Da ist Musik drin
Drei Zeichen in aller Ohren: Mit dieser E-Mail wurde 1995 der Name .mp3 besiegelt.
Welche Daten braucht das Ohr?
In den 1980er- und 1990er-Jahren war Karlheinz Brandenburg zusammen mit seinem Team vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen auf der Suche nach Verfahren, um Datenmengen zu reduzieren. So sollte es möglich werden, digitalisierte Audiodateien einfacher zu übertragen. Doch auf welche Daten lässt sich überhaupt verzichten? Was kann das menschliche Ohr überhaupt hören – und welche Informationen filtert es sowieso heraus? Um Antworten auf diese Fragen zu finden, arbeitete das Forschungsteam mit den sogenannten goldenen Hörern zusammen – also Menschen mit besonders gutem Gehör.
„Wir stellten fest, dass auf dem Weg bis hin zur Cochlea auch im Gehör schon eine ganze Menge Datenreduktion stattfindet“, erzählt Karlheinz Brandenburg. Grob vereinfacht macht MP3 etwas ganz Ähnliches. Die Forschenden fanden Effekte wie Maskierung in ihren Testreihen: Leise Töne zum Beispiel können von lauten verdeckt werden. Viele solcher psychoakustischen Effekte setzten sie ein, um Datenbits einzusparen. Dazu wird das Audiosignal in eine sogenannte Zeit-Frequenz-Darstellung überführt. Bei MP3 sind es 576 Kanäle, die dann eingehender analysiert werden. Anschließend wird abgeschätzt, welche Signalbestandteile mit welcher minimalen Genauigkeit quantisiert werden dürfen, ohne dass Störungen auftreten. Die restlichen Daten werden mit einem bekannten mathematischen Verfahren, der Huffmann-Codierung, geschickt verpackt.
Aller Anfang ist schmalbandig
Der Antrieb zur Entwicklung von MP3 kam nicht etwa aus der Musikindustrie, sondern aus dem Rundfunk- und Fernmeldebereich. Es ging eigentlich darum, digitalisierte Musik oder Sprache ohne dramatische Qualitätsverluste über schmalbandige Übertragungswege schicken zu können. Der Gründungsdirektor des IIS, Dieter Seitzer, suchte nach Anwendungen für das damals hochmoderne digitale Telefonnetz Integrated Services Digital Network (ISDN). Schnell war dem beauftragten IIS-Kernteam um Karlheinz Brandenburg, Ernst Eberlein, Heinz Gerhäuser, Bernhard Grill, Jürgen Herre und Harald Popp klar, dass sie dafür quasi „die Luft aus der Musik rauslassen“ müssten. Das ist ihnen mit MP3 auch gelungen: Die Audioübertragung von Ereignissen und Konzerten über ISDN gehörte lange Zeit zu den Standardproduktionsmitteln der Rundfunkanstalten. Doch das eigentlich Geniale an MP3 ist die Befreiung der Musik von einem Tonträger wie der Schallplatte, der Musikkassette oder der CD. Musik würde überall verfügbar.
Geniale Idee, oder?
Auf Initiative der GI-Fellows haben Peter Welchering und Manfred Kloiber in den vergangen Jahren geniale Ideen aus der Informatik im deutschsprachigen Raum als Multimedia-Reportagen aufbereitet. Auf ihren Recherchen basiert auch dieser Text. Den ganzen Artikel können Sie hier lesen:
Ein weiter Weg
Der Weg zum endgültigen MP3-Standard führte allerdings über einige Zwischenschritte. Die nächsten Meilensteine waren der LC-ATC-
Algorithmus (Low Complexity Adaptive Transform Coding) und der OCF-Algorithmus (Optimum Coding in the Frequency Domain). Letzterer berücksichtigte schon viele Aspekte von MP3 und ließ eine Datenreduktion von etwa 1 : 12 zu.
Mit OCF startete das IIS 1989 auch seine Beteiligung an der Entwicklung eines neuen Audiostandards für die Moving Picture Experts Group, kurz MPEG. Aus den Entwicklungen für MPEG gingen im Wesentlichen zwei Algorithmen hervor, nämlich ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding) und MUSICAM. Für das ASPEC-Verfahren, quasi der unmittelbare Vorläufer von MP3, baute das IIS 1990 auch Hardware, die im praktischen Einsatz die Machbarkeit der Verfahren unter Beweis stellen sollte. „Um MP3 zu rechnen, musste sie ungefähr 100 Millionen Rechenoperationen pro Sekunde ausführen“, erklärt Bernhard Grill. „Ein Vielfaches von dem, was für die Mondlandung erforderlich war.“
Tatsächlich kamen die Aspec-Geräte beim Rundfunk auch zum Einsatz, nämlich 1992 anlässlich der Olympischen Winterspiele im französischen Albertville. Auf nur einem ISDN-B-Kanal mit 64 Kbit/s konnten so Reportagen kostengünstig übertragen werden. Damit war MP3 zwar im kommerziellen Einsatz, doch der Durchbruch ließ auf sich warten.
Auch die Musikindustrie war zuerst von dem neuen Verfahren nicht zu überzeugen. Denn das Geschäft mit den CDs als Nachfolger der Schallplatten lief prächtig – Innovationen waren eher unerwünscht, zumal es damals auch noch kaum Abspielgeräte für Musik aus Dateien gab. Auch Inhalte selbst waren rar – Musiktitel in MP3 codiert waren schlichtweg noch nicht breit verfügbar.
Disruptive Strategie und Technologie
„Ich kann mich an den Chef einer großen Firma erinnern, der noch 1995 gesagt hat, dass MP3 so kompliziert sei, dass es nie in den Breitenmarkt gehen wird“, sagt Bernhard Grill. Die Erlanger kamen eher aus Geldnot auf eine Idee: Sie brachten einen Shareware-MP3-Encoder und -Decoder auf den Markt. Die Kostenlos-Version war in der Funktion beschränkt, um potenziell Interessierte zum Kauf zu animieren – und wurde schnell gehackt. Filesharing-Plattformen mit illegal kopierter Musik und per MP3 codiert schossen in der Folge aus dem Boden. Sie versetzten nicht nur die Musikindustrie in Angst und Schrecken, sondern auch zahlreiche Eltern, die sich urplötzlich mit Anzeigen der Musikindustrie gegen ihre Kinder wegen Urheberrechtsverletzungen konfrontiert sahen.
„So eine disruptive Technologie – wie man heute sagen würde – wurde auch als Bedrohung wahrgenommen“, meint Bernhard Grill. Die Musikindustrie hat MP3 zunächst ignoriert und später verteufelt. Doch mit dem anfänglichen Desinteresse hat sie sich über lange Zeit selbst geschadet, statt über neue Geschäftsmodelle nachzudenken. Erst die kommerziellen Streamingdienste wie Apple Music oder Spotify haben zwangsweise für ein Umdenken gesorgt. Musik wird heute gestreamt und die Nutzenden zahlen dafür. „MP3 hat nicht nur die Musikindustrie revolutioniert“, ergänzt Karlheinz Brandenburg, „sondern auch unseren Umgang mit Musik.“
Höher, schneller, genauer
MP3 war nicht nur der Startschuss für eine neue Form des Medienkonsums. Es war gleichzeitig auch der Beginn eines anhaltenden und intensiven Entwicklungsprozesses zur Datenreduzierung von Audiosignalen. Mit der einsetzenden Digitalisierung der Mobilfunknetze in den 1990er-Jahren und dem anschließenden Technologiewechsel von leitungsvermittelten Telefonaten hin zur integrierten paketorientierten Übertragung von Daten und Gesprächen in den LTE-Netzen wurden die Anforderungen an die Audio-Kompressionsverfahren immer härter. Zunächst ging es um immer höhere Reduktionsraten, vor allem durch die Konzentration auf reine Sprachübermittlung. Mit dem Durchbruch der Smartphones allerdings bestimmten immer mehr die Anforderungen an die Übertragungstreue sowie Verständlichkeit bei gleichzeitig niedriger Verzögerung (Latenz) die Entwicklungen.
Heute arbeiten die Forschenden des Fraunhofer-Institutes in Erlangen bereits an der vierten Generation von Daten-Reduktionssystemen. Sie gehören auch dank ihrer mit MP3 gewonnenen Erfahrung und Reputation zu den führenden Entwickler*innen weltweit auf diesem Gebiet. „Wir hatten nicht nur den einen Erfolg“, sagt Karlheinz Brandenburg. „Auch unsere neuesten Generationen lassen wieder alte Träume wahr werden.“
