d.h. Bandbreite im Frequenzspektrum) der Vibrations-Hüllkurve auf der Basilarmembran – Breite der Bänder vergrößert sich mit der mittleren Bandfrequenz • Der Grad der Maskierung einer bestimmten Frequenz ist lediglich abhängig von der Signalintensität im kritischen Band dieser Frequenz. • "Bark-Skala": – Eine Einteilung des Frequenzspetrums entsprechend der Breite kritischer Bänder – Benannt nach dem Bremer/Dresdner Physiker Heinrich Barkhausen. Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 34 27 Kritische Bänder 0 – 50 50 – 95 95 – 140 140 – 235 235 – 330 330 – 420 420 – 560 560 – 660 660 – 800 800 – 940 940 – 1125 1125 – 1265 1265 – 1500 1500 – 1735 1735 – 1970 1970 – 2340 2340 – 2720 2720 – 3280 Prof. Dr. Rainer Malaka, 3280 – 3840 3840 – 4690 4690 – 5440 5440 – 6375 6375 – 7690 7690 – 9375 9375 – 11625 11625 – 15375 15375 - 20250 Digitale Medien Medieninformatik 1 35 Subband-Kodierung • Energie eines Tonsignals ist meist nicht gleichmäßig auf das Frequenzspektrum verteilt • Idee: – Aufteilen des Signals in Teil-Frequenzbänder – Ermittlung des Signalpegels für jedes Teilband – Einzel-Codierung der Teilbänder mit jeweils angemessener Bitanzahl • z.B. nicht belegtes Teilband: 0 Bit – Funktioniert optimal, wenn Teilbänder an kritische Bänder des Gehörs angepasst Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 36 Stereophonie in MPEG-Audio • Single Channel – • Dual Channel – • Verschiedene Monosignale (z.B. Sprachsynchronisation) Stereo Coding – • Monosignale Separat codierte Stereosignale Joint Stereo Coding – Redundanzen im Stereosignal ausgenutzt – Linker Kanal und Differenz Links/Rechts – Frequenzabhängigkeit der Raumwahrnehmung • Monosignal für tiefe Frequenzen Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 37 Weitere Audiokompressionsverfahren • AAC = Advanced Audio Coding – Nachträglich zu MPEG-2 standardisiert, verbesserte Fassung in MPEG-4 – Nicht rückwärtskompatibel • Dolby AC-3 (Audio Code No. 3) – Prinzipiell sehr ähnlich zu den MPEG-Verfahren • ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Encoding) – Sony-Verfahren, entwickelt für MiniDisc – Ebenfalls Aufteilung auf Teilbänder, Skalierung – Hörbare Verzerrungen bei mehrfachem Kopieren • Microsoft Windows Media Audio (WMA) – Nicht offengelegtes Verfahren mit recht hoher Kompression (CD-Qualität bei 64 kbit/s) • Vorbis – Meist in Zusammenhang mit dem "Container"-Format (zur Datenspeicherung) Ogg benutzt, deshalb auch Ogg-Vorbis – Offenes und kostenloses Audio-Kompressionsverfahren • Xiph.org Stiftung, OpenSource-Projekt • Reaktion auf Patentansprüche aus MP3 Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 38 Einfachere verlustbehaftete Verfahren • Stummunterdrückung (silence compression) – Ausblenden von Zeitbereichen mit Nullsignal • µ-Gesetz-Codierung bzw. a-Gesetz-Codierung (u.a. in G.711): – Nichtlineare Quantisierung: leise Töne angehoben – Ähnlich zu Dynamischer Rauschunterdrückung in Audiosystemen • Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) – – – – Prädiktives Verfahren Vorhersage des Signalverlaufs durch Mittelung über bisherige Werte Laufende Anpassung der Quantisierungstiefe an Signal Kodierung der Differenzwerte zur Prädiktion • Linear Predictive Coding (LPC) – Vergleicht Sprachsignal mit analytischem Modell der menschlichen Spracherzeugung, codiert Modellparameter und Abweichungen von der Vorhersage (militärische Entwicklung) – Nur für Sprache, klingt „blechern“, hohe Kompression – Weiterentwicklungen, z.B. Code Excited Linear Predictor (CELP) Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 39 Kompressionsartefakte (Beispiele) • • bei Audiokompression, wie MP3: – Pre-echo: vor einem lauten plötzlichen Geräusch (zum Beispiel Schlagzeug) kann man einen leiseren Laut hören – verwaschener Klang, insbesondere in Höhen und Tiefen, sowie bei bestimmten Instrumenten (Hi-hat) – unpassende Lautstärkeänderungen – Clipping: ein Klick-Geräusch bei Videokompression, wie MPEG: – Farbverfälschungen (zum Beispiel: Bleeding) – Wabernder Hintergrund – Ringing: eine kleine Fläche um einen Gegenstand mit hohem Kontrast, welcher deutlich aus der Umgebung heraussticht – Unschärfe, insbesondere bei Kanten – Kästchenmusterbildung, auch Verblockung genannt – Schwarz/Weiß-Konturen, Farbkonturen http://de.wikipedia.org/wiki/Datenkompression#Speicherung_von_Bildern_un d_Ton Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 40 Literatur und Links • http://www.audacity-forum.de/download/edgar/help/audacity-1.2.4-help/contents.htm • http://www.audacity-forum.de/ • Taschenbuch der Medieninformatik, Kapitel 8 • http://www.raffaseder.com/sounddesign/index.html Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 41 Interdisciplinary College 2008 March 6 – 13, 2009 Günne at Lake Möhne Chairs Herbert Jaeger (Jacobs University Bremen) Thomas Kammer (University of Ulm) Gregor Schöner (Ruhr-University Bochum) Heinrich Lübke Haus Günne at Lake Möhne (near Soest, Dortmund, central Germany) www.ik2009.de Conference management Christine Harms, c/o Fraunhofer Gesellschaft, Schloss Birlinghoven, D-53754 Sankt Augustin, Germany, Prof. Dr. Rainer Malaka,Fax: ++49+2241-14-2472, Digitale Medien e-mail: Christine.Harms (AT) izb.fraunhofer.de 42 Phon:, ++49+2241-14-2473, Medieninformatik 1