Internationale Stadt Bremen: Computeranzeiger

Vor ca. 15 Jahren staunte man über die Fähigkeit der damaligen “Heimcomputer”, Töne in unterschiedlichen Frequenzen und in verschiedenen Wellenformen (z.B. Sägezahn, Rauschen usw.) wiedergeben zu können. Mit dem Soundchip “SID 6581” (Sound Interface Device), der beispielsweise im Commodore C64 integriert war, war es möglich, 4 Stimmen gleichzeitig wiederzugeben. “Damals” eine Faszination!

Im Laufe der Jahre entwickelte sich die digitale “Compact Disc” zum Standard-Datenträger nicht nur für Audio-Daten. In der Computertechnik ziehen Begriffe wie “Multimedia” und “digitale Sound- und Videobearbeitung” ein. Das “ Fraunhofer Institut ” begann 1987 mit der Entwicklung von Audiokompressions-Verfahren und standardisierte später einen Algorithmus, der es ermöglichte, die Dateigröße von Audio-Files ohne nennenswerten Qualitätsverlust erheblich zu reduzieren und darüberhinaus in Echtzeit wieder abzuspielen. In Anlehnung an die “Moving Picture Experts Group”, die es sich zur Aufgabe gemacht haben, Codec-Standards (“codecs” = Kompressions-Techniken) für Audio/Video-Daten zu entwickeln, wurde der besagte Algorithmus “MPEG Audio Layer 3”, kurz MP3, genannt.

Wie kann nun ein mathematischer Algorithmus Audiodaten reduzieren? Um jenes zu verstehen, kommen wir leider um etwas trockene Mathematik nicht herum. Um ein analoges Signal digital verarbeiten zu können, muß jenes erstmal mathematisch erfaßt werden. Stark vereinfacht erklärt, wird dazu zu bestimmten Zeitpunkten die Frequenz eines Tones abgefragt und als Zahlenwert gespeichert. Je häufiger nun diese “Abtastung” erfolgt, desto genauer entsprechen die Zahlenwerte dem Verlauf der analogen Frequenzkurve. Man spricht hier von der sogenannten “Abtastrate” oder “Sample-Frequenz”. Nach der Nyquist-Theorie muß die Sample-Frequenz doppelt so groß sein wie die höchste Frequenz, die man speichern möchte. Das menschliche Ohr nimmt Frequenzen im Bereich von 20Hz bis 20kHz auf. So ergibt sich auch eine Frequenz von 44.1kHz, die bei Audio-CDs verwendet wird. Das bedeutet, daß alle 22,68μs (1μs = eine Millionstel Sekunde) eine Abtastung erfolgt.

Typischerweise besteht ein digitales Audiosignal aus 16 Bit großen Sampels, was einen schnell zu der Erkenntnis bringt, daß man 705,6 kBit für eine Sekunde Musikdaten benötigt. Da allerdings zwei Kanäle (stereo) abgetastet werden, verdoppelt sich diese Zahl auf ca. 1,4 MBit je Sekunde, bzw. etwa 10,34 MByte je Minute (in CD-Qualität).

Mit der entsprechenden Software ist es nun möglich, Audio-CDs digital auszulesen (sofern das auch das verwendete CD-ROM-Laufwerk unterstützt) und von den Liedern WAV-Files auf der Festplatte zu erzeugen. Da es mittlerweile unzählige solcher Programme gibt, möchte ich an dieser Stelle beispielhaft nur auf ein Shareware-Programm hinweisen, welches unter 32Bit-Windows läuft: “ WinDAC - Digital Audio Copy ” von Christoph Schmelnik ( http://www. windac.de ).

Wer bis zu dieser Stelle den mathematischen Berechnungen gefolgt ist, den wird es nicht wundern, daß ein Lied von nur 4 Minuten Länge über 41 MByte Speicherplatz verwendet; eine ganze CD mit 15 Lieder demnach über 620 MByte! Genau an dieser Stelle wünscht man sich ein Verfahren, daß die Datenmenge ohne hörbaren Qualitätsverlust reduziert. Da, wie bereits erwähnt, die Sample-Frequenz doppelt so groß sein muß, wie die höchste Frequenz, die man speichern möchte, sollte man die 44.1kHz nicht unterschreiten.

Die Datenmenge läßt sich natürlich auch verkleinern, wenn man die Samples mit weniger als 16Bit erstellen würde. Allerdings tritt dann ein hörbares Hintergrundrauschen (“Quantisierungsrauschen”) auf, welches nur in leisen Passagen wahrzunehmen ist, da laute Töne dieses Rauschen überlagern.

Die MP3-Kodierung arbeitet jedoch noch intelligenter: Neben dem eben beschriebenen Verfahren werden noch einige weitere Effekte berücksichtigt. So teilt der MP3-Algorithmus z.B. das Frequenzspektrum in 32 “Sub-Bands” auf, was (über eine Schwellwert-Berechnung) eine Bestimmung des Signalrauschabstandes ermöglicht. Geringere Signalrauschabstände (gemessen in dezibel “dB”) können mit weniger Bits dargestellt werden. Im Vergleich zum “Layer 2” sind die 32 Sub-Bands beim “Layer 3” nicht gleich groß, sondern an die Eigenschaften des menschlichen Ohres angepaßt (kleinere Bandbreite in empfindlicheren Bereichen). Ein weiterer Effekt ist das “Pre-” und “Postmasking”. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, da das menschliche Gehirn eine gewisse Zeit benötigt, um große Sprünge in der Lautstärke umzusetzen.

Ein ganz wichtiges Kompreimierungsverfahren ist außerdem noch das sogenannte “Huffman-coding”, welches auch in gängigen Pack-Programmen wie z.B. ZIP, LHA, ARJ usw. eingesetzt wird. Hierbei werden mehrere gleiche aufeinanderfolgende Zeichen in einer Kette durch die Informationen “Anzahl der Zeichen” und “welches Zeichen” ersetzt (stark vereinfacht ausgedrückt).

Kurzum: Mit einer MP3-Komprimierung kann man eine Kompressionsrate von 1 zu 12 erzielen. Das bedeutet, ein WAV-File mit einer Größe von 12 MB läßt sich auf 1 MB reduzieren; oder anders ausgedrückt: ein 4-minütiges Lied mit 41 MB Dateigröße schrumpft auf ca. 3,4 MB - ohne hörbaren Qualitätsverlust.

An dieser Stelle möchte ich noch auf die Worte “ohne hörbaren Qualitätsverlust” eingehen. Technisch gesehen existiert für den Menschen wirklich kein hörbarer Qualitätsverlust. Mit den meisten Computersystemen werden fast alle Personen keinen Unterschied zwischen dem Abspielen einer Audio-CD im CD-ROM-Laufwerk und MP3-Dateien feststellen. Einige Ausnahmen sind jedoch fest davon überzeugt, beide Medien unterscheiden zu können. Sicherlich ist aber hierbei auch die Ausstattung des Computersystems (Soundkarte, CD-ROM-Laufwerk, HiFi-Anlage, Prozessor und softwareseitige Einstellungen) entscheidend.

Die hier kurz (und nur im Prinzip) vorgestellten Verfahren erfordern natürlich einen sehr hohen mathematischen Aufwand, um eine Art “Frequenzanalyse” durchführen zu können. Daher ist zum Erstellen von MP3-Files (also dem Komprimieren von Audiodaten) ein entsprechend leistungsfähiger Prozessor nötig. Daauch beim Abspielen der MP3-Dateien das komprimierte Format erst zurückkonvertiert werden muß (und das während der Laufzeit, also während des Abspielens), sind ältere CPUs häufig überfordert. Da wir allerdings mittlerweile bereits bei der 3. Generation von Pentium-Prozessoren sind, und die CPUs der 1. Generation mit weniger als 100 MHz zu einer “aussterbenden Spezies” gehören, sollte heutzutage weder das Komprimieren, noch das Abspielen Schwierigkeiten bereiten. Beim Umwandeln von WAV- nach MP3-Dateien müssen Besitzer von alten P100-Systemen ihren Computer eben ein paar Stunden rechnen lassen.

Im Header befinden sich einige Informationen über die vorliegende Datei. Ich möchte an dieser Stelle nicht detailliert auf die Informationen eingehen, da sie in der Regel nur für Programmierer von Interesse sind. Wer sich allerdings mehr damit beschäftigen möchte: Im Internet findet man beispielsweise unter http://sites.inka.de/sites/plagiats-home/mp3.html eine recht genaue Beschreibung des MP3-Headers. Da dieser Header zum Abspielen der Datei nicht notwendig ist, erlaubt das MP3-Format auch sogenanntes “ Streaming”. Hierunter versteht man die Möglichkeit, einen (theoretisch unbegrenzt langen) Strom von Audiodaten zu transferieren und abzuspielen. So kann man beispielsweise Musik direkt über das Internet hören - vorausgesetzt, die Geschwindigkeit des Internet-Anschlusses ist schnell genug (ISDN mit Kanalbündelung reicht gerade eben aus). Der hessische Rundfunk strahlt bereits seit August 1998 das Programm “ hr-xxl” über das Internet aus, welches rund um die Uhr als Live MP3-Stream mitgehört werden kann. Hierbei handelt es sich um ein Gemeinschaftsprojekt von www.liveaudio.de, www.hr-xxl.de und www.mp3.de, unterstützt von GamesZone.

Die erforderliche Software zum Mithören stelle ich am Ende dieses Artikels vor. Aber, wie gesagt: der verwendete Internetzugang sollte schon etwas schneller als ISDN sein! Prognosen zufolge wird die bislang im Internet weitverbreitete “Real Audio Technologie” immer mehr vom MP3-Format verdrängt werden.

Auf der IFA’97 (Internationale Funkausstellung) stellte die Deutsche Telekom AG “ Music on Demand ” bzw. “Audio On Demand” vor. Auch dieser Dienst basiert auf dem MP3-Audiokompressionsverfahren. Jeder ISDN-Nutzer hat damit rund um die Uhr die Möglichkeit, sich via T-Online aus einem großen Repertoire seine ganz persönlichen Musikwünsche zu erfüllen. Der Kunde kann im digitalen Musikshop seine Wunschtitel recherchieren und sich nach dem “Probehören” für oder gegen den Kauf entscheiden. Die Überspielung der gewünschten Titel erfolgt in HiFi-Qualität direkt via ISDN auf den PC des Kunden. Abgerechnet wird der Online-Musikeinkauf über die Telefonrechnung. Laut Angaben der Telekom AG sind die Titel zum Schutz vor Raubkopien verschlüsselt ( http://www.musicondemand.de).

Neben dem “Header” stellt das MP3-Format noch einen weiteren Bereich in der Datei für Informationen zur Verfügung: der “ ID3-Tag”. Dieser Bereich befindet sich in den letzten 128 Byte einer MP3-Datei. Hier werden Informationen über den Song abgelegt (z.B. Titel, Interpret, Name des Albums, Jahr der Veröffentlichung, Kommentar und Genre).

Da die Spezifikation des ID3-Tags kein offizieller Standard ist, haben Programmierer hier einen recht großen Spielraum, auch eigene Ideen einzubringen. So führte beispielsweise Michael Mutschler eine Erweiterung des ID3-Tags ein, die es erlaubt, auch die Nummer des Liedes auf der CD mit zu speichern. Sicherlich werden in zukünftigen Versionen (Version 2.0 ist bereits in Planung) noch weitere Änderungen und Verbesserungen folgen.

Da das Erstellen von MP3-Dateien keinen sehr großen Aufwand darstellt, und die Datenmenge der Dateien relativ klein ist, was sich z.B. auch zum Transferieren im Internet gut eignet, hat nicht nur die kommerzielle Musikindustrie großes Interesse an diesem Format. Auch private Nutzer tauschen mittlerweile ihre Musikdateien im Internet. In diesem “virtuellen Plattenladen” gibt es (abgesehen von den anfallenden Telefongebühren) alle Songs kostenlos - aber in der Regel illegal!

Die “Weltorganisation für Geistiges Eigentum” (WPO) hat im Dezember 1996 festgelegt, daß die Urheberrechte auch in Datennetzen gelten. Die Einspeisung von Musik gilt dadurch weltweit als gebührenpflichtig, nur der Austausch im privaten Kreis ist kostenlos. Hans-Herwig Geyer, Sprecher der GEMA, gab in einem Interview mit dem “Kölner Stadtanzeiger” zu, daß der direkte Tausch in den Chaträumen des Internets praktisch nicht kontrollierbar sei und Betreiber von MP3-Homepages alle paar Wochen ihren Server wechseln, um so eine Verfolgung fast unmöglich zu machen. Für die Musikindustrie verständlicherweise eine Katastrophe! Laut Wolf Gramatke, deutscher Vorsitzende des internationalen Tonträgerverbandes “IFPI”, sind über 90 Prozent des im Internet kostenlos angebotenen MP3-Soundmaterials illegale Raubkopien. Den Schaden durch Musikpiraterie im Internet schätzt er auf mehr als drei Milliarden Mark.

Es versteht sich von selbst, daß bei solchen Zahlen schnell gehandelt werden muß. Die Firma “Liquid Audio”, Hersteller von Software für Musik im Internet, entwickelte bereits ein “ digitales Wasserzeichen ”, daß MP3-Dateien mit einem Logo versieht und so als geschütztes Eigentum der jeweiligen Plattenfirma kennzeichnet. Laut Rick Fleischmann, Marketing-Direktor bei Liquid Audio, soll mit diesem Verfahren ein Standard für die Verbreitung von digitaler Musik geschaffen werden - der sogenannte “ Genuine Music Standard ”. Und auch der weltgrößte Softwarehersteller “Microsoft” wirkt zukünftig im MP3-Geschäft mit. So stellte die Firma im April 1999 eine hauseigene MP3-Version mit dem Namen “ MS Audio 4.0 ” vor, mit der sich Musik-Files generieren lassen sollen, die nur halb so groß wie entsprechende MP3-Dateien sind und einen weitergehenden integrierten Schutz gegen unberechtigte Downloads bieten.

Aber im Internet gibt es nicht nur illegale MP3-Anbieter. Die Firma “Lycos” bietet mittlerweile einen Suchdienst für MP3-Dateien im Internet an. Ein weiterer Dienst namens “Mpex.net” ( http://www.mpex.net) stöbert in 16 Suchmaschinen nach Musikdateien, die der Besucher angeben kann. “Mpex.net” bietet aber außerdem noch weiterreichende Informationen über das MP3-Format. Mit “RioPort”, einer Portalseite für MP3-Musik, verweist die Firma “Diamond” den Besucher zu zahlreichen MP3-Inhalten aller Musikrichtungen, zu Herstellern von MP3-Playern und Encodern.

Die Firma “Diamond” bedient den weltweiten Computermarkt schon seit längerem mit Multimedia-Anwendungen. Vielen wird dieser Hersteller beispielsweise durch Grafikkarten und den Voodoo-3Dfx-Karten bekannt sein. Mit einem Gerät namens “ Rio” brachte das Unternehmen einen tragbaren, 70 Gramm leichten MP3-Player auf den Markt, der ungefähr der Größe eines Walkmans entspricht. Da das Gerät allerdings keine mechanischen Teile besitzt, sondern voll digital arbeitet, ist es (laut Hersteller) sehr robust und wenig störanfällig gegen Vibrationen und Erschütterungen - ideal geeignet auch für Extremsport. Der “Rio” wird mit 64 MB Speicher ausgeliefert, was ca. 60 Minuten Musikwiedergabe entspricht. Die Speicherkapazität kann optional auf max. 96 MB erweitert werden. Nachdem man sich die Musik z.B. aus dem Internet auf den heimischen PC geladen hat, werden die Songs über eine parallele Schnittstelle vom PC direkt in den Speicher des Players geladen (Dauer der Übertragung ca. 10 Sekunde für je 1 Megabyte).

Eigentlich wurde der RIO-Player so konstruiert, daß sich MP3-Dateien nur in eine Richtung, nämlich vom PC zum Player, übertragen lassen, um das Erstellen von Raubkopien zu erschweren. Wie die Computerzeitschrift “PC-Welt” im Januar 1999 berichtete, haben Hacker eine Software-Erweiterung programmiert, mit der auch der umgekehrte Weg funktionieren soll.

Der “Rio” ist zwar nicht der einzige tragbare MP3-Player auf der Welt, allerdings wird bis jetzt nur dieser in Deutschland verkauft. Informationen über weitere tragbare Player, die vorwiegend im asiatischen und amerikanischen Raum großen Absatz finden, können im Internet nachgelesen werden:

Der Verband der amerikanischen Plattenindustrie, die “Record Industry Association of America” (RIAA), hatte im Oktober 1998 eine einstweilige Verfügung gegen die Firma “Diamond” gefordert, da sie in dem tragbaren MP3-Player “Rio” einen Verstoß gegen das Urheberrecht sieht. Das Gericht hatte der Forderung nicht stattgegeben - unter anderem deshalb, weil Diamond nachweisen konnte, daß der “Rio” ein reines Abspielgerät ist. Um eine solche Konfrontation mit der Musikindustrie zu vermeiden, arbeitet Creative eigenen Angaben zufolge mit Herstellern zusammen, die Kopierschutz-Techniken (etwa das bereits erwähnte) digitale Wasserzeichen für MP3-Dateien entwickeln. So ist das Unternehmen auch Mitglied der “Secure Digital Music Intitiative” (SDMI), die von der “RIAA” unterstützt wird. Auch “Diamond” plant für seinen “Rio” eine Änderung. So arbeitet die Rioport-Abteilung gemeinsam mit “Intertrust Technologies” zusammen, um einen Kopierschutz für dieses Gerät zu entwickeln.

Neben dem Einsatz im heimischen PC und in tragbaren Playern, wird die MP3-Technik bereits seit einiger Zeit in professionellen Radiostationen eingesetzt. In einem Interview mit “www.mp3.de” erklärte Gerd Pinter, Sendetechniker bei “Radio NRW GmbH” in Oberhausen, welche Vorteile gegenüber den CDs oder Schallplatten existieren. So kommt beispielsweise alles, was “Radio NRW” ausspielt, nicht mehr von der CD, sondern aus dem Computer, und wird über ein herkömmliches Mischpult analog geregelt. Genau gesagt handelt es sich hier um das Format “Musicam Layer 2” (256 Kbit bei 48 kHz), das fast dem MP3-Format entspricht. Der Radiosender bekommt allerdings (noch) die Musik auf CD geliefert, die dann von den Technikern erst in das System eingespielt und mit den notwendigen Daten (Titel, Interpret, Laufzeit, Introzeiten, Outcue usw.) versehen werden muß. Anschließend werden die Daten per ISDN zu den Lokalstationen überspielt. “Seit es ISDN und MPEG gibt”, so Gerd Pinter, “geht es erheblich billiger, einfacher und schneller. Es ist kein Einmessen der Leitungen bei Live-Übertragungen mehr nötig, kein zusätzlicher Techniker und kein Ü-Wagen. Primär dient die Technik der Kostenreduzierung und der Verringerung des Verwaltungsaufwandes. Zu den weiteren Lokalradios, die bereits weitestgehend digitalisiert sind, zählen z.B. Antenne Bayern, der Bayerische Rundfunk, SWF, Radio RPR, FFH, FFN, Hitradio Antenne, teilweise der WDR und der NDR.”

Kommen wir aber nochmal zurück zum privaten, heimischen PC. Es gibt für die verschiedensten Betriebssysteme (Windows, DOS, MacOS, Linux, Amiga usw.) Programme, mit denen sich MP3-Dateien erstellen und abspielen lassen. Der wahrscheinlich weitverbreitetste Player ist “ WinAmp” der Firma Nullsoft ( http://www.winamp.com). Neben den gängigen MPG-Formaten kann “WinAmp” (dank flexibler Plug-Ins) auch WAV, MOD, XM, IT, S3M, VOC, CDDA und mehr abspielen. In den vergangenen Monaten ist das Programm von einem einfachen Player zu einem Softwarepaket gewachsen, das in der aktuellen Version musikgesteuerte, grafische Effekte (“Visualizations”), Playlist-Editor, grafischer Equalizer und sogar einen “Minibrowser” für das Internet bietet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Aussehen des Players individuell selbst zu gestalten, oder sich die “Oberflächen” (“Skins”) kostenlos aus dem Internet zu besorgen - und hier gibt es mittlerweile hunderte zur Auswahl. Auch die “Visualizations”-Plug-Ins sind im Internet leicht zu finden.

Auch die zuvor erwähnte “Streaming-Funktion” unterstützt “WinAmp” ebenfalls. Unter der Adresse “ http://195.88.0.212/live_mpeg”, die man im Player unter “Play Location” eingibt, kann man das (vom hessischen Rundfunk ausgestrahlte) Radioprogramm “hr-xxl” rund um die Uhr über das Internet hören (sofern man einen entsprechend schnellen Internetzugang hat). Immer die aktuellste Version von “WinAmp” findet man auch auf folgendem deutschen Server, der sogar in Bremen steht: http://hellgate.hs-bremen.de/mp3/ .

Auf diesen Internetseiten werden noch weitere Informationen und Dienste rund um das MP3-Format angeboten. So kann man sich beispielsweise automatisch per eMail benachrichtigen lassen, wenn eine neue WinAmp-Version veröffentlicht wurde. Natürlich brauchen auch alle “nicht-Windows-Benutzer” auf verschiedenste Software rund um das MP3-Format nicht zu verzichten. Auf den deutschen Internetseiten http://www.mp3.de findet man in der “ Software-Rubrik” für die verschiedensten Betriebssysteme (Win95, Win98, WinNT, Win3.1, OS/2, Linux, Mac, DOS, Amiga usw.) genaue Beschreibungen und Querverweise zu Playern, CD-Rippern, Encodern, Frontends und sonstige MP3-Tools.

Jetzt bleibt mir nur noch übrig, euch viel Spaß beim Arbeiten mit diesem Audio-Kompressionsverfahren zu wünschen. Ich bin sicher, daß uns dieses Format, bzw. neue Verfahren, die auf dem MP3-Format basieren werden, auch noch in den nächsten Jahren begleiten wird. Besonders bei der momentanen Entwicklung des Internets werden solche Kompressionsverfahren im Multimedia-Bereich sehr wichtig.

Ausgabe 06/99

Speakers Corner

MP3 - MPEG Audio Layer 3 Alles über Audiokompression Version 7 - von Michael Schams