Digitalisierung von Audio – Lösung

Aus der Physik wissen wir:

Töne werden als Schwingungslinien dargestellt.
Je größer die Amplitude, desto lauter der Ton.
Je enger die Schwingungslinien, desto höher der Ton.
Sprache/Musik/Klang erzeugen eine kompliziertere Schwingungslinie als einzelne Töne.

Datenmenge

Im obigen Beispiel benötigt jeder gespeicherte Wert 3 Bit. Je Sekunde werden 6 Werte abgetastet. Es entstehen also je Sekunde 6 • 3 Bit = 18 Bit Daten.

Datenrate nennt man die Datenmenge (in Bit), die in 1 Sekunde entsteht. Sie berechnet sich so:

Datenrate = Samplingtiefe (in Bit) • Samplingrate (in Hz)

Die Datenrate wird angegeben in bit/s , Kbit/s (KiloBit je Sek.), Mbit/s oder in: B/s KB/s, MB/s. Achtung: Byte mit mit B abgekürzt, Bit mit b oder bit,.

Die Datenmenge ist die Datenmenge, die insgesamt entsteht. Sie berechnet sich durch:

Datenmenge = Datenrate • Zeit der Aufnahme (in Sek)

Dauert die Aufnahme im Beispiel 3 Minuten, so entstehen insgesamt an Daten:

18 bit/s • 60 s • 3 = 3240 Bit = 405 Byte

Gegenüberstellung:

Audio:

Bild:

Samplingtiefe

Die gemessenen Werte (Audiosignale) werden so gerundet, dass z.B. 256 verschiedene Werte möglich sind.

Je gemessenem Wert werden dann 8 Bit Speicherplatz benötigt. Die Samplingtiefe ist also 8 Bit.

Oder: Es stehen 8 Bit Speicherplatz zur Verfügung, also können maximal 256 verschiedene Werte unterschieden werden.

Farbtiefe

Zur Darstellung von z.B. 256 verschiedenen Farben benötigt man 8 Bit. Die Farbtiefe ist also 8 Bit.

Rasterpunkt bei der Diskretisierung:

1 gemessener Audio-Wert (eindimensional)

Rasterpunkt bei der Diskretisierung:

1 Pixel (zweidimensional)

Samplingrate

Wie oft wird das Signal je Sekunde abgetastet?

Bsp.: Das Signal wird 22.050-mal je Sekunde abgetastet. Die Samplingrate beträgt 22.050 Hz.

Bildauflösung

Wie viele Pixel passen in ein Inch?

Bsp.: Ein Foto hat 200 dpi.

Hinweis: Wenn als Bildauflösung die Gesamtzahl der Pixel angegeben wird, dann ist das nicht vergleichbar mit der Samplingrate.

Abtastpunkte

= Samplingrate • Zeit

Pixelzahl(Gesamtzahl)

= Bildauflösung (in dpi) • Bildlänge (in Inch) • Bildauflösung (in dpi) • Bildhöhe (in Inch)

Datenrate (= Speicherplatz je Sekunde):

= Samplingrate • Samplingtiefe

(Gibt es nicht)

Datenmenge (Speicherplatz)

= Samplingrate • Samplingtiefe • Zeitdauer (in sek)

Datenmenge (Speicherplatz)

= Farbtiefe • Länge • Höhe • Bildauflösung²

= Farbtiefe • Pixelzahl(Gesamtzahl)

Kompression:

verlustfrei: selten.
verlustbehaftet: z.B. MP3

(Verlustfreie Kompression wird oft in verlustbehaftete Verfahren integriert.)

Kompression:

verlustfrei: z.B. bei PNG.
verlustbehaftet: z.B. JPEG

(Verlustfreie Kompression wird oft in verlustbehaftete Verfahren integriert.)

Individuell.
Je größer die Samplingrate, desto besser die Aufnahme.

Je größer die Samplingrate, desto mehr Daten müssen gespeichert werden.

Je größer die Samplingtiefe, desto besser die Aufnahme.

Je größer die Samplingtiefe, desto mehr Daten müssen gespeichert werden.
1. 8 Bit: D.h. je gemessenem Wert werden 8 Bit Speicherplatz benötigt.
  
  22.050 Hz: D.h. es wird 22.050-mal je Sekunde abgetastet.
  
  Dann entstehen je Sekunde 8 Bit • 22.050 Hz = 176.400 Bit/s.
2. Nach 5 Minuten beträgt die Datenmenge 5 • 60 s • 176.400 Bit/s = 52.920.000 Bit = 6.615.000 Byte = 6.615 KB ≈ 6,6 MB.
Speicherplatz: 24 Bit • 48.000 Hz • 60 s • 30 = 2.073.600.000 Bit = 259.200.00 Byte = 259.200 KB = 259,2 MB

Datenrate: 24 Bit • 48.000= 1152.000 Bit/s = 144.000 B/s = 144 kB/s
Datenübertragungsraten von:
- Audio CD: ( Abtastrate 44,1 kHz, 16 Bit, zwei Kanäle
  
  => ca. 1411 kbit/s bzw. 176,4 KByte/s)
- USB 2.0: 480 Mbit/s (60 MByte/s)
  
  USB 3.0: 5 Gbit/s (625 MByte/s)
  
  USB 4: 40 Gbit/s (5 GByte/s)
- Gespräch in Telefonqualität: 64 kbit/s
- ...

Audioformate:¹

WAV	wave form audio, *.wav dient der digitalen Speicherung von Audiodaten eine WAV-Datei enthält meist unkomprimierte Rohdaten sehr hohe Qualität bei sehr großem Speicherbedarf z.B.: zwei Minuten Musik ergeben ca 20 Megabyte (MB)
MP3	MPEG-1 Audio Layer 3,*.mp3 standardisiertes Komprimierungsverfahren vergleichsweise kleinen Dateien bei dennoch sehr guter Qualität z.B.: eine Musik CD kann ohne wahrnehmbare Qualitätsverluste auf ca. 10-20 MB reduziert werden.
WMA	Windows Media Audio, *.wma Audioformat für Windows Betriebssysteme hohe Kompression relativ kleine Dateien bei guter Qualität
AAC	Advanced Audio Coding, *.aac qualitativ verbesserter Nachfolger von MP3 kleine Dateien bei exzellenter Qualität
OGG	Ogg Vorbis, *.ogg patentfreier Codec zur verlustbehafteten Audiodatenkompression wurde als Alternative zum MP3 Format entwickelt
FLAC	Free Lossless Audio Codec, *.flac patentfreier Codec verlustfreie Audiokompression ähnlich wie bei ZIP-Dateien: Die Originaldatei wird beim Codieren auf 30-60% ihrer Ursprungsgröße verkleinert und das Original wird beim Decodieren wieder hergestellt. z.B. bei klassischer Musik, da die Wiedergabe originalgetreuer ist
RA (RM)	Real Audio (Real Media), *.rm RM: Sammelbezeichnung für verschiedene Dateiformate desselben Software-Herstellers verlustbehaftete Kompression speziell bei hohen Komprimierungen vergleichsweise gute Qualität wird häufig bei Webradio Übertragungen (Livestreams) eingesetzt

¹ https://lehrerfortbildung-bw.de/st_digital/medienwerkstatt/multimedia/audio/formate/ (12.03.19)

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