MP3 - Was ist das?

Inhaltsverzeichnis

2 Einleitung

3 Was ist MP3?

4 Historische Entwicklung

5 Die MP3-Datei und ihr Algorithmus
5.1 Digitalisierung von Schall
5.1.1 Abtastung/Sampling
5.1.2 Quantisierung
5.1.3 PCM – Pulse Coded Modulation
5.1.4 Maskierungseffekte - Masking
5.2 Alternative Codecs
5.2.1 WMA
5.2.2 Ogg Vorbis
5.2.3 AAC
5.3 DRM - Digital Rights Management

6 Auswirkungen
6.1 Musikkonsum
6.2 Musikindustrie

7 Conclusio

8 Glossar

9 Literaturliste

10 Abbildungsverzeichnis

2 Einleitung

In vielen alltäglichen Bereichen werden Technologien verwendet, über die der Benutzer nur sehr wenig weiß. Der Begriff "MP3^[1] " ist wohl den meisten Menschen bekannt - und dennoch wissen die wenigsten, was sich dahinter verbirgt. Unter den vielen neuen Computertechnologien hat sich MP3 als ein Standard etabliert und ist aus dem heutigen Musikkonsum nicht mehr wegzudenken.

Als Scot Hacker^[2] 1997 mit seinem Nomad^[3], einem der ersten MP3-Player, auf dem Rad unterwegs war, konnte er sich wohl kaum vorstellen, dass 11 Jahre später bereits 92% der 14-17 jährigen in Großbritannien einen MP3-Player besitzen^[4]. Eine derartig große Auswirkung und Popularität erlangte mit dieser Geschwindigkeit im Musikbereich noch keine Technologie. Auslöser ist einzig und allein ein Algorithmus.

Wie die Firma Thomson (beteiligt an der Mitentwicklung von MP3) auf ihrer Website bereits schildert, ermöglicht der Kompressionsalgorithmus gemeinsam mit dem Medium Internet völlig neue Wege des medialen Austauschs:

"mp3 is more than a technology. It is a sensational development that has reconnected musicians to music lovers, speakers to their listeners, creators to their audience."^[5]

Als Beispiel: Fußballspiele können mittels Livestream^[6] im Web angeschaut werden, die aktuellen Nachrichten jeden Morgen über den CNN-Podcast^[7] und nachdem der Musikstudierende seinen Vorspielabend aufgenommen hat, lädt er die Aufnahme auf seinen Webserver hoch; jeder, der nicht dabei war, kann sich die MP3-Datei herunterladen, auf sein Handy kopieren und, wo immer er will, anhören.

Ein entscheidender Vorteil digitaler Daten ist die Möglichkeit des verlustfreien Kopierens. So ist dies auch bei MP3-Daten der Fall: Im Gegensatz zur Audiokassette (einem der analogen Vorgänger) kann die MP3-Datei ohne Verlust dupliziert werden. Weiters werden aufgrund der Komprimierung mittels MP3 diese Daten (in den meisten Fällen Musik) äußerst portabel. Die Musikverbreitung ist dadurch sehr einfach geworden; Filesharing-Dienste sind entstanden und ermöglichten Millionen von Nutzern das bequeme und äußerst schnelle Austauschen von Musik. Die Musikindustrie war im Laufe der Zeit gezwungen, auf diese neuen Möglichkeiten der Musikverbreitung zu reagieren. Immer stärker steigt sie nun selbst auf das neue Medium Internet um und macht es zu ihrem Geschäftsfeld: Am laufenden Band müssen herkömmliche Musikläden wegen fehlender Wirtschaftlichkeit zusperren. Im Jahr 2008 wurden bereits 33% aller in den USA verkauften Musikstücke auf digitalem Wege über das Internet erworben.^[8]

Das alles resultiert aus MP3? Wie kam es dazu? Und warum? Diesen Fragestellungen soll in der vorliegenden Arbeit nachgegangen werden.

3 Was ist MP3?

MPEG-1 Audio Layer 3 (abgekürzt "MP3") ist ein verlustbehafteter^[9], digitaler Kompressionsalgorithmus für Audiodaten, der psychoakustische Effekte unseres Hörens ausnützt. Der MP3-Algorithmus verkleinert den Speicherplatz einer Musikdatei um ein Zwölffaches^[10] - ohne Verlust der Klangqualität^[11]. Ein Beispiel: Eine dreiminütige, unkomprimierte Musikdatei (WAV-Format, 2116 kbit/s, 44.100 kHz) verbraucht auf einem Durchschnitts-Computer knapp 47 MB Speicherplatz. Erzeugt man aus dieser Datei mit einem MP3-Codierer eine qualitativ relativ hochwertige MP3-Datei (192 kbit/s, 44.100 kHz; hiernach erkennbar an der Dateiendung .mp3), entstehen lediglich 4,2 MB. Der MP3-Algorithmus ermöglicht uns also, die rohen, digital gespeicherten Musikdateien auf 1/12 zu verkleinern (bei entsprechender Bit-Rate auch mehr - oder weniger^[12] ). Ein hörbarer Qualitätsunterschied ist vorhanden, aber verschwindend gering.

Da sich rohes Audiomaterial mit herkömmlichen Algorithmen schlecht komprimieren lässt (versucht man beispielsweise eine Audiodatei in ein ZIP-Archiv^[13] zu verpacken, wird man feststellen, dass sich die Dateigröße nur verschwindend gering verkleinert), stützt sich MP3 auf psychoakustische Eigenschaften. Ein Beispiel: Für das menschliche Gehör ist ein leiser Ton nach oder vor einem lauten Ton innerhalb einer gewissen Zeitspanne nicht erfassbar. Der leise Ton kann also vernachlässigt werden, da er aufgrund der Trägheit unseres Gehörs ohnehin nicht wahrgenommen wird. Für den Computer bedeutet dies aber, Speicherplatz zu sparen.

Entwickelt wurde MP3 von der "Moving Picture Experts Group" am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen. Diese Gruppe aus Experten zahlreicher Unternehmen beschäftigt sich mit der "Standardisierung von Videokompression und den dazugehörenden Bereichen, wie Audiodatenkompression oder Containerformaten^[14] "^[15]. Der Audio-Codec wurde 1991 von ISO/IEC^[16] standardisiert, und setzte sich in den folgenden Jahren neben einigen anderen Formaten der Audiodatenkomprimierung als Standard durch.

Munsen schrieb in ihrem Artikel "The MP3 Revolution":

"MP3 technology opens up the whole new world of how to use the computer and the Internet to get your music out there - to friends, record companies, agents, managers, PR people - to as wide an audience as you wish or can imagine."^[17]

Im Laufe der Jahre eröffnete MP3 also völlig neue Möglichkeiten der Musikverbreitung und des Musikkonsums. MP3 revolutionierte den Umgang mit Musikaufnahmen und eröffnete einen gänzlich neuen Kommunikationskanal für Künstler zu ihren Fans. MP3 ist der quasi-Nachfolger der CD (MP3 ist der erste ausschließlich softwarebasierende Musikträger) und eröffnet mit der gleichzeitigen Verbreitung von Personalcomputern und dem Internet einen völlig neuen Transportweg von Musikaufnahmen. Durch die hohe Transportierfähigkeit gelangte der Algorithmus zu großer Beliebtheit. Das Verschicken beziehungsweise Herunterladen von Audiodateien über das Internet wurde möglich, Tauschbörsen wie Napster^[18] entstanden und ermöglichten jedermann das uneingeschränkte Hinzufügen von Musikstücken der eigenen Musiksammlung. Die dadurch schnell anwachsende Musiksammlung wird von einer weiteren Eigenschaft der MP3-Dateien unterstützt: ID3-Tags ermöglichen das Verwalten großer Musiksammlungen. ID3-Tags sind Metadaten^[19] der MP3-Datei. In ihnen können Informationen wie Interpret, Album, Komponist, Genre usw. gespeichert werden, anhand derer dann die Musikstücke im Archiv sortiert werden können. Die Größe der Sammlung stellt dadurch kein Problem dar, einzelne Musikstücke können in Windeseile aufgefunden werden - das war bis jetzt nicht möglich.

4 Historische Entwicklung

In den 1970er-Jahren kam die Idee auf, Musiksignale über Telefonleitungen zu übertragen, gleichzeitig wollte man die Sprachqualität von Telefongesprächen verbessern. Eine sehr effektive Methode für die Komprimierung von Audiosignalen wurde Ende der Siebzigerjahre aktuell: das psychoakustische Modell. Unter Ausnutzung der Beschränkung des menschlichen Gehörs bedient sich MP3 solcher psychoakustischer Effekte. Erstmals wurde ein psychoakustischer Algorithmus im Jahre 1979 von Manfred R. Schröder und M. A. Krasner am AT&T-Bell Laboratorium in Murray Hill (USA) vorgeschlagen. Manfred R. Schröder beeinflusste mit seiner Arbeit die weitere Entwicklung im Bereich der Akustik und Audiodatenkompression. Einige Jahre zuvor begann D. Seitzer (Erlangen, Deutschland) sich mit der Übertragung von Signalen über Telefonleitungen zu beschäftigen. Er bildete ein Team zur Entwicklung von Codecs für Audiodaten, was als Beginn der Entwicklung von MP3 gesehen werden kann. Ein Mitwirkender dieses Teams war Karlheinz Brandenburg, der später als Erfinder oder "Vater des MP3-Formats" gelten sollte.^[20] Brandenburg, geboren 1954,^[21] studierte an der Universität Erlangen-Nürnberg Elektrotechnik und Mathematik, wo er bereits als Student an der Mitentwicklung von psychoakustischen Kompressionsalgorithmen beteiligt war.

Ein unmittelbarer Vorgänger des MP3-Algorithmus war der Codec OCF ("Optimum Coding in the Frequency Domain"), mit welchem sich Brandenburg 1989 in seiner Doktorarbeit befasste. Brandenburg schrieb:

"Im Jahr 1988 war OCF ein wichtiger Meilenstein: Denn OCF realisierte die Vision aus den siebziger Jahren, Musik über Telefonleitungen zu übertragen. Erstmals konnten wir Musik in guter Qualität bei 64 kbit/s für ein Monosignal komprimieren. Mit OCF starteten wir dann in die MPEG-Standardisierung."^[22]

Bei der Standardisierung durch MPEG ("Moving Picture Experts Group") handelt es sich um eine 1988 gegründete Expertengruppe, die sich mit der Standardisierung von Kompression, Dekompression, Verarbeitung und digitaler Darstellung von Video, Audio und deren Kombination beschäftigt.^[23] Die Gruppe war für MP3 von Anfang an wichtig, da sie Audioformate ausführlich testete, diskutierte und bei ausreichender Qualität zuließ und standardisierte. Die MPEG bildete sich einst aus Ingenieuren vom Fraunhofer IIS, AT&T-Bell Labs (USA), Thomson-Brandt, CCETT und anderen; mittlerweile besteht sie aus 350 Teilnehmern aus 200 verschiedenen Unternehmen und Organisationen, die sich mehrmals pro Jahr zu Meetings treffen.^[24]

1989 wurde als Weiterentwicklung von OCT ein neueres und leistungsfähigeres Audiocodierungsverfahren namens ASPEC ("Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding") bei der MPEG als Audiostandard vorgeschlagen. Gleichzeitig schlug Philips (Niederlande) gemeinsam mit CC PTT (Frankreich) und dem Institut für Rundfunktechnik (Deutschland) einen ähnlichen, aber einfacheren, Kompressionsalgorithmus namens Musicam vor. Die MPEG gründete aus den beiden Codecs schließlich eine Familie dreier Kompressionsalgorithmen: MPEG-1 Audio Layer 1, 2 und 3. Layer 1 verwendete einen einfachen Musicam-Algorithmus, Layer 2 den optimierten Musicam-Code und Layer 3 basierte auf ASPEC. Die Reihenfolge war nach Komplexität geordnet; Audio Layer 3 besaß mit der höchsten Komplexität die beste Klangqualität. MPEG-1 Audio Layer 2 (auch bekannt als MP2) wurde großteils durch MP3 abgelöst, wird aber in der digitalen Rundfunktechnik noch als Standard verwendet.

Eine Gruppe von Ingenieuren - darunter auch Karlheinz Brandenburg - erschuf in den Folgejahren MP3, indem sie ASPEC, Layer 2 und einige neue Ideen miteinander verknüpfte. Das neue Format MP3 (spezifiziert als MPEG-1 Audio Layer 3) wurde 1991 anerkannt und schließlich 1992 ein Teil von MPEG-1, der ersten Standard-Suite von MPEG. 1993 wurde MPEG-1 von der ISO/IEC als internationaler Standard eingeführt. MP3 war geboren.

Einige weitere Entwicklungsschritte in der Geschichte von MP3:

Ab 1992 setzte die MPEG den Kompressionsstandard MPEG-1 für Video-CDs ein.

1994 veröffentlichte Fraunhofer den ersten softwaretechnischen MP3-Encoder namens l3enc, gleichzeitig entwickelt Micronas den ersten MP3-Decodierchip.

Nach einer eindeutigen Abstimmung bekam MP3 im Juli 1995 seinen Namen und löste die Dateinamenerweiterung .bit ab. Entwickelt von Fraunhofer, war im selben Jahr die erste Echtzeit MP3-Abspielsoftware für PCs gratis erhältlich: Winplay3^[25]. Im Gegensatz zur heutigen Zeit musste damals jede MP3-Datei erst dekomprimiert werden, bevor sie angehört werden konnte. Winplay3 war die erste Software, die diesen Zwischenschritt überspringen konnte; MP3-Dateien konnten in "Echtzeit" angehört werden.

Die erste große Musikdistribution von MP3-Dateien im Internet begann Ende 1997^[26], als Michael Robertson das Portal MP3.com eröffnete. MP3 war ein heißes Thema im World Wide Web. Musikliebhaber in der ganzen Welt waren an der neuen Technologie interessiert - nicht zuletzt, als M. Robertson seine MP3-Website eröffnete. Haring schreibt über ihn:

"[...] er war einer der ersten, die das Potenzial erkannten und wussten, dass es die Art, wie Musik verlegt, vermarktet und beworben wird, für immer verändern konnte."^[27]

MP3.com wollte unbekannteren Musikern die Möglichkeit einer öffentlichen Plattform bieten und den Mitgliedern Zugang zu vielfältiger Musik geben. Die Website wurde zum Riesenerfolg und erreichte bis zum Jahr 2000 10 Millionen registrierte Mitglieder.^[28] Im gleichen Jahr entstand die noch heute erfolgreiche Player-Software Winamp, welche den MP3-Boom wiederum beschleunigte.

MP3 ist als offener Standard definiert, Entwicklern steht der Quellcode grundsätzlich frei zur Verfügung, da aber Teile des Standards patentiert und dadurch geschützt sind, müssen mittlerweile Lizenzgebühren entrichtet werden: "Das Fraunhofer-Institut verschickte im September 1998 Briefe an mehrere Entwickler von Encodern und mahnte die Zahlung von Lizenzgebühren an."^[29] Als Reaktion wurde Ende 2000 unter anderem das freie Format Ogg Vorbis entwickelt, ein Audiokompressionsalgorithmus, der bei geringerer Datenmenge eine ähnliche Klangqualität wie MP3 erreichte. Aufgrund der Popularität von MP3 konnte sich Ogg Vorbis jedoch nicht behaupten.^[30] Etliche MP3-Player waren schon auf dem Markt und Abspielsoftware für Computer stand kostenfrei zur Verfügung. Bereits ein Jahr zuvor war "mp3" der in Suchmaschinen am meisten eingegebene Begriff im World Wide Web.^[31] Unterstützt wurde die schnelle Verbreitung von MP3 sicherlich durch andere technologische Entwicklungen. Ohne die weite Verbreitung von Computern und Soundkarten, die leistungsstark genug waren, um Decodier-Software laufen zu lassen, und ein genügend schnelles Internet wäre ein derartiger MP3-Boom nie ins Rollen gekommen. Auch die Leistbarkeit von CD-Brenngeräten und CD-Rohlingen hat durchaus dazu beigetragen.

"In short, MPEG Layer-3 had the luck to be the right technology available at the right time."^[32]

Mit dem Entstehen des ersten Filesharing-Netzwerks wurde schnell klar, was dieses digitale Audio-Medium für Auswirkungen hat. Im Jahr 1999 entstand Napster, das erste Peer-To-Peer-Netzwerk. Napster sollte den Austausch von MP3-Musikdateien erleichtern (was es in der Tat erreichte). Es ermöglichte den direkten Datenaustausch zwischen Computern, die am Internet angeschlossen waren. Jeder Benutzer stellte freiwillig seine (Musik-)Dateien zur Verfügung, gleichzeitig konnte er auf alle Dateien der anderen Benutzer zugreifen und diese herunterladen. Die Liste aller aus dem Netzwerk ladbaren Dateien wurde dabei auf einem zentralen Server gespeichert, und auf diesem für alle durchsuchbar. Aufgrund der Einfachheit und der vermeintlichen Anonymität - im Gegensatz zu MP3.com musste man sich nicht anmelden - wurde Napster bald zur Hauptquelle (eine meist illegale Bezugsquelle) von Musik aus dem Internet, was auch bald die Aufmerksamkeit der Musikfirmen auf sich zog. Alves und Michael schreiben:

"[...] At the same time, it became apparent to MP3.com that a new business strategy was needed for them [the record industry] to gain a larger share of the online music market, or risk failure."^[33]

Im Februar 2001 wurde Napster schließlich aus Copyright-Gründen abgeschaltet. Zu dieser Zeit hatte der Netzwerkdienst circa 80 Millionen Nutzer weltweit.^[34]

Weitere Auswirkungen und Entwicklungen werden in den nächsten Kapiteln behandelt.

[...]

^[1] Moving Picture Experts Group Phase 1 Audio Layer 3

^[2] Autor des Buchs "MP3 - The Definitive Guide", O'Reilly 2000

^[3] NOMAD I war der erste MP3-Player der Firma Creative Labs. Siehe: Hacker, Scot (2000). S 223 f

^[4] http://www.itfacts.biz/music-consumption-statistics/10786, 16.07.2009

^[5] Thomson AG, http://www.mp3licensing.com/mp3/history.html, 14.07.2009

^[6] Streaming (aus dem englischen "data streams" - Datenströme) bezeichnet schon während des Empfangens wiedergegebene Daten aus dem Internet. Meist sind dies Audio- oder Videodaten. Siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Streaming_Media, 16.07.2009

^[7] Ein Podcast (zusammengesetzt aus "iPod" und "Casting") ist eine Serie von Audio oder Videodateien, die in regelmäßigen Abständen per Download zur Verfügung gestellt werden. Siehe: http://en.wikipedia.org/wiki/Podcast, 16.07.2009

^[8] Laut einer Studie der NPD Group vom 17. März 2009, http://www.npd.com/press/releases/press_090317a.html, 16.07.2009

^[9] Es gibt grundsätzlich zwei Typen der Datenkompression: die verlustlose ("lossless data compression") und die verlustbehaftete ("lossy data compression") Datenkompression. Der Vorteil verlustbehafteter Codierungsverfahren ist unter Ausnutzung psychoakustischer Phänomene die Ermöglichung wesentlich höherer Kompressionsraten. Siehe: http://audio.uni-lueneburg.de/seminarwebseiten/audiobearbeitung/index.php, 18.07.2009

^[10] Diese Tatsache ist mit entsprechender Software (MP3-Encoder) am eigenen Computer leicht nachzuprüfen. Eine weit verbreitete Software, die den Frauenhofer-MP3-Encoder verwendet ist iTunes. Importiert man einen CD-Titel zuerst unkomprimiert und danach auf eine entsprechende MP3-Bit-Rate komprimiert, so kann man im Vergleich der beiden Dateigrößen den Unterschied feststellen.

^[11] Haring, B. (2002). S 38

^[12] Näheres dazu im Kapitel 5

^[13] ZIP ist ein verlustfreier Kompressionsalgorithmus zur allgemeinen Datenkomprimierung.

^[14] Siehe Glossar

^[15] http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG, 06.08.2009

^[16] ISO: Internationale Organisation für Standardisierung, IEC: Internationale Elektrotechnische Kommission

^[17] Munsen, J. (2000). S 48

^[18] Vgl. Kapitel 4

^[19] Metadaten sind Daten über andere Daten. Im Fall von MP3 sind Metadaten Informationen über den Inhalt der Audiodatei, die der Datei selbst angehängt werden. Siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Metadaten, 16.07.2009

^[20] Senftl, C. (2004). S 29

^[21] http://de.wikipedia.org/wiki/Karlheinz_Brandenburg, 18.07.2009

^[22] http://www.iis.fraunhofer.de/bf/amm/products/mp3/mp3history/mp3history01.jsp, 18.07.2009

^[23] Vgl. offizielle MPEG-Website: http://www.chiariglione.org/mpeg/who_we_are.htm, 18.07.2009

^[24] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG, 18.07.2009

^[25] Siehe: http://en.wikipedia.org/wiki/Winplay3, 21.07.2009

^[26] Siehe: http://www.seattlepi.com/archives/1999/9902100013.asp, 21.07.2009

^[27] Haring, B. (2002). S 10

^[28] Alves, K., Michael, K. (2005).

^[29] Haring, B. (2002). S 38

^[30] Das freie Format Ogg Vorbis wird heute beispielsweise in einigen Computerspielen verwendet, deren Budget für lizenzierte Formate nicht ausreicht. Außerdem ist es die Grundlage der Mediendateien auf commons.wikimedia.org (dem Multimediaprojekt von Wikipedia).

^[31] Munsen, J. (2000). S 48

^[32] Brandenburg, K., Popp, H. (2000). S 2

^[33] Alves, K., Michael, K. (2005). S 3

^[34] Siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Napster, 22.07.2009