Audioformate

=Audio-Formate / Audio-Kompression= Zitat Wikipedia: "**Ein Audioformat ist ein Datenformat, das den Aufbau einer Audiodatei oder eines Audiodatenstromes beschreibt.**" Besser hätte ich das auch nicht formulieren können. Dank an Wikipedia. :-) In meinem Unterricht gehe ich davon aus, dass Sie Grundkenntnisse über die Funktionsweise des menschliches Ohres bereitrs besitzen, siehe z.B.
 * @http://www.geers.de/hoeren-hoerverlust/hoeren-verstehen/gehoer-verstehen/so-funktioniert-das-ohr

Aufgabe 1 - Voraussetzungen/Grundlagen der Audiokompression
Beantworten Sie bitte die Fragen des.

Aufgabe 2 - Formate Übersicht - Schwerpunkt: Eigenschaften verlustbehafteter Formate
Erstellen Sie eine Übersicht gängiger aktueller Kompressionsformate; die verlinkte Tabelle kann als Grundlage verwendet werden.

Vergleich von MP3, AAC, WMA und OGG in Streams und Dateien:
Ergänzen Sie die Tabelle z.B. um Aussagen zu/zur ...
 * [[file:Audio-Kompressionsformate.ods|Audio-Kompressionsformate.ods]]
 * 1) Größe der Dateien
 * 2) Schnelligkeit/Dauer der Kodierung
 * 3) Audioqualität: subjektiv empfundene Klang-Eigenschaften wie z.B. lebendig, transparent, dumpf, langweilig, basslastig, ...

Aufgabe 3 - __Wo__ werden die beschriebenen Formate eingesetzt? Wie verbreitet sind die verschiedenen Formate?
Untersuchen Sie z.B. die Musikdateien auf Ihrem Smartphone (z.B. Containerformat *.3gp), die Downloads gängiger Plattformen (z.B. Youtube), Streaming-Dienste (z.B. Spotify), ...
 * Welche Abspielgeräte (Hardware- und Softwareplayer) eignen sich zum Abspielen von komprimierten Audiotracks?
 * Welche Dateiformate werden von den Abspielgeräten akzeptiert?
 * Welche Datei-/Audio-Kompressions-formate können von den genannten Playern abgespielt werden?
 * Welche Dateiformate werden für welchen Einsatzzweck bevorzugt (Archivierung, Abspielbar auf möglichst vielen Playern, ...)? Warum?

Aufgabe 4 - Audiokompression - Wie funktioniert ein Audio-Codec?
Beschreiben Sie in eigenen Worten, wie ein Audio-Codec funktioniert! z.B. könnte Sie sich mit folgenden Fragestellungen beschäftigen ... > (z.B. Größe der Dateien, Qualität des Klangs, Dauer der Codierung, ...) ... oder zusammengefasst folgende Informationen wiedergeben:
 * 1) Wie funktioniert die Kompression von Musik (Redundanz? Irrelevanz?)
 * 2) Wodurch unterscheiden sich verschiedene MP3-Codecs bei gleichen Parametern?
 * 1) Wie funktioniert die "Variable Bitrate"?
 * @http://www.areamobile.de/specials/12447-audiokompression-aac-mp3-und-wma-im-detail

Aufgabe 5 - Interessante Fragestellungen zu den Formaten der Firma Dolby (Dolby Digital) und der Firma DTS
Die Audioformate DolbyDigital und DTS sind sogenannte Mehrkanal-Tonsysteme. Die DVD-Standards a) Dolby Digital und b) Digital Theatre System, kurz DTS 5.1, bestehen jeweils aus 6 Kanälen: Zum Abspielen dieser Audioformate benötigt man einen entsprechenden DTS bzw. Dolby Digital–Decoder. Von manchen DVDs werden beide Verfahren unterstützt. Für die Blu-ray Disc steht eine höhere Datenrate zur Verfügung, so dass die Audiodaten auf der Blu-ray Disc unkomprimiert abgespeichert werden können. Es gibt Qualitätsunterschiede, Weiterentwicklungen, verschiedene Einsatzgebiete und die Formatbezeichnungen variieren. Diese Aufgabe soll etwas mehr 'Licht ins Dickicht' bringen. Fokussieren Sie sich bitte bei der Beantwortung der folgenden Fragen auf High-Definition-Sound (HD), d.h. aktuelle Entwicklungen (Blu-ray Disc)!
 * linker und rechter Kanal
 * dem Center
 * Links-Surround
 * Rechts-Surround und
 * LFE (Low Frequency Effects bzw. Low Freauency Enhancement)
 * 1) Wo kommt das DolbyDigital-Format bzw. das DTS-Format zum Einsatz?
 * 2) Welche alternativen Bezeichnungen gibt es für das gleiche Verfahren?
 * 3) Gibt es verschiedene Versionen bzw. Formate der beiden Firmen?
 * 4) Welche Konkurrenzverfahren gibt es?
 * 5) Wird eine Kompression eingesetzt? Ggf. welche?
 * 6) Wie stark ist die Kompression?
 * 7) Wie viele Audiokanäle sind möglich?

Informative Links zur Aufgabe:

 * 1) Dolby® TrueHD or DTS-HD Master Audio™ Set Up:
 * @http://www.thx.com/consumer/home-entertainment/home-theater/surround-sound-speaker-set-up/
 * 1) @http://www.digitalfernsehen.de/Konkurrenzkampf-Dolby-und-DTS-im-Vergleich.73046.0.html
 * 2) @http://www.audioholics.com/audio-technologies/dolby-digital-vs-dts-a-guide-to-the-strengths-of-the-formats
 * 3) @http://www.burosch.de/audio-technik/167-dolby-truehd-dolby-digital-plus-dts-hd-high-resolution-audio-und-dts-hd-master-audio.html
 * 4) @https://www.slashcam.de/info/Dolby-Sourround-Sound-Dialog-Normalisierung--444706.html
 * 5) @http://www.connect.de/ratgeber/ratgeber-alles-ueber-bassmanagement-372523.html
 * 6) @http://www.hifi-regler.de/wissenswertes_und_kaufberatung/kino-tonformate/surround_formate.php
 * 7) @https://www2.ak.tu-berlin.de/~fhein/Alias/Studio/ProTools/Surround.html
 * 8) @https://de.wikipedia.org/wiki/Meridian_Lossless_Packing
 * 9) @https://www.beisammen.de/index.php?thread/103397-unterschied-dts-hd-master-audio-zu-dts-hd-high-resolution/
 * 10) @http://www.computerbild.de/artikel/avf-Ratgeber-Kurse-Audio-Der-richtige-Anschluss-fuer-Dolby-Digital-und-DTS-1148650.html
 * 11) www.practical-home-theater-guide.com/dolby-vs-dts.html
 * 12) @http://www.hifi-online.net/heimkino-wissen_dolbydigitaloderdts.html
 * 13) @http://www.hifi-forum.de/viewthread-36-12623.html
 * 14) @https://www.amazon.de/forum/high-definition?_encoding=UTF8&cdForum=FxSOKDBW8R6543&cdThread=Tx2QV1ITZ59R7V5
 * 15) @http://www.mediengestalter.info/forum/26/audioformate-auf-dvd-cd-etc-38875-1.html
 * 16) @https://de.wikipedia.org/wiki/DVD-Audio

Aufgabe 6 - Formate zuordnen
Welche Audio-Formate gehören zu den folgenden Aussagen? Wenn Sie Ihre Formate-Übersichtstabelle (eine vorhergehende Aufgabe) sorgfältig ausgefüllt haben, dann sollten Sie die folgenden Aussagen zuordnen können!

Das Format ... //Hinweis: Zuordnen können Sie z.B. die folgenden Formate: PCM, WAV, AIFF, MP3, MPEG1-Layer 3, OGG, Vorbis, AAC, AC-3, MPC, ATRAC//
 * ~ Aussage ||~ Format ||
 * ... wurde am Fraunhofer-Institut entwickelt. ||  ||
 * ... wurde 1992 als Teil des MPEG-1-Standards festgeschrieben ||  ||
 * ... von Microsoft entwickelt, um keine Lizenzgebühren an das Fraunhofer-Institut zahlen zu müssen und für die Musikindustrie einen Kopierschutz bereitzustellen. ||  ||
 * ... komprimiert verlustfrei. ||  ||
 * ... steht Softwareherstellern ohne Zahlung von Lizenzgebühren zur freien Verfügung, inkl. offenem Programm-Quelltext (Open Source) ||  ||
 * ... stellt die stärkste Kompression bei gleichzeitig bestmöglicher Qualität zur Verfügung. ||  ||
 * ... begrenzt auch bei schwacher Kompression das obere Frequenzband bei 13,5 kHz. ||  ||
 * ... besitzt die Möglichkeit für den Einsatz eines Kopierschutzes und eignet sich damit für DRM (digitales Rechtemanagement) ||  ||

Aufgabe 7 - Artefakte
a) Wandeln Sie eine *.WAV-Datei direkt in verschiedene Formate und untersuchen Sie die Resultate. (z.B. mit Audition oder Online unter @http://www.zamzar.com/de/convert/wav-to-wma/)

b) Alternativ:

Aufgabe 8 - Für Fortgeschrittene
Idee: z.B. mit Adobe-Audition a) Ansage b) Musik (Bach) etc. in Bänder zerlegen und anschließend die Teile nacheinander zusammensetzen. In welchen Frequenzbändern ist die Silbenverständlichkeit gegegeben? Vorführen und diskutieren!

Nützliche Links

 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Audioformat Wie werden Audiodaten gespeichert?
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Audiodatenkompression Wie werden Audiodaten komprimiert?
 * @http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Audio_data_compression?uselang=de Audio data compression
 * @http://members.home.nl/w.speek/comparison.htm Performance comparison of lossless audio compressors
 * @http://wiki.hydrogenaud.io/index.php?title=Lossless_comparison Lossless Codec Comparison
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Maskierungseffekt Maskierunggseffekt
 * @http://www.digitalefolien.de/biologie/mensch/sinne/schall.html Hörbereich
 * @http://www.audiohq.de/index.php?showtopic=2774 Qualitätsanalyse
 * []
 * []
 * []
 * []
 * []
 * [] ALAC (verlustfreies Audio-Format von Apple)
 * []
 * []
 * []
 * []
 * []
 * []
 * @https://ccrma.stanford.edu/courses/422/projects/WaveFormat/
 * @http://www.digitalpreservation.gov/formats/fdd/fdd000001.shtml
 * @http://www.chip.de/downloads/VirtualDub-32-Bit_12994844.html VirtualDub (32 Bit)
 * @http://www.chip.de/downloads/XP-Codec-Pack_19112789.html XP Codec Pack

=Lösungen zum Arbeitsblatt Grundlagen= Grundlagen der Datenreduktion von Audiodaten /unkomprimierte Audiodaten

1. a) Wie wird Musik/Sprache aufgenommen und via Analog-/Digitalwandung gewandelt bzw. b) Welche Informationen sind in den Audiodaten enthalten bzw. was genau wird gespeichert?
siehe:
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Tonaufnahme,
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrofon,
 * DAC

2. Wie lautet die Formel zur Berechnung der Datenrate von unkomprimiertem Audio (Musik/Sprache)?
Formel Datenrate (Audio) = Anzahl der Audiospuren (Kanäle) * Abtastrate (Samplerate) [1/s] * ADC-Auflösung (Bittiefe bzw. Quantisierungstiefe)

3. Wie groß ist die Datenrate
a) von mit 48kHz und 24bit-Auflösung gesampelter Musik/Sprache in Mono? b) von Audio-CD-Tracks (Stereo, 44,1kHz, 16 bit)? Datenrate (a) = 1 Kanal * 48k 1/s * 24 bit = 1152 kbit/s = 1,2 Mbit/s Datenrate (b) = 2 Kanäle * 44,1k 1/s * 16 bit = 1411,2 kbit/s ===4. Wie viel kbit/s benötigen Sie, um Musik in einer „akzeptablen“Qualität wiedergeben zu können? (besser als die Warteschleifenmusik im Telefon, schlechter als die Audio-CD, z.B. Sony Minidisc 12Bit, 32kHz)=== Die Kapazität einer Minidisc beträgt etwa 140MB. Sie wird magnetooptisch beschrieben/gelesen. Die Datenrate der Audio-Rohdaten beträgt = 2 Kanäle * 32k 1/s * 12 bit = 768 kbit/s. Nach verlustbehafteter Datenreduktion (ATRAC3-Format) verbleibt eine Datenrate von 132 kbit/s. ===5. Wie viel kbit/s benötigen Sie, um Sprache in Telefonqualität wiedergeben zu können (welcher Frequenzumfang wird für ein normales Telefongespräch genutzt, wie viel Bit werden für die Auflösung genutzt)?=== 0-4000Hz => 8kHz Samlingfrequenz wg. Shannon Abtastteorem 8Bit DAC-Auflösung Mono Datenrate (Telefon) = 1 x 8k 1/s * 8 bit = 64kbit/s (ISDN!)

6. Wie viel Prozent der Datenmenge eines SD Videoprojekts mit Stereoton entfallen etwa auf die Audiodaten (unkomprimiert )?
Beispiel: SD-Aufnahme ca. 50Mbit/s (IMX-Interframe) Unkomprimierte Stereo-Tonaufnahme ca. 1Mbit/s (s.o.) Mengenverhältnis = 1/50 In diesem Fall entfallen 2% der Datenmenge des Videoprojekts auf die Audiodaten.

Zusatzaufgabe gefällig?
Wie groß ist eine Datei mit Musik in CD-Audio-Qualität mit 2 Minuten Länge?

Wo kommt Dolby Digital zum Einsatz?
- DVD, Blu-ray, Kino ..., Fernsehtechnik ...

Welche Bezeichnungen gibt es für aktuelle Dolby-Digital-Verfahren?
- Dolby Digital ist die Marke bzw. der 'Marketingname' - DD+ bzw. Dolby Digital Plus - Dolby True HD ist das aktuelle Format (7.1, verlustfrei, max. 24Bit, 192kHz pro Kanal, 18Mbit/s) - ATSC A/52 (Advanced Television Systems Committee) - AC-3 Streaming-Format, entsprechende Dateiendungen

Gibt es verschiedene Versionen bzw. Formate?
- Dolby Digital 5.1 (seit 1992 in den Kinos, seit 1995 Audioformat auf DVD) - Dolby Digital Plus besitzt bis zu acht Kanäle (7.1) (seit 2005) - Dolby TrueHD ist ein verlustfreies Dolby Format für Blue-ray discs (Datenübertragungsrate beträgt 18.432 kbit/s) - Dolby Vision betrifft das Bild und ermöglicht u.a. Laserprojektionen und HDR Effekte und weist deutlich stärkere Bildkontraste auf als herkömmliche Projektionen - Dolby Atmos ist ein 3D-Audioformat (seit 2012, max. 64 Kanäle inl. Beschallung von oben, z.B. Animationsfilm Pixar Merida) - Dolby Cinema ist ein Gütesiegel für Kinos (seit 2014)

Welche Konkurrenzverfahren gibt es?
- DTS - SDDS

Wird eine Kompression eingesetzt? Ggf. welche?
- psychoakustisches, verlustbehaftetes Verfahren, AC-3

Wie stark ist die Kompression?
- DVD ab 192kBit/s, d.h. Artefakte normalerweise nicht wahrnehmbar - Kino 320kBit/s, Artefakte nicht wahrnehmbar - Kino "heute" unkomprimiertes PCM, keine Artefakte vorhanden (siehe Vergleich mit Datenrate einer Audio-CD 44,1kHz, 16Bit, stereo)

Wo kommt bzw. kam das DTS-Format zum Einsatz?
- Kino, DVD, Blu-ray Discs (Laserdiscs)

Welche Bezeichnungen gibt es für DTS-Verfahren?
- Digital Theater Systems - DTS 5.1 (1,5Mbit/s) - DTS-HD (z.B. auf Blu-ray Discs im Einsatz, entweder DTS-HD Master Audio oder DTS-HD High Resolution Audio je nach Einsatz)

Gibt es verschiedene Versionen bzw. Formate?
- DTS Filmton (zusätzlich zum Film auf CD-ROM geliefert, 882 kbit/s, mit aptX kodiert) - DTS-HD Master Audio bzw. DTS-HD MA: völlig verlustfreie, bitidentische Rekonstruktion des Studio-Masters, größte Verbreitung aller unterstützten Audioformate auf Blu-ray Discs, Meridian Lossless Kompression, max. 24Bit, 192kHz pro Kanal, 18Mbit/s - DTS-HD High Resolution Audio (verlustbehaftet, Datenrate zwischen 1.5 Mbps und 6.0 Mbps, Einsatz überall dort, wo Speicherplatz bzw. Bandbreite nicht ausreichen für den Einsatz von DTS-HD Master Audio) - DTS-ES Discrete 6.1 - DTS-ES Matrix - DTS Connect

Welche Konkurrenzverfahren gibt es?
- DTS-HD Master Audio => Dolby True HD - DTS-HD High Resolution Audio => Dolby Digital Plus - SDDS

Wird eine Kompression eingesetzt? Ggf. welche?
- Der DTS Filmton wird mit aptX kodiert auf 882 kbit/s

Wie stark ist die Kompression?
...