MP3 - ein etabliertes Audiodateiformat
Ein Artikel von: Stan Wanta
Das MP3-Audiodateiformat hat sich schon seit einiger Zeit durchgesetzt. Menschen mit kleinen Ohrhörern sitzen im Takt wippend in der Straßenbahn und schalten an winzigen Geräten. Bei der heutigen Musik-Konsumgeneration hat sich offensichtlich das MPEG-1 Audio Layer3-Format, kurz MP3 zum musikalischen Wiedergabe-König entwickelt.
Zum ultimativen Durchbruch von MP3 haben dessen überwältigende Eigenschaften verholfen. Gegenüber den originalen Musikdateien sind MP3s wesentlich kleiner, so dass wesentlich mehr Musik auf Datenträgern hinterlegt werden kann. Ein enormes Wachstumspotential räumten Marktforscher dabei den mobilen MP3-Playern ein. In nächster Zeit soll die durchschnittliche Wachstumsrate jährlich bei etwa 30 Prozent liegen.
Die Multimediabranche entwickelt darüber hinaus ständig neue multifunktionale Geräte, die mit MP3s gefüttert werden können. Somit können MP3-Musikdateien nicht nur von der heimischen Festplatte des Computers abgespielt werden, die vorher über Musik-Downloadportale wie www.musicload.de im Internet eingekauft worden sind. MP3s werden schon seit längerer Zeit im Autoradio gespielt. Neben Spielfilmen können auch DVD-Player das MP3-Format wiedergeben. Das beliebte MP3-Format hat ebenso Einzug in Gamekonsolen und Mobiltelefonen gehalten. Seit etwa einem Jahr genießt man MP3s nun auch im heimischen Wohnzimmer im 5.1-Kanal-Surround-Sound.
MP3-Format als Ergebnis jahrelanger Forschung
Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen wurde 1987 das MP3-Format entwickelt. Zu dieser Zeit wurde nicht nur die Software zum Erstellen von MP3s geschaffen. Prof. Karl-Heinz Brandenburg und sein Team präsentierten damit auch nach längerer Forschungsarbeit die "Wahrnehmungs-Audio-Codierungs-Technologie". Dabei wurden die Hörbarkeit von Tönen im menschlichen Ohr und die sich anschließende Wahrnehmung im Gehirn analysiert. Als wesentliches Ergebnis der Analyse stellte sich heraus, dass ein Mensch zwei Töne erst ab einem bestimmten Tonhöhenunterschied wahrnehmen kann. Unmittelbar nach sehr lauten Geräuschen nimmt das menschliche Gehör außerdem für kurze Zeit keine sehr leisen Töne wahr.
Erstellung und Wiedergabe einer MP3-Datei
Zur Erstellung von MP3s werden diese psychoakustischen Effekte ausgenutzt, um Datenreduktionen von nicht wahrnehmbaren Tönen vorzunehmen. Die Datenmenge kann somit bis zu einem Zehntel des Originalsignals verringert werden. Aus dem exakten, in digitaler Form als Wave-Datei vorliegenden Signal wird beim Encodieren der MP3-Datei ein "abgewandeltes" Signal mit verringerter Datenrate abgespeichert. Der Decoder hingegen reproduziert umgekehrt z.B. im MP3 Player aus dem abgewandelten Signal der MP3-Datei ein dem Original sich ähnelnden Signal, welches wiedergegeben werden kann. Die Rekonstruktion des ursprünglich exakten Signals im Decoder kann nicht mehr erfolgen. Alle hierfür notwendigen Dateiinformationen sind verloren gegangen.
Das MP3-Verfahren ist deshalb auch ein verlustbehaftetes Kompressionsformat. Wahrnehmbare Verluste sind abhängig von der eingestellten Qualität des Encoders, der eingestellten Datenrate, von der Kompliziertheit des Signals, von der Abtastfrequenz und natürlich auch vom Gehör des Hörers. Die MP3-Datenrate ist eine Größenordnung welche angibt, wie viele Datei-Informationen in einem bestimmten Zeitintervall abgespeichert werden. Die Abtastfrequenz gibt darüber Aufschluss, wie oft das Signal pro Sekunde abgetastet wird. Das Spektrum der MP3-Encodierung erlaubt konstante Datenraten von 8 kBit/s bis zu 320 kBit/s mit Abtastfrequenzen von 8 kHz bis 44,1 kHz in Mono, Dual Mono, Stereo und Surround. Encodierungen von 192 kBit/s bei 44,1 kHz in Stereo sind dabei empfehlenswert. Bei optimaler Klangqualität ohne hörbare Verluste wird hierbei die Datenmenge noch relativ gering gehalten. Ein 3.30 min langes Musikstück benötigt bei dieser Encodierung nur etwa 5 MB Speicherplatz.
Außer einer konstanten Encodierung können auch MP3s mit variabler Bitrate erstellt werden. Die Encodierung erfolgt nach dem Prinzip, dass an Stellen mit weniger Informationen im Musikstück mit geringerer Datenrate encodiert wird. Dies ist der Fall, wenn z.B. nur ein Instrument ein Solo spielt. Hingegen an Stellen mit vielen Informationen (komplettes Orchester) wird mit höchster Datenrate encodiert. Den Toleranzbereich zwischen der möglichen niedrigsten und höchsten Datenrate nennt man Qualitätsstufe, welche voreingestellt werden kann.
Mehr Informationen zum Thema:
- Geschichte von MP3 (englisch)
- MP3-Grundlagen
- HP der Fraunhofer Gesellschaft
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