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MP3

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MPEG-Audio Layer III
Mp3.svg
Fraunhofer-Gesellschaft , Karlheinz Brandenburg , Heinz Gerhäuser, Bernhard Grill und Harald Popp
Allgemeine Information
Dateierweiterung .mp3
Mime Typ audio/mpeg[1]​
audio/MPA[2]​
audio/mpa-robust[3]​
Uniform Type Identifier öffentlich.mp3
magische Zahl 49 44 33
Erstveröffentlichung 1995 [ 4 ]
Formattyp Audiodateiformat
Norm(en) ISO/IEC 11172-3
ISO/IEC 13818-4
offenes Format Ja 

MPEG-1 Audio Layer III oder MPEG-2 Audio Layer III , besser bekannt als MP3 , ist ein digitales Audiokomprimierungsformat , das einen verlustbehafteten Algorithmus verwendet , um kleinere Dateigrößen zu erreichen. Es ist ein gängiges Audioformat,das für Musik sowohl auf Computern als auch auf tragbaren Audioplayern verwendet wird .

MP3 wurde von der Moving Picture Experts Group ( MPEG ) als Teil des MPEG-1- Standards und des späteren und weiter verbreiteten MPEG-2 entwickelt . Eine MP3-Datei, die mit einer Komprimierung von 128 kbit/s erstellt wurde, ist ungefähr 11-mal kleiner als ihr CD-Gegenstück. Eine MP3-Datei kann auch mit einer höheren oder niedrigeren Bitrate pro Sekunde komprimiert werden, was direkt zu einer geringeren endgültigen Audioqualität sowie einer resultierenden Dateigröße führt.

Geschichte

Dieses Format wurde hauptsächlich von Karlheinz Brandenburg entwickelt , Direktor für elektronische Medientechnologien am Fraunhofer IIS-Institut, das zur Fraunhofer-Gesellschaft — einem Netzwerk deutscher Forschungszentren — gehört , die zusammen mit Thomson Multimedia (umbenannt in Technicolor ) den Großteil der verwandten Patente kontrollierte mit dem MP3-Format.

Der deutsche Wissenschaftler Karlheinz Brandenburg gilt als „Vater von MP3“ und war Teil des Teams, das dem MPEG-Format seinen Namen gab: „ Moving Pictures Experts Group “. Die Gruppe gab dem digitalen Verfahren zur Komprimierung von Audio- und Videosignalen für eine einfache Übertragung und Speicherung den Namen. Das Verfahren namens MPEG Audio Layer III (MPEG Audio Layer 3) ist heute weit verbreitet, aber seine Entwicklung war nicht einfach. Darüber hinaus verwendeten bereits andere Audiomedien Kompressionstechniken, wie zum Beispiel das MPEG-1 Audio Layer I der digitalen Kompaktkassette von Philips oder das von Sony für seine Minidiscs verwendete ATRAC .

Die Geschichte beginnt 1982, als sich Brandenburg an der Entstehung des Formats beteiligt. Sein Doktorvater wollte ein Verfahren zur Datenübertragung patentieren lassen, ohne Erfolg. Patentiert werden sollte eine Möglichkeit, Musik über Telefonleitungen zu übertragen , was das Deutsche Patentamt für unmöglich hielt. Einige Fortschritte zeigten sich erst 1986, als die Universität Ilmenau bessere Computer zur Verbesserung der Arbeitsfähigkeit erhielt. Viele Anstrengungen mussten unternommen werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Ursprünglich dachte man, ein System durch Aufteilung von Klangschichten zu verwenden, aber es wurde verworfen, da es als zu starr angesehen wurde, und dann gegen ein neues ausgetauscht, das die Einschränkungen des menschlichen Ohrs ausnutzt.

Der erste wurde 1987 registriert . In jenem Jahr versuchten die Deutschen im Labor der elektronischen Medientechnologien das Dilemma zu lösen, wie sich digitaler Ton verbreiten ließe. CD-Dateien waren schwer und umständlich, CD-Laufwerke waren neu, ebenso wie die Installation auf einem PC.

1988 beruft die International Organization for Standardization das MPEG-Team zusammen, um einen Audiocodierungsstandard zu erstellen. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Tests des neuen Systems durchgeführt. Sie schienen endlich ihr Ziel erreicht zu haben, zeigten aber im Test mit Suzanne Vegas „Tom's Dinner“ gravierende Mängel, da das A-cappella -Songformat und der geringe Ambient-Sound eine große Herausforderung für das System darstellten. Dann wurde die Zusammenarbeit mehrerer Institutionen angefordert. Brandenburg arbeitete mit Jim Johnston von AT&T zusammen, um neue Komprimierungsmethoden zu entwickeln, um die Sprachqualität zu bewahren. Sie schafften es schließlich, das System daran zu hindern, die Stimme des Sängers zu beschädigen, und mussten härter arbeiten, um endlich eine CD-ähnliche Qualität zu erreichen.

1992 nahm die ISO MP3 als Audiokomprimierungsstandard auf, aber erst im folgenden Jahr wurde sie mit der Einführung von MPEG-1 Audio Layer III (MPEG-1 Audio Layer III) mit Abtastraten von 33 endgültig formalisiert . 44,1 und 48 kHz. Sie beschlossen dann, es an Unternehmen zu vermarkten, die die Musik per ISDN an Radiostudios übertragen .

Sie reichten 1991 mehrere weitere Patente ein , aber im Juli 1995 verwendete Brandenburg erstmals die Erweiterung .mp3für MP3-bezogene Dateien, die er auf seinem Computer aufbewahrte. An der Entwicklung des Formats war auch der Ingenieur Leonardo Chiariglione beteiligt , der die Idee hatte, welche Standards für diesen Zweck nützlich sein könnten. [ 5 ] Ein Jahr später erhielt sein Institut Patente im Wert von 1,2 Millionen Euro . Zehn Jahre später hat diese Zahl 26,1 Millionen erreicht.

Zwischen 1994 und 1995 identifizierten sie das Internet als attraktiven Bereich. Also entschieden sie sich, den Dateien den endgültigen Namen .mp3. Das Geschäftsmodell war als teure Verschlüsselungstools für Unternehmen und billige Set-Top-Boxen für Verbraucher geplant. Eines der Set-Top-Box-Produkte, das den größten Erfolg und die größte Anerkennung erzielte, war Winamp .

Es dauerte jedoch nicht lange, bis das Format der ISO- und Fraunhofer-Kontrolle entzogen wurde, da ein australischer Staatsbürger den Encoder mit einer gestohlenen taiwanesischen Kreditkarte gekauft und ihn dann verpackt und auf einen FTP -Server Die Identität und der Aufenthaltsort des Täters sind derzeit unbekannt. Dies löste den Konflikt zwischen der Plattenindustrie und der MP3 aus und machte sie zu ihrem Hauptfeind, obwohl in Asien der anhaltende Erfolg von Compact Discs [ 6 ] dazu beiträgt, den Verkauf im physischen Format aufrechtzuerhalten.

Nach der Entwicklung tragbarer Abspielgeräte und ihrer Integration in Autoradios, Mobiltelefone , DVD -Player , Kopfhörer, Videospielkonsolen, Lautsprecher und Mini-Heimsoundsysteme reicht das MP3-Format heute über die Computerwelt hinaus.

Das MP3-Format wurde zum Standard für Audio - Streaming und verlustbehaftete Audiokomprimierung mit mittlerer Wiedergabetreue , dank der Möglichkeit, die Qualität der Komprimierung proportional zur Bitrate und damit zur endgültigen Größe der Datei anzupassen und sogar das 15-fache der Originaldatei vor der Komprimierung.

Es war das erste Audiokomprimierungsformat, das dank des Internets populär wurde, da es den Austausch von Musikdateien ermöglichte. Gerichtsverfahren gegen Unternehmen wie Napster , AudioGalaxy und Megaupload sind das Ergebnis der Leichtigkeit, mit der diese Arten von Dateien legal und illegal geteilt werden, vorausgesetzt, der Hauptboom im Kampf um geistiges Eigentum im Internet.

In den frühen 2000er Jahren erneuerte Thomson Multimedia das Format unter dem Namen MP3Pro , um wichtige Qualitätseinschränkungen (insbesondere bei hohen Frequenzen) zu überwinden, parallel zum Erscheinen konkurrierender Audiokomprimierungsformate wie Windows Media Audio (von Microsoft ) . Ogg Vorbis , ATRAC und AAC , die beginnen, massiv in Audioprogramme für Computer, Geräte, Betriebssysteme, Mobiltelefone und tragbare Player aufgenommen zu werden, was es möglich machte, vorherzusehen, dass MP3 die Popularität mit den neuen Formaten von besserer Qualität teilen würde .

Ein Faktor, der möglicherweise den Anschein von so viel Konkurrenz beeinflusst hat, ist, dass das MP3-Format Patente hatte , was nicht bedeutet, dass seine Qualität schlecht ist, aber die Medienklage gegen Microsoft im Jahr 2007 zeigte seinen geschlossenen Standard. [ 7 ] Dies hat die Community daran gehindert, ihn zu verbessern, und kann Sie dazu zwingen, für die Verwendung des Codecs zu bezahlen , was bei Geräten, die ihn verwenden, wie Mobiltelefonen und Tablets, auftritt. Trotzdem ist das MP3-Format auch heute noch das meistgenutzte und erfolgreichste mit wachsender Präsenz. Einige Online-Shops wie Amazon und Google Play Music [ 8 ] verkaufen ihre Musik aus Kompatibilitätsgründen in diesem Format. 2017 sind alle Patente im Zusammenhang mit dem MP3-Format abgelaufen. [ 9 ] ​[ 10 ]

Technische Details

Image
Traditionell erforderte die Wiedergabe von MP3-Dateien die Verwendung spezieller tragbarer Geräte. Heutzutage ist diese Funktion jedoch in Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets und Smartwatches integriert.

In dieser Schicht gibt es mehrere Unterschiede in Bezug auf die MPEG-1- und MPEG-2-Standards, darunter die sogenannte Filterbank, so dass das Design komplexer ist. Diese Verbesserung der Frequenzauflösung verschlechtert die zeitliche Auflösung, wodurch Vorechoprobleme eingeführt werden, die vorhergesagt und korrigiert werden. Darüber hinaus ermöglicht es eine Audioqualität mit Raten von nur 64 kbps.

MPEG-1-Dateien entsprechen den Abtastraten 32, 44,1 und 48 kHz.

MPEG-2-Dateien entsprechen den Abtastraten 16, 22, 0,5 und 24 kHz.

Filterbank

Die in dieser Schicht verwendete Filterbank ist die sogenannte hybride Polyphase/MDCT-Filterbank. Es ist verantwortlich für die Abbildung von der Zeitdomäne auf die Frequenzdomäne sowohl für die Codierer - als auch für die Decodierer - Rekonstruktionsfilter . Die Ausgangssamples der Bank sind quantisiert und bieten eine variable Frequenzauflösung, 6x32 oder 18x32 Subbänder, die sich viel besser an die kritischen Bänder der verschiedenen Frequenzen anpassen. Unter Verwendung von 18 Punkten beträgt die maximale Anzahl von Frequenzkomponenten: 32 × 18 = 576. Daraus ergibt sich eine Frequenzauflösung von: 24000/576 = 41,67 Hz (wenn fs = 48 kHz). Wenn 6 Frequenzlinien verwendet werden, ist die Frequenzauflösung geringer, aber die zeitliche Auflösung höher, und sie wird in den Bereichen angewendet, in denen Pre-Echo-Effekte erwartet werden (abrupte Übergänge von Stille zu hohen Energiepegeln).

Layer III hat drei Blockbetriebsmodi: zwei Modi, in denen die 32 Filterbankausgänge die Fenster und MDCT-Transformationen passieren können, und einen gemischten Blockmodus, in dem die beiden niedrigsten Frequenzbänder lange Blöcke und die oberen 30 Bänder kurze Blöcke verwenden.

Für den speziellen Fall von MPEG-1 Audio Layer 3 (was speziell die dritte Audioschicht für den MPEG-1-Standard bedeutet) spezifiziert es vier Arten von Fenstern:

  1. NORMAL.
  2. Übergang vom langen zum kurzen Fenster (START).
  3. Drei kurze Fenster (SHORT).

Das psychoakustische Modell

Die Komprimierung basiert auf der Reduzierung des irrelevanten Dynamikbereichs, dh auf der Unfähigkeit des Gehörs, Quantisierungsfehler unter Maskierungsbedingungen zu erkennen . Dieser Standard unterteilt das Signal in Frequenzbänder, die den kritischen Bändern angenähert sind, und quantisiert dann jedes Teilband basierend auf der Rauscherkennungsschwelle innerhalb dieses Bands. Das psychoakustische Modell ist eine Modifikation des in Schema II verwendeten und verwendet eine Methode namens Polynomvorhersage. Es analysiert das Audiosignal und berechnet die Rauschmenge, die als Funktion der Frequenz eingeführt werden kann, das heißt, es berechnet die "Menge der Maskierung" oder den Maskierungsschwellenwert als Funktion der Frequenz.

Der Encoder verwendet diese Informationen, um zu entscheiden, wie die verfügbaren Bits am besten ausgegeben werden . Dieser Standard stellt zwei psychoakustische Modelle unterschiedlicher Komplexität zur Verfügung: Modell I ist weniger komplex als das psychoakustische Modell II und vereinfacht die Berechnungen erheblich. Studien zeigen, dass die erzeugte Verzerrung in einer optimalen Umgebung ab 192 kbps und unter normalen Bedingungen für das erfahrene Ohr nicht wahrnehmbar ist. [ Zitat erforderlich ] Für das ungeübte oder gewöhnliche Ohr reicht es mit 128 kbps oder bis zu 96 kbps aus, um "gut" zu hören (es sei denn, Sie haben hochwertige Audiogeräte, bei denen der fehlende Bass übermäßig auffällt und das "Frittieren" ertönt fällt in den Höhen auf). Personen, die Erfahrung im Anhören digitaler Audiodateien, insbesondere Musik, haben, reichen von 192 bis 256 kbps aus, um gut zu hören, aber eine Komprimierung von 320 kbps ist für jeden Hörer optimal. [ Zitieren erforderlich ] . Die im Internet kursierende Musik ist größtenteils zwischen 128 und 192 kbps kodiert, obwohl es heute aufgrund der steigenden Bandbreite immer häufiger vorkommt, Dateien in maximaler Komprimierungsqualität zu teilen.

Digitale Kodierung und Quantisierung

Die von dieser Norm vorgeschlagene Lösung bezüglich der Verteilung von Bits oder Rauschen erfolgt in einem Iterationszyklus, der aus einem internen und einem externen Zyklus besteht. Es untersucht sowohl die Ausgangsabtastwerte der Filterbank als auch das vom psychoakustischen Modell bereitgestellte SMR (Signal-zu-Masken-Verhältnis) und passt die Bitzuweisung oder das Quantisierungsrauschen an, je nach verwendetem Schema, um gleichzeitig die Ratenanforderungen Bit und Maskierung zu erfüllen. Diese Zyklen bestehen aus:

Innerer Zyklus

Die innere Schleife führt eine ungleichmäßige Quantisierung gemäß dem Fließkommasystem durch (jeder MDCT - Spektralwert wird auf die 3/4-Potenz angehoben). Die Schleife wählt ein bestimmtes Quantisierungsintervall und die quantisierten Daten werden im nächsten Block Huffman-codiert . Die Schleife endet, wenn die quantisierten Werte, die Huffman-codiert wurden, weniger oder gleich der Anzahl von Bits als die maximal zulässige Anzahl von Bits verwenden.

Externer Zyklus

Jetzt ist der externe Zyklus dafür verantwortlich, zu überprüfen, ob der Skalierungsfaktor für jedes Band mehr Verzerrung als erlaubt aufweist (Rauschen im codierten Signal), indem er jedes Band des Skalierungsfaktors mit den zuvor in der akustischen Analyse berechneten Daten vergleicht. Die äußere Schleife endet, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

  • Keines der Skalenfaktorbänder weist viel Rauschen auf.
  • Wenn der nächste Wechsel eines der Bänder mehr als erlaubt verstärkt.
  • Alle Bänder wurden mindestens einmal verstärkt.

Packen oder Bitstream-Formatierer

Dieser Block nimmt die quantisierten Samples der Filterbank zusammen mit den Bit/Noise-Mapping-Daten und speichert das codierte Audio und einige zusätzliche Daten in den Frames. Jeder Frame enthält Informationen zu 1152 Audio-Samples und besteht aus einem Header, den Audiodaten samt CRC -Fehlerprüfung und den speziellen Daten (die beiden letzteren sind optional).

Lautstärke

Die Lautstärkenormalisierung, auch als Audionormalisierung bekannt, besteht im Wesentlichen darin, die Lautstärke der Tracks, aus denen ein Album besteht, zu nivellieren, sodass Sie die Songs, aus denen es besteht, immer mit der gleichen Lautstärke anhören können, wodurch der Sprung zwischen einem Song vermieden wird, der „ klingt tief“ mit einem, der „hoch klingt“. [ 11 ] Hierfür werden Programme wie QMP3Gain verwendet . [ 12 ]

Aufbau einer MP3-Datei

Eine MP3-Datei besteht aus verschiedenen Frames, die wiederum aus einem Header und den eigentlichen Daten bestehen. Diese Datensequenz wird „ Elemental Stream “ genannt . Jeder der Frames ist unabhängig, dh die Frames einer MP3-Datei können geschnitten und dann auf jedem MP3-Player auf dem Markt abgespielt werden. Der Header besteht aus einem Sync-Wort, das verwendet wird, um den Beginn eines gültigen Rahmens anzuzeigen. Darauf folgt eine Reihe von Bits, die angeben, dass es sich bei der analysierten Datei um eine Standard - MPEG -Datei handelt und ob sie Layer 3 verwendet oder nicht. Schließlich unterscheiden sich die Werte je nach Typ der MP3-Datei. Die Wertebereiche sind in der Norm ISO/IEC 11172-3 definiert.

Diskrete

In der Mathematik ist die diskrete Fourier-Transformation, oft mit der Abkürzung DFT bezeichnet und manchmal auch als endliche Fourier-Transformation bezeichnet, eine weit verbreitete Fourier-Transformation in der Signalverarbeitung und in Magnetfeldern affin, um die in einem abgetasteten Signal vorhandenen Frequenzen teilweise zu lösen Differentialgleichungen und führen andere Operationen wie Faltungen durch. Es wird beim Erstellen einer MP3-Datei verwendet.

Die diskrete Fourier - Transformation kann sehr effizient mit dem FFT - Algorithmus berechnet werden .

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Nilsson, M. (November 2000). "Der Audio / MPEG-Medientyp - RFC 3003" . IETF . _ 
  2. ↑ Casner, S.; Hoschka, P. (Juli 2003). "MIME-Typregistrierung von RTP-Nutzlastformaten - RFC 3555" . IETF . _ 
  3. ^ Finlayson, R. (Februar 2008). "Ein verlusttoleranteres RTP-Nutzdatenformat für MP3-Audio - RFC 5219" . IETF . _ 
  4. ^ "ISO / IEC 11172-3: 1993 - Informationstechnologie - Codierung von bewegten Bildern und zugehörigem Audio für digitale Speichermedien mit bis zu etwa 1,5 Mbit / s - Teil 3: Audio" . ISO. 1993 . Abgerufen am 14. Juli 2010 . 
  5. ^ „Die kleine Geschichte eines Großen: die MP3“ . (Paul Makovsky, übers.). Ohne Knebel . 4. April 2011. Archiviert vom Original am 10. Dezember 2017 . Abgerufen am 27. Februar 2014 . 
  6. ↑ Sisario, Ben (5. Oktober 2014). "CD ist immer noch König ... in Japan" . Der Finanzier . 
  7. ^ "Microsoft verhängt Geldstrafe von 1,5 Milliarden US-Dollar wegen MP3-Patentverletzung" . RPP-Neuigkeiten . 22. Februar 2007. Archiviert vom Original am 25. Februar 2007 . Abgerufen am 11. Juni 2022 . 
  8. ^ „Häufig gestellte Fragen zu Google Play Musik“ . Steegle (auf Englisch) . 
  9. ↑ «mp3» . Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS . Abgerufen am 13. August 2019 . 
  10. ↑ Pastor, Javier (3. Mai 2017). «Das MP3-Format, das die Musikindustrie revolutionierte, ist jetzt frei wie der Wind: Patente ade» . Xataka . 
  11. ^ "MP3-Lautstärke normalisieren" . Rechnen heute . 
  12. ↑ Branyiczky, Zsolt. «QMP·Gewinn» . SourceForge . 

Externe Links

  • Fraunhofer IIS Website des Fraunhofer Instituts, Schöpfer des MP3-Formats.
  • Funktionsweise des MP3-Formats unter Funktionsweise von Sachen .
Abgerufen von « https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=MP3&oldid=145513325 »