Computergestützte Audio- und Videotechnik: Multimediatechnik in der Anwendung

445 Pages·1995·28.731 MB·German

by  Dieter Stotz (auth.)

Computergestiitzte
Audio- und Videotechnik
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hong Kong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Dieter Stotz
Com putergestOtzte
Audio- und
Videotechnik
Multimediatechnik in der Anwendung
Mit 217 Abbildungen
, Springer
Dieter Stotz
Entwicklungen in der Steuerungs
und Studiotechnik
Maisacher Str. 23
82256 Fiirstenfeldbruck
ISBN-13: 978-3-540-59144-3 e-ISBN-13: 978-3-642-79691-3
DOl: 10.1007/978-3-642-79691-3
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Stotz, Dieter: Computergestuzte Audio-und Videotechnik :
Multimediatechnik in der Anwendung / Dieter Stotz. -
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong ; London;
Mailand; Paris; Tokio: Springer, 1995
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
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SPIN: 10499578 62/3020 -5 432 1 0 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
In der unglaublich schnell voranschreitenden Computertechnologie sind Neu
linge und Profis fast gleicherma13en gefordert, sich nicht nur tiber den Stand der
Technik, sondem auch tiber deren Zusammenhiinge zu informieren. Da ein
schliigige Zeitschriftenartikel zumeist unzusammenhiingend, unvollstiindig, ober
fliichlich und manchmal sogar sachlich falsch gehalten sind, liegt es nahe, ein
Buch tiber die Thematik zu verfassen.
Die Handbticher von Hard- und Software-Herstellem fUr die bild- und tonver
arbeitende Computertechnik sind oftmals so knapp gehalten, da13 sie nur spezifi
sche Handgriffe erliiutem. Der Anwender hingegen ist sehr stark angewiesen auf
die Beleuchtung der Hintergriinde und das technische Zusammenspiel der Kom
ponenten.
Zur Verwirklichung kiinstlerischer Werke sind mit den heutigen Vorausset
zungen immer weniger technischer Arbeitsschritte zwischen kiinstlerischem
Schaffe n und endgiiltigem Werk notwendig; deshalb werden auch Ktinstler im
mer mehr direkt mit der Computertechnik konfrontiert - ein Umstand, der ein
gewisses Ma13 an technischem Know-how erfordert.
Ziel des Buches ist daher, einer m6glichst breiten Schar von Anwendem der
computergestUtzten Bild-und Tonverarbeitung eine Hilfe zu sein, die sich auf der
Vermittlung von Grundlagen stUtzt und die sich am praxisnahen Geschehen ori
entiert. Dilentantisches Vorgehen bei der Qualitatsverbesserung des Endprodukts
bzw. bei der Vermeidung von zeitraubenden Fehlem solI ersetzt werden durch
Sachverstand und Kompetenz, der sich bei der kreativen und produktiven Tiitig
keit in Zeiterspamis und QuaIitatssteigerung iiuBert.
Das Buch besteht aus zwei Teilen, dem Audio- und dem Videoteil. Diese wie
derum gliedem sich in mehrere Kapitel, die sich den wichtigsten und brennend
sten Fragen widmen. Jedem Teil ist ein Kapitel vorangestellt, das zuniichst all
gemeine Grundlagen zum Verstiindnis der Audio-bzw. Videotechnik wiedergibt.
Dies ist fUr technisch Interessierte ohne Vorkenntnisse sehr hilfreich. Die einzel
nen Kapitel beschreiben einerseits Verfahrensweisen und andererseits grundsiitz
liche technische Vorgiinge bzw. Festlegungen. Der umfangreiche Anhang dient
als Nachschlageteil fUr oft ben6tigte technische Informationen, die im Hauptteil
keinen Platz fanden oder schwerer zu finden sind.
VI Vorwort
Es wurde weitgehend darauf verzichtet, spezifische Hardware oder gar
Software einzubeziehen, da diese laufend erneuert bzw. ersetzt wird. Stattdessen
erfolgt eine Konzentration aufbewahrte Verfahren bzw. Technologien, welche in
absehbarer Zukunft beibehalten werden - wenn auch unter wechselnder Hard
ware bzw. Software.
Bei der Darlegung von komplexer und zum Teil etwas trockener Themen findet
oft eine Auflockerung durch Praxisbeziige statt, die in Sperrschrift erscheinen.
Zum einen solI damit die Thematik etwas transparenter werden - auBerdem
spornt der beabsichtigte Aha-Effekt zum Weiterlesen an.
Das Literaturverzeichnis am Ende des Buches korrespondiert mit Stellen im
Text, die am Ende von Absatzen durch [nn] bezeichnet sind. Dabei handelt es
sich teils urn Basisliteratur und teils urn weiterfuhrende Werke (daja manche De
tails bier nur ein wenig tangiert werden).
Das Buch entstand unter Aufbringung grofler Sorgfalt. Trotzdem sind natiirlich
Fehler oder Unklarheiten nicht ganz auszuschlieflen. Fiir die Aufdeckung von
Sach-und Rechtschreibfehlern bzw. flir die Darlegung von Verbesserungen sind
Verlag und Autor dankbar.
Bei allen Firmen, die bei der Erstellung des Manuskriptes hilfreich zur Seite
standen, mochte ich mich ganz herzlich bedanken. Besonders erwiihnenswert
sind dies (in alphabetischer Reihenfolge):
Microsoft GmbH, Matrox GmbH, Q-Team Dr. Knabe Korschenbroich, Roland
Elektronische Musikinstrumente Handelsgesellschaft mbH, Turtle Beach Sy
stems, Yamaha Europa GmbH.
Ferner gilt auch besonderer Dank dem Springer-Verlag, der biermit wieder
einmal dem Anspruch gerecht wird, professionell Bucher flir Wissenschaft und
Technik herzustellen.
Dieter Stotz MUnchen im Herbst 1995
Inhaltsverzeichnis
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., 1
Teil I: Audiotechnik
1 Grundlagen zur Audiotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Pegelmalle in der Audiotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Lineare Verzerrungen und Frequenzgang ................... 7
1.3 Nichtlineare Verzerrungen ............................. 9
1. 3.1 Klirrfaktor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Intermodulation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.4 Storabstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
1. 4.1 Gerauschspannungsabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2 Fremdspannungsabstand .............................. 15
1.5 Dynamikbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
1.6 Ubersprechdampfung ................................ 16
1. 7 Phasenverzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17
1.8 Raumakustik ...................................... 20
1.8.1 Schallreflexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
1.8.2 Diffraktion (Beugung) ............................... 22
1.8.3 Refraktion (Brechung) ............................... 23
1.8.4 Doppler-EfIekt... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
1.9 Riiumliches Horen .................................. 25
1. 9.1 Intensitiitsstereophonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
1.9.2 Stereophonie durch Laufzeit ........................... 28
1. 9.3 Kunstkopf-Stereophonie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
1.9.4 Quadrophonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
1.10 Speicherung von Audiosignalen ......................... 29
1.10.1 Analoge Magnetbandaufzeichoung ....................... 30
1.10.2 Digitale Magnetbandaufzeichoung ....................... 31
1.10.3 Digitale Aufzeichoung aufMiniDisc (MD) ................. 32
1.10.4 Hard-Disk-Recording................................ 33
1.10.5 Compact Disc (CD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
VIII Inhalt
2 Abtastung und Digitalisienmg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
2.1 Prinzipielles bei der Abtastung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
2.2 Voraussetzungen und Probleme bei der Abtastung ............. 37
2.3 Wandlung der Analogspannung in Digitalwerte . . . . . . . . . . . . .. 40
2.3.1 Digitalformate nach der Wandlung ....................... 41
2.3.2 Methoden der AID-Wandlung im Uberblick ................. 42
2.3.3 Quantisierungsrauschen und Linearitiitsfehler ............... 44
2.4 Uberabtastung (Oversampling) .......................... 48
2.5 Parameter bei der Abtastung und Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
2.5.1 Aufl6sungund Wandlungskennlinien ..................... 50
2.5.2 Abtastraten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
2.5.3 Aussteuerung ..................................... 54
2.6 Metboden zur Reduzierung der Datenmenge ................ 55
2.6.1 Datenreduzierung durch Parameteranderung .. . . . . . . . . . . . . .. 55
2.6.2 Datenreduzierung durch Kompression ..................... 56
2.7 Datenflu6 bei Hard-Disk-Recording ...................... 59
2.8 Signalauibereitung auf der Analogseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
2.8.1 Mikrofonwahl und -aufstellung ......................... 61
2.8.2 Echtzeitbeeinflussung des Signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
3 Bearbeitung von Sampling-Dateien ..................... 79
3.1 Schneidevorgange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.1 Bearbeitungsschritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.2 Nahtstellen nach dem Schneidevorgang .................... 83
3.2 Filtern .......................................... 85
3.2.1 FIR-Filter ........................................ 85
3.2.2 IIR-Filter.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
3.3 Eft"ekte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
3.3.1 Echo ........................................... 90
3.3.2 Hall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
3.3.3 Phasing und Flanging ................................ 95
3.3.4 Verzerrung ....................................... 97
3.3.5 Veranderung der Abspielgeschwindigkeit ................. 100
3.3.6 Veriinderung der Tonlage (pitch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
3.3.7 Zeitdehnung ..................................... 104
3.4 Pegelbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104
3.4.1 Einstellungvon Einzelbereichen ....................... 104
3.4.2 Hii1lkurvenkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105
3.4.3 Dynamikkompression... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 106
3.5 Unterdrtickung von Knackgerauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107
3.5.1 Slewrate-Filterung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 108
3.5.2 Einzelwert-Bearbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
Inhalt IX
4 Formate von Sampling-Dateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
4.1 FormatWAV .................................... III
4.2 Format VOC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
4.3 Format SMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
4.4 Format SFIISFD .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
4.5 Format AIF(F) ................................... 120
4.6 Format ADPCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
4.7 Speicherbedarf der Dateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
5 Midi .......................................... 123
5.1 Midi-Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 123
5.1.1 Anschliisse bei Midi-Instrumenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 123
5.1.2 Verschaltung von Midi-Instrumenten und -Geraten . . . . . . . . . .. 124
5.1.3 Ausfiihrung der Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
5.2 Midi-Software-Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
5.2.1 Begriffserlauterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
5.2.2 Oberblick zu den Midi-Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
5.2.3 Channel Message ................................. 130
5.2.4 System Exclusive .................................. 139
5.2.5 System Common. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
5.2.6 System Realtime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
5.3 General Midi .................................... 144
5.3.1 Festgelegte Programm-Nummem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
5.3.2 Festlegungen fUr Schlaginstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
5.3.3 Weitere Festlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
5.3.4 Richtlinien fUr General Midi Level 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 147
5.3.5 Das GS-Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 147
5.4 Midi-Mapping und Arbeitsweisen unter Windows. . . . . . . . . . .. 148
5.4.1 Midi-Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
5.4.2 Midi-Patchmaps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
5.4.3 Midi-Keymaps.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 153
5.5 Verschiedene Prinzipien der Klangerzeugung. . . . . . . . . . . . . .. 154
5.5.1 Analoge Klangsyntbese ............................. 155
5.5.2 FM-Klangsyntbese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
5.5.3 Waveshaping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
5.5.4 Fourier-Syntbese.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
5.5.5 Lineare Arithmetik ................................ 159
5.5.6 Sampling-Syntbese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
5.6 Synchronisation von Midi-Geraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
5.6.1 Zweck einer Synchronisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163
5.6.2 Realisierung fiber Timecode .......................... 163
5.6.3 Midi-Spezifikation fUr den Timecode .................... 164
5.7 Midi-Gerate, Audiokarten und ZubeMr ................... 167
5.7.1 Ansteuerung extemer Midi-Gerate durch den Computer. . . . . . .. 167
x
Inhalt
5.7.2 Audiokarten und Betrieb unter Midi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
5.7.3 Midi-Steuergerate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
5.7.4 Midi-Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
5.8 Midi-Applikationen und ProblemlOsungen . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
5.8.1 Nachvertonung von Video-Sequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
5.8.2 Synchronisation mehrerer Midi-Applikationen . . . . . . . . . . . . .. 174
5.8.3 Midi als Playback-Quelle fUr Musiker . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
5.8.4 Midi-Arrangement und Sampling-Dateien ................. 178
6 CD-ROM-Laufwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
6.1 Daten von CD-ROM ............................... 181
6.l.1 Betriebsarten .................................... 181
6.l.2 Elektrische und geometrische Daten ..................... 182
6.l.3 Datenformate .................................... 183
6.2 Schnittstelle zum Computer ........................... 185
6.2.1 SCSI-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 185
6.2.2 ATAIIDE-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 186
6.2.3 Parallel-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
6.3 Anwendungen im Audiobereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
6.3.1 Steuerung des Laufwerks ............................ 188
6.3.2 Laden und Abspielen von Audiodateien ................... 189
6.4 Herstellung von CD-ROMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
7 Vergleich mit herkommlicher Audiotechnik . . . . . . . . . . . . .. 191
7.1 Schneidetechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191
7.l.1 Aufzeichnungen auf Analogband . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191
7.l.2 Aufzeichnungen auf Computer-Festplatte ................. 192
7.l.3 Digitale Bandaufzeichnungen ............ . . . . . . . . . . . .. 193
7.2 Filtertechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
7.2.1 Filtem mit Spezialgeraten ............................ 194
7.2.2 Software-Filterung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
7.2.3 Digitale Hardware-Filterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195
7.3 Einsatz von Effekten ............................... 195
7.4 Sonstige Signalmanipulationen ........... . . . . . . . . . . . .. 196
7.4.1 Rechenintensive Verlinderungen ....................... 196
7.4.2 Diskrete Signalverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
7.4.3 Zeitinversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
7.5 Wartung der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
7.5.1 Wartungbei Analogsystemen ......................... 198
7.5.2 Wartung bei Digitalsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
7.6 Gegentiberstellung von AnalogtechniklDigitaltechnik ....... .. 199
8 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
8.1 Audiokarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201