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

1. 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.)

2. In­di­vi­du­ell.

3. 

4. 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.

5. 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.

6. 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

7. 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

   • ...

8. 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://​leh​rerf​ortb​ildu​ng-​bw.​de/​st_​di­gi­tal/​med​ienw​erks​tatt/​mul­ti­me­dia/​audio/​for­ma­te/ (12.03.19)

Di­gi­ta­li­sie­rung von Audio – Lö­sung: Her­un­ter­la­den [odt][111 KB]

Di­gi­ta­li­sie­rung von Audio – Lö­sung: Her­un­ter­la­den [pdf][119 KB]

Wei­ter zu Das Pro­blem des kür­zes­ten Weges