MP3 und Raumklang? Ein neue Evolutionsstufe von MP3
Das MP3-Format hat vor Jahren unsere Gewohnheiten, Musik zu hören, revolutioniert. Jetzt schickt sich MP3-Surround, aus den Forschungsräumen des Fraunhofer Institutes für Integrierte Schaltung an, erneut eine kleine Revolution in der Welt der Musikspeicherung und Wiedergabe auszulösen. Raumklang und MP3? Hier ist den Ingenieuren aus Erlangen wieder ein großer Wurf gelungen, aber was verbirgt sich hinter dem räumlichen Klang, in dem alte MP3-Soundfiles nun in neuem Glanz erstrahlen sollen? Ganz aktuell zeigen die Entwickler auf der Musikmesse Midem in Cannes, zusätzlich das neue MP3 Surround-Streamingmodul. Somit können auch Radiosendungen im Internet mit Surround-Sound ausgestrahlt werden. Auch hier bleibt, wie gewohnt, die Kompatibilität zu allen MP3-Spielern erhalten. Was verbirgt sich aber generell hinter MP3-Surround?
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In den heimischen Wohnzimmern hat der voluminöse Mehrkanalton bereits seinen festen Platz gefunden. Die meisten Video-DVDs sind mit dem entsprechenden Standard Dolby-Digital-5.1 versehen und sorgen für ein Klangerlebnis der Extraklasse. Aber Surround-Klang ist nicht immer gleich. In seiner Geschichte hat er bereits mehrere Evolutionsstufen durchschritten. Begonnen hat alles mit dem analogen Dolby Surround, das in erster Linie in Kinos zum Einsatz kam. Die technischen Vorraussetzungen ermöglichten damals nur zwei getrennte Tonkanäle auf den Zelluloid-Filmstreifen aufzuzeichnen. Deshalb waren diverse Tricks nötig, um einen echten Raumklang zu ermöglichen. Dabei gelang es Ray Dolby, mittels Phasenverschiebung vier Kanäle (rechts, center, links und einen Effektkanal) in den möglichen zwei Kanälen zu vereinen.
Erst die modernen Verfahren wie Dolby Digital AC3 oder DTS bieten die Option separate (diskrete) Tonspuren für jedes Tonsignal aufzunehmen und so können deutlich mehr Tonspuren gespeichert werden. Dies verbessert in erheblichem Maße die Klangqualität.
Die AC3- sowie DTS-Encoder-Software ist jedoch sehr teuer und deshalb ist es für Privatanwender bisher eigentlich unmöglich, eigene Surround-Musikdateien zu erstellen. Zudem verschlingen DivX-Videos mit 5.1-Mehrkanalton geradezu die meist knappen Speicherkapazitäten. Dolby Digital in den 5.1-Varianten erzeugt nämlich Dateien mit einer Datenrate von bis zu 448 KBit/s. Somit werden sich alle Video und Sound begeisterten Computernutzer über die Software des Fraunhofer Institutes (MP3 Surround Decoder und Encoder) freuen. Denn mit MP3 Surround ist es den Entwicklern nun gelungen, entsprechenden Raumklang höchst wirkungsvoll zu komprimieren.
Das neue Format arbeitet genauso wie das bereits bekannte MP3-Komprimierungsverfahren. MP3, wie auch MP3-Surround, nutzt bei der Komprimierung so genannte psychoakustische Effekte in der menschlichen Wahrnehmung aus. Das heißt, der Mensch kann Töne erst ab einem gewissen Mindestunterschied der Tonhöhe voneinander getrennt hören. Ein weiteres Phänomen, das sich das MP3-Format bei der Datenkomprimierung zu Nutze macht ist die Tatsche, dass das menschliche Gehör kaum oder gar nicht in der Lage ist direkt nach besonders lauten Tonsignalen leisere Geräusche wahrzunehmen. Aus diesem Grund ist es also nicht notwendig, das Ursprungssignal exakt abzuspeichern, sondern es reichen die Signalanteile, die das menschliche Gehör auch wahrnehmen kann. Die Informationen, die das menschliche Ohr nicht in ihrer Detailtiefe wahrnimmt, so genannte Redundanzen, werden schlicht und ergreifend herausgerechnet oder zusammengefasst. Diese fundamentale Kenntnis, wie das menschliche Gehirn Klänge in ihren verschiedenen Ausprägungen wahrnimmt und verarbeitet hat den Forschern nun dabei geholfen auch für den MP3-Surround-Sound entsprechende Komprimierungsverfahren zu entwickeln, ohne das diese zu einem deutlich verringerten Klangerlebnis führen würden.
Wie aber funktioniert MP3-Surround? Die verschiedenen Kanäle, die für den räumlichen Klang sorgen und in der Originaldatei noch vorliegen, müssen zunächst in ein verwertbares Stereoformat heruntergerechnet werden. Dieses wird dann von einem konventionellen MP3-Encoder in das Stereo-MP3-Format konvertiert. Parallel dazu werden die Informationen, die für den räumlichen Klang zuständig sind, wie Laufzeitunterschiede der Audiosignale, unterschiedliche Lautstärke und Variationen in den Klangbildern analysiert und in einem gesonderten Bereich, dem „Ancillary Data“-Datenfeld des MP3-Bitstroms, gespeichert. Beim Abspielen der Datei erkennt der MP3-Surround-Decoder dann automatisch die zusätzlichen Informationen und gibt das ganze Spektrum des Multikanaltons wieder. Dies bedeutet, dass MP3 Surround nicht alle Kanäle komplett unabhängig voneinander verarbeitet. Damit bewegt sich die Qualität des Surround-Eindrucks zwischen dem ProLogic II Verfahren und echtem diskretem Mehrkanal-Sound.
Dabei folgt die Dekodierung, also die Wiedergabe der Musikdateien den stets gleichen Algorithmen. Die Kodierung allerdings kann nach verschiedenen Algorithmen erfolgen (unterschiedliche Formate wie MP3, Ogg, ACC, u.a.) und liefert dementsprechend unterschiedliche akustische Ergebnisse. Wie hoch die hörbaren Verluste ausfallen hängt direkt von der Qualität des benutzten Kodierers, von der Komplexität des Signals, von der gewählten Datenrate, von der verwendeten Endgeräten wie Verstärkern und Lautsprecher und nicht zuletzt vom Gehör des Hörers ab. Das herkömmliche MP3-Format erlaubt Datenraten in einem Bereich von 8 kBit/s bis zu 320 kBit/s. Für eine annehmbare Wiedergabe hat sich eine Kodierung mit einer Datenrate von 128 kBit/s bewährt. Hier fallen die Höreindrücke selbstverständlich sehr subjektiv aus. Feststeht allerdings, dass die meisten Menschen ab einer Bitrate von etwa 160 kBit/s und bei der Verwendung eines qualitativ hochwertigen Encoders selbst bei konzentriertem Zuhören das veränderte Musikmaterial nicht mehr vom Ausgangsmaterial unterscheiden können. Bei MP3-Surround arbeitet der vorliegende Encoder des Fraunhofer IIS mit einer festen Bitrate von 192 kBits/s. Damit wird eine mehr als ausreichende Qualität geliefert.
Für die Zukunft würde man sich aber vielleicht ein Kodierungsverfahren mit schwankender Datenrate und damit gleich bleibender Klangqualität wünschen. Damit vermeidet man weitgehend Qualitätseinbrüche, die sich an schwierig zu kodierenden Musikstellen ergeben können. Dafür spart man auf der anderen Seite, bei ruhigen und komplett stillen Passagen des Musikstückes an der Datenrate und folglich am verwendeten Speicherplatz für die einzelnen Dateien.
Die wichtigste Eigenschaft des neuen Formates ist jedoch, dass es komplett abwärts kompatibel ist und auch weiterhin auf allen MP3-Geräten abspielbar bleibt. So können herkömmliche MP3-Decoder das Signal in Stereo decodieren, MP3 Surround-Decoder aber vollen 5.1-Surround-Klang erzeugen.
Um diese neue Errungenschaft effektiv nutzen zu können, sind eine ganze Reihe von hilfreichen Tools notwendig, die die Ingenieure des Fraunhofer Institutes natürlich gleich mitentwickelt haben.
Mit Hilfe des Programmes Ensonido wird es zum Beispiel möglich 5.1.Surround-Sound über gewöhnliche Stereo-Kopfhörer zu simulieren. Auf der Internetseite www.ensonido.de hält das Fraunhofer Institut weitere Informationen bereit.
Die Umwandlung von vorhandenem Stereo-Material in das MP3-Surround-Format übernimmt das Tool MP3 SX. Diese Erweiterung schafft die Möglichkeit eine klanglich konsistente Wiedergabe und Wahrnehmung von einzelnen Klängen, Stimmen und Instrumenten in einem so genannten erweiterten „Sweet-Spot“-Bereich zu gewährleisten. Außerdem übernimmt MP3 SX die Zuordnung der verschiedenen Klanginformationen auf die zusätzlichen, hinteren Kanäle und ermöglicht so erst den Schritt zu einer Wiedergabe in 5.1-Surround-Sound-Qualität. Die Lücke, auch anderes Stereomaterial, außer jenes im MP3-Format, in Mehrkanal-Klang umwandeln zu können, schließt die SX Pro Applikation.
So bietet MP3 Surround also hochqualitativen Multikanalton für eine Vielzahl von Anwendungen. Der Anwendungsbereich reicht von Musikdownloads über Multimediaanwendungen und Spielen bis hin zum Heimkino oder der Wiedergabe auf anderen Geräten, wie MP3-Playern und Autoradios. Trotz der versprochenen hohen Qualität belegen die MP3-Surround-Dateien nur die Hälfte des Speicherplatzes, den Dateien anderer Surround-Formate in Anspruch nehmen und nur 10% mehr Speicherkapazität als herkömmliche MP3-Dateien.
Damit ist den Ingenieuren ein großer Schritt in die Zukunft gelungen, qualitativ hochwertige, digitale Medien noch besser über das Internet vermarkten zu können. Vorstellbar sind Szenarien, dass man es bald auch schafft Bildinformationen in entsprechend kleine Pakete zerlegen und komprimieren zu können, die dann gemeinsam mit den entsprechenden Soundfiles in kürzester Zeit aus dem Internet herunter geladen werden können und nur noch einen geringen Teil des vorhandenen Speicherplatzes auf dem heimischen Computer belegen.
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