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Verlustbehaftete Audioformate (Lossy)

Von MPeX.net/DB, HelH


Audiodateien können mit verlustfreien (lossless)oder verlustbehafteten (lossy) Codecs in eine mehr oder weniger Platz sparende Form gebracht werden. Während bei verlustfreien Codecs die Datenreduzierung absolut originalgetreu vonstatten geht, kann insbesondere bei starker Komprimierung mit verlustbehafteten Codecs ein Unterschied zum Ausgangsmaterial hörbar sein.
Allerdings sind moderne Vertreter verlustbehafteter Codecs in der Lage, so genannte transparente Qualität zu liefern. Das heißt, auch bei konzentriertem Hören ist es nahezu unmöglich, Unterschiede zum Original auszumachen.


MPEG-Audioformate

MPEG-1 (allgemein)

Zur Reduzierung der für eine Speicherung bzw. Übertragung notwendigen Bitrate wurde Anfang der 90er Jahre der MPEG-1 Standard verabschiedet. Dieser beinhaltet drei sogenannte Layer, die mit zunehmender Komplexität auch höhere Kompression erzielen. Alle Layer basieren auf dem Prinzip der Irrelevanzreduktion, d.h. Anteile des Audiosignals, die vom Gehör nicht wahrnehmbar sind, werden nicht übertragen oder gespeichert.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia


MPEG-1 Layer 1 - MP1

Der erste Layer besitzt die geringste Komplexität und Kompression. Es verwendet eine Filterbank mit 32 Frequenzbändern gleicher Bandbreite. Die Quantisierungsauflösung eines jeden Bands wird so gewählt, dass nicht wahrnehmbare Signalanteile im Quantisierungsrauschen untergehen. Die Codierung findet blockweise statt, wobei jeweils 1152 Eingangsamples je Kanal einen sogenannten Frame bilden. Zur zusätzlichen Erhöhung der Kompression wird das sogenannte "Joint Stereo"-Coding eingesetzt. Dies bedeutet, daß entweder beide Kanäle getrennt codiert werden ("stereo"-mode) oder das "Intensity Stereo"-Coding benutzt wird. Bei IS-Coding wird für hohe Frequenzen nur ein Mono-Signal übertragen, welches im Decoder in die Nähe der urspünglichen Stereo-Position geschoben wird. MP1 wurde u.a. bei der DCC (digital compact cassette) mit 384kbps für ein Stereo-Signal eingesetzt und hat sehr hohe Qualität erreicht, die laut Hörtests einiger HiFi-Zeitschriften bei Analogaufnahmen sogar DAT-Recorder überbieten konnte.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia


MPEG-1 Layer 2 - MP2

Der zweite Layer besitzt gegenüber Layer 1 eine höhere Komplexität und Kompression. MP2 setzt zwar immer noch nur eine Filterbank mit 32 Subbändern ein, die Zeitauflösung ist jedoch durch Bildung von sogenannten Subframes erhöht worden. Ein Frame besteht hierbei aus 3 Subframes - durch diese Maßnahme kann innerhalb eines Frames der Nachmaskierungseffekt des Gehörs ausgenutzt werden. Weiterhin setzt MP2 ein gegenüber MP1 effizienteres Bitpacking ein. MP2 wird u.a. bei digitalem Rundfunk verwendet, wobei die Bitraten typischerweise im Bereich 192-256 kbps liegen.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia


MPEG-1 Layer 3 - MP3

MP3 ist der Klassiker unter den Musikformaten. Das MP3-Format wird von praktisch allen Programmen und Geräten unterstützt, die Musikdateien abspielen. In der Klangqualität halten moderne MP3-Codecs auch mit technischen Weiterentwicklungen mit, sofern es nicht um niedrige Datenübertragungsraten (weniger als etwa 96 kb/s) oder Mehrknalfähigkeiten geht.

Zur Technik: Der dritte Layer ist der wohl bekannteste Layer. Erst mit MP3 schaffte die verlustbehaftete Kompression von Audiodaten ihren Durchbruch. Aus technischer Sicht unterscheidet sich MP3 deutlich von den beiden anderen Layern: Es wird eine sogenannte Hybrid-Filterbank eingesetzt, d.h. zuerst wird auch in MP1/2 eingesetzte Filterbank gefolgt von einer MDCT abgearbeitet. Die Frequenzauflösung wird durch die MDCT von 32 auf maximal 576 Frequenzbereiche erhöht. Bei tiefen Frequenzen kann somit eine Auflösung erreicht werden, die besser dem menschlichen Gehör angepaßt ist.

Da durch die Transformation mittels der MDCT bei speziellen Signalen die Zeitauflösung nur ungenügend ist, wurden zwei verschiedene Blocklängen eingeführt. Die sogenannten "short blocks" besitzen eine Länge von 384 Samples gegenüber 1152 Samples bei "long blocks" und können damit eine hinreichend hohe Zeitauflösung bieten. Bei den Layern 1 und 2 ist eine solche Maßnahme nicht notwendig.

Eine andere Erweiterung stellt die Ergänzung des "Joint Stereo" um das "Mid/Side"-Coding dar. Bei diesem wird nicht der linke und rechte Kanal (L/R), sondern ein Mitten- und Seitenkanal (M=(L+R)/2, S=(L-R)/2) übertragen. Bei monoartigen Signalabschnitten kann bei diesem Verfahren die Kompression erhöht werden.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia
» LAME MP3 Codec


MPEG-2 (allgemein)

Nach MPEG-1 stellt der Standard MPEG-2 eine Erweiterung dar. Zum einen wurden die Layer um die Unterstützung weiterer Abtastraten wie auch erlaubter Bitraten erweitert. Zum anderen wurde ein neuer Audiocoder - MPEG-2 NBC (non backwards compatible), spaeter als AAC (advanced audio coding) bezeichnet - entwickelt.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia


MPEG-4 (allgemein)

Mit MPEG-4 haben auch andere Audiocoder Einzug gehalten. Es gibt spezielle Sprachcoder wie HVXC (harmonic vector excitation) und CELP (code excited linear prediction), die auf die Übertragung von Sprachsignalen bei extrem niedrigen Bitraten optimiert sind, parametrische Coder, wie z.B. HILN (harmonics individual lines and noise), Twin-VQ und wiederum den AAC-Encoder, der um einige Module erweitert wurde. Später hinzugekommen sind MPEG-4 AAC-LD für Audiocodierung mit geringer Verzögerung, MPEG-4 AAC Scalable für dynamisch wechselnde Layer und MPEG-4 AAC Scalable Lossless Coding (SLS) für verlustfreie oder skalierbare Kodierung.

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MPEG-2/4 AAC (LC-AAC)

AAC wird oft als MP3-Nachfolger bezeichnet. Technisch ist das der Fall. An die Verbreitung des MP3-Formats kommt AAC aber noch nicht heran. Vor allem Apple setzt sehr stark auf AAC als Audioformat. Ein AAC-Encoder ist in Apples kostenloser iTunes-Software integriert, der iTunes Store bietet AAC-Musikdownloads an, die für Apples iPod-Player zugeschnitten sind. Auch Mobiltelefone unterstützen zunehmend AAC.
Ein für private und nicht kommerzielle Anwender kostenloser AAC/MPEG-4 Audio Codec ist der Nero AAC Codec.

Etwas verwirrend für Einsteiger sind die verschiedenen Dateiformate für AAC-Audiodaten. Neben der Dateiendung .aac sind auch .mp4 und die von Apple verwendeten Endungen .m4a (Audiodateien), .m4b (Hörbuchdateien) oder .m4p (Audiodateien mit Kopierschutz) verbreitet.

Zur Technik: Mit dem AAC (Advanced Audio Coder) ist von dem Konzept der Hybrid-Filterbank abgewichen worden. Der AAC setzt aussschließlich eine MDCT mit zwei verschiedenen Blocklängen ein. Bei "long blocks" werden 2048 Samples, bei "short blocks" 256 Samples verarbeitet, wodurch gegenüber MP3 sowohl eine höhere Frequenz- als auch Zeitauflösung erreicht wird. Der "Joint Stereo"-Mode ist gegenüber MP3 flexibler, da er unabhängig für Frequenzbereiche geschaltet werden kann und nicht, wie bei MP3, für den gesamten Frequenzbereich. Der AAC-Encoder besitzt ausserdem einige Tools, wie z.B. LTP (long term prediction), PNS (perceptual noise substitution) und TNS (temporal noise shaping), die die Bitrate weiter absenken können.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia
» Apple - iPod + iTunes
» Nero AAC/MPEG-4 Codec bei MPeX.net


MPEG-4 HE-AAC

Das High Efficiency Advanced Audio Coding (HE-AAC) ist vor allem für niedrige Bitraten optimiert und unterstützt bis zu 48 Tonkanäle. Im Bereich unter 96 kb/s erreicht der Codec eine deutlich bessere Klangqualität als LC-AAC oder MP3, weshalb er zum Beispiel für Radio-Streams mit geringer Bandbreite verwendet wird.

HE-AAC ist eine Kombination von AAC-LC mit der Spectral Band Replication (SBR) und Parametric Stereo (PS). Coding Technologies verwenden für ihre HE-AAC Codecs die Bezeichnung aacPlus.

Spectral Band Replication erzeugt bei der Wiedergabe hohe Frequenzen synthetisch aus darunter liegenden Frequenzen sowie wenigen zuvor kodierten Zusatzinformationen. Parametric Stereo arbeitet ähnlich. Ein Stereo-Signal wird in Mono kodiert und mit Zusatzinformationen versehen, aus denen später wieder ein Stereo-Abbild rekonstruiert wird.

AAC-LC mit Spectral Band Replication wird als HE-AAC bzw. HE-AAC v1 bezeichnet. Kommt noch Parametric Stereo hinzu, spricht man von HE-AAC v2.

Winamp 5 hat enthält einen kostenlosen HE-AAC Codec zum Konvertieren von Audio-CDs oder Musikdateien. Auch der für private und nicht kommerzielle Anwender kostenlose Nero AAC Codec beherrscht HE-AAC.

» Fraunhofer IIS Audio und Multimedia
» Coding Technologies
» Nero AAC/MPEG-4 Codec bei MPeX.net
» Winamp 5 bei MPeX.net




MP3-Derivate

mp3PRO

Mp3PRO ist bei genauer Betrachtung kein eigenständiges Audioformat, sondern eine Kombination aus MP3 und dem von Coding Technologies entwickelten SBR (spectral band replication). Das Ergebnis ist ein für niedrige Bitraten optimierter MP3 Codec, der für den Einsatz im Internet- und Digitalradio oder in portablen Abspielgeräten gedacht ist.

Die Frequenzbandbreite "herkömmlicher" MP3's mit 64 kbps beträgt etwa 10 kHz. Das ist nur knapp die Hälfte der ursprünglichen Bandbreite und verantwortlich für den gewohnt dumpfen Klang solcher Dateien oder Streams. SBR ergänzt MP3 Dateien während der Codierung mit Informationen, aus denen der Decoder beim Abspielen hohe Frequenzanteile rekonstruiert. Diese sind zwar nicht mehr identisch mit dem Original, klingen aber ähnlich und führen dadurch zum gewünschten Höreffekt.

» Coding Technologies
» MPeX.net: mp3PRO Demoversion und Hörtest
» MPeX.net: Hörtest mit Modem- und Handybitraten, HE-AAC & mp3PRO vorne


mp3 Surround

MP3 unterstützt Audioquellen in Stereo oder Mono. Für Multikanal-Audiomaterial wurde am Fraunhofer IIS mp3 Surround entwickelt. Zur Wiedergabe mit Surround-Sound wird ein spezieller Decoder benötigt. Allerdings ist das Format rückwärtskompatibel. Das heißt, auch herkömmliche MP3 Software und Hardware spielen die Dateien ab, allerdings in "guter Stereoqualität" statt mit Raumklang.

Zur MP3-Multikanal-Technik gehört auch mp3 Stereo eXtended (mp3 SX). Der Konverter wandelt Stereomaterial in mp3 Surround um. Eine weitere Entwicklung ist mp3D für eine bessere MP3-Qualität im Stereo- oder Surround-Format bei der Wiedergabe über Kopfhörer.

Das Fraunhofer IIS bietet verschiedene Programme an, um mp3 Surround und mp3 SX abzuspielen oder zu erzeugen. Die Player und Konverter sind für den privaten und nichtkommerziellen Gebrauch kostenlos. Es sind Versionen für Windows, Macintosh und Linux verfügbar.

» MP3 Surround Fraunhofer IIS
» MP3 Surround bei MPeX.net




Weitere Audioformate

OGG Vorbis

Unter den verschiedenen Audio-Kompressionsformaten präsentiert sich Ogg Vorbis als Alternative zu MP3. Der kostenlose und lizenzfreie Audio-Codec liefert hervorragende Qualität, sowohl bei niedrigen Bitraten, als auch bei der hochwertigen Audiokodierung.

Damit ist Ogg Vorbis ein universeller Audio-Codec, der für Internetradio, portable Player und CD-Archivierung gleichermaßen geeignet ist. Als lizenzfreier Audio Codec ist Ogg Vorbis bereits in vielen Programmen fest integriert. Inzwischen gibt es auch vermehrt portable Player, die Ogg Vorbis abspielen.

» Ogg Vorbis Home Page
» Ogg Vorbis bei MPeX.net


Windows Media Audio (WMA/ASF)

Windows Media Audio (WMA) ist eine Eigenentwicklung von Microsoft. Neben dem Standard-Codec gehören auch eine für Sprache optimierte Variante (WMA Voice), das verlustfreie WMA-Lossless sowie das moderne aber nur wenig verbreitete WMA-Professional zur Windows Media Audio-Familie.
Als ASF werden WMA-kodierte Audio-Streams bezeichnet.

In Verbindung mit Microsofts Rechtemanagement Windows Media DRM werden WMA-Musikdateien in vielen Online-Musik-Shops angeboten

» Windows Media
» Windows Media - DRM


Musepack (MPC, ehem. MPEGplus)

Musepack ist der Tipp für hochwertige Audiokompression. Musepack ist ein reiner Subband-Coder, so dass zunächst eher Ähnlichkeiten zu MPEG Layer 1 und 2 (MP1, MP2) als zum derzeit gebräuchlichsten Format MP3 bestehen. Das eigentliche Format - die Bitstromsyntax - beinhaltet effiziente Methoden zur verlustfreien Kompression. Zusammen mit einer Vielzahl von Erweiterungen und Optimierungen am psychoakustischen Modell erreicht das Format eine hervorragende, nahezu transparente Qualität bei Bitraten von ~160-170 kbps.

Das kostenlose Open-Source Programm ist für verschiedene Betriebssysteme verfügbar und wird von zahlreichen Rippern und Konvertern unterstützt. Auch die Wiedergabe mit Winamp und zahlreichen anderen Playern ist dank Plugins und DirectShow-Filter kein Problem.

Leider sind kaum portable Geräte im Handel, die Musepack von Haus aus abspielen. Eine alternative Rockbox-Firmware bringt einigen Playern jedoch Musepack bei.

» Musepack Hompage
» Musepack bei MPeX.net


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