Wav

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Waveform
Dateiendung	.wav
MIME-Type	audio/wav audio/wave audio/x-wav
Entwickelt von	Microsoft & IBM
Art	Audiodatei
Erweitert von	RIFF

Das WAVE-Dateiformat ist ein Containerformat zur digitalen Speicherung von Audiodaten, das auf dem Resource Interchange File Format (RIFF) aufsetzt, das von Microsoft für das Betriebssystem Windows definiert wurde.

Enthalten sind meist sog. PCM-Rohdaten, die Abtastwerte des Audiosignals unkomprimiert digital darstellen, oder komprimierte Audiodaten, z. B. ADPCM oder MP3. Im Falle von PCM unterstützt es verschiedene Quantisierungsauflösungen, Abtastraten und Kanalzahlen. Es stellt heute einen De-facto-Standard für die Speicherung von Audiodaten unter Windows dar.

Einleitung

Audiodateien enthalten die digitalisierte Form eines akustischen Signals, also eine zeit- und wertdiskrete Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Schwingung. Bei der Analog-Digital-Umsetzung wird zu bestimmten Zeitpunkten die Auslenkung (Elongation) einer Schwingung festgehalten.

Die Qualität des aufgezeichneten Klangs hängt vor allem von zwei Werten ab:

• Abtastrate (Anzahl der Abtastungen pro Zeiteinheit),
• Quantisierungsrate (auch „Bittiefe“ genannt).

Samples & Frames

Samples werden verschränkt gespeichert.

„Sample“ ist die englische Bezeichnung für einen charakterisierenden Teil einer Gesamtheit. Hier geht es um einzelne Abtastwerte, die durch Analog-Digital-Wandlung ermittelt werden. Bei Multikanaldaten gibt es pro Zeitpunkt mehrere „Sample Points“, die zu einem „Sample Frame“ zusammengefasst sind, zuerst Kanal 0 (mono oder linker Stereokanal), dann Kanal 1 usw.

Dateistruktur

WAV-Dateistruktur

Das RIFF-Format besteht aus Datenpaketen (Chunks), die wie beim IFF aufgebaut sind, bis auf die Byte-Reihenfolge: niederwertiges Byte (LSB) voran. Die WAVE-Spezifikation definiert drei Chunks als verpflichtend: Der RIFF-Chunk identifiziert die Datei als .wav-Datei und enthält als Container die anderen Chunks. Der FORMAT-Chunk enthält Parameter wie z. B. die Abtastrate. Der DATA-Chunk enthält den Signalverlauf.

Im Laufe der unkoordinierten Entwicklung kam es zu einer unüberschaubaren Anzahl weiterer Chunk-Typen mit teils redundanten Inhalten. Ein Beispiel ist der Label-Chunk und Note-Chunk, die beide Cuepoint-Einträge im Cue-Chunk mit einer Beschriftung versehen. Dabei bezeichnet ein „Label“ den Titel eines Cuepoints, „Note“ einen Kommentar. Sie sind als Sub-Chunks im übergeordneten Associated-Data-List-Chunk gespeichert. Des weiteren gibt es eine Vielzahl von komprimierten Formaten, für die ein Fact-Chunk mit der dekomprimierten Größe verbindlich ist, die aber ansonsten unterschiedlichste Parameter definieren, was eine vollständige Unterstützung des WAV-Formats für Entwickler noch schwieriger macht.

RIFF-Chunk (auch „RIFF WAVE“-Chunk)

Er enthält als Container die anderen Chunks, sein Header besteht lediglich aus

• chunkID (Char[4], "RIFF")
• ChunkSize (unsigned long, = Dateilänge in Bytes - 8)
• riffType (Char[4], "WAVE")

Format-Chunk

Er beginnt mit der Kennung "fmt " und muss in der Datei genau einmal enthalten sein und zwar als erster Sub-Chunk. Auf seine ChunkSize folgt der Inhalt, der aus einem Satz allgemeiner Parameter und einem nachfolgenden formatspezifischen Teil besteht. Der allgemeine Teil:

• wFormatTag (0x0001 steht für PCM, das kanonische, unkomprimierte Format)
• wChannels (unsigned short, 1 für Mono, 2 für Stereo, mehr ist möglich)
• dwSamplesPerSec (unsigned long, Abtastrate in Hz)
• dwAvgBytesPerSec (unsigned long, nötige Übertragungsbandbreite)
• wBlockAlign (unsigned short, Größe der Frames in Bytes)

Für PCM-Daten hat der Format-Chunk nur noch dieses eine Feld:

• wBitsPerSample (unsigned short, Quantisierungsauflösung, identisch für alle Kanäle)

Wird keine Kompression verwendet, ist dwAvgBytesPerSec das Produkt aus Abtastrate und Framegröße. Die Framegröße ergibt sich aus der Vorgabe, dass alle Werte im Daten-Chunk als Integer zu kodieren sind mit einer gerade ausreichenden Größe in Byte (evtl nötige Pad-Bits stehen am niederwertigen Ende mit dem Wert 0). Für das PCM-Format gilt

wBlockAlign = wChannels * ((wBitsPerSample + 7) / 8) (Integer-Division ohne Rest),

sodass die Framegröße für 12-Bit-Stereo nicht drei sondern vier Byte beträgt.

Data-Chunk

Er hat die Kennung "data". Seine chunkSize enthält (wie bei allen Chunks) weder die 8 Bytes von Kennung und Größe noch das am Ende zur vorgeschriebenen Ausrichtung auf Wortgrenzen evtl. nötige Null-Byte. Sein Inhalt ist eine Folge von Frames, deren Aufbau im Folgenden lediglich für das PCM-Format angegeben wird.

Sample-Werte sind für Bittiefen bis 8 als unsigned char kodiert, sonst signed int. Bei Bit-Tiefen, die nicht durch 8 teilbar sind, wird das erste Byte (LSB) rechts mit Nullen aufgefüllt (Zero-Padding). Das ergibt beispielsweise für den größten positiven 12-Bit-Wert die Bytefolge „0xF0 0x7F“. Bei zwei Kanälen (Stereo) wird erst der linke, dann der rechte Kanal gespeichert.

Dieses Format, ohne Header gespeichert, hat üblicherweise die Endung *.raw und setzt bei der Wiedergabe die Kenntnis von Abtastrate, Bittiefe und Byte-Reihenfolge voraus (letztere ist nur unter RIFF festgelegt, nicht für rohes PCM).

Berechnung der Größe einer Audiodatei im Datenformat PCM

Pro Sekunde fallen Abtastrate · Bytes pro Sample · Anzahl der Kanäle (mono = 1, stereo = 2) an Bytes an.

Beispiel: 5 Minuten = 300 Sekunden, CD-Qualität (16 Bit = 2 Byte, 44.100 Hertz, stereo)

$(44{.}100\;\textrm{Hz} \cdot 2\;\textrm{Byte} \cdot 2) \cdot 300\;\textrm{s} = 52{.}920{.}000\;\textrm{Byte} = 51{.}679{,}69\;\textrm{KB} = 50{,}5\;\textrm{MB}$

Beispiel eines allgemein lesbaren WAVE-Dateiformates

• übernommen von http://www.lightlink.com/tjweber/StripWav/Canon.html

RIFF-Header:

Offset	Länge (in bytes)	Inhalt
0	4	'RIFF'
4	4	<Dateigröße - 8>
8	4	'WAVE'

Der fmt-chunk beschreibt das Sample-Format:

Offset	Länge (in bytes)	Inhalt	Beschreibung
12	4	'fmt '	Header Signatur
16	4	<fmt length>	Länge des restlichen fmt-Headers (16 Byte)
20	2	<format tag>	sample Datenformat (siehe separate Tabelle weiter unten)
22	2	<channels>	Anzahl der Kanäle: 1 = mono, 2 = stereo; Mittlerweile sind auch mehr als 2 Kanäle, für surround sound, möglich. ergänzt von [1]
24	4	<sample rate>	Abtastrate pro Sekunde (z.B. 44100)
28	4	<bytes/second>	Sample-Rate * Block-Align
32	2	<block align>	Kanäle * bits/sample / 8
34	2	<bits/sample>	8, 16 oder 24

Der Daten-Chunk enthält die Sample-Daten:

Offset	Länge (in bytes)	Inhalt	Beschreibung
36	4	'data'	Header Signatur
40	4	<length>	Länge des Datenblocks
44	<bits/sample>/8		Sample Data

Sample Datenformate (Format Tag)

ID	Bezeichnung
0x0001	PCM
0x0002	MS ADPCM
0x0003	IEEE FLOAT
0x0005	IBM CVSD
0x0006	ALAW
0x0007	MULAW
0x0010	OKI ADPCM
0x0011	DVI/IMA ADPCM
0x0012	MEDIASPACE ADPCM
0x0013	SIERRA ADPCM
0x0014	G723 ADPCM
0x0015	DIGISTD
0x0016	DIGIFIX
0x0017	DIALOGIC OKI ADPCM
0x0020	YAMAHA ADPCM
0x0021	SONARC
0x0022	DSPGROUP TRUESPEECH
0x0023	ECHOSC1
0x0024	AUDIOFILE AF36
0x0025	APTX
0x0026	AUDIOFILE AF10
0x0030	DOLBY AC2
0x0031	GSM610
0x0033	ANTEX ADPCME
0x0034	CONTROL RES VQLPC
0x0035	CONTROL RES VQLPC
0x0036	DIGIADPCM
0x0037	CONTROL RES CR10
0x0038	NMS VBXADPCM
0x0039	CS IMAADPCM (Roland RDAC)
0x0040	G721 ADPCM
0x0050	MPEG-1 Layer I, II
0x0055	MPEG-1 Layer III (MP3)
0x0069	Xbox ADPCM
0x0200	CREATIVE ADPCM
0x0202	CREATIVE FASTSPEECH8
0x0203	CREATIVE FASTSPEECH10
0x0300	FM TOWNS SND
0x1000	OLIGSM
0x1001	OLIADPCM
0x1002	OLICELP
0x1003	OLISBC
0x1004	OLIOPR

Literatur

• Born, Günter, Referenzhandbuch Dateiformate. 1990, Addison Wesley Longman, in diversen überarbeiteten Auflagen
• Born, Gunter: File Formats Handbook. 1995, ITP Boston

Weblinks

• http://www.it.fht-esslingen.de/~schmidt/vorlesungen/mm/seminar/ss00/HTML/node107.html (ausführliche Beschreibung)
• http://www.piclist.com/techref/io/serial/midi/wave.html (ausführlicher, engl.)
• http://www.saettler.com/RIFFMCI/riffmci.html (Version 1.0 der Spezifikation, engl.)
• http://www.fh-friedberg.de/fachbereiche/e2/telekom-labor/zinke/nw/vp/doku/dito41.htm (knapp, übersichtlich)
• The WAVE File Format von tjw
• ausführliche Beschreibungen vieler Dateiformate
• WAVE PCM soundfile format