MP3
MP3, eigentlich MPEG-1 Audio Layer 3, ist ein Dateiformat zur verlustbehafteten Audiokompression. Entwickelt wurde es 1987 am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen in Zusammenarbeit mit AT&T Bell Labs und Thomson. Wie viele der aktuellen Kodierverfahren sind Kernbereiche von MP3 durch Patente geschützt. Prof. Dr. Karlheinz Brandenburg wurde für die Entwicklung dieses Datenformates mehrfach ausgezeichnet. Brandenburg ist heute Leiter des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau und Direktor am Institut für Medientechnik der TU Ilmenau.
Verfahren
Wie andere Formate setzt MP3 darauf, dass die Wahrnehmung des Menschen begrenzt ist. Die Menge der Töne, die vom Menschen beispielsweise wegen ihrer Frequenz oder Lautstärke nicht wahrgenommen werden können, wird reduziert. Das ist ein verlustbehaftetes Verfahren, das Ausgangssignal kann nicht reproduziert werden. Die Verluste hängen stark von der Datenrate und dem zu komprimierenden Tonmaterial ab. Das MP3-Format erlaubt Kompressionsraten von 32 kBit/s bis zu 320 kBit/s. Üblich ist für Musik, die in lauter Umgebung oder bei hoher Lautstärke gehört wird eine Bitrate von 128 kBit/s, je nach Anspruch auch eine höhere. Weiterhin gibt es variable Bitraten, die sich einer gewählten Qualitätsstufe anpassen.
Datenreduktion
siehe auch: Audiokompression
- Ein erster Schritt der Datenreduktion beruht zum Beispiel auf der Kanalkopplung des Stereosignals durch Differenzbildung. Das ist ein verlustloses Verfahren. Die Ausgangssignale können vollständig reproduziert werden.
- Nicht hörbare Frequenzen – das für einen Erwachsenen erfassbare Spektrum deckt in etwa den Bereich 20 Hz bis 18 kHz ab – im fouriertransfomierten Datenmaterial werden abgeschnitten. Das ist auch wegen des Abtasttheorems notwendig. Wenn mit kleinerer Frequenz als 44 kHz abgetastet wird, muss die Grenzfrequenz noch weiter reduziert werden, zum Beispiel auf 10 kHz bei 22 kHz Abtastfrequenz.
- So genannte Maskierungseffekte werden genutzt, um weitere Redundanz zu beseitigen. Dabei werden vom Menschen nicht wahrgenommene Töne aus dem Signal weggelassen (zum Beispiel sehr leise Töne in lauter Umgebung).
Bei starker Kompression werden auch hörbare Frequenzen von der Kompression erfasst, sie sind dann als Kompressionsartefakte hörbar.
Weiterentwicklung
Obwohl MP3 ein im Internet viel verwendetes Format ist, genießt es auf der Seite der Industrie Schattendasein. Im Prinzip handelt es sich um ein inoffiziell entwickeltes Format, das auf MP2 aufsetzt und das in letzter Minute in den ISO-Standard aufgenommen wurde. Mehrkanalunterstützung gibt es im Gegensatz zum (auch nicht sehr populären) MPEG-2 Layer-2 nicht.
In der Industrie wurde zu dieser Zeit schon an dem MDCT-basierten AAC gearbeitet, was sauberer designt ist und bei vergleichbarem Aufwand bessere Ergebnisse liefert. AAC sollte daher als eigentliche Weiterentwicklung angesehen werden.
Neben dieser Weiterentwicklung (in Richtung einer hochqualitativen Kodierung) gibt es auch Weiterentwicklungen, um bei sehr niedrigen Datenraten (16-64 kbps) noch akzeptable Klangqualität zu erreichen. Vertreter dieser Kategorie sind MP3Pro sowie MPEG-4 AAC HE bzw. AAC+. Transparenz ist mit diesen Verfahren allerdings nicht erreichbar.
Die Erweiterung um Multikanalfähigkeiten bietet das MP3 Surround-Format des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS. MP3 Surround erlaubt die Wiedergabe von 5.1-Ton bei Bitraten, die mit denen von Stereoton vergleichbar sind und ist zudem vollständig rückwärtskompatibel: So können herkömmliche MP3-Decoder das Signal in Stereo decodieren, MP3 Surround-Decoder aber vollen 5.1-Surround-Klang erzeugen. Dafür wird das Multikanalmaterial zu einem Stereosignal gemischt und von einem regulärem MP3-Encoder codiert. Gleichzeitig werden die Raumklanginformationen aus dem Original als Surround-Erweiterungsdaten in das "Ancillary Data"-Datenfeld des MP3-Bitstroms eingefügt. Die MP3-Daten können dann von jedem MP3-Decoder als Stereosignal wiedergegeben werden. Der MP3 Surround-Decoder nutzt die eingefügten Erweiterungsdaten und gibt das volle Multikanal-Audiosignal wieder. Vergleichbar ist das Verfahren mit Dolby Surround pro Logic, die VCAs zur Übersprechdämpfung werden allerdings durch helperinformationen gesteuert.
Weitere Entwicklungen betreffen das DRM-Verfahren (Digital Rights Management) zum Urheberschutz, das nach verschiedenen Quellen in zukünftigen Versionen implementiert werden soll.
Anwendung
MP3 wurde vor allem durch Musiktauschbörsen in der breiten Öffentlichkeit bekannt, wird aber auch bei vielen DVD-Rips als Audioformat benutzt.
Die MP3-Technologie wird für so genannte MP3-Player eingesetzt, mit denen man auch unterwegs Musik hören kann. MP3-Player unterscheiden sich im Wesentlichen in der Speichertechnik, so gibt es Abspielgeräte mit Festplatten (z. B. iPod), mit Festspeicher (Flash-Speicherung), mit verschiedenen Speicherfingern oder Speicherkarten und mit CD oder Mini-CD als Speichermedium.
Im WWW finden sich vielerlei Anwendungen für die MP3-Technologie, von selbstkomponierter Musik über (selbst) gesprochene Hörbücher, Hörspiele, Vogelstimmen und andere Klänge bis hin zum Podcasting-Phänomen. Musiker können nun auch ohne einen Vertrieb ihre Musik weltweit verbreiten und Klangaufnahmen ohne grossen Aufwand auf einer Website zur Verfügung stellen. Nutzer können über Suchmaschinen alle erdenklichen (unkommerziellen) Klänge und Musikrichtungen finden.
Alternative Audio-Formate
Das auf MP2-Algorithmen basierende Musepack (früher: MPEGPlus), bietet in Bitraten über 160 kbit/s wesentlich bessere Qualitat als das MP3-Format. Dateien im Musepack-Format erkennt man an der Erweiterung mpc oder mp+. Eine Alternative stellt das Format Ogg Vorbis dar (Dateiendung .ogg), welches im Gegensatz zu MP3 patentfrei und Open Source ist. Ogg Vorbis hat sich in Hörtests gegenüber MP3 in einigen Bereichen als überlegen heraus gestellt.
Advanced Audio Coding, kurz AAC, ist ein im Rahmen von MPEG-2 und MPEG-4 standardisiertes Verfahren, welches von mehreren großen Firmen entwickelt wurde. So setzen Apple und Real Media dieses Format für ihre Onlinemusikshops ein und Ahead Nero stellt einen Encoder für dieses Format bereit, welcher auch noch aktiv verbessert wird. AAC wurde auch im Hinblick auf die Designfehler im MP3-Format entworfen.