Nicht nur Abspielgeräte, sondern viele weitere technische Anwendungen des MP3-Verfahrens
Am Anfang stand eines der schlimmsten Fehlurteile der Technikgeschichte. Bevor wir der Frage was wurde daraus? nachgehen, wollen wir einen Blick auf die 140-Jahre alte Vorgeschichte werfen. 1861 führte Philipp Reis seinen „sprechenden Draht“ in der Physikalischen Gesellschaft in Frankfurt vor. Professor Johann Poggendorff, Physikpabst und Herausgeber der „Annalen der Physik“, schrie ihn an: Zauberkunststücke, alberne Kindereien, wir sind hier nicht im Taschenspielerklub! Ihr „Telephon“ genanntes Spielzeug mit diesem Gequake und Geschnarre wird nie und nimmer ein Fernverständigungsmittel, Sprachübertragung mit Hilfe von Elektrizität ist unsinnig! Der Selfmademan Reis hatte eine der größten Erfindungen des Jahrhunderts gemacht, musste sich demütigen lassen und als geschlagener, beleidigter Sieger den Saal verlassen.
Die Techniken der Tonspeicherung – eine lange Reihe. Ja, auch der oberste deutsche Physiker kann sich irren! Die Menschen jedenfalls waren seit grauer Vorzeit bestrebt, Bilder festzuhalten, und mit der Technikbegeisterung im 19. Jahrhundert entstand der Wunsch, auch Töne und Musik zu speichern.
Telefon. Das erste Mal konnte Philipp Reis 1861 Töne mit einem Mikrofon aufnehmen und an einen anderen Ort übertragen, aber er konnte sie noch nicht speichern.
Phonograph. 1877 folgte der Amerikaner Thomas Alva Edison mit dem Phonographen, der auf einer zinnfolienbeschichteten Walze Töne speichern und auch wiedergeben konnte.
Bild 1. Warum wollten die Menschen Sprache und Klänge speichern? Ganz einfach: Damit der treue Hund auch nach Herrchens Tod noch „his master´s voice“ hören konnte. Das machte Emil Berliners Erfindung der Schallplatte möglich.
Grammophon. 1887 kam dann der Deutsche Emil Berliner mit seiner wachsbeschichteten Zinnscheibe mit horizontalen Spurrillen, die in seinem Grammophon schon eine viel bessere Wiedergabequalität ermöglichte. Fast 50 Jahre lang lebte die Welt mit den Schelllack- und Vinyl-Schallplatten.
Tonband. Dann im Jahr 1928 erfand der deutsche Ingenieur Fritz Pfleumer (1881-1945) das Tonband, mit dem es 1935 der AEG gelang, das erste Tonbandgerät der Welt, genannt Magnetophon K1, auf den Markt zu bringen. Nun war eine sehr einfache Tonaufnahme möglich. Dem amerikanischen „Joint Intelligence Objectives Committee“, das den Invasionsarmeen 1945 folgte, fiel neben Tausenden von deutschen Erfindungen auch dieses Magnettonband in die Hände, das sie begeisterte, und das sie umgehend kopierten.
Bild 2. Von der Zinnfolienwalze zum MP3-Gerät – 120 Jahre Tonträger-Technik. Die Speicherung von Tönen lag den Menschen offensichtlich sehr am Herzen. Sie speicherten seit 1877. Der Stereobelt war eine intelligente, patentierte Vorstufe zum Walkman. Der PC kann Musik speichern und wiedergeben, aber erst seit Mitte der 1980er, der IBM Personal Computer 286 von 1981 war ein Vorläufer, der auch schon Vorläufer hatte, wie z.B. den Altair 8800 von 1975 oder den Commodore PET von 1977
Kassettenspieler. Der nächste Schritt: Die Compact Cassette, eine kleine Variante der Tonbandgeräte, auch Audio-Kassette oder MC genannt, wurde 1963 von der niederländischen Firma Philips auf der Funkausstellung in West-Berlin vorgestellt und in den Markt eingeführt; Erfinder: der Holländer Lou Ottens. Der Kassettenrekorder war klein, handlich und bot die Möglichkeit, Töne aufzunehmen und wieder abzuspielen. Nachteile aller bisherigen Verfahren: Die Daten wurden analog gespeichert und die Speichermedien wurden im Laufe der Zeit abgenutzt, so dass die Qualität der Aufnahme mit der Zeit sank. 1977 meldete der Deutsche Andreas Pavel seinen „Stereobelt“, eine „körpergebundene Kleinanlage für hochwertige Wiedergabe von Hörereignissen“, zum Patent an. Sony stahl ihm die Idee und kam 1979 mit seinem ersten MC-basierten Walkman namens „TPS-L2“ auf den Markt.
CD-Spieler. Den großen Durchbruch schaffte im Jahre 1981 die Compact Disk CD, vorgestellt auf der Funkausstellung in Berlin, auf der optische Musikdaten erstmals digital abgespeichert und mit Hilfe eines Lasers abgetastet wurden. Durch diesen berührungslosen Abtastvorgang war die CD keinem Verschleiß ausgesetzt, und durch die digitale Speicherung der Daten konnten Musikstücke erstmals in zufrieden stellender Qualitat abgespielt werden. Miterfinder: Lou Ottens von Philips/Niederlande. Der erste Walkman, der CDs lesen konnte, wurde von Sony 1984 unter dem Namen D-50 oder Discman auf den Markt gebracht.
Bild 3. Die größten Pioniere der Tonträgerentwicklung – ein Amerikaner, ein Niederländer, vier Deutsche.
- Henry Edward Roberts gilt als der Erfinder, 1975 baute er den Altair 8800. Der in den Achtziger Jahren von IBM weiter entwickelte Personal Computer verbreitete sich und wurde verbessert. Während die ersten Modelle noch zu schwach waren, um Musik zu verarbeiten, wurde es durch Entwicklung der Soundkarte möglich, auch auf diesem Gerät digital Musik aufzunehmen, abzuspeichern, zu verarbeiten und abzuspielen. Das größte Problem waren jedoch die zu kleinen Massenspeicher für die großen Musik-Datenmengen in guter Qualität, so dass Archivierung und Verbreitung über den Computer unmöglich waren.
MP3. Den großen Durchbruch schaffte man mit der Entwicklung von MP3, das ein Verfahren für die Audiokompression definiert. Zwar fing die Entwicklung dieser verlustbehafteten Audiokompressionstechnik bereits 1982 an, ein großer Schritt vorwärts gelang jedoch erst Ende der Neunziger Jahre, da nun auch die Personal Computer genügend Rechenleistung besaßen, um das rechenintensive Dekodieren einer MP3-Datei durchführen zu können. Einen zusätzlichen Aufschwung brachte auch das Internet, das zu dieser Zeit bereits weit verbreitet war. Nun war es wegen der sehr viel kleineren Datenmengen möglich, Musik über den Computer und das weltweite Internet zu teilen, zu kopieren und zu verbreiten.
Was wurde daraus, wie ging es weiter? Das grundlegende MP3-Verfahren wird auf vielen Feldern angewandt. Speicherung und Übertragung von Musik auf tragbaren Musikabspielgeräten sind nur die eine Seite der Medaille, es gibt noch viel mehr Seiten. Weltweit setzen Unternehmen die Technik in ihre Produkte ein oder bieten neue Dienstleistungen an.
Schon von 1987 an begannen die Erlanger Forscher, das Verfahren für den digitalen Rundfunk einzusetzen. Seit 1995 betreiben 20 Länder das DAB-Rundfunksystem (Digital Audio Broadcasting), 2006 waren es insgesamt 1002 Radiosender, die in dem terrestrischen System die Programme ausstrahlen. DAB-Empfänger sind seit Ende der 1990er im Handel erhältlich. Seit 2007 gibt es die verbesserte Version DAB+. Das digitale System hat gegenüber dem analogen FM (UKW)-System eine Reihe von Vorteilen.
Musiktauschbörsen machten MP3 in der Öffentlichkeit bekannt. Mit spezieller Software ist es möglich, die Musik von Audio-CDs zu extrahieren und in MP3-Dateien auszugeben. Dann können die Dateien mühelos im Internet ausgetauscht werden. Amerikanische Studenten nutzten zuerst diese Möglichkeit und verhalfen auf diese Weise MP3 zu seinem weltweiten Siegeszug.
MP3 löste ein wahres Gründungsfieber aus. Schnell griffen junge Firmen die neue Technik auf. Heute sind viele MP3-Musiktitel im Internet zu finden. MP3 wird aber auch für diverse Software angewandt: So bieten Microsoft, Apple und MusicMatch Programme an, mit denen man Musik im MP3-Format aufnehmen und abspielen kann. MP3 erlaubt die Kompression von Musiksignalen auf ca. 8 % der sonst notwendigen Datenmenge fast ohne hörbare Unterschiede zum Originalsignal. Dadurch kann auf einem Computer zwölfmal soviel Musik gespeichert und Musik über das Internet zwölfmal schneller heruntergeladen werden. Ein Musikstück von drei Minuten Dauer kann so zum Beispiel über ein Modem in zwölf Minuten anstatt in 2,5 Stunden ohne Kompression heruntergeladen werden. Die Möglichkeit, Musik im Internet zu übertragen, führte zu einer Revolution in der Musikindustrie. Physikalische Medien wie Schallplatte, Musikkasette, CD oder DVD-Audio verlieren immer mehr an Bedeutung. Die Unterhaltungsindustrie denkt deshalb verstärkt über den Vertrieb ihrer Produkte über das Internet nach.
Für MP3-Hardware gibt es einen neuen Markt: Immer mehr Firmen entwickeln Abspielgeräte für die komprimierten Audiodaten und fast alle neueren CD/DVD-Geräte unterstützten das Format.
Aus den einst umständlich zu bedienenden und schweren Kassettenrekordern sind heute leichte Audioguides mit MP3-Playern geworden. Das sind die Geräte, die in Museen und Ausstellungen benutzt werden, um den Besuchern herausragende, mit einer Nummer versehene Ausstellungsstücke zu erklären. Der Besucher braucht sich nicht mehr einer Führung anzuschließen, irrt nicht mehr planlos umher und ist nach dem Verlassen des Museums schlauer als vorher.
Einsparung und Flexibilität. Mit MP3 kann man nicht nur Daten einsparen, sondern auch flexibel operieren. Derjenige, der die Tonsequenz kodiert, entscheidet über die Einsparung - will er eine möglichst hohe Qualität, kann er sich für eine Datenrate von bis zu 320 kBit/s entscheiden. Gewöhnlich nehmen wir bei einer Datenrate von 160 kBit/s keine Unterschiede zum Original wahr. Bei der Entscheidung für die passende Datenrate kommt es auf die Sequenz an, die kodiert wird. Für eine Bundestagsrede langt beispielsweise eine recht niedrige Datenrate, Studioaufnahmen eines hundertköpfigen Symphonieorchesters hingegen reicht das nicht.
Doch die Anwendungen von MP3 sind damit noch längst nicht ausgeschöpft: So wird MP3 auch beim digitalen Satellitenrundfunk eingesetzt.
Die Entwicklung geht weiter – MP3 ist nicht der Endpunkt. MP3 hat sich lange Zeit als wichtigstes Audio-Format in der PC-Welt durchgesetzt. Allerdings ist MP3 sicher nicht der Weisheit letzter Schluss.
AC (Advanced Audio Coding), ebenfalls vom Fraunhofer-Institut, gilt als ein weiter entwickeltes, effektiveres Verfahren. Es ist als Nachfolger des MP3-Formats gedacht und erreicht eine bessere Klangqualität als MP3 bei gleichen Bitraten durch eine Ausweitung der Sampling-Frequenzen von 16 bis 48 kHz bei MP3 auf 8 bis 96 kHz bei AAC.
Bild 4. Definitionen: Sampling-Frequenz und Bitrate (Datenrate) spielen für die Speicherung und Wiedergabe von Klängen eine wichtige Rolle.
Bild 4a. Die Definition des Schalldruckpegels
MP3 Surround Sound. Gerade bei anspruchsvoller Musik, die in MP3 codiert und mit ausgereiften Decodierern und Geräten abgespielt wird, fällt auf, dass der Klang nicht den gleichen Anspruch erfüllt wie die Originalaufnahmen. Um Qualitätsverluste auszugleichen, werden neue Standards entwickelt. Abhilfe sollen neben höheren Bitraten auch neue Formate, zum Beispiel das MP3-Surround-Format vom Fraunhofer Instituts schaffen, das die Wiedergabe von Surround-Klang bei geringen Bitraten erlaubt. Es ermöglicht räumlichen Klang ausschließlich über Kopfhörer ohne fünf Lautsprecherboxen. Zugrunde liegt die Überlegung, dass das menschliche Gehirn den räumlichen Klang nur aus zwei Klangquellen - den Ohren - rekonstruieren muss. Man orientiert sich also bei der Entwicklung des Algorithmus an der räumlichen Zuordnung der Klänge im Gehirn. Die neuen Surround-Dateien sind bei gleicher Bitrate nur etwa zehn Prozent größer als herkömmliche MP3-Dateien, dafür aber nur etwa halb so groß wie herkömmlich komprimierte Surround-Formate. MP3 Surround kann auch in Internet-Radios eingesetzt werden, die mit geringem Mehraufwand statt Stereo- nun Multikanal-Musik senden können. Mit Hilfe dieser MP3-Surround-Lösungen kann man vom vollen Surround-Klang profitieren.
Iosono ist der Produktname eines Audiosystems des Fraunhofer-Instituts Ilmenau und stellt das Flaggschiff der Entwicklung dar. Es basiert auf der sog. Wellenfeldsynthese, die zusätzlich sekundäre Klangquellen benutzt, um das originale Klangfeld wiederzuerschaffen (ursprünglich entwickelt in der Delft University of Technology in den 1980ern). Ein spezieller Algorithmus generiert sekundäre Schallwellen, um im Vorführraum möglichst wirklichkeitsgetreu den originalen Klang räumlich abzubilden. Dazu wird eine riesige Anzahl von Lautsprechern (zwischen 80 und 190) „instruiert“, das „Audio-Hologramm“ zu schaffen. Während traditionelle Surround-Systeme den originalen 3D-Sound nur in kleinen Zonen herstellen können, gelingt dem Iosono-System, den Original-Sound im ganzen Raum realistisch darzustellen. Es sind schon diverse Tonstudios, Kinosäle und die Seebühne in Bregenz mit dem aufwändigen Iosono-System ausgerüstet worden.
Ausbügeln der Macken des MP3-Systems. Das Versenden von Musik im Internet erlangt einen zunehmenden Stellenwert. Beim anschließendem Abspielen im MP3-Player stellt man zwischen den einzelnen Tracks winzige Pausen fest, die, besonders bei Konzertmitschnitten, stören können. Einige MP3-Player lassen auch einen ebenfalls winzigen Moment verstreichen, während das folgende Lied gefunden und geladen wird. Hierfür gibt es Abhilfen in Form von PC-Software, sog. Cross-Fader; die lassen das nächste Lied starten, bevor das letzte beendet ist. Ein anderes Verfahren zur lückenlosen Abspielung von MP3-Dateien wird Gapless Playback genannt.
Bild 5. Schematische Darstellung des Audio-Podcasting.
Podcasting. Das zunehmend kommerzielle Angebot ist umfassend. Plattformen wie iTunes bieten große Musikkataloge zum bezahlten Download an, die vom Preis in der Regel unter dem Kauf einer normalen CD liegen. Podcasting bezeichnet das Angebot von Audio- und Video-Mediendateien über das Web. Das Kunstwort setzt sich aus der Markenbezeichnung iPod für einen tragbaren MP3-Spieler und broadcasting zusammen. Ein einzelner Podcast (deutsch: ein Hörstück, genauer Hördatei) ist somit eine Serie von Medienbeiträgen (Episoden), die über einen News Feed automatisch bezogen werden können. Medienunternehmen bieten zum Beispiel Zusammenfassungen ihrer jüngsten Nachrichten-Ausgabe als Podcast zum Abonnement an. So können sich Hörer bequem im Auto, im Zug auf den neuesten Stand bringen. Unternehmen nutzen auch Podcasts zur Selbstdarstellung, für PR-Zwecke und zur Promotion neuer Produkte. Ermöglicht wird all dies durch das kleine Dateiformat MP3 und auch die immer schneller werdenden Breitband-Internetanschlüsse, die auch die Übertragung größerer MP3-Pakete zulassen.
Tagging. MP3-Dateien bieten die Möglichkeit, einzelne Musikstücke mit Überschriften, die Infos enthalten, zu versehen. ID3-Tags, die auf 30 Zeichen beschränkt sind, werden von fast jeder Abspielsoftware erkannt. Es gibt auch komfortablere Tags für Archivierungshilfen und Infos zum Künstler; will man der umfangreichen Dateien auf dem Computer Herr werden, können diese Tags zum intelligenten Suchen benutzt werden. Auflistung nach Interpreten, persönlichen Vorlieben, Erscheinungsjahr etc. sind möglich.
Melodieerkennungs-Technologie. Karlheinz Brandenburg arbeitet mit seinem Fraunhofer-Team an einer Art „Musikempfehlungsmaschine“. Wie oft sucht man im Internet nach einem ganz bestimmten Titel, dessen Melodie man im Kopf hat, wie kommt man an das Musikstück? Die Antwort der Wissenschaftler heißt Query by Humming. Damit kann der Musiktitel aufgrund der gesummten oder gesungenen Melodie erkannt werden. Mit SoundsLike werden die infrage kommenden Musikstücke überprüft und automatisch Musiktitel mit vergleichbarem Klang vorgeschlagen.
Bild 6. Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. h.c. mult. Karlheinz Brandenburg, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau/Thüringen.
Lieber Herr Professor Brandenburg, lieber Datenkompressor, wir sagen Dank für Ihren Ideenreichtum, für Ihre Erfindungen, die unser Leben bereichert haben. Sie haben mit Ihrem Wissen, Ihren Visionen, Ihrer Kreativität und Ihrem Durchhaltevermögen Großes geschaffen. Es war schon eine tolle Idee, Musik in mathematische Formeln zu zerlegen, zu digitalisieren und dann die riesigen Datenmengen auf physikalischem Weg zu komprimieren, zu codieren und wieder zu decodieren, ohne dass uns Unterschiede zum Konzertsaal auffallen. Das Entspannen beim Musikhören, das Erleben von Musik, das uns über den nüchternen und oft harten Alltag hinaushebt, das uns manchmal über den Wolken schweben und unsere Aggressionen abbauen lässt… das alles verdanken wir Ihnen. Weil Ihr Verfahren eine extreme Miniaturisierung der Abspielgeräte mit sich brachte, sind wir für den Musikgenuss nicht auf unsere vier Wände mit den riesigen Lautsprecherboxen angewiesen, sondern wir können beim Stadtbummel bei der Einkehr in ein kleines Restaurant auf den Knopf drücken und Suzanne Vegas A-capella-Song anhören:
I am sitting in the morning at the diner on the corner, I am waiting at the counter for the man to pour the coffee, and he fills it only halfway and before I even argue, he is looking out the window at somebody coming in….
Oder wir können beim Wandern durch die wunderbare Wald- und Seenlandschaft der Mark Brandenburg uns an den Bach´schen Brandenburgischen Konzerten aus der Westentasche erfreuen… dank Ihrer Idee, lieber Karlheinz Brandenburg.
Bildnachweis.
Bild 1: Eigenes Foto 2013. Bild 2: Eigene Collage mit folg. Einzelbildern: eigene Fotos: Schallplatten, Kassette, PC. Aus Wikipedia: Phonograph Urheber Meyers, gemeinfrei; Grammophon Urh Norman Bruderhofer, CC-BY-SA Unported 3.0. Magnetophon Urheber Paul Hermans, CC-BY-SA Unported 3.0; Kassettenspieler Urheber mib18, CC-BY-SA Unported 3.0; CD-Spieler Urheber nicht vermittelbar, CC-BY-SA Unported 3.0; Walkman Urheber "Computer Bild" 10-2010; Discman Urheber Marc Zimmermann CC-BY-SA Unported 3.0; Stereobelt PCMag und viele weitere Fotos im Web; MP3 Urheber Fir0002Flagstaffotos, CC-BY-SA Unported 3.0. Bild 3: aus Wikipedia: Edison, Berliner, gemeinfrei, Schutz abgelaufen; Pfleumer, public domain because imageis the subject of commentary only; Ottens, „Zeit“ online 8-13; Pavel, Website Coisas Esquecidas/Brasilien; Brandenburg, Urheber Christliches Medienmagazin pro, CC-BY-SA Unported 3.0. Bild 4: Diagramm aus Wikipedia, Urheber Mike Toews, CC-BY-SA Unported 3.0. Bild 5: Wikipedia, Urheber Gissi, gemeinfrei. Bild 6: Wikipedia, aus futurezone.at, foto fraunhofer.