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Komprimierungsformate für Musikdateien

Den Anfang dieses Artikels bildet eine Kurzvorstellung der aktuell gängigsten Musikformate, gefolgt von einer detaillierteren Betrachtungsweise auf das mp3-Format, da sich dieses im Zusammenhang mit der Verbreitung des Internets als ein sehr interessantes, aber auch brisantes Thema darstellt.


Autor: Michael Jurisch (Clyde)
Datum: 30-07-2002, 23:41:53
Referenzen: siehe Quellennachweis und Literaturverzeichnis am Ende des Artikels
Schwierigkeit: Anfänger
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Rating: 10 (1x bewertet)

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Einleitung
Das Internet bzw. dessen wohl berühmtester Zweig, das WorldWideWeb, ist im Moment das Medium, welches sich am rasantesten entwickelt.
Gerade in der heutigen Zeit sind u.a. die wichtigsten Merkmale des WWW seine multimedialen Bestandteile.
Während Webseiten grafisch immer anspruchsvoller werden, wird auf eine musikalische Untermalung meist verzichtet, obwohl Multimedia eigentlich Bild und Ton miteinander verbinden soll.
Grund für dieses Defizit ist, dass es erst seit relativ kurzer Zeit geeignete Möglichkeiten gibt, qualitativ hochwertige Musik im Netz so darzustellen, dass der normale Surfer für den Aufbau einer Seite nicht extrem lange warten muss und somit keine hohe Gebühren für das "Online-sein" anfallen.
Gerade das immer beliebter werdende Internet-Radio (z.B. http://www.chart-radio.de) ist ein herausragendes Beispiel dafür.

Doch damit nicht genug, da sich das mp3-Format zum Quasi-Standard-Format von Audio-Dateien im Internet entwickelt hat, kann man doch auf recht einfache Weise Lieder einer Musik-CD (Audio Tracks) ohne nennenswerte Qualitätsverluste zu Hause auf Festplatte oder CD kopieren. U.a. sollen im Rahmen dieser Kurzübersicht die Vor- und Nachteile dieser Verfahren diskutiert werden.

1 Die Formen gängiger Musikformate
Es existieren zahlreiche Dateiformate, die es ermöglichen, auf dem PC Musik abzuspielen. Die meisten davon sind programm- und/oder plattformspezifisch, einige Formate haben sich aber mittlerweile als Standard etabliert.

1.1 Das wave-Format
Dateiformat: Entwickelt wurde das wave-Format (wav) von Microsoft und IBM. Dabei handelt es sich um binäre Audio-Dateien, also Klangereignisse, welche digitalisiert worden sind. Wave-Dateien können somit sowohl Musik, als auch Stimmen und Geräusche transportieren. Sie können durch ihr Format und ihre Frequenz sehr groß und damit auch sehr unhandlich werden, insbesondere im Hinblick auf die Übertragungszeiten im Internet.
Plattform: Das wav-Format ist das Standard-Sound-Format von Windows.
Wiedergabe: Unter Windows 9x existieren als Abspielprogramm der Audiorecorder (SoundRec), aber auch der Windows Media Player (siehe Abb.1). Außerdem gibt es noch zahlreiche Programme im kommerziellen, sowie im Share- und Freeware-Bereich.
Herstellung: Die Dateien werden meist mit Hilfe des Windows-Audiorecorders durch Aufnahme über ein Mikrofon oder durch Überspielen einer Audio-CD erstellt. Zum Samplen oder Konvertieren kann man noch verschiedene wav-Tools benutzen.



Abb. 1 - Windows Media Player 7

1.2 Das midi-Format
Dateiformat: Die midi-Dateien (mid) sind keine direkten Sound-Dateien, sondern in einem Textformat vorliegende Steuerdateien für midi-Geräte. Dabei werden nur die von den midi-Geräten bereitgestellten Ereignisse (Events) angesteuert. Die Dateien können deshalb auf verschiedenen Systemen bzw. je nach eingesetzten Geräten unterschiedlich klingen und sind damit nur bedingt im Internet sinnvoll einsetzbar.
Plattform: Das midi-Format ist standardisiert und plattformübergreifend (= plattformunabhängig: Format ist an keine bestimmte Hardwarearchitektur und/oder an ein bestimmtes Betriebssystem gebunden, sondern kann überall benutzt werden).
Wiedergabe: Standardmäßig wird unter Windows 9x die Medienwiedergabe benutzt, es lassen sich aber auch andere Programme aus dem kommerziellen, Share- und Freeware-Bereich, z.B. der frei erhältliche Player Crescendo! (siehe Abb.2), einsetzen.
Herstellung: Die midi-Dateien überträgt man i.d.R. direkt über ein midi-Gerät. Außerdem kann man sie durch Einscannen und Konvertieren von Noten erzeugen.



Abb. 2 - Crescendo!: midi-Plug-In für Browser

1.3 Das mp3-Format
Dateiformat: MPEG-Audio ist eine Sonderform des MPEG-Videoformates. Es werden z.Z. 3 verschiedene Layer unterschieden: Layer 1 (MPEG), Layer 2 (mp2) und Layer 3 (mp3, M3U). MPEG zeichnet sich durch eine enorm hohe Kompressionsrate aus. Bei der Kompression werden kaum hörbare Elemente ausgeblendet. Dadurch ist es möglich, eine Minute Musik in CD-Qualität auf 1MB zu reduzieren und ist damit hervorragend im Internet nutzbar.
Plattform: MPEG ist plattformübergreifend. Wiedergabe: MPEG-Software-Player sind für alle Betriebssysteme verfügbar, sowohl im kommerziellen als auch im Bereich der Share- und Freeware.
Paradebeispiel, Vorreiter und einer der beliebtesten Player ist Winamp von Nullsoft (siehe Abb.3). Ebenso sind Hardware-Player auf dem Markt vertreten.
Herstellung: Mp3-Dateien werden aus wav-Dateien erzeugt. Dazu benötigt man einen bestimmten Encoder.



Abb. 3 - Winamp 2.5

1.4 Die weiteren Formate
Außer den vorher beschriebenen Formaten gibt es u.a. noch das Real-Audio- und ASF-Format. Bei dem Real-Audio-Format (RA, RAM, RM) handelt es sich um ein echtes Streaming-Verfahren. Streaming ist das Liveübertragen von Audio- und/oder Videodaten über das Internet. Die Qualität, mit der übertragen wird, ist dabei abhängig von der Geschwindigkeit des Internetanschlusses. Die Klangqualität der RA-Dateien ist sehr gut. Real-Audio wird häufig für Internet-Radio und Live-Übertragungen eingesetzt. Es ist plattformübergreifend, und da es sich bei RA um eine Streaming-Technologie handelt, gibt es speziell angepasste Player, z.B. den RealPlayer von RealNetworks.
Bei dem noch relativ jungen ASF-Dateiformat handelt es sich um Microsofts Antwort auf mp3. Die Dateien werden live oder on-demand im Streaming-Verfahren übertragen. Die Media-Tools ermöglichen das Konvertieren von wav, MPEG und mp3 nach ASF. Das ASF-Format wird derzeit nur von Windows unterstützt.

1.5 Die Zusammenfassung
Jedes dieser Formate hat seine Vor- und Nachteile. Während beispielsweise midi als Standard auf allen Plattformen verfügbar ist und daher relativ unbedenklich eingesetzt werden kann, sieht es bei wav etwas anders aus.
Obwohl Windows einen Quasi-Standard in der PC-Welt darstellt und somit auch das wav-Format weit verbreitet ist, widerstrebt es u.a. der Philosophie (Plattformunabhängigkeit,...) des Internets, dieses Format einzusetzen.
Der fast noch größere Nachteil ist die enorme Datengröße (siehe Abb.4) - in Zeiten, in denen trotz relativ günstiger Flatrates jede Onlineminute kostet, scheidet dieses Format für die Nutzung im WWW aus. Man muss sich also im Klaren werden, dass nicht jedes Dateiformat für jeden Zweck geeignet ist.



Abb. 4 - Vergleich der Dateigröße von wav- und mp3-Format

2 Das mp3-Format im Detail
2.1 Die Entwicklung
Das mp3-Format basiert auf dem MPEG Audio Standard, dessen Entwicklung bereits Ende der 80er Jahre begann. Zu dieser Zeit arbeitete die Motion Picture Expert Group (MPEG) an einem Verfahren zur digitalen Speicherung von bewegten Bildern. Dadurch sollten die Vorläufer diese Datenformates - M-JPEG und die CCITT.H621-Empfehlung - ersetzt werden. Bei dem M-JPEG-Verfahren war keine Einbindung von Audio-Dateien vorgesehen. Unter anderem wollte man daher mit MPEG diese Manko beseitigen. MPEG-1 wurde 1992 (ISO/IEC 11172) zum internationalen Standard. Einen wesentlichen Anteil an der Entwicklung trug das deutsche Fraunhofer Institut bei.
MPEG 1 Audio besteht aus drei Schichten, sogenannten Layern, die abwärtskompatibel sind. Die Datenreduktion jeder Schicht beruht auf einem gehörangepassten und verlustbehafteten Codierverfahren.
Layer 1 liefert bei einer Bitrate von 192 KBit/s pro Kanal eine durchaus als sehr gut zu bezeichnende Tonqualität. Unter anderem war Layer 1 dafür vorgesehen, digitalen Speichermedien wie der MiniDisc genügend Speicherkapazität zur Verfügung zu stellen. Layer 2 und Layer 3 sind eine Weiterentwicklung mit steigender Leistungsfähigkeit und Komplexität.
Layer 3 ist der aufwendigste der drei Layer. Einer der wichtigsten Vorzüge und wohl der entscheidende Grund für den Siegeszug von mp3 ist, dass der Layer ein sogenanntes Bit-Reservoir enthält. Dies ist eine Art Zwischenspeicher, der bei einem Bitraten-Einbruch während des Streaming die fehlenden bzw. die nicht zu decodierenden Bits ersetzen kann, so dass die Übertragung nicht abreißt. Die Kombination aus guter Klangqualität und niedriger Bitrate, die ein Streaming erst möglich macht, sind die Vorzüge einer mp3-Datei, genauer gesagt des MPEG Layer 3.

2.2 Die Funktionsweise
In einem Audiosignal sind viele identische Informationen mehrfach vorhanden (Redundanz). Dies ist sehr wichtig für die Fehlerkorrektur, da bei auftretenden Fehlern versucht wird, anhand dieser Informationen den Signalverlauf zu rekonstruieren, um ein Aussetzen des Musikflusses zu verhindern. Auf diese Informationen kann man daher nur sehr bedingt oder gar nicht verzichten, obwohl auch in diesem Bereich, je nach Bitrate, einige wenige Daten eingespart werden könnten (Redundanz-Reduktion). U.a. bedeutet das, je größer die Bitrate ist, desto größer wird auch die Datei.
Da eine reine Redundanz-Reduktion nur eine geringe Dateneinsparung bringen würde, stützt man sich für eine weitere Reduzierung auf verschiedene hörphysiologische Untersuchungen. In diesen Untersuchungen kam heraus, dass die tatsächlich vom Hörenden wahrnehmbare Information im Verhältnis zur Datenmenge, die eine lineare Quantisierung des Audiosignals erzeugt, irrelevant ist. Das heißt, sie wird zur Datenübertragung nicht benötigt. Man spricht hier von einer Irrelevanz-Reduktion. Die Untersuchungen der Wissenschaftler Feldkeller und Zwicker bilden bis heute die Grundlagen der Datenreduktion von Audiosignalen. Die beiden Forscher begründeten ein psychoakustisches Modell, dessen folgende Charakteristiken sind:
  • Verdeckungseffekt: Leise Töne werden durch laute überdeckt. Laute Passagen, die zeitlich vor- oder nacheilen, überdecken leise Bereiche, die dadurch kaum oder gar nicht wahrgenommen werden.
  • Ruhehörschwelle: Nur Töne, die sich oberhalb dieser Schwelle befinden, können vom menschlichen Ohr gehört werden.
  • Mithörschwelle: Der Frequenzbereich von lauten Tönen überdeckt leise Töne, die sich in dessen Nähe befinden und daher vom Gehör des Menschen nicht wahrnehmbar sind.
  • Frequenzabhängiges Lautstärkeempfinden: Tiefe und hohe Frequenzen nimmt das menschliche Ohr mit einem unterschiedlichen Lautstärkeempfinden wahr.
Auf diesen Grundlagen basiert die eigentliche Datenreduktion. Die Daten werden nur mit der Genauigkeit digitalisiert, die dem endlichen Auflösungsvermögen des menschlichen Gehörs entspricht.
Tabelle 1 zeigt die Klangqualität einer mp3-Datei in Abhängigkeit der einstellbaren Bitrate in Kbit/s. Dabei ist anzumerken, dass auch Bitraten über 128 Kbit/s möglich sind, allerdings hat diese Einstellung wenig Sinn, da die subjektive Qualität kaum zunimmt im Gegensatz zur Dateigröße.



Tabelle 1 - MPEG Eckdaten

2.3. Die Erzeugung
Im Allgemeinen werden mp3-Dateien von sogenannten Encodern (z.B. Xing) umgewandelt. Es gibt verschiedene Encoder, die sich in ihrer Leistung auch unterscheiden. Prinzipiell kann man sagen, dass jeder Encoder seine eigene mp3-Datei erstellt, das liegt aber wiederum am verwendeten Kodierschema. Da das menschliche Ohr diese Unterschiede nicht hören kann, sind fast alle Encoder zu empfehlen. Die Hauptunterschiede sind eine programmbedingte unterschiedliche Benutzerführung, sowie unterschiedlich groß erzeugte mp3-Dateien.
Die ersten Encoder waren träge und konnten nur bestimmtes Ausgangsmaterial verarbeiten. Die heutige Generation ist schnell und variabel.
Eine weitere Form der Encoder sind die sogenannten Ripper. Mit solchen Rippern ist es möglich, mp3-Dateien direkt von einer Audio-CD zu erstellen. Das Rippen ist denkbar einfach. Das Programm liest den digitalen Audio Track von CD aus und speichert ihn als wav-Datei. Diese Datei kann dann entweder direkt vom Ripper (z.B. Audio Catalyst) oder einem Encoder zu einer mp3-Datei umgewandelt werden.
Als Mindesthardwarevoraussetzung zum Umwandeln wird ein Pentium-PC verlangt, allerdings gilt auch hier die Faustregel: Je schneller der Rechner ist, desto schneller ist die Verarbeitung.
Die Umwandlung eines dreiminütigen Liedes liegt bei einem 300-MHz-Rechner bei ungefähr 4 bis 6 Minuten.

3 Die legale & illegale Veröffentlichung von mp3-Dateien (im Internet)
Für die Musikindustrie ist das Runterladen von Musikdateien Piraterie. Laut eigenen Angaben schädigt das unbefugte Downloaden von Musik die Plattenindustrie jährlich um 0,5 Milliarden Euro. Denn - auch wenn die Musikdateien überall im Netz zu haben sind - so ist die Musik trotzdem durch ein Copyright geschützt und "gehört" rechtlich dem Interpreten. So ist jede nichtlizenzierte Kopie aus dem Internet eine Raubkopie.
Setzt sich jemand über das Urheberrecht hinweg und stellt ohne Erlaubnis Musikstücke ins Netz, so verstößt er damit gegen das Gesetz. Viele Fileshare-Betreiber sagen indes, dass dies das Problem des einzelnen Anwenders ist. Schließlich verpflichtet man sich in den AGBs, kein urheberrechtlich geschütztes Material zu verbreiten.
Auch der Download oder der Besitz dieser urheberrechtlich geschützten Musik-Dateien ist gesetzlich verboten, auch wenn bisher noch kein mp3-Nutzer von einem deutschen Gericht deshalb verurteilt wurde.
Ein großer Teil der im Netz erhältlichen mp3-Dateien ist gemäß dieser Regelung illegal. Das gilt natürlich nicht für Seiten, die den legalen Status mit den Künstlern geklärt haben, wie z.B. Peoplesound oder BeSonic.
Die "Piraterie" lässt sich schwer in den Griff bekommen. Anbieter von legalen mp3s sind nicht immer ausfindig zu machen und oft stehen die Server, auf denen die illegalen Dateien lagern, auch in Ländern, in denen sich die Rechtsprechung nicht um solche Fälle kümmert. Doch die Musikindustrie hat jetzt allen Raubkopierern den Kampf angesagt. Mit Klagen und Abmahnungen versucht die Industrie das Problem in den Griff zu bekommen. Aktuelle Urteile sprachen den Musikfirmen hohen Schadensersatz zu. Weiteres Beispiel ist die Rockgruppe Metallica, welche über 200.000 Napster-User sperren ließ. Auch die brittische Rockformation OASIS (http://www.oasisinet.com) litt unter der mp3-Hysterie: Monate vor Veröffentlichung am 1. Juli 2002 ihres Albums "Heathen Chemistry" war das komplette Album im Netz verfügbar!
Zudem soll ein neuer kopiergeschützter Standard den Online-Markt erobern. Bis es aber soweit ist, werden noch Millionen von mp3-Dateien durch die Weiten des Internet gehen.

4 Die mp3-Player
4.1 Die Softwareplayer
Die Player sind Computerprogramme und spielen die mp3s ab. Mittlerweile gibt es eine unüberschaubare Menge an Playern, mit meist ähnlichen und durchweg guten Leistungsmerkmalen.
Die Hardwarevoraussetzungen sind nicht ganz so hoch wie beim Umwandeln, allerdings sollte hier aber auch mindestens ein Pentium II mit 200 MHz und mindestens 32 MB RAM arbeiten, damit die Lieder flüssig abgespielt werden können.
Die meisten Player bieten sehr viele Optionen, z.B. können sie nicht nur mp3s, sondern auch andere Musikformate abspielen (wav, midi, CD-Tracks,...). Weiterhin hat man die Möglichkeit, sehr große Abspiellisten (Playlists) zu erstellen, in denen mit einem Klick alle Lieblingslieder im Player verfügbar sind.
Das Aussehen des Programmes kann mit unterschiedlichen Oberflächen, sogenannten Skins, verschönert werden. Diese gibt es zu allen möglichen und unmöglichen Themen, wie Star Trek, Musikgruppen, Lieblingsspeise etc.
Die Visualisierung, also grafische Darstellung der Soundsignale, ist ein weiteres Merkmal. Viele Player haben diese Eigenschaft direkt in die Oberfläche integriert (siehe Abb. 1 und 5), andere, wie der beliebte Winamp, ermöglichen nur das Zuschalten in einem separaten Fenster (siehe Abb. 6).



Abb. 5 - Sonique-Player



Abb. 6 - Winamp-Visualisierungsfenster

4.2 Die Hardwareplayer
In diesem Bereich ist die Vielfalt noch nicht ganz so groß wie bei den Softwareplayern, allerdings erkennt man auch hier einen Aufwärtstrend.
Auch hier gibt es unterschiedliche Typen, z.B. die portablen mp3-Player. Die erste Firma, die einen der kleinen mp3-Player nach Europa gebracht hat, war Diamond Multimedia mit dem RIO-Player (siehe Abb. 7).



Abb. 7 - portabler mp3-Player von RIO

Die mp3-Dateien werden auf winzige auswechselbare, wiederbeschreibbare, nichtflüchtige Speichermedien gespeichert. Diese löschbaren Chipcards gibt es in verschiedenen Varianten, wie SmartMedia, CompactFlash oder noch kleiner, als Multimedia-Karten(MMC). Alle Speichermedien sollten eine hohe Speicherkapazität haben, da 1 Minute Musik in guter Qualität (128 kBit/s) etwa 1 MB belegen.
Allerdings besitzen immer mehr Player ab Werk einen internen Speicher von meist 32 MB, sodass man sich nicht gleich eine der etwas teuren Karten kaufen muss.
Aufgrund ihrer geringen Größe und dem Fehlen von beweglichen Teilen sind die Abspielgeräte u.a. für Sportler (joggen, skaten...) interessant, da die Player auch unempfindlich gegenüber Erschütterungen sind.
Aber wie kommt die Musik nun auf die Karte oder den internen Speicher? Ganz einfach, via Kabel an den PC (USB oder Paralleler Anschluß) und entsprechender Software, die fast immer aus einer Windows-Version besteht. Diese liegt meistens dem Player bei und ermöglicht nach dem Windows-Explorer-Prinzip das Kopieren der einzelnen Dateien. Ein Lied von drei Minuten länge wird durchschnittlich in einer Minute überspielt.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der mp3-Technik sind mp3-Autoradios und -CD-Player für die HiFi-Stereo-Anlage. Sogar einige DVD-Player unterstützen das mp3-Format und kann mit diesen seine selbst erstellten mp3-CDs abspielen lassen.
Bemerkenswerter Weise wurde selbst in eine Armbanduhr bereits ein portabler Player integriert.

5 Die Zukunftsaussichten
Meiner Meinung nach hat das mp3-Format die Musikwelt in ähnlicher Weise revolutioniert, wie seinerzeit die Entwicklung der Schallplatte. Genau wie diese aber durch die Compact Disk weitgehend abgelöst wurde, wird es früher oder später dem in die Jahre gekommenen mp3-Format ergehen, wenn erst einmal neue und bessere Kompressionsverfahren ausgereift und vor allem akzeptiert sind.
Leider gibt es für Künstler und Produzenten so gut wie keinen Schutz gegen Missbrauch ihrer Werke. Auch der Versuch einzelner Firmen, für jeden Download den Anwender zur Kasse zu bitten scheint eher halbherzig, da nach dem Download diese Datei wieder illegal anderen zur Verfügung gestellt werden kann.
Mp3s sind sehr beliebt, darum wird eine Abkehr zu anderen Verfahren noch eine Weile auf sich warten lassen, aber um einen wirklich sicheren Schutz gewährleisten zu können, müssen neue Formate eingesetzt werden.
Es müsste eine Möglichkeit geben, anhand eines speziellen Gültigkeitscodes, ähnlich dem Wasserzeichen einer Geldnote, legale und illegale Dateien voneinander unterscheiden zu können. Speziell dafür entwickelte Player spielen dann nur noch die mp3s ab, die legal sind. Abgesehen davon, dass es immer böswillige Programmierer gibt, die jeden Code knacken (Hacker), ist meiner Meinung nach dies der einzige Weg, um keine Urheberrechte zu verletzen. Entscheidende Schritte in diese Richtung wurden bereits getan und mit relativem Erfolg erprobt.

Quellennachweis
  • In: Internet Professionell, 12/2000, Heft-CD-ROM
  • http://www.liveupdate.com
  • In: PC go!, 5/1999, Heft-CD-ROM
  • http://www.mpex.net
  • Hölsken, Gordon: Gestauchte Wellen. In: PC INTERN, 1/2001, S.125
  • http://www.pcgo.de
  • In: eJay, 1/2000, Heft-CD-ROM
  • In: PC go!, 5/1999, Heft-CD-ROM
  • In: PC go!, 7/1999, S.96
  • http://www.cy-man.de
Literaturverzeichnis
  • Hölsken, Gordon: Gestauchte Wellen. In: PC INTERN, 1/2001, S. 123ff.
  • Schmitz, Marco: Friedliche Community. In: mac life, 1/2001, S. 30f.
  • Reibold, Helmut F.: Musik im Internet. In: Internet Magazin Extra, 2/2000, S.78f.
  • Pahl, Stefan: MP3 - Hier spielt die Musik!. In: PC go!, 7/1999, S.86ff.
  • http://www.iis.fhg.de
  • http://www.mp3.de
  • http://www.mp3.com
  • http://www.mpex.net
  • http://www.mp3deutschland.de


dreamer
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Beitrag vom:
09-02-2005, 14:18:03

Wow

Einfach super informativ!!!

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