Überblick/Chronologie

MPEG steht für Motion Picture Experts Group der ISO/IEC, die einen Standard zur Datenreduktion für digitale Bilder, Audio- und Videodateien entwickelt hat. Die Gruppe entstand 1988, der erste entwickelte Standard war MPEG-1 (1991), auf dem etwa das platzsparende Speichern von Videos auf CD und das bekannte MP3 basieren, der Standard für Audio- Formate (Datenkompression für Musikstücke, vgl. Quelle 1).
MPEG-2, entstanden 1994, war ausschlaggebbend für die Entwicklung des digitalen Fernsehens (Video- und Tonformate können in Fernsehqualität wiedergegeben werden, es kommt auch für DVDs und DVB zum Einsatz). 1998/99 folgte eine Erweiterung von MPEG-2, das in zwei weiteren Versionen erschien. Es gab kein eigenes MPEG-3-Format, dieses wurde ursprünglich für das hochauflösende Fernsehen HDTV gedacht, es reichte aber, MPEG-2 zu erweitern. (Vgl. Quelle 2)

Bereits 1993 wurde an MPEG-4 gearbeitet, es verbesserte die Kompression von Videos weiter; MPEG-7 wurde für die Beschreibung und Analyse von Multimedia- und audiovisuellen Inhalten verwendet. Schließlich gibt es noch MPEG-21 (ein sogenanntes "Multimedia Framework"), dessen Entwicklung im Jahr 2000 begann.


Das Verfahren

Weil Videos, die auf dem PC wiedergegeben werden sollen, sehr große Datenmengen beanspruchen (es müssen mindestens 25 Bilder pro Sekunde dargestellt werden für eine angemessene Wiedergabe, (vgl. Quelle 1), bedient sich MPEG eines Reduktionsverfahrens, das diese Menge auf etwa ein Zehntel verringert.
Das Verfahren macht sich dabei die Erkenntnisse aus der Wahrnehmungsphysiologie des Menschen zu Nutze.

Bei einer Videokompression etwa wird nicht jeder einzelne Pixel eines jeden Bildes des Films gespeichert. Nicht alle 25 Bilder pro Sekunde werden gespeichert, sondern z.B. zwei, sogenannte "Intra-Frames"; in einem Abstand von zwölf Bildern speichert MPEG solche I-Frames, die Bilder dazwischen werden, um die Datenmenge zu reduzieren, nicht komplett gespeichert, "vielmehr speichert z.B. MPEG, wie man sie durch Verschieben von Teilen aus vorangehenden oder nachfolgenden Bildern zurückgewinnen kann. Dazu werden vorausschauende "Predicted Frames" und "B-Frames" (Bi-directionale Frame) verwendet. Das klappt nie perfekt, sodass zusätzlich pro Bild die verbleibende Abweichung JPEG-kodiert wird" (zit. n. Quelle 4). Es wird also nur die Veränderung zum vorangegangenen Bild gespeichert.

Siehe dazu auch Quelle 3 mit einer Grafik!

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Kurz zu MPEG 4

MPEG-4 sollte Übertragungsraten unter 64 kbit/s ermöglichen und damit vor allem z.B. für Videokonferenzen und Streaming Video und Webcams zum Einsatz kommen, wurde aber erweitert auf Video- und Audiodateien.
"Allerdings geht es bei diesem Standard weniger um eine qualitativ hochwertige Komprimierung für die Videobearbeitung, sondern mehr um die Analyse des Bildinhaltes auf Bild- und Tonobjekte, um diese gegebenenfalls auch voneinander getrennt zu verarbeiten. Dazu wird das Bild in statische und bewegte Elemente sowie einzelne räumliche Ebenen aufgelöst, die darin enthaltenen Objekte auf getrennten Kanälen digital verarbeitet und mit Hilfe der schon bekannten MPEG-Komprimierungstechniken zeitgleich übertragen" (zit. n. Quelle 3)

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Die Audiokompression soll anhand des MP3-Formates (MPEG 1 Audio Layer 3) dargestellt werden, das 1987 am Fraunhofer-Institut in Erlangen entwickelt wurde. Es handelt sich dabei um ein verlustbehaftetes Verfahren, weil die originalen Töne nach dem Komprimieren nicht mehr rekonstruiert werden können (vgl. Quelle 5). Das Audiosignal wird beim Layer 3 in 32 Subbänder zerlegt, die bei der MP3-Codierung auf die möglichen zu reduzierenden Frequenzen untersucht werden. Das Format nutzt hierbei die Tatsache aus, dass das menschliche Ohr bestimmte Frequenzen nicht mehr wahrnehmen kann, diese werden dann (z.B. bei der Aufnahme von Musikstücken) reduziert bzw. komprimiert. Die Qualität der Datei leidet so bei verlustbehafteten Verfahren, wenn sie dekomprimiert und anschließend wieder komprimiert wird.

Je nach der Qualität, die für die zu komprimierenden Signale gewählt werden, reichen die Kompressionsraten von 32 kBit/sek bis 320 kBit/sek. Ein CD-Titel kann je nach Bitrate und Auflösung so nur 3-5 MB der Festplatte beanspruchen, im WAVE-Format dagegen 40 MB (nach
Quelle 6). Bitrate meint die Abtastrate, mit der die originale Audio-Datei digitalisiert wird. Für eine CD wird für gewöhnlich eine Bitrate von 128 kBit/sek. gewählt.

Um MP3-Audioformate lesen zu können, gibt es eigene MP3 Player; verschiedene Hifi-Geräte wie bestimmte DVD-Player können dies ebenfalls. Programme, die das Abspielen von MP3-Audioformaten ermöglichen, sind beispielsweise der Windows Media Player und WinAMP. Mit FreeRIP MP3 und dem Xing MP3 Encoder können MP3-Dateien erstellt sowie Dateien im WAV-Format in jene umgewandelt werden.

Verwendung findet MP3 vor allem bei Musiktauschbörsen; besonders bekannt geworden ist es wohl durch die Internettauschbörse Napster.

Wer vertiefende technische Informationen zum Verfahren des Layer 1 bis 3, findet sie hier.


Schutz durch digitale Wasserzeichen

Um die Urheberrechte eines Werks zu schützen, gibt es für digitale Daten Watermarking-Verfahren, um das Werk eines Autors zu signieren und seine Rechte zu sichern. Digitale Wasserzeichen (sie müssen ID, Seriennummer oder ein Copyright-Vermerk haben) müssen so in die jeweiligen Daten eingebettet werden, dass ein widerrechtlicher Anwender diese nicht bemerkt. Steganographische Verfahren werden häufig dazu benutzt. Beispiele für Verfahren: Eikonamark zum Schutz digitaler Bilder; SysCoP 1.2, es baut Wasserzeichen in MPEG-1 und - 2 - Dateien sowie GIF-Bildern ein. Dazu teilt es, ähnlich der JPEG-Kompression, ein Bild in 8x8 Pixel große Blöcke, die Informationen werden in den mittleren Frequenzbereich verschlüsselt eingewoben (Siehe Quelle 7). Wichtig ist, dass die eingebetteten Informationen gegenüber starken Kompressionen unempfindlich sind (bei verlustbehafteten Vefahren wie JPEG oder MPEG). Es gibt bereits einige Produkte für verschiedene Dateiformate auf dem Markt. Eine kurze Übersicht findet sich hier.

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Quellen

Quelle 1 http://www.dascomputerlexikon.de/lexikon/m07.htm#MP32 aufgerufen am 09.01.05

Quelle 2 http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG aufgerufen am 09.01.05

Quelle 3 http://www.camgaroo.de/modules.php?name=News&file=article&sid=92 aufgerufen am 11.01.05

Quelle 4 http://www.glossar.de/glossar/1frame.htm?http://www.glossar.de/glossar/z_videokompression.htmaufgerufen am 11.01.05

Quelle 5 http://goethe.ira.uka.de/seminare/redundanz/vortrag14/ aufgerufen am 09.01.05

Quelle 6
http://www.computerhilfen.de/magazin_wasist_mpeg.php3 aufgerufen am 11.01.05

Quelle 7 http://www.web-media.at/24396.htm aufgerufen am 12.01.05

Quelle 8 http://www.chiariglione.org/mpeg/index.htm aufgerufen am 09.01.05

Quelle 9 http://www.fh-jena.de/contrib/fb/et/personal/ansorg/mp3/mp3_2_res.htm aufgerufen am 12.01.05

Mpeg ist wirklich ein sehr interessanter Bereich der Datenkompression. Du hast das Thema super beschrieben und durch deinen Weblog bekommt man einen kleinen Einblick in diese Thematik. Wenn du Lust hast, das ganze mal von der praktischen Seite anzuschaun, klick dich in meinen Weblog.
Auch deine Verbindung zu mpeg1...-Dateien als Copyright-Träger finde ich sehr interessant!
Also: Gute Arbeit geleistet :-)
Lg Vivienne Kaier