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