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Tonaufnahmen in der DatenpresseÜber das Daten-Format MPEG3, besser bekannt als MP3 In letzter Zeit geht die Angst bei den Plattenbossen, sagen wir lieber CD-Bossen, um. Für die Üertragung und Speicherung von Audio- und Video-Daten sind effiziente Kompressionsalgorithmen notwendig. Mit MPEG3 gelang der große Wurf: Dieses revolutionäre Verfahren erlaubt Audio-Daten ohne besonderem Qualitätsverlust mit einer Rate von rund 1:12 zu komprimieren und wurde mittlerweile vom ISO/IEC-Komitee als Standard definiert. Ein CD-Inhalt wird von 650MB auf 55MB komprimiert. Somit können Audio-Daten auch über Netzwerke wie z.B. das überlastete Internet übertragen werden, was Raubkopierern den Weg ebnet. Was steckt dahinter? GrundlagenDie Motion Pictures Expert Group (MPEG) beschäftigte sich mit der Komprimierung von Multimediadaten. Der MPEG1-Standard dient vor allem Computer-Animationen und Videos auf CD-ROMs. MPEG2 war für den Media-Sendebetrieb wie Fernsehen gedacht. MPEG3 sollte die Anforderungen von HDTV (High Definition Television) und Video-on-demand abdecken, da dabei große Datenmengen übertragen werden. MPEG3 allerdings ist sehr beliebt für Audio-Komprimierung, da wie bereits erwähnt ohne besonderen Qualitätsverlust eine sehr hohe Kompressionsrate erreicht werden kann. Die Digitalisierung eines Audiosignals, das Wandeln in ein Computer-verarbeitbares Signal, geschieht über einen A/D-Konverter (A/D=Analog/Digital), der z.B. in einer Soundkarte eingebaut ist. Dieser Vorgang heißt Sampling. Die Sampling-Rate gibt die Abtastfrequenz an. Diese sollte gemäß der Nyquist-Theorie mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste zu sampelnde (neudeutsch!) Frequenz. Das menschliche Ohr kann einen Frequenzbereich von rund 16Hz bis 20kHz (Durchschnittswert) wahrnehmen, Songs für CDs sind mit einer Frequenz von 44,1kHz abgetastet. Für die Dynamik ist die Auflösung von Bedeutung. 8bit-Samples können maximal 256 Lautstärke-Stufen speichern, heute sind 16bit-Abtastungen Standard. Eine hohe Auflösung ist notwendig, um einen ausreichenden Abstand zwischen Signal und Rauschen, das bei jeder Digitalisierung entsteht (Quantisierungsrauschen), den Signal-Rausch-Abstand (s/n=signal/noise) zu ermöglichen. Ein Bit ermöglicht einen s/n von 6dB, einer Verdoppelung der Lautstärke. Eine Audio-CD verfügt üblicherweise über einen s/n von 90dB. Die Schwächen des menschlichen OhrsDie MPEG-Komprimierung nutzt die Erkenntnisse der Psychoakustik, welche sich mit der akustischen Wahrnehmung des Menschen in Gehör und Gehirn beschäftigt, und zwar die Eigenschaft des menschlichen Ohrs, Frequenzen im Bereich der menschlichen Stimme differenzierter zu erfassen als andere Frequenzen des hörbaren Spektrums. Das Hörempfinden des Menschen verläuft also nicht linear. So werden Frequenzen in diesem Bereich beim der Verarbeitung "bevorzugt", andere - wenn nicht im Vordergrund - ausgeblendet. Hohe Verdichtung läßt sich weiters erreichen durch Verringerung der Auflösung (8bit-Abtastung statt 16bit), Weglassen des Stereo-Effekts oder Reduzierung des Frequenzspektrums. Beispiele: Moderne Unterhaltungsmusik wie HipHop oder Heavymetal verfügen über keine allzugroße Dynamik, eine Reduktion der Auflösung bewirkt aber ein hörbaren Bodensatz an Rauschen (noise floor), welches (nur) durch laute Töne überlagert wird (masking effect). Für Berieselungsmusik im Supermarkt ist ein Stereoeffekt eher nicht erwünscht. Telefongespräche z.B. können bis zu einer Rate von 1:100 komprimiert werden, da nur ein enges Frequenzband genutzt wird. Zu beachten ist, daß das Hörempflinden sehr unterschiedlich ist. Nicht nur, daß manche Menschen ein sensibleres Gehör haben als andere, der einzelne hört ebenfalls unterschiedlich: Bei Übernachtung in einer einsamen Berghütte hört man jeden Knacken eines Astes, nach einem Rockkonzert in der zweiten Reihe nimmt man nicht einmal die Trillerpfeife eines Ordners wahr. Wie funktioniert MPEG?Das Audiosignal wird in 32 Frequenzbänder, die Subbands, unterteilt. Diese sind unterschiedlich groß und dem Hörempfinden des Menschen angepaßt. Dabei hat man auf Forschungsergebnisse der Filtertechnik, dem DCT-Filter (Discrete Cosinus Transformation), zurückgegriffen. Frequenzbereiche, die besonders gut wahrgenommen werden, sind in enge Bänder unterteilt, der Rest in größeren Schritten (auf der logarithmischen Skala). Nun wird der masking effect errechnet und nicht hörbare Frequenzen bleiben für die weitere Verarbeitung unberücksichtigt. Außderdem wird im sog. Pre- und Postmasking die Trägheit des Gehirns berücksichtigt, Änderungen der Lautstärke von mindestens 30dB mit Verzögerung zu verarbeiten. Als letzter Schritt werden die Daten nach dem Huffman-Verfahren verschlüsselt, ein verlustfreies Packen von Datenreihen, das auch bei WINZIP angewendet wird. CopyrightTechnisch wurde zumindest Vorsorge getroffen: Bit 28 im Header des MPEG-Files ist reserviert für Copyright. Gesetzt - ähnlich dem Copy Protection Bit auf Audio-CDs - bedeutet, daß der Inhalt urheberrechtlich geschützt ist. Bit 29 ist für Original Home reserviert und bedeutet Original bzw. Kopie. Da MPEG-Dateien nur eine neue Technik der Speicherung von Audio-Information darstellt, unterliegt die gespeicherte Information dem Urheberrecht in gleicher Weise wie eine Schallplattenaufnahme, eine Tonbandaufzeichnung oder eine CD. Daß MPEG-Files leicht zu kopieren sind und in riesiger Zahl im Internet verfügbar sind ändert an der Tatsache des Urheberrechtsschutzes nichts. Für den privaten Gebrauch dürfen daher Kopien von legal erworbenen (Original)-CDs hergestellt werden. Das Internet hat sehr zum Erfolg von MPEG beigetragen, da nun auch unbekannte Künstler mit relativ geringen Investitionskosten ihre Kunstwerke einem Weltpublikum anbieten können. Außerdem kann die Publikumsreaktion getestet werden, bevor massiv in die Werbung für ein Produkt investiert wird. Natürlich kam man auch auf die Idee, legale Audio-CDs zu kopieren und über Internet zu verbreiten. Genau das macht aber den Bossen der Multimediakonzerne Kopfzerbrechen. An Gegenstrategien wird bereits gearbeitet wie z.B. die SDMI (Secure Digital Music Initiative, einer Vereinigung aus 110 Hard- und Softwarefirmen) mit einem digitalen Wasserzeichen für CDs, womit der Ursprung jeder (Raub)Kopie zurückverfolgt werden könnte. Eine Alternative zum MPEG-Standard bietet Sony-Music: Das MS-Audio-Format sollte kopiersicher sein; jedoch kaum herausgebracht war es bereits von Hackern geknackt (unfuck.exe). Weiterführende LinksInformationen zu MP3: http://www.iis.fhg.de/amm/techinf/layer3/layer3faq/
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