mp3 mp3 das audioformat daniela wurhofer und ismail karagöz
Post on 06-Apr-2015
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mpmp33
MP3
Das Audioformat
Daniela Wurhofer und Ismail Karagöz
mpmp33Übersicht
Einführung
Aufbau
Kompression & Codierung
mpmp33Einführung
Was ist MP3?
• 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 stereo112 bis
128KBit/s
14 bis 12:1
[Die Qualitätsstufen von MP3 im Vergleich]
mpmp33Einführung
Die Geschichte von MP3
[Das Fraunhofer-Institut]
• 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.
mpmp33Aufbau
Die Struktur eines MP3s
• MP3s werden in kleinere Einheiten, die als Frames bezeichnet werden geteilt.
• Jeder Frame besteht aus einem Header und den Daten.• Am Anfang oder Ende des MP3s können im so genannten ID3-
Tag Informationen zur Musikdatei angegeben werden.
mpmp33Aufbau
Der Header
mpmp33Aufbau
Struktur des Headers
• Headerlänge: 32 Bit
Pos. AufgabeLänge[Bit]
A Frame-Sync 11
BMPEG Audioversion
(MPEG-1, 2, etc.)2
CMPEG Layer
(Layer I, II, III, etc.)2
DProtection
(wenn aktiv: Checksumme nach Header)1
E Bitrate-Index 4
FFrequenz der Samplingrate
(44.1kHz, etc.)2
GPadding Bit
(kompensiert unvollständige Belegung)1
HPrivate Bit
(Applikations-spezifische Trigger)1
IChannelmode
(Stereo, Joint-Stereo)2
JMode-Extension
(bei Verwendung von Joint Stereo)2
K Copyright 1
LOriginal
("0", wenn Kopie, "1" wenn Orignial) 1
MEmphasis(veraltet)
2
mpmp33
Kompression & Codierung
1) Psychoakustisches Modell
2) Huffman-Codierung
mpmp33Kompression & Codierung
Kompressionsarten
• Verlustlose Kompression= 100%ige Rekonstruktion der Daten (ZIP-Verfahren)
• Verlustbehaftete Kompression= Verminderung der Qualität akzeptabel (Bild- & Audiodaten)
MP3 ist verlustbehaftet
mpmp33Kompression & Codierung
• Einteilung der Datei in kleinere Einheiten (Frames zu 26ms)
• 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).
Arbeitsschritte beim Codierungsvorgang
mpmp33Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell
• Herausfilterung der nicht wahrnehmbaren Daten
Frequenzen unter 20Hz und über 16Khz.
mpmp33Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell
mpmp33Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell – Maskierung
• Simultanes Masking:Unvermögen des Gehörs, 2 gleichzeitig auftretende, ähnliche Frequenzen auseinander zu halten Wegfilterung einer Frequenz bei Kompression
• Temporales Masking2 Töne die kurz aufeinander folgen, wird nur der lautere wahrgenommen Wegfilterung des leiseren Tones
mpmp33Kompression & Codierung
Psychoakustisches Modell – Joint Stereo
• Tiefe Töne werden nicht Stereo, sondern Mono encodiert
geringere Bitrate benötigt
mpmp33Kompression & Codierung
Huffman Codierung
• Verlustloses Kompressionsverfahren
• Gesamtgrösse der Datei nochmals um 20% verringert
mpmp33Kompression & Codierung
Huffman Codierung
• Analyse von relativen Häufigkeiten
• Variable Codewortlänge
Symbole mit höherem Vorkommen – kürzere Codeworte Kompressionsrate
mpmp33Kompression & Codierung
Huffman Codierung & MP3
• Masking: Polyphone Elemente (viele Töne gleichzeitig und überlagert) werden komprimiert
• Abschnitte, in denen der Klang konstant bleibt – relativ große Redundanz Huffmancoding
mpmp33Kompression & Codierung
Struktur der MPEG Kompression
1) Unterteilung des gesamten Signals in Subbänder
(= Zeit-Frequenz-Zuordnung)
2) Implementierung des Psychoakust. Modells
Fast-Fourier-Transformation (FFT) eingesetzt
mpmp33Kompression & Codierung
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
mpmp33Kompression & Codierung
Erweiterung bei MP3:
• 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
mpmp33
ENDE
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