MP3
MP3, eigentlich MPEG-1 Audio Layer-3, ist ein patentiertes Dateiformat zur verlustbehafteten Audiokompression, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen. 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 Übertragungsfrequenz ab. Bei etwa 128 kBit/s sind die Unterschiede zum Original kaum wahrzunehmen, wenn es sich um Musik mit einem geringen Dynamikumfang handelt (Pop-Musik, Synthesizer, Techno) und ein guter MP3-Encoder wie LAME mit entsprechend sinnvollen Einstellungen verwendet wurde. Beispielsweise bei Gitarren- oder Violinenmusik erkennt man bei 128 kBit/s aber schnell unangenehme akustische Fehler. Hier sind durchschnittliche Datenraten von 192 kBit/s oder höher zu empfehlen.
Datenreduktion
- Ein erster Schritt der Datenreduktion beruht z. B. 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 20Hz bis 18kHz 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, z.B. 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
Beim Verfahren MP3Pro wird eine Verbesserung der Übertragung durch getrenntes Komprimieren hoher Frequenzen bei niedrigen Datenübertragungsraten erreicht.
Weitere Entwicklungen betreffen das DRM-Verfahren (Digital Rights Management) zum Urheberschutz, das nach verschiedenen Quellen in zukünftigen Versionen implementiert werden soll.
Anwendung
MP3 wurde v. a. durch Musiktauschbörsen in der breiten Öffentlich 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, mit verschiedenen Speicherfingern oder Speicherkarten und mit CD oder Mini-CD als Speichermedium.
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 andere Alternative, besonders in niedrigeren Bitraten, stellt das Format Ogg Vorbis dar (Dateiendung ogg), welches im Gegensatz zu MP3 patentfrei und Open Source ist. Zwar kann es in hohen Bitraten nicht mit Musepack Schritt halten, bietet aber trotzdem höhere Qualität als das MP3-Format.
Advanced Audio Coding, kurz AAC, ist ein auf MPEG-4 basierendes Verfahren, welches von mehreren großen Firmen entwickelt wird. So setzen Apple und Real Media dieses Format für ihre Onlinemusikbörsen ein und Ahead Nero stellt einen Encoder für dieses Format bereit, welcher auch noch aktiv verbessert wird. Dieses Format wurde auch im Hinblick auf die Designfehler im MP3-Format entworfen.