Biologische und technische Grundlagen:
Zu erst wollen wir auf die technischen und biologischen Grundlagen eingehen. Ohne diese ist ein Verständnis der Thematik nur schwer möglich.
Geräusche werden in Form von Schallwellen transportiert. Schallwellen sind eigentlich nur Luftdruckschwankungen und diese Luftdruckschwankungen treffen auf das Trommelfell und versetzen es in Schwingung. Diese Bewegungen des Trommelfells werden dann wahrgenommen und an das Gehirn weitergegeben.
Analog-digital-Wandlung:
Zuerst müssen die Schallwellen ja irgendwie aufgefangen werde. Dies geschieht, wie du sicher weißt, mit einem Mikrofon. Auch hier wird, ähnlich wie bei dem menschlichen Ohr, eine Membran in Schwingung versetzt. Diese Membran bewegt einen Eisenkern, der sich in einem Magnetfeld befindet. Es kommt dann zu einer Induktionsspannung. Die Art der Stromerzeugung funktioniert ähnlich, wie in einem Fahrraddynamo. Dieser Strom gelangt dann in den Computer. Es entsteht ein Wellenförmiger Strom. Die Höhe der Welle, die Amplitude, gibt die Lautstärke an. Und die Häufigkeit, die Frequenz gibt den Klang an.
Dieses gleichmäßige Signal kann der Computer allerdings nicht verarbeiten. Es muss nun digital umgewandelt werden. Dazu wird das Signal abgetastet. Die Abtasthäufigkeit wird durch die Samplingrate bestimmt. Es wird also immer nach einem bestimmten Zeitintervall ein Messpunkt genommen.
In der Nachfolgenden Grafik seht ihr dies einmal veranschaulicht. Die Kurve ist das analoge Signal und die roten Linien stellen die Samplingrate da. Wenn sich also der Graph des Signals und die roten Geraden schneiden, dann wird ein Messpunkt erstellt. Diese Messpunkte sind hier in orange dargestellt.
Problematisch ist nur, dass diese Messpunkt mit dutzenden von Nachkommastellen gemessen und gespeichert werden müssten. Dies währe ein großer Verbrauch an Speicherplatz. Um den Speicherplatz zu verringern werden die Werte gerundet. Diesen Vorgang nennt man Quantisieren. Die Rundungsintervalle werden durch die Samplingtiefe festgelegt. Sie ist in der Nachfolgenden Grafik durch die grünen Linien dargestellt. Die Orangen Messpunkte aus der ersten Abbildung wurden nun gerundet und werden jetzt durch die blauen Messpunkte dargestellt.
Das bedeutet im Umkehrschluss, dass durch die Rundung Informationen verloren gegangen sind. Dies ist in der Tat so. Es findet immer ein Verlust statt! Dieser Verlust lässt sich allerdings durch eine hohe Samplingrate und eine hohe Samplingtiefe minimieren. Bei einer hohen Smaplingrate und einer hohen Smaplingtiefe wird allerdings sehr viel Speicherplatz benötigt. Es ist also immer ein Spagat zwischen Qualität und Dateigröße.
In der Regel verwendet man für eine CD eine Samplingrate von 40100Hz und eine Samplingtiefe von 16Bit.
Komprimierung:
Um diesen angesprochenen Spagat zwischen Qualitätsverlust und Datengröße zu verringern haben sich die Wissenschaftler verschiedene Verfahren überlegt, um die Dateigröße, bei gleich bleibender Qualität, zu verringern.
Zu allererst werden alle Informationen rausgefiltert, die für das Menschliche Ohr nicht hörbar sind. Dadurch kann schon mal enorm viel Platz gespart werden.
Des Weiteren kann der Mensch bei einer Überlagerung von Tönen jeweils nur den Lautesten hören, sodass die leiseren auch gelöscht werden können. Zusätzlich klingen die Töne im Gehirn noch ein wenig nach. Sodass leisere nachfolgende Töne auch nicht wahrgenommen werden könne und somit gelöscht werden könne.
Alles in allem kann so eine große Menge an Speicherplatz gespart werden und dennoch bleibt der Klang genau der Gleiche.
Quellen:
http://users.minet.uni-jena.de/~sack/SS08/RNIT08-materialien.htm#audiovideo Video4
http://de.wikipedia.org/wiki/Audiodatenkompression
Schlagworte: analog, digital, Komprimierung, Quantisierung, Samplingrate, Samplingtiefe
