Past theses

Gängige Audiorestaurierungsmethoden basieren auf der Erkennung von Störgeräuschen und deren anschließender Entfernung. Dabei kommt es je nach Grad der Störung, Auswahl der Restaurierungsmethode und Einstellung derselben zu Artefakten und Verzerrungen in der restaurierten Aufnahme. In vorliegender Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das in der Analyse die gespielten Noten in gestörten Gitarrenaufnahmen als zeitliche Ereignisse im Audiosignal identifiziert und anhand der Parameter Tonhöhe und Notendauer beschreibt. In der Re-Synthese wird dann ein physikalisches Modell verwendet, welches die Klangerzeugung auf dem realen Musikinstrument nachbildet. Dieses wird mit den anfangs ermittelten Notenparametern initialisiert. Damit kann die anfangs durch Klicks, Knistern, Dropouts und Breitbandrauschen beeinträchtigte Gitarrenaufnahme frei von Störgeräuschen und zusätzlich eingebrachten Artefakten rekonstruiert werden. Weiterhin wird mit der Erweiterten Modifizierten Faltung eine Methode dargestellt, mit der sich das Aufprägen des natürlichen Ausklingverhaltens der zu restaurierenden Aufnahme auf das resynthetisierte Signal realisieren lässt. Dabei werden Anforderungen und Einschränkungen von Hüllkurvenübertragungsmethoden im Kontext der Audiorestaurierung von polyphonen Gitarrenaufnahmen dargelegt. Zur Überprüfung der allgemeinen Akzeptanz von resynthetisierten Aufnahmen im Kontext der Audiorestauration und dem Vergleich des vorgestellten Verfahrens mit den gängigen Entrauschmethoden "Wiener" und "Ephraim-Malah" wurde neben objektiven Klangbewertungsverfahren ein Hörtest durchgeführt. Die auf Re-Synthese basierenden Verfahren erhielten dabei bessere Bewertungen.

Mit dem Erfolg von Mp3 wird die Welt der Musik und Audiosignale mehr und mehr digital. Längst ist die CD nicht mehr das einzige Medium zur Musikverbreitung. Doch mit den Möglichkeiten, Musik online in digitaler Form und nicht als Audio-CD kaufen zu können, steigt die Notwendigkeit eine gute Audioqualität sicherzustellen. Diese Arbeit beschreibt eine Methode, mittels welcher aus einem unkomprimierten Zeitsignal ermittelt werden kann, ob und mit welchen Parametern dieses mit Mp3 oder Mp3PRO kodiert und dekodiert wurde. Die Idee hinter dieser Methode ist, dass die Codecs durch ihre verlustbehaftete Kompression eindeutige Spuren im Audiosignal hinterlassen, durch die sie zweifelsfrei identifiziert werden können. Hierzu werden die im Mp3-Enkoder verwendeten Funktionen auf das Zeitsignal angewendet und es wird nach den Charakteristika der Codecs gesucht. Dabei muss aus dem Zeitsignal sowohl das Offset ermittelt werden, welches der Mp3-Enkoder verwendet hat, als auch die Fenstertypen, die in der Filterbank benutzt wurden. Mit der Berechnung der verwendeten Quantisierungsstufen kann zuletzt die Bitrate des Codecs geschätzt werden. Da Mp3PRO das parametrische Kodierverfahren der Spektralband Replikation nutzt, müssen zusätzliche Informationen aus dem Zeitsignal extrahiert werden und die Korrelation zwischen den niedrigen und den hohen Frequenzen berechnet werden. Es wird gezeigt, dass eine Anwendung dieses Verfahrens grundsätzlich möglich und die Codecerkennung realisierbar ist. Gewisse Ungenauigkeiten ergaben sich bei höheren Bitraten und bei der Bitratenerkennung von Mp3PRO. Eben jene Probleme bedürfen weiterer Verbesserung.

Moderne Audiocodiertechnologien verwenden Verfahren der Bandbreitenerweiterung zur effizienteren Komprimierung von Audiodaten. Neben den psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Gehörs wird die Korrelation der niederfrequenten Signalanteile zu den hochfrequenten Anteilen zur Datenreduktion ausgenutzt. Ein bekanntes etabliertes Verfahren ist die Spektralbandreplikation (SBR), wie sie unter anderem in HE-AAC eingesetzt wird. Für Signale, die eine ausgeprägte harmonische Struktur aufweisen, treten bei Anwendung dieses Verfahrens unerwünschte Artefakte wie Rauigkeit und Timbreänderungen auf. In dieser Arbeit wird ein Verfahren der harmonischen Bandbreitenerweiterung im Frequenzbereich mit dem Namen HSBE entwickelt, welches es ermöglicht, die unerwünschten Artefakte zu unterdrücken. Das replizierte Spektrum wird dabei so moduliert, dass die ursprüngliche harmonische Struktur erhalten bleibt. HSBE basiert im Gegensatz zu anderen Verfahren auf der Signaldarstellung im MDCT-Bereich und erlaubt damit eine effiziente Implementierung. Die harmonisch korrekte Bandbreitenerweiterung wird durch einen Kopiervorgang der Spektralwerte mit anschließender Modulation erreicht. Durch die Modulation des Spektrums wird die TDAC-Eigenschaft der MDCT verletzt, sodass Aliasing-Komponenten auftreten. Um diese zu eliminieren, wird eine FIR-Filterstruktur zur Aliasing-Cancelation entworfen. Die dazu benötigten Filterimpulsantworten werden mittels sukzessiver Approximation optimiert und als Look-Up-Tabelle hinterlegt. Neben der funktionalen Analyse des entwickelten Verfahrens werden auch die algorithmische Komplexität und der verwendete Speicherbedarf betrachtet. Die hierzu durchgeführten Simulationen und Messungen bestätigen die Hypothese, dass die harmonische Spektralbandreplikation eine leistungsfähige und effiziente Möglichkeit darstellt, das bandbegrenzte Spektrum eines Audiosignals unter Fortsetzung der harmonischen Struktur zu erweitern.

Trotz der zunehmend im Unterhaltungselektronikmarkt verfügbaren parallelen Prozessorarchitekturen sind Audioencoder nach wie vor sequentielle Prozesse. Encoder die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, verarbeiten immer noch alle einzelnen Frames nacheinander. Um das volle Potential auszunutzen, ist es notwendig alle Teilschritte des Encoding Verfahrens auf Parallelisierbarkeit zu prüfen. Insbesondere ist es wichtig, die bestehenden Zwischenframeabhängigkeiten aufzulösen um das volle Geschwindigkeitspotential paralleler Prozessorarchitekturen ausnutzen zu können. Das Aufbrechen der Zwischenframeabhängigkeiten birgt die Gefahr, die resultierende Audioqualität zu verringern. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Skalierbarkeit eines Audio Encoders auf einer parallelen Architektur untersuchen, indem versucht wird, jedes Audio-Frame so unabhängig wie möglich zu verarbeiten, um einerseits einen Geschwindigkeitsvorteil zu erzielen und andererseits die Audioqualität nicht negativ zu beeinflussen. Diese Arbeit basiert auf dem konventionellen AAC-LC Algorithmus und schlägt eine neue, parallelisierte Variante des Algorithmus vor. Ein Encoder, der das Funktionieren des vorgeschlagenen Konzepts beweist (Proof of Concept), wurde in C implementiert. Es werden Benchmarkergebnisse präsentiert, die den Vergleich zur sequenziellen Referenzimplementierungen zeigen. Der Proof of Concept Encoder zeigt, dass der vorgeschlagene parallele Algorithmus einen Gewinn an Geschwindigkeit bietet, ohne dass dabei die Audioqualität negativ beeinflusst wird. Der Proof of Concept Encoder ist fähig, Audiomaterial bis zu 100-facher Echtzeit zu encodieren. Erste Teilalgorithmen wurden bereits in CUDA implementiert. Es ist allerdings weitere Arbeit notwendig bevor ein fairer Vergleich zum Referenzencoder vorgenommen werden kann. Diese Arbeit und der vorgeschlagene parallele Algorithmus bieten einen Leitfaden und ein Beispiel, wie Audiokodierung als paralleler Prozess aufgefasst werden kann. Diese neue Methode könnte Ingenieuren dienen, die sich mit Audiosignalverarbeitung beschäftigen, da in naher Zukunft algorithmische Optimierungen stark auf parallele Prozessorarchitekturen zugeschnitten werden müssen.

Die fortschreitende Entwicklung im Bereich Fahrzeugnavigation und Fahrerassistenzsysteme eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, um den Fahrer bei der Wegfindung zu unterstützen. Mit Hilfe von Augmented Reality, sowie durch die vermehrte Veröffentlichung von Umgebungsfotos innerhalb georeferenzierter Datenbanken, kann eine neue Erweiterung der Fahrzeugnavigation realisiert werden. Diese Arbeit setzt an dieser Stelle an und verfolgt das Ziel, eine prototypische fotobasierte Navigationslösung umzusetzen. Dem Fahrer werden realitätsnahe Bezugspunkte innerhalb der Fotografie bereitgestellt, an denen er sich orientieren kann und ein dargestelltes Manöver entsprechend ausführt. Als Grundlage werden Bilder von Kreuzungen aus einer Datenbank aufgerufen und mit abstrakten Navigationshinweisen überlagert. In der anschließenden Evaluation wird gezeigt, dass derartige Ansätze Potenzial besitzen, wenngleich weitere Modifikationen notwendig sind. Darüber hinaus beleuchtet die vorliegende Arbeit verschiedene aktuelle georeferenzierte Datenbanken in Hinblick auf Verfügbarkeit und allgemeine Probleme. Zudem werden bereits entwickelte Augmented Reality Navigationslösungen vorgestellt.