Musikunterricht - MP3 Dominik Hagelkruys, 0704637 Oliver Schreiber, 0425610 Dieses Dokument wurde im Rahmen der Lehrveranstaltung Interdisziplinäre Unterrichtsplanung im Wintersemester 2008 / 09 unter der Betreuung von Frau. Prof. Susanne Kandl erstellt.
Inhaltsverzeichnis Thema Seite Deckblatt 01 Inhaltsverzeichnis 02 Geschichte 03 Anwendung 04 Alternative Formate 06 Metadaten 07 Audioplayer Software 08 Audioplayer Hardware 11 Das Verfahren 12 Kompression 13 Bitrate 14 Vor- & Nachteile 15 Links 16 Quellen 17 Glossar 17
Geschichte: Um Musik auf Computern speichern, abspielen oder bearbeiten zu können muss sie zunächst digitalisiert werden. Hierbei muss man das ganze Klangspektrum umwandeln, wodurch die Dateien meist sehr viel Speicherplatz benötigen. Da Speicherplatz in den Anfangsjahren des Computers noch ein sehr wertvolles Gut war, begann man früh damit nach Möglichkeiten zu suchen die Dateigrößen zu minimieren. Anfangs verringerte man die Abtastfrequenz und die Auflösung der digitalen Aufnahmen, dies verringerte zwar die Datenmengen schlug sich jedoch auch deutlich auf die Klangqualität aus. Diese notgedrungene Lösung war also alles andere als optimal. Bereits in den 80er Jahren beschäftigte sich ein Forscherteam unter der Leitung von Karlheinz Brandenburg am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen (Deutschland) mit diesem Problem und entwickelte den MP3 Algorithmus. Während der Entwicklung des Algorithmus orientierte man sich vor allem an den menschlichen Hörgewohnheiten. Zudem wurden über die gesamte Entwicklungszeit, Musikstudenten in die Arbeit mit einbezogen um die Zwischenergebnisse zu testen und zu optimieren. Das Endprodukt war ein Algorithmus, welcher die Klangbereiche, die das menschliche Ohr kaum oder gar nicht wahrnimmt, retuschiert bzw. verwirft. Töne, die für das Verständnis des Klangbildes des Menschen bedeutend sind, werden hingegen nur leicht gekürzt und sorgfältig behandelt. Der Algorithmus sondiert also zunächst die Audioaufnahme und komprimiert anschließend so, dass die Qualität der digitalen Kopie annähernd dem Original entspricht aber der Speicherplatzbedarf gleichzeitig möglichst gering bleibt.
Das Ergebnis dieser Arbeit war überzeugend. Man erreichte einen Komprimierungsfaktor von 1:10 und der Unterschied zu einer unkomprimierten Audio-CD war kaum zu hören. Nach über 10 jähriger Arbeit veröffentlichte das Forschungsteam 1997 eine Demoversion ihres Kompressionsverfahrens MPEG Audio, Layer 3 (MP3). Dieser Standard ermöglichte es nun der breiten Masse ihre Musiksammlungen platzsparend zu digitalisieren und zu tauschen. Auch die Musikindustrie experimentierte mit den neuen Möglichkeiten die sich nun auftaten. So veröffentlichte David Bowie bereits 1997 eine Single, welche exklusiv nur als Download im MP3-Format angeboten wurde. Diese Version der MP3-Komprimierung ist lizenzpflichtig. Daher müssen Softwarehersteller Lizenzgebühren zahlen, wenn sie ein Produkt zu Erstellung von MP3-Dateien vermarkten wollen. Mittlerweile gibt es allerdings bereits eine Reihe von kostengünstigen, aber auch kostenlosen MP3-Kodierungs Softwares. Anwendung: Audio-Rohmaterial benötigt hohe Speicherressourcen. So benötigt 1 Minute in CD-Qualität etwa 10 MB Speicher. MP3 schafft es die benötigten Speichermengen bei annähernd gleichbleibender Klangqualität zu reduzieren. Daher wurde es schnell zu einem beliebten Mittel um Audio-Daten zu speichern.
Der breiten Öffentlichkeit wurde das MP3-Format vor allem durch unzählige Musiktauschbörsen im Internet bekannt. Das Internet war von Beginn an ein wichtiges Anwendungsgebiet der MP3- Technik. Online findet man unzählige gesprochene Hörbücher bzw. -spiele, Klangaufnahmen (z.b.: von Tieren) oder Podcasts die man anhören und oft auch herunterladen kann. Mittlerweile haben sich viele Internet-Radios entwickelt, welche genau wie normale Radiostationen, rund um die Uhr ihr Programm über das Internet streamen. Ein weiterer Hauptanwendungsbereich sind die portablen Audio-Abspielgeräte, wie MP3- oder MiniDisc-Player, welche vor allem seit der Jahrtausendwende sehr viele Käufer finden. Die Musikindustrie folgte ebenfalls diesen Trend. So entwickelten sich einige Onlineshops in denen man aktuelle Musiktitel im MP3-Format kostenpflichtig erwerben kann. Obwohl sich das MP3-Format aufgrund seiner platzsparenden Eigenschaften gut für die Archivierung von Audio-Materialien zu eignen scheint, wird es nur selten dafür verwendet. Das Problem hierbei ist, dass die MP3-Komprimierung immer mit Verlusten behaftet und somit nicht mehr gleichwertig mit dem Original ist. Dies jedoch widerspricht den Grundsätzen der Archivierung.
Alternative Formate: Ogg-Vorbis (.oga oder.ogg) Dieses Format ist quelloffen und patentfrei, was auch den wesentlichsten Unterschied zum MP3-Format darstellt. Technisch gesehen komprimiert Vorbis effizienter als deutlich ältere Format MP3. Allerdings ist es weniger Verbreitet als MP3 und wird auch nicht von allen portablen Abspielgeräten unterstützt. Musepack (.mp2 oder.mp+) Musepack basiert auf den freien MP2-Algorithmen. Im Gegensatz zu MP3 greift dieses Format auf neuere Techniken wie variable Bitraten oder die Huffmann-Codierung zurück. Auch Musepack erreicht bei weiten nicht den Verbreitungsgrad von MP3. Advanced Audio Coding (.aac oder.mp4) Advanced Audio Coding (AAC) ist ein standardisiertes Verfahren, welches in Zusammenarbeit von mehreren großen Firmen entwickelt wurde. Es bietet im Vergleich zu anderen Formaten eine höhere Kompressionsrate (bis zu 1:16) bei ähnlicher Klangqualität wie MP3. Advanced Audio Coding wird bereits von relativ vielen Anwendungen und Geräten unterstützt. Zudem basieren bereits auch einige Onlineradios und Online-Musikläden auf diesem Format.
Windows Media Audio (.wma) Windows Media Audio ist ein Komprimierungsverfahren der Firma Microsoft, welches vor allem im Firmeneigenen Betriebssystem Microsoft Windows verwendet wird. Metadaten: Moderne Codecs bieten die Möglichkeit neben den Audioaufnahmen auch Zusatzinformationen (Metadaten) zu speichern. Dazu zählen beispielsweise Titel, Interpret, Album, Jahr, Genre oder ähnliches. Die MP3-Kodierung bot diese Möglichkeit ursprünglich nicht. Dieses Problem konnte durch das hinzufügen eines ID3-Tags, welcher die Metadaten enthält, gelöst werden. In der ersten Version wurden die Metadaten an das Ende der MP3-Datei angehängt, waren auf 30 Zeichen pro Eintrag beschränkt und fassten nur wenige Einträge. In den folgenden Versionen stellte man den ID3-Tag an den Beginn der MP3-Datei und erhöhte dessen Fassungsvermögen. Um nicht bei jeder Aktualisierung bzw. Erweiterung der Metadaten die komplette Datei neu schreiben zu müssen kommt das "Padding" zum Einsatz. Es wird also bereits im Vorfeld ein gewisser Platz am Anfang der Datei für Metadaten reserviert. Die Informationen aus dem ID3-Tag können zum Beispiel zur Anzeige von Titel, Interpret, Dauer etc. auf den Displays von Audio-Wiedergabegeräten verwendet werden. Zudem bilden sie die Grundlage um Audiodateien in Wiedergabelisten (Playlists) zu organisieren oder gezielt in Archive zu sortieren.
Audioplayer: Software: Windows Media Player Der Windows Media Player ist eine Software der Firma Microsoft. Sie kann sowohl Audio als auch Video-Dateien abspielen und besitzt eine Brennfunktion um Daten auf eine CD zu exportieren. Der Windows Media Player unterstützt die wichtigsten Komprimierungsverfahren und kann durch das nachladen von weiteren Codecs erweitert werden. Das Programm ist für die Betriebssysteme Windows und Mac OS X verfügbar.
itunes (Apple) Genau wie der Windows Media Player ist auch itunes ein Multimedia- Verwaltungsprogramm. Es wurde von der Firma Apple entwickelt. Es kann zur Verwaltung der Inhalte ipods und iphones verwendet werden. Auch itunes verfügt über eine Funktion um CDs zu Brennen. Zusätzlich gelangt man über das Programm direkt in den itunes Store in dem man, zumeist kostenpflichtig, Musik oder Podcasts erwerben kann. itunes ist sowohl für Mac OS X als auch für Windows erhältlich.
Winamp Winamp wurde von der Firma Nullsoft entwickelt und ist ein in der Windows- Welt sehr beliebter Medienspieler. Winamp existiert sowohl in einer kostenlosen als auch in einer kostenpflichtigen "Pro-Version". Diese bietet zusätzlich noch eine Brennfunktion und die Möglichkeit CD-Titel im MP3-Format zu speichern.
Hardware: Neben den eben beschriebenen Softwareplayern gibt es auch eine Reihe von Hardwareabspielgeräten. Hier sind vorrangig MP3- und MiniDisc-Player zu nennen. Diese Abspielgeräte unterscheiden sich nur in der Wahl des jeweiligen Speichermediums: Festplatte, Festspeicher, Speicherkarte, CD etc.
Das Verfahren In der Regel wird eine MP3-Datei nicht aus dem nichts erschaffen. Zumeist liegt das entsprechende Musikstück bereits in einem anderen Format vor. Das ist auch die Ausgangsbasis von der wir starten. Wenn man bspw. eine CD auf den PC kopiert, werden die einzelnen Lieder als.wave-datei gespeichert. Diese Datei enthält alle Audioteile (=Samples). Auch solche, die der Mensch eigentlich nicht hören kann. Das menschliche Gehör ist einigen Beschränkungen unterworfen. Die Tonaufzeichnung liefert eine viel größere Bandbreite als der Mensch überhaupt hören kann. So können wir nur Töne im Frequenzbereich von ca. 16 Hz (Hertz) bis ca. 20.000 Hz (= 20 khz). Diese Werte können von Person zu Person etwas variieren. Faktoren wie die genetische Veranlagung, bereits vorhandene Schädigungen oder das Alter lassen dieses Frequenzfenster noch etwas schrumpfen. Bei der Entwicklung der MP3-Kodierung hat man sich an den Eigenschaften des menschlichen Gehörs orientiert. So kann man gleich nach einem lauten Oberton einen leisen Unterton nicht hören oder zumindest nicht bewusst wahrnehmen. Außerdem kann der Mensch zwei unterschiedliche Töne erst als solche erkennen, wenn die Tonhöhe der beiden eine gewisse Mindestdiffernz hat.
Bei der Umwandlung einer.wave-datei in das MP3-Format werden nun alle Töne mit einer geringeren Frequenz als 16 Hz weggeschnitten. Selbiges gilt auch für Frequenzen über 20 khz. So werden auch alle anderen Töne aus der Musikdatei entfernt, die nicht gehört werden. Da hauptsächlich Töne gelöscht werden, die sowieso nicht gehört werden, bleibt die Qualität des Musikstückes annähernd gleich. Kompression Der MP3-Algorithmus ist ein datensensitiver Algorithmus. Das bedeutet, das bei der Bearbeitung der Ausgangsdatei darauf geachtet wird, wie die Datei aussieht. Bei nicht-datensensitiven Algorithmen wird vom Beginn der Ausgangsdatei bis zum Ende das gleiche Verfahren verwendet, ohne auf spezielle Bereiche in der Datei zu achen. Bei MP3-Algorithmus ist das anders. Hier wird die Musikdatei zunächst analysiert um zu sehen wo welche Frequenzen auftreten, wann welche Töne aufeinanderfolgen, etc. Anhand dieser Analyse werden dann für die unterschiedlichen Bereiche in der Musikdatei auch unterschiedliche Verfahren verwendet. Und je nachdem welche Verfahren verwendet wurden, schlägt sie da in der Qualität des Musikstückes und / oder in der Größe der Datei nieder.
Bitrate Ein entscheidender Faktor ist hier die Bitrate, sie wird in Bit pro Sekunde BpS oder in bps (= bit per second, eng). Sie gibt an, vereinfacht gesagt wie viele Informationen im entsprechenden Zeitintervall (hier eine Sekunde) zur Verfügung stehen. Wie sich die Bitrate im Vergleich zum Ursprungssignal verhält, zeigt die Abbildung sehr gut: Erklärung: Bei dem analogen Signal ist die Information durchgehend vorhanden. Bei einer Bitrate von 64 kb/s ist die Information nur bei den schwarzen Diagrammlinien vorhanden, alles dazwischen wurde entfernt. Auch bei einer Bitrate von 128 kb/s gibts es viel Freiraum zwischen den Linien im Diagramm, es sind aber doppelt so viele Informationen wie bei 64 kb/s vorhanden. Die Bitrate ist quasi die Waage zwischen der Dateigröße und der Qualität. Dies kann man in der folgenden Tabelle gut ablesen.
Bild Klangqualität, Quelle fraunhoferinstitut für IIS Erklärung: Je höher der Kompressionsfaktor bzw je niedriger die Bitrate, desto schlechter ist die Qualität der MP3-Datei im Vergleich zur Ausgangsdatei. Vor- und Nachteile der MP3-Kodierung Der Vorteil ist ganz klar, das man Musikdateien relativ verlustfrei verkleinern kann. Dies war vor allem in der Zeit wichtig, als Festplattenplatz noch stark begrenzt war und die Internetverbindungen recht langsam waren. Durch die MP3-Kodierung konnte auf dem gleichen Plattenplatz viel mehr Musik gespeichert werden. Außerdem ließen sich die kleineren Musikdateien leichter aus dem Internet laden. Ein großer Nachteil entstand vor allem für die Wirtschaft, denn nun war es sehr einfach möglich alle CDs einfach als MP3 zu konvertieren und auszutauschen. Der Produzent der CD verdient nun nur an einer CD, obwohl viele Personen die
darauf gespeicherte Musik nutzen. Früher hatte der Produzent jedem Nutzer eine CD verkauft. Ein weiterer Nachteil ist natürlich der Qualitätsverlust, der ja unbestritten vorhanden ist. Hier gilt es den richtigen Kompromiss zu finden. Links: http://de.wikipedia.org/wiki/vorbis http://de.wikipedia.org/wiki/mp3 http://de.wikipedia.org/wiki/musepack http://de.wikipedia.org/wiki/advanced_audio_coding http://de.wikipedia.org/wiki/windows_media_audio http://mp3encoding.de/ http://de.wikipedia.org/wiki/windows_media_player http://de.wikipedia.org/wiki/itunes http://de.wikipedia.org/wiki/winamp http://www.iis.fraunhofer.de/
Quellen: Buch: -MP3. Musik finden, laden, hören, brennen. Joe Betz 2004 -Digital Sound Processing fpr Music and Multimedia, Ross Kirk. Andy Hunt 1999 -Understanding MP3, Martin Ruckert, 2005 -ipod + itunes, Gerald Erdmann. Charlotte Stanek, 2006 Glossar: Algorithmus: Unter einem Algorithmus versteht man eine genau definierte Handlungsvorschrift zur Lösung eines Problems. Ein Kochrezept kann beispielsweise ein Algorithmus zum zubereiten einer Mahlzeit sein. Bit: (binary digit), Binärzeichen, Strom oder kein Strom. Diese kleinste Informationseinheit im Computer hat als Wert 1 oder 0. Acht Bit sind ein Byte Bit/s: ist eine Maßeinheit für die Übertragungsgescwindigkeit und drückt die übertragenen Bit pro Sekunde aus. Codec: Kurzform für Coder/Encoder. Eine Vorlage, die festlegt, auf welche Weise Daten komprimiert und dekomprimiert werden. Je nach Datenentyp (Audio, Video usw.) werden unterschiedliche Codecs verwendet um die Datenmengen zu reduzieren.
DRM: (Digital Rights Management) Ein Verfahren mit dem die Nutzung (und Verbreitung) von digitalen Medien kontrolliert werden soll. DRM dient zum Schutz von Verwertungsrechten an Bild-, Ton- und Videoaufnahmen. Hertz: Die Einheit der Frequenz. Sie gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an, allgemeiner auch die Anzahl von beliebigen sich wiederholenden Vorgängen pro Sekunde. ID3-Tag: Als ID3-Tag bezeichnet man ein Format für Zusatzinformationen (Metadaten), die in Audiodateien des MP3-Formats enthalten sein können. ID3 steht für Identify an MP3 ("Identifiziere eine MP3-Datei"); der englische Begriff Tag bedeutet soviel wie Schildchen oder Etikett. MP3: Kürzel für komprimierte Musikdateien. MP3 meint jedoch aussschließlich die mit der Audiokompressionstechnik MPEG Audio, Layer 3 verkleinerten Songs. MPEG: Motion Picture Experts Group; dieses Gremium legt die MPEG- Standards fest. Streaming: Ein Stream ist eine Sendung über das Internet, meist Audio, mittlerweile aber auch immer öfters Video. Ein Stream ist kein Download m herkömmlichen Sinn. Streams werden über die Internetverbindung auf dem Computer, der den Datenstrom empfängt, abgespielt, aber nicht darauf gespeichert.