Medieninformatik (Fach) / Audio (Lektion)

Audio-Signale, Diskretisierung, Audio-formate, Kompression ...

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• Wie verläuft Diskretisierung?  ein festes Raster von Messpunkten mit gleichen Abstands wird festgelegt o   Linear (vgl. PCM), oder logarithmisch (vgl. µ-law PCM) Abtastrate: Dichte der Messwerte o   Bei Audio- als Sample pro Sekunde pro Sekunde, bzw. o   Bei Bildern als Zahl  der Sample pro Längeneinheit (cm, inch) ausgedrückt
• Wie verläuft Quantisierung?  Darstellung der Messwerte als Binärzahl ·         Auflösung: Zahl der Bits pro Sample
• Mögliche Fehler bei fehlerhaften Abstastung o   Evtl. konstante Funktion, falls immer dieselbe Amplitude gemessen werden o   Evtl. doppelte so hohe Sinusfunktion falls Amplitude identisch aber mit unterschiedlichen Vorzeichen sind
• Wie lautet das Abtasttheorem? Wenn ein kontinuierliches Signal mit einer oberen Grenzfrequenz von fmax mit einer Abtastrate von mehr als 2*fmax abgetastet wird ·        Ursprungssignal ohne Informationsverlust aus dem abgetasteten Signal rekonstruieren ·         𝑓𝑎𝑏𝑡𝑎𝑠𝑡>2⋅𝑓𝑚𝑎𝑥
• Digitalisierung mit PCM (Pulse Code Modulation) ·         Wandlung von analogen Spannungen bzw. Signalen in binäre, digitale Daten (Speicherung)
• Ablauf der PCM ·           1.)    Analogsignal nach der Filterstufe:2.)    Analogsignal nach Abtastung3.)    Analogsignal nach Quantiserung4.)    Binärsignal
• CD Aufbau und Diffraktion ·         Durchmesser 12cm, konstante Geschwindigkeit relativ zur Spur ·         Variable zwischen Außenspur und Innenspur ·         Oberfläche besteht aus pits (0,4- 0,6µmm) und lands (0,833- 3,56 µmm) ·         11Mbit/s Datenschutzdurchsatz, MPEG-2 kodiert Informationen  lesen- Diffraktion ·         Laserstrahl, wird auf die Informationsebene fokussiert ·         Auflösung beträgt 2µm ·         auf der Oberfläche hat Laserstrahl  d= 1mm  à weniger von Fingersspuren, Staub beeinflusst
• · Blu-Ray- Funktionweise o   Daten werden von einem blauen Laser gelesen, lässt sich feiner fokussieren o   Dünnere Schutzschicht, Datenträgerschicht ist weiter oben o   à mehr Daten lassen sich speichern
• Verarbeitungsschritte für Audio-Aufnahme (auf CD/DVD) ·         Tiefpassfilter ·         Analog zu Digital Wandler ·         Pegel- und Dynamikanpassung ·         Diskretisierung ·         Quantisierung ·         Codierung in PCM ·         Master anfertigen ·         (Prägen in Kunststoffscheiben) Allgemeiner: Sensor analog-Filter analog- Quantiserung (Signal digitalisiert)-Filter digital-Kompression-Codierung-Übermittlung auf Datenträger
• · MIDI- Verarbeitungschritte MIDI Datenpakete werden vom Betriebssystem verarbeitet Anschlagdynamik als Dauer wird mit 7Bit kodiert Transferiert 31,25kHz, seriell und unidirektional ·         Datenstrom wird getrennt und byteweise in Dateien gespeichert: o   Instrument o   Tonhöhe o   Dauer des Anschlags o   Pitchbending (Tonveränderung bei Gitarren)
• Vorteile und Nachteile von MIDI Vorteile ·         Steuerung meherer Geräte aus einem Gerät aus ·         Unabhänigkeit der Synthese ·         Einfache Synthesizer sind Teil vieler Betriebssysteme ·         Digitaliserung erlaubt ein Datenaustauschformat für Editoren, Scannersoftware, Aufzeichnungsprogramme Nachteile ·         Orientiert sich an der Spielweise von Keyboard ( Ereignisse/Events) ·         Langsame Kommunikation ·         Geringe Auflösung ·         Gleichzeitig nicht garantiert da seirielle Übertragung ·         Keine Anforderungen an die Reaktionszeit (keine Echtzeit) festgelegt
• Quantisierungsfehler: ·         Maximaler Betrag=1/2Quantisierungsstufe ·         Hörbar als Rauschen §  Einfluss der Codierung auf Signalqualität §  Rausche hörbar ab 70dB unter Maximalpegel nicht hörbar
• Varianten der PCM:  Lineare: PCM --> PCM  Differentielle: PCM -->DPCM o   Differenz zwischen den benachbarten Abtastwerten werden quantisiert& codiert o   Geringe Wortbreite bei gleicher Qualität: Kompressionsfaktor: max. 1:2  Adaptive: DPCM--> ADPCM o   Dynamische (intervallweise) Anpassung Quantiserungsauflösung §  Leise- kleine Einteilung, laut- grobe Einteilung o   Skalierung wird in kurzen Zeitabschnitten berechnet o   Bessere Vorhersage durch Prädiktor  
• Wie fkt. der Prädiktor bei (ADPCM)? Möglich durch statistische Abhängigkeit zwischen aufeinander folgenden Samples Im einfachsten Fall liegen die Sample auf einer Gerade o   Vorhersage das die Steigung beibehalten wird o nur die Differenz zum vorausberechneten Wert wird kodiert und übertragen
• Kompression von Audio Was sind die speziellen Anforderung (im Gegensatz zu Text): o   Geringe Toleranz o   Abspielrate darf nicht abweichen/ wiederholen, auslassen nicht tolerierbar o   Kontinuierlicher Datenstromà Streaming o   Hörempfindlichkeit ist Frequenz abhängig §  Ja nach Inhalt: Bei Sprache Inhalt wichtig und bei Musik die originale Wiedergabe wichtig
• Wellencodierung O Einfache Technologie O z.B WAVZiel: möglichst exakte Nachbildung
• Parametrische Codierung O Speicherung von Muster-sequenzen, Parameter als Codebuch O Ähnliche Mustersequenzen auswählen àCode übertragen O Geeignet für Sprache, da viele Wdh.  
• Was passiert bei der Frequenzbereichcodierung? welche ziele ? O Kompelxe psychoakustische Modelle O Frequenzbänder werden in unterschiedlicher Qualität übertragenZiel: empfundener Klang möglichst orginaltreu
• Spracherkennung (mobil) O Erkennungà Textübertragungà Synthese O Auch auf Musik übertragbar  
• 1.)Redundanz: 2.) Irrelevanz o   Elemente ohne zusätzliche (neue)Information o   Nicht wahrnehmbare Elemente  
• 1.) Entropiecodierung 2.) Reduktion: 3.) Dekorelation 4.) Codec (Endoder/Decoder) 1.)  Verlustfreie Codierung o   Eliminierung der Redundanz 2.) Eliminierung von irrelevanten Daten 3.) Umformung in andere Darstellung ohne Datenmenge zu ändern 4.) Kombination verschiedener oben genannter Techniken zu einem komplexen Modul
• Was lässt die Mithörschwelle zu? Laute Töne maskieren leise Töne Frequenzanteile unterhalb der Kurve weglassen  Oder Frequenzanteile unterhalb der Kurve hinzufügen (z.B Rauschen)
• Zeitliche Verdeckung · Abhängig von Laustärke, Frequenzverhältnis, Struktur /Dauer des Markierers o Empfindungen treten nicht sofort auf o Rückwärtsmaskierung (lauter Impuls überholt leises Rauschen) Vorwärtsmaskierung (lauer Impuls hebt Hörschwelle an)
• Irrelevanz Codierung  Herausfinden der Wahrnehmungsgrenzen   Anpassung der Quantisierung , löschen von Teilsignalen  Problem: ·         Weniger Bits beim Quantisieren à zusätzliches Q.Rauschen   Ziel: Kompromiss Signalqualität <-> Bandbreite
• MP3- Subband Codierung o  Filterbank zerlegt Signal in Frequenzbänder o   Gesamtenergie des Signals meist ungleichmäßig verteilt o  Pro Band o   Maskierung und Quantiserung o  Bitstrommultiplexer erzeugt digitalen Datenstrom o   Inverse Filterbank setz Signal perfekt zusammen
• Was macht die Audioverarbeitung? o   Veränderung der Amplitude oder der Frequenz durch Filter
• Gefahren der Pegelanpassung Übersteuerung Höchsten Signalwerte liegen außerhalb des quantisierten Bereiches, es entsteht à Clipping Clipping (Klirren) Abgeschnittennen digitalen Signalen, damit zu hochfrequ. Störsignalen Untersteuerung Höchsten Signalwerte liegen weit unter dem maximal darstellbaren Wert Störung in der Verarbeitung führen zu Rauschen, der Signal-Rausch-Abstand sinkt
• Veränderung der Hüllkurve und was macht es? o Für zeitlich beschränkte Pegelveränderungen o Ein und Ausblenden (fading)
• Filteranpassungen Berechnen einen neuen Signalwert auf Basis eines Signalwertes und seiner Nachbarn o   Analogtechnik: Kondensator, Spule, Hall Digital: speziell in Digitalen Signalprozessoren o   Frequenzfilter- Frequenzband-wert o   Hochpass-Tiefpass- hohe/tiefe Frequenzen werden durchgelassen o   Bandpass-sperre- Kombination aus Hoch und Tiefpass
• Was ist die Dynamikkompression? o   Verhältnis zwischen dem größten und kleinstem Amplitudenwert in einem Zeitfenster d.h laute Stellen werden abgesenkt und leise Stellen angehoben
• Welche Frequenz und/oder Phaseänderung gibt es? o Resampling: Signal wird mit einer anderen Frequenz abgespielt, z.B doppelt so schnell und klingt höhero Time stretching: vermeidet dies mit periodischen Wiederholung eines Signaleso Pitch shifting: wenn derartiges Signal wieder mit Originalfrequenz abgespielt wirdo Phrasing, Flanging und Chorus: verändern nur die Phasen, Chorus durch Kopien (voller Klang)o Echo; Hall: basieren auf Reflexion des Signals
• Was ist eine Klangsynthese? Welche Verfahren gibt es? o Anschlagsverhalten eines Instrumentes kann durch Hüllkurven nachgebildet werden (WAS FM- Eselsbrücke) Wave-Tabelle Additive Synthese  Subtraktive S.  FM S.:
• Wave-Tabelle  periodisches Signal wird eine Periode numerisch gespeichert und wiederholt abgespielt, dabei ist Phasenverschiebung möglich
• Additive Synthese: Addieren von mehreren Sinus-Cosinus Signalen unterschiedliches Frequenzen  kann beliebiger Wellenformen  erzeugen
• Subtraktive S. : Oszellator erzeugt ein obertonreiches Signal das durch Filter bearbeitet wird
• FM Synthese:  Modulieren einer hörbaren Trägerfrequenzen durch eine hörbare Modulationsfrequenz
• Bestandteile einer WAV- Datei Chunk- ID Chunk-Size Chunk- Data

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