Digitale Audiocodierung, vor allem in Form von MP3s, hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen.

MP3s sind fast jedem, der sich etwas mit der Computer-Welt auskennt ein Begriff. Sie sind die Bezeichnung für ein Kompressionsformat für Audiodaten. MP3s bieten im Vergleich zu den meisten anderen Codecs eine gute Kompressionsrate und trotzdem eine hervorragende Qualität.

Eine typische MP3-komprimierte Audiodatei hat etwa 1/10 der Größe eines entsprechenden unkomprimierten Files. Nicht nur im professionellen Audioverarbeitungsbereich haben MP3s Einzug gefunden; sie zählen zu den im WWW meistgesuchtesten Begriffen und ihre herrvorragenden Klangeigenschaften bei geringer Dateigröße sind einer der Gründe, warum dieses Format als vielseitig einsetzbares Audiospeicherverfahren große Popularität im Internet gefunden hat.

Die hohe Kompressionsrate wird bei der MP3-Codierung hauptsächlich durch einige Eigenschaften des menschlichen Ohres ermöglicht.

Subjektive Wahrnehmung bestimmter Frequenzen, oder dass von zwei aufeinanderfolgenden Tönen bei großem Lautstärkeunterschied nur der stärkere wahrgenommen werden kann, sind beispielsweise Eigenheiten unseres Gehöres, die allgemein unter dem Begriff "Psychoakustik" zusammengefasst werden. Statistisch erfasst, kann durch eine mathematische Darstellung in Tabellen und Formeln daraus ein Modell errechnet werden, das in den Kompressionsalgorithmus einfließt. Dieses sogenannte psychoakustische Modell ist die Basis für jeden MP3-Kompressionsvorgang; die Tabellen sind, in leicht abgeänderter Form in jedem Encoder enthalten.

Wie die Codierung im Detail aussieht und welche Methoden die einzelnen Encoder verwenden, soll in späteren Kapiteln genauer erklärt werden.

Aus dem ursprünglichen Wunsch, Musik über Telefonleitungen zu übertragen, ist nach vielen Jahren der Entwicklung das Kompressionsformat MP3 entstanden. Die Aufgabenstellung hat sich im wesentlichen nicht deutlich verändert, da neben der Speicherkapazität die Online-Übertragung immer noch einer der Hauptgründe für Audiokompression ist. Mit dem Standardformat, in dem Audiodateien vorliegen, kann wegen einem hohen Speicherbedarf eine schnelle Übertragung nicht erreicht werden. Dazu sollte man sich veranschaulichen, welche Datenraten für die Wiedergabe von Audiodateien erforderlich ist. Üblicherweise gelten für komprimierte Audiodaten auf einer Audio-CD

   * eine Samplefrequenz von 44.1 KHz

   * eine Auflösung von 16 Bit in Stereo

Dies bedeutet im Prinzip nichts anderes, als das eine Abtastung eines Signals 44.100 mal pro Sekunde erfolgt, dass das Ergebnis jeder Messung einen 16-Bit-Wert ergibt und dies für zwei Kanäle durchgeführt wird. Hieraus ergibt sich eine Bitrate von 1,4 MBit/s für ein Stereo-Audiosignal. Dazu im Vergleich genügt bei MP3s eine Datenrate von 128 KBit/s zur Übertragung von Musik mit CD-Qualität. Daraus folgt, dass auch die Speicherkapazität wesentlich kompakter ist. Auf einer Audio-CD kommen rund 10 MB auf eine Minute Musik. MP3s in guter Qualität beanspruchen rund 1/10 dieses Speichers - man kann also mit MP3s etwa 10 Stunden Musik auf einer CD unterbringen.

Ihrer Zeit voraus haben erlanger Wissenschaftler an der Friedrich-Alexander-Universität Anfang der 80iger Jahre die Arbeit an der Komprimierung digitalisierter Klänge aufgenommen. Das Ziel bestand darin, ein hochwertiges Kompressionssystem mit niedriger Bitrate zu erstellen, das die Wahrnehmungsschwächen des menschlichen Gehörs ausnutzt. Der Idee der Komprimierung von Audiodateien lag der Wunsch zugrunde, bessere Sprachqualität über Telefonleitungen aus Kupfer zu übertragen. Dies erübrigte sich bald durch die rapide Entwicklung des Glasfasernetzes und neuen Anschlussmöglichkeiten für den Privatbenutzer. Technologien, wie z. B. ISDN und DSL, brachten die Sprachübertragung entscheidend voran. Aufgrund dieser Entwicklung kreierte man neue, visionäre Ansatzpunkte für die Einsatzgebiete der Audiocodierung. Die erlanger Wissenschaftler wollten nicht nur die Übertragung von Sprache sondern auch von Musik via Telefonleitung oder anderer Kanäle, bei denen man besonders sparsam mit der verfügbaren Datenrate umgehen muss, ermöglichen.

Die Verfahren wurden ab 1987 am Fraunhofer-Institut IIS (Institut Integrierte Schaltungen) in Erlangen weiter entwickelt. Nach fast dreijähriger Entwicklung wurde 1989 in Deutschland ein Patent angemeldet und erteilt, und 1992 wurde es von der ISO (International Standards Organisation) akzeptiert und in die Spezifikation der MPEG (Moving Pictures Experts Group), einem Standard für die Video-, Audio- und Systemkomprimierung, integriert. Mit der Unterstützung durch ISO und MPEG wurde die Technologie als Industriestandard zwar bereits akzeptiert, doch der Schlüssel zum Erfolg von MP3 liegt darin, dass der Patentinhaber, das Fraunhofer IIS, anfangs die freie Nutzung der Technologie und Entwicklungen dafür zuließ.

So konnten sowohl unabhängige als auch fest angestellte Entwickler mit Hilfe dieser Spezifikation Software entwickeln. Während die Technologie selbst schon eine ganze Weile zur Verfügung stand, konnten sich MP3s erst mit dem Aufkommen von Codier- und Decodiertools, sowie Abspielgeräten, richtig durchsetzen. Der erste MP3-Player für den PC wurde vom Fraunhofer-Institut IIS im Jahre 1995 unter dem Namen WinPlay3 veröffentlicht.

Die Abkürzung MP3 wird üblicherweise für Audiodateien verwendet, die MPEG-1/MPEG-2 Layer III angehören. MPEG ist nicht ein einziger Standard, sondern der Überbegriff einer Familie, die von der Moving Picture Experts Group definiert worden ist, um zu verhindern, dass viele einzelne zueinander inkompatible Systeme entstehen. MPEG wird in Hauptklassen, MPEG-1, MPEG-2, und MPEG-4 unterteilt, welche jeweils wieder in Subklassen, die als Layer bezeichnet werden, aufgeteilt sind. Jeder Layer ist detaillierter als der jeweils darüber liegende Layer - beispielsweise ist ein Layer III Decoder zweieinhalb mal so komplex wie ein Layer I Decoder.

Die Tatsache, dass MP3 ein ISO-Standard ist, heißt nicht, dass es immer lizenzfrei verwendbar ist. Obwohl die Spezifikation von der MPEG Working Group verwaltet wird, wurde sie nicht von ihr erfunden. Das Fraunhofer-Institut in Deutschland und Thomson Multimedia SA in Frankreich haben ein Patent auf den MP3 Codec bzw. auf die Erstellung eines, dem MP3 Codec entsprechenden Bitstreams. Das Fraunhofer-Institut stellt zwar einen Beispielcode für Entwickler frei zur Verfügung, verlangt allerdings relativ hohe Lizenzgebühren von den Herstellern der MP3-Encoder.

Obwohl die Decodierung nach festgelegten Regeln zu geschehen hat, gibt die MP3-Spezifikation der ISO keine exakten Vorschriften, wie die Encodierung zu geschehen hat. Lediglich Richtlinien, nach denen die Entwickler ein gewisses einheitliches Level, also eine gewisse Struktur zu halten haben, werden vorgegeben, damit sichergestellt ist, dass ein Encoder Dateien produziert, die Plattformunabhängig auf beliebigen Decodern abgespielt werden können.

Die Definition von MP3 liefert nur eine Basis; die einzelnen Modelle und Filterungsverfahren bleiben den Entwicklungen der Softwarehersteller überlassen, um eine möglichst hohe Produktvielfalt auf einem freien Markt zu schaffen. Die Hauptziele der Entwickler sind natürlich Geschwindigkeit und Qualität. Obwohl es zwischen den neuen Decodern fast keinen hörbaren Qualitätsunterschied mehr gibt, sind die Differenzen bei der maximalen Geschwindigkeit und Qualität der Encoder enorm. Höhere Encodierungsgeschwindigkeit bedeutet nicht in allen Fällen geringere Qualität.

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