1. Allgemeines zur Datenkompression
2. Anwendungsbereiche
3. Arten
4. Speziell: Audio-Komprimierung
4.1. Möglichkeiten zur Komprimierung von Audio-Dateien (verlustbehaftet)
4.2. MPEG-Komprimierung

1. Allgemeines:

Unter Datenkompression versteht man das Verfahren zur Reduktion des Speicherbedarfs von verschiedenen Daten oder der benötigten Bandbreite zum Übertragen der Daten. Ziel ist es, eine Datenmenge bei gleichbleibendem Informationsgehalt zu reduzieren.
Dies erfolgt, indem man Redundanzen entfernt (physikalische Kompression) oder immer wiederkehrende Datensequenzen allgemein abgespeichert werden (logische Kompression). Weiters kann man (meist nicht oder nur schwer feststellbare) "Kürzungen" des Informationsgehaltes vornehmen.

2. Anwendungsbereiche

a) Bilder

Aus dem ursprünglichen Datensatz werden Daten entfernt, deren Verlust fast nicht wahrnehmbar ist oder welche komplett rekonstruierbar sind.
zB jpeg, gif, png....

b) Audio-Dateien

Vor allem durch das Internet wurde Datenkompression zu einem grossen Thema. Diverse Musiktauschbörsen nützen mp3s, um die schnelle Übertragung von Musikdateien zu erlangen.

zB: WMA, mp2, mp3, DTS, ....

c)Video-Dateien

Hierbei werden irrelevante und redundante Informationen entfernt, die Ähnlichkeit der aufeinanderfolgenden Bilder wird weitgehend ausgenützt.
zB: MPEG

3. Arten

a) Verlustfreie Kompression

° Dabei ist es möglich, ursprüngliche Daten aus den komprimierten Daten wieder vollständig herzustellen. Die Kompressionsraten liegt dabei bei 2:1 bis 50:1.
Bei Audiodateien wird die verlustfreie Kompression sehr selten verwendet.
Die verlustfreie Datenreduktion ist besonders an die typische Datenstruktur von Audiodateien angepasst.

b) Verlustbehaftete Komprimierungsmethoden

° Diese Art der Kompression wird bei Audio-Files bei weitem öfter verwendet als die Verlustfreie.
Nach der Rekonstruierung erhält man einen Datensatz, welcher den Ausgangsdaten zwar ähnlich ist, jedoch nicht exakt übereinstimmt. Damit man den Unterschied nicht merkt, werden physiologische und wahrnehmungspsychologische Eigenschaften des Menschen (zB Augen, Ohren) ausgenützt.
Bei dieser Methode liegen die Komprimierungsraten bei etwa 50:1 bis 100:1.

4. Speziell: Audio-Komprimierung

Die älteste Methode der Audio-Kompression ist Mpeg Audio Layer 1. Inzwischen wurde diese abgelöst von div. anderen wie zB Mpeg2 und 3 (fast gleich), mpeg4...

Komprimierungsraten im Vergleich:
Layer I 3:1 - 11:1
Layer II 6:1 - 22:1
Layer III 11:1 - 176:1

4.1. Möglichkeiten zur Komprimierung von Audio-Dateien (verlustbehaftet)

a) Reduzierung der Samplerrate

Eigenschaften: sehr einfach, kann gemeinsam mit anderen Verfahren angewandt werden.
Funktionsweise: Der Obertongehalt des Ursprungssignales wird beschnitten, wobei bis auf 4 kHz reduziert wird.

b) Reduzierung der Auflösung

Eigentlich ist damit eine Reduktion bis auf 1 bit möglich, aber es können sehr große Quantisierungsfehler passieren.

c) Reduzierung der Anzahl der Kanäle

Wird oft bei Musik angewandt, bei reinen Sprachsignalen schon selbstverständlich.

.... und noch andere einfachere Methoden

4.2. MPEG-Komprimierung

Da man versucht, zukünftige Entwicklungen der Komprimierungsverfahren offen zu lassen, wurde diese Art nicht standardisiert. Sehr wohl jedoch das eigentliche Datei- oder Streamformat und der Dekoder (für Umwandlung der komprimierten Daten in ein hörbares Audiosignal).

a) Prinzip

Als Grundlage der MPEG-Komprimierung dient das Frequenzgemisch, welches aus einer Menge von Sinustönen entsteht.
Der Frequenzbereich des menschlichen Gehörs liegt zwischen 20 Hz bis ca. 20 kHz (der obere Wert fällt sogar mit dem Alter), der empfindlichste Bereich ist bei ca. 2-4 kHz (vergleiche dazu: Sprachsignale liegen etwa bei 500 Hz bis 2 kHz). Diese Kompressions-Methode beruht auf dem Weglassen einzelner Frequenzen - die beschränkten Möglichkeiten des menschlichen Gehörs werden somit ausgenützt.

b) technische Erklärung

1 - Audiosignal wird in seine Frequenzdarstellung konvertiert
2 - Signal wird auf 32 Subbänder aufgeteilt
3 - Psychoakustische Modelle (Hörschwelle, permanente und temporäre Frequenzverdeckungen) werden verwendet, um die nötige Bit-Anzahl zu berechnen
4 - Signal wird verarbeitet in 32 Bitströme
5 - diese werden aneinandergefügt

c) praktische Anwendung

Wenn ihr mal selbst eine (oder vielleicht viele) Dateien komprimieren wollt/müsst, so könnt ihr das zB mit dem Programm EAC (Exact Audio Copy) tun.
Vorgang: downloaden, entzippen und dann zB wav-Dateien in mp3s umwandeln!

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