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TU Berlin

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MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS)

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Der MPEG-4 ALS Standard gehört zur Familie der MPEG-4 Audiocodierstandards, die von der ISO (www.iso.org) herausgegeben werden. Im Gegensatz zu verlustbehafteten Verfahren wie MP3 und AAC, die lediglich die subjektiv empfundene Qualität zu erhalten versuchen, erlaubt die verlustlose Codierung jedoch eine exakte Wiederherstellung jedes einzelnen Bits der ursprüglichen Audiodaten. Das grundlegende Verfahren von MPEG-4 ALS wurde am Fachgebiet Nachrichtenübertragung der Technischen Universität Berlin entwickelt. Die erste Version des MPEG-4 ALS Standards wurde 2006 veröffentlicht, und die aktuelle Beschreibung ist inzwischen Teil der 4. Edition (2009) des übergreifenden MPEG-4 Audiostandards (ISO/IEC 14496-3:2009).

Eine neue Version (RM23) der MPEG-4 ALS Referenzsoftware und des Codecs ist jetzt verfügbar. Mehr dazu hier (in English)...

MPEG-4 ALS wird mittlerweile von FFmpeg, MPlayer, VLC Media Player und weiteren Anwendungen unterstützt. Mehr dazu hier (in Englisch)...

Eigenschaften von MPEG-4 ALS

MPEG-4 ALS definiert ein effizientes und schnelles verlustloses Audiokompressionsverfahren, sowohl für professionelle Anwendungen als auch für den Endanwender. Viele Eigenschaften finden sich in keinem anderen Verfahren, sondern werden werden ausschließlich von MPEG-4 ALS unterstützt.

  • Prinzipielle Unterstützung  beliebiger unkomprimierter digitaler Audioformate (inkl. wav, aiff, au, bwf, raw).
  • Unterstützung von PCM-Auflösungen bis 32 bit bei beliebiger Abtastfrequenz (inkl. 16/44.1, 16/48, 24/48, 24/96, 24/192).
  • Multichannel mit bis zu 65536 Kanälen (inkl. 5.1 Surround).
  • Verarbeitung von Audiodaten im IEEE 32 bit Fließkomma-Format.
  • Schneller Zugriff (Random Access) zu jeder beliebigen Stelle der komprimierten Daten.
  • Optionale Speicherung als MP4-Datei (Multiplex mit Video).
  • Hohe Flexibilität der Codierparameter für unterschiedliche Anwendungen.

Neben diesen Eigenschaften besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass ein weltweiter MPEG-Standard die Kompatibilität zwischen unterschiedlicher Hardware und Software gewährleistet, und somit eine langfristige, herstellerunabhängige Unterstützung sicherstellt.

Was ist 'verlustlose' Codierung?

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MPEG-4 ALS Encoder
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MPEG-4 ALS Decoder
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Verlustbehaftete Verfahren (engl. lossy coding), zu denen unter anderem MP3, AAC und WMA gehören, erreichen zwar eine äußerst starke Kompression digitaler Audiodaten bei hoher subjektiver Qualität, ermöglichen allerdings keine bit-identische Wiederherstellung der Originaldaten. Diese Verfahren sind daher nicht geeignet für Anwendungen wie Abmischung oder Archivierung, da die ursprünglich nicht wahrnehmbaren Veränderungen durch Operationen wie Nachbearbeitung oder Mehrfachcodierung wieder hörbar werden können.

Verlustlose Codierverfahren ermöglichen hingegen die Kompression ohne jeglichen Qualitätsverlust und sind daher sowohl im professionellen Bereich als auch für den Endanwender äußerst interessant.  Die direkte Anwendung von Verfahren zur Entropiecodierung wie Lempel-Ziv, Huffman- oder arithmetischer Codierung ist bei Audiodaten meist nicht besonders effizient, da Audiosignale in der Regel starke Anhängigkeiten zwischen den einzelnen Abtastwerten besitzen. Allgemeine Programme zur Datenkompression wie Winzip oder gzip versagen daher bei Audiosignalen.

Durch eine zusätzliche Vorverarbeitung (Dekorrelation) lassen sich die statistischen Abhängigkeiten jedoch beseitigen, und man erhält ein nahezu unkorreliertes Signal, das sich wesentlich einfacher codieren lässt. Eine typische Methode zur Dekorrelation ist die lineare Prädiktion (engl. linear predictive coding, LPC), wobei für jeden Abtastwert des Signals ein Schätzwert auf Basis zurückliegender Abtastwerte berechnet wird. Die Differenz zwischen Original und Schätzwert wird als Restfehlersignal (engl. residual) bezeichnet. Ist die Schätzung gut, dann hat der Restfehler deutlich kleinere Werte als das Original und kann effizient codiert werden. Hierzu genügen dann gewöhnlich einfache Verfahren wie die Rice-Codierung, die einen Spezialfall der Huffman-Codierung darstellt.

Anwendungen

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MPEG-4 ALS Download
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Beispiele für die Anwendung von verlustlosen Audiocodierverfahrem im Allgemeinen und MPEG-4 ALS im Besonderen existieren sowohl im professionellen als auch im Consumerbereich: 

  • Archivierung (Rundfunk, Tonstudios, Plattenfirmen, Bibliotheken)
  • Studiobetrieb (Speicherung, verteiltes Arbeiten, digitale Übertragung)
  • Hochauflösende Datenträger (z.B. Discs)
  • Internetbasierte Übertragung von Audiodateien
  • Online-Musikshops
  • Tragbare Abspielgeräte

Bei Online-Musikshops beispielsweise werden Downloads neuester CD-Veröffentlichungen nicht nur auf verlustbehaftete Formate wie MP3, AAC oder WMA beschränkt sein. Stattdessen lassen sich alle Titel in der vollen Qualität der Original-CD erwerben, aber im Vergleich zu dieser mit deutlich reduzierter Datenrate herunterladen (siehe Bild). Desweiteren lässt sich MPEG-4 ALS nicht nur für Audiosignale, sondern auch für viele andere Arten von Zeitsignalen verwenden, z.B. zur Kompression von medizinischen (EKG, EEG) oder seismischen Daten.

Referenzsoftware

Die aktuelle Version der MPEG-4 ALS Referenzsoftware kann auf der englischen Version dieser Seite heruntergeladen werden. Direkter Link...

Conformance (Konformität)

MPEG-4 ALS Conformance, definiert Verfahren und Bitstreams zur Sicherstellung der Konformität von Implementierungen mit dem Standard. Mehr Informationen hierzu finden sich auf der englischen Version dieser Seite. Direkter Link...

Software, die MPEG-4 ALS unterstützt

Software mit direkter ALS-Unterstützung

Einige Anwendungen aus dem Multimediabereich unterstützen ALS bereits direkt, z.B. FFmpeg, MPlayer und XMedia Recode. Eine aktuelle und ausführlichere Liste mit vielen weiteren Links findet sich auf der englischen Version dieser Seite, und zwar hier.

Verwendung von MPEG-4 ALS mit anderer Software

Die MPEG-4 ALS Referenzsoftware kann auch zusammen mit anderer Software verwendet werden, die ALS zwar noch nicht direkt unterstützt, aber externe Codecs einbinden kann, beispielsweise für Batch-Codierung, CD-Ripping oder das Hinzufügen von Metadaten.

Eine Übersicht ausgewählter Anwendungen mit entsprechenden Erläuterungen findet sich hier (in Englisch).

Geschichte

Im Juli 2002 verabschiedete MPEG eine öffentliche Aufforderung zur Einreichung verlustloser Audiocodierverfahren. Hierbei wurden zwei unterschiedliche Ansätze unterstützt: Einerseits ein hierarchisches System auf Basis eines verlustbehafteten Codecs (z.B. MPEG-AAC) plus verlustloser Erweiterung, und andererseits ein rein verlustloser ("lossless-only") Codec.

Zum Dezember 2002 gingen Vorschläge (teils sogar jeweils mehrere) von sieben Firmen und Forschungsinstituten ein, die in der Folge hinsichtlich Kompressionseffizienz, Komplexität und Flexibilität ausgewertet wurden. Im März 2003 entschied die MPEG-Audiogruppe, zunächst einen rein verlustlosen Codec zu standardisieren, hierarchische Verfahren aber parallel zu untersuchen. Der Codec des Fachgebiets Nachrichtenübertragung der Technischen Universität Berlin, der die beste Kompression aller Vorschläge lieferte, wurde als sogenanntes Referenzmodell und damit als Basis der Standardisierung für die rein verlustlose Codierung ausgewählt. Im Juli 2003 wurde das Verfahren offiziell zum Working Draft erklärt. Im Verlauf der Standardisierung wurden noch einige Verbesserungen und Erweiterungen hinzugefügt. Die endgültige Spezifikation von MPEG-4 ALS wurde im Juli 2005 verabschiedet und 2006 als Standard (ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006) veröffentlicht. In der Folge wurden noch einige Corrigenda mit kleineren Änderungen und Klarstellungen verabschiedet.

Im August 2009 wurde von der ISO die 4. Edition des gesamten MPEG-4 Audio Standards (ISO/IEC 14496-3:2009) veröffentlich, worin als Subpart 11 nun auch die aktuellste Beschreibung von MPEG-4 ALS enthalten ist.

Veröffentlichungen

Publications

2009

2006

2005

2004

2003

WG11- und MPEG-Dokumente

Hier finden sich Dokumente mit Bezug zu MPEG-4 ALS
(Die meisten Dokumente sind nur für MPEG-Mitglieder - Kennwort notwendig)

Kontakt

Für Fragen und weitere Informationen über MPEG-4 ALS bitte E-Mail an .

Für weitere Informationen über das Fachgebiet Nachrichtenübertragung bitte Prof. Dr.-Ing. Thomas Sikora kontaktieren.

Zusatzinformationen / Extras

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