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 alle anderen verlustbehafteten Kompressionsformate für Musik nutzt MP3 sogenannte psychoakustische Effekte der Wahrnehmung aus, z.B. dass der Mensch zwei Töne erst ab einem gewissen Mindestunterschied der Tonhöhe (Frequenz) voneinander unterscheiden kann oder dass man vor und nach sehr lauten Geräuschen für kurze Zeit leisere Geräusche schlechter oder gar nicht wahrnimmt. Man braucht also nicht das Urspungssignal exakt abzuspeichern, sondern es reichen die Signalanteile, die das menschliche Gehör auch wahrnehmen kann. Die Aufgabe des Coders ist es, das Signal so aufzuarbeiten, dass es weniger Speicherplatz benötigt, aber sich noch genauso anhört wie das Original.
Der Decoder erzeugt aus diesem MP3 dann ein für die überwiegende Anzahl von Hörern original klingendes Signal, das aber nicht mit dem Ursprungssignal identisch ist, da bei der Umwandlung in MP3 Informationen entfernt wurden.
Die hörbaren Verluste hängen von der Qualität des Coders, von der Kompliziertheit des Signals, von der Datenrate, aber auch vom Gehör des Hörers ab. Das MP3-Format erlaubt Datenraten von 8 kBit/s bis zu 320 kBit/s. Kenner halten Datenraten von 192kBit/s für eine brauchbare Qualität, doch im anspruchsvollen Audiobereich sind auch diese (je nach Audiomaterial) oft nicht mehr zu gebrauchen. Die hohen Datenraten bei etwa 256 kBit/s und höher sind vertretbar, aber eine Originaldatei ist meist doch unersetzlich. Diese Eindrücke sind jedoch recht subjektiv und von Mensch zu Mensch sowie von Gehör zu Gehör unterschiedlich.
Neben der Kodierung mit konstanter Datenrate (und damit schwankender Qualität) ist auch eine Kodierung mit konstanter Qualität (und damit schwankender Bitrate) möglich. Man vermeidet damit (weitgehend) Qualitätseinbrüche an schwierig zu kodierenden Musikstellen, man gibt die Qualitätsstufe vor und erhält die dafür minimal notwendige Datei.
Datenreduktion
siehe auch: Audiokompression mit Hilfe des psychoakustischen Modells
- 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 – werden fouriertransfomierten Datenmaterial 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 oder auch die Obertöne über 20kHz)…
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. (Mittlerweile existiert MP3 mit Mehrkanaltonunterstützung. Es findet aber so gut wie keine Verwendung und ist in den meisten Dekodern nicht implementiert.)
In der Industrie wurde zu dieser Zeit schon an dem MDCT-basierten AAC gearbeitet, was sauberer entworfen 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 96 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 regulären 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.
ID3-Tag
MP3-Dateien bieten die Möglichkeit, weitere Informationen (Metadaten wie z.B. Titel, Interpret, Album, Jahr, Track, Genre, Kommentar) zu dem enthaltenen Musikstück im sogenannten ID3-Tag unabhängig vom Dateinamen zu speichern. Viele MP3-Player nutzen den ID3-Tag, um Informationen zu dem gerade abgespielten Stück anzuzeigen.
Alternative Codecs und Audio-Formate
Neben dem Fraunhofer MP3 gibt es noch die Open Source Alternative Lame.
Weitere Alternativen sind das auf MP2-Algorithmen basierende Musepack (früher: MPEGPlus), das in Bitraten über 160 kbit/s wesentlich bessere Qualitat bietet 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 sein soll 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 die Nero AG 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.