MP3 - Alternativen

MP3 gilt schon fast als Inbegriff für datenreduzierte digitale Audiodaten. Allerdings gibt es MP3 mittlerweile schon weit über 10 Jahre, und die Entwicklung ist nicht stehengeblieben. Es gibt heute eine ganze Reihe hochentwickelter Alternativen zu MP3, die im Hörtest fast durchweg besser abschnitten als das "originale" MP3. Hier einen Überblick zu verschaffen, ohne dabei technisch zu sehr in die Tiefe zu gehen, ist das Ziel dieses Specials. Zunächst einige grundsätzliche Informationen zur Technik digitaler Audioaufzeichnung und zu MP3 als "Urvater" der neuen Formate ...

Grundsätzliches zum Verständnis digitaler Audio-Dateien

Musik, wie wir sie hören oder wie sie z.B. vom Plattenspieler oder vom Tonband kommt, ist "analog". D.h. sie besteht aus theoretisch unendlich vielen feinen Schwingungen. Der erste Schritt, um aus analogen Musik-Schwingungen digitale Audiodaten zu produzieren, ist die Digitalisierung. Dazu wird die Schwingung abgegriffen, und zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die Amplitude der Schwingung festgehalten, in Werte, bestehend aus Nullen und Einsen, umgerechnet und gespeichert. Diese digitalisierte Form des Klangs - eine diskrete Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Schwingung - bildet die digitalen Audio-Dateien. Die Qualität dieser Daten hängt im Wesentlichen von zwei Kennwerten ab:

• Die Sampling-Rate sagt aus, wie oft der Klang abgetastet wird, gemessen in kHz. Je höher die Samplingrate, desto besser das digitale Klangergebnis. Bei der Audio-CD beträgt die Samplingrate 44,1 kHz, d.h. in einer Sekunde wird das analoge Signal 44.100-mal abgegriffen.
• Die Quantisierung gibt die Anzahl der Bits pro Sample an und bezeichnet den Wertebereich, den die Amplitude ausmacht. Bei der Audio-CD sind die 16 Bit, d.h. es lassen sich 65.556 unterschiedliche Zustände der Amplitude darstellen. Bei SACD sind dies bereits 24 Bit, was dem 256-fachen entspricht.

Wie man aus diesen Grundlagen bereits unschwer erkennen kann, handelt es sich strenggenommen bei jeder Digitalisierung auch um eine Kompression, nämlich um eine Kompression der analogen Ursprungsdaten. Wenn wir hier im Zusammenhang mit MP3 von Kompression sprechen, so bedeutet dies bezogen auf die o.g. Standard-Werte der Audio-CD eine weitere Komprimierung. Hingegen gehen Techniken wie DVD Audio und SACD den entgegengesetzten Weg und versuchen mit höheren Samplingraten und höherer Quantisierung eine weitaus bessere Klangqualität zu erzeugen. Im Grunde haben wir es also mit unterschiedlichen Audiocodierungsverfahren zu tun, die unterschiedliche Ziele verfolgen, womit wir zunächst zur Technik von MP3 überleiten um dann näher auf die MP3- Alternativen einzugehen ...

Was genau ist eigentlich MP3?

MP3 ist ein Audiocodierungsverfahren, das von Wissenschaftlern am Fraunhofer Institut Erlangen in Zusammenarbeit mit der Universität Erlangen entwickelt wurde. Mittels hochinnovativer Digitaltechnik komprimiert MP3 (Abkürzung für MPEG Audio Layer-3) Audiodaten bis auf ein Zwölftel ihrer Größe - und das nahezu in CD-Qualität und ohne hörbaren Qualitätsverlust. Dabei wird je Minute nur etwa 1 MB Speicherkapazität verbraucht. Zum Vergleich: Eine WAV-Datei benötigt bei vergleichbarer Qualität ca. 10 bis 12 MB Kapazität. Übrigens sollte man in diesem Zusammenhang vielleicht drei Namen erwähnen: Dr. Karlheinz Brandenburg, Bernhard Grill und Harald Popp wurden im Jahr 2000 für ihre herausragende Forschungsleistung - die "Erfindung" von MP3 - für den "Deutschen Zukunftspreis" nominiert. Heute hat MP3 zwar einige Konkurrenten bekommen, doch ist MP3 unbestritten der Defacto-Standard im Internet, wenn es um Musikübertragung geht. Auch im digitalen Rundfunk wird MP3 eingesetzt, so nutzt das US-Unternehmen WorldSpace MP3, um Afrika, Asien und Südamerika per Satellit mit digitalem Rundfunk zu versorgen.

Wie funktioniert MP3?

MP3 macht sich ein Phänomen zunutze, das man der Psychoakustik zuordnet: Der Mensch hört nicht alles, was es zu hören gibt - jedenfalls nicht bewusst. Ausgehend von den Eigenschaften des Gehörs haben die MP3-Erfinder eine wahrnehmungsangepasste Audiocodierung entwickelt. Dabei wird ein Teil der CD-üblichen digitalen Toninformationen schlicht weggelassen. Dies sind Töne, die die meisten Menschen ohnehin nicht (bewusst) wahrnehmen, und solche Anteile der Schallsignale, die für den Klangeindruck unbedeutend sind. So gelang es, ganz erhebliche Mengen an Digitaldaten einzusparen. Erst die Einführung dieser Technik verhalf der Datenreduktion im Musikbereich zum Durchbruch.

Ein entscheidender Faktor für die Musik-Qualität einer MP3-Datei ist die Datenübertragungs-Geschwindigkeit - kurz Bitrate genannt. Die Bitrate wird bei MP3 in Kilobit pro Sekunde gemessen. Je höher die Bitrate, desto höher die Qualität im Ergebnis. Allerdings wird damit auch die zu speichernde Datenmenge größer. Fast alle DVD-Player unterstützen das Feature VBR (Variable Bitrate), mit dem die Datenrate entsprechend der Musik eingestellt wird und so anhängig von der Qualität Speicherplatz eingespart werden kann.

Ein weiterer Faktor ist der verwendete Codec. Als Codec (Codec steht für "Encoder/Decoder") wird das Verfahren bezeichnet, das mittels komplexer Algorithmen die Datenreduzierung bewerkstelligt und bei der Wiedergabe die ursprünglichen Toninformationen wiederherstellt. So gibt es nicht nur den Original-Codec des Fraunhofer Instituts, sondern z.B. auch den sogenannten "Lame-Codec", den man über dieses Link kostenlos downloaden kann. Welcher der Codecs besser klingt, darüber streiten sich die Test-Redakteure so begeistert wie über die Klangqualitäten von Lautsprechern. Und ebenso subjektiv ist das Ergebnis dann auch.

Alternative Komprimierungsverfahren zu MP3

Gerade haben wir uns an MP3 gewöhnt, da tauchen schon andere Audiocoder, d.h. andere Komprimierungsverfahren oder Codecs auf. Die Wichtigsten wollen wir hier kurz vorstellen, wobei wir hier bewusst nicht auf allzuviel technische Details eingehen wollen. Wer tiefer in die Materie einsteigen will, dem seien die Links empfohlen, die wir zu jeder Erklärung aufführen.

AAC

	Das AAC-Logo

Der Codec AAC ("Advanced Audio Coding") wurde bereits 1997 in den MPEG-2-Standard aufgenommen, nachdem das von der ISO/MPEG standardisierte MPEG-2 in den Audiocoder-Standard integriert worden war. Mit der Einführung von MPEG-4 (Video-Formate) wurde AAC dann um sogenannte "MPEG-4-Tools" erweitert. Nicht jede Implementierung von AAC unterstützt jedoch die MPEG-4-Erweiterungen. Deshalb wird teilweise je nach Entwicklungsstand zwischen MPEG-2 AAC" und "MPEG-4 AAC" unterschieden. AAC wurde vom Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelt und von Anfang an als Nachfolger von MP3 propagiert mit dem erklärten Ziel, insbesondere iIm Internet MP3 als Standard abzulösen. Das Hauptziel bei der Entwicklung von AAC bestand darin, eine effiziente Komprimierungsmethode für 5.1-Kanal Surround-Signale einzubinden. Und eben dazu bietet MPEG-2 die ideale Grundlage, denn die dazu erforderlichen Algorithmen sind im MPEG-2-Standard bereits eingearbeitet. Allerdings wurden sie bisher noch von keinem Audioencoder nachhaltig zum Leben erweckt, da sich für den DVD-Tonstandard bekannterweise die Konkurrenten AC3/Dolby Digital und DTS durchgesetzt haben. Dies war jedoch lange nachdem das Fraunhofer Institut MPEG-2 zur Grundlage seines damals neuen Komprimierungsverfahrens ACC auserkoren hatte. AAC komprimiert Musikdaten laut den Spezifikationen vom IIS um den Faktor 16 (zum Vergleich: MP3 komprimiert im Faktor 12) und nutzt dabei erheblich verbesserte Fehlerkorrektur-Algiorithmen bei Samplingraten von 8 bis 96 (!) kHz. Der AAC-Encoder verfügt über eine Reihe interessanter neuer Leistungsmerkmale wie z.B. LTP (Long Term Prediction), PNS (Perceptual Noise Substitution) und TNS (Temporal Noise Shaping), die alle im Wesentlichen das Ziel verfolgen, die Bitrate in feineren Schritten abzusenken und dabei keine oder nur unwesentliche Qualitätsverluste der Musik in Kauf nehmen zu müssen. Mehr zur Technik erfahren Sie unter AAC auf der Website der Fraunhofer Instituts. Übrigens berichtet die Fraunhofer Gesellschaft, dass AAC besonders in Japan auf starkes Interesse stößt. Nahezu alle digitalen Rundfunksender in Japan setzen laut IIS bereits seit 2000 auschließlich AAC als Tonformat ein.

Insbesondere wegen seines Mehrkanal-Potentials (AAC unterstützt bis zu 48 diskrete Kanäle) in Verbindung mit seiner MPEG-4-Video-Fähigkeit könnte AAC noch eine hochinteressante Zukunftsperspektive haben. Dafür spricht auch, dass MPEG-4 AAC von der ISO als Standard-Tonspur für ISO-konforme MP4-Dateien eingesetzt werden soll ist. Der bekannteste AAC-fähige Decoder bzw. Player dürfte z.Zt. (Nov. 2003) wohl der Apple iPod sein.

Ogg Vorbis

	Xiphophorus Helleri ("Schwertträger"), ein Aquarium-Fisch, das Logo des Ogg Vorbis Projektes

Nach allem, was man so hört und liest, scheint sich Ogg Vorbis im Kreis der heute bekannten Audio-Kompressionsformate (Codecs) als die ernstzunehmendste MP3-Alternative zu etablieren. Streng genommen ist das "Ogg" von Ogg Vorbis ein Oberbegriff für eine ganze Serie von freien Multimedia- Formaten, die sich bei der Xiphophorus Foundation in der Entwicklung befinden. Das erste "serienreife" Produkt ist "Vorbis". Der große Vorteil von Vorbis: Es handelt sich hier um einen vollständig offenen und lizenzfreien Encoder/Decoder, der ähnlich wie Linux als Kind der Open Source Gemeinde geboren wurde und alle Vorteile eines Open Source Programmes aufweist. Allein auf die übermächtige Dominanz von MP3 ist es zurückzuführen, dass sich Ogg Vorbis nur langsam - dafür aber stetig - durchsetzt. Nach Angaben von Christopher Montgomery, der 1998 mit der Entwicklung von Ogg Vorbis begann, entwickelt sich die Ogg Vorbis Familie heute bereits schneller als MP3 in seiner Anfangszeit, obgleich MP3 damals keine Konkurrenz hatte. Nach gut achtjähriger Entwicklungsgeschichte präsentiert Xiph.Org heute die Version 1.0 ihres kostenlosen und patentfreien Audio-Codecs. Das Computermagazin C't in der Ausgabe 23 vom 03.11.03 zu Ogg Vorbis: "[Ogg Vorbis] stellt das betagte MP3 in puncto Kodiereffizienz locker in den Schatten ... Kein Wunder also, dass viele Musik- und Open-Source-Fans sehnlich auf Player für das Format warten ... jetzt scheinen sich immer mehr Hardware-Hersteller an das Open-Source-Format heranzuwagen. ... Nahezu jeder gängige Mediaplayer unterstützt mittlerweile Ogg Vorbis nativ oder wenigstens über ein Plug-in - und zwar betriebssystemübergreifend." Beim großen Hörtest der C't Nr. 19 vom 09.09.02 kam Ogg Vorbis in 64 kBit/s und 128 KBit/s nach Wave jeweils auf Platz 2 (getestet wurden Wave, Ogg Vorbis, MP3Pro, WMA, AAC, RealAudio und MP3). Einen recht guten Überblick bietet das Ogg Vorbis FAQ, das es allerdings nur in English gibt. Ebenfalls bei www.vorbis.com zu finden: Programme zum Umwandeln von Ogg Vorbis in MP3.

RealAudio

	Das Logo von RealAudio

Anders als Ogg Vorbis ist RealAudio ein sogenannter proprietärer Codec mit dem RealNetworks und Microsoft den Markt erobern wollen. RealAudio setzt auf HDTV-Videoqualität und Surround-Sound. In der Praxis hat sich RealAudio als Verfahren zur Echtzeit-Übertragung von Audiodaten über das Internet etabliert, das vorwiegend beim Internet-Radio benutzt wird. Möglich wird die Radiofunktion von RealAudio durch seine Streaming-Technologie. Beim Streaming wird die Sound-Datei (Datei-Endungen: ".ram" oder ".ra") schon beim Herunterladen abgespielt und muss nicht - wie bei anderen Verfahren - zuerst heruntergeladen werden, um dann erst abgespielbar zu sein ("Store-and-forward-Prinzip"). Dieses Radiohören wird dann auch "Streamen" genannt. Von RealAudio sind zwei Formate bekannt: "RealAudio 8" und "RealAudio Surround", wobei letzteres eine Erweiterung des Stereo-Formates RealAudio 8 um Surround-Fähigkeiten darstellt, was den Vorteil hat, dass RealAudio Surround abwärtskompatibel zu RealAudio 8 ist. D.h. auch ältere RealPlayer-Versionen spielen "RealAudio-Surround"-Dateien, indem sie sie als RealAudio-8-Dateien identifizieren und unter Verlust der Raumklanginformationen abspielen. Einen zusätzlichen Codec braucht man in diesem Fall nicht. RealAudio8 ist übrigens eine Variante des von der MiniDisc bekannten Komprinierungsverfahrens ATRAC3.

Zur Wiedergabe von RealAudio benötigt man die Software RealPlayer G2 oder den RealOne-Player, die für alle Betriebssystem-Plattformen erhältlich sind. Darüber hinaus braucht man natürlich eine Soundkarte und daran angeschlossen Lautsprecher oder einen Kopfhörer. Download-Möglichkeiten für die Player-Software gibt's auf der deutschen Website von RealNetworks: www.de.real.com. RealAudio ist z.Zt. (Stand Dezember 2003) eine reine Software-Lösung für den heimischen PC, d.h. es gibt keine Player mit integriertem RealAudio-Decoder. RealNetworks (www.real.com) bietet darüber hinaus den RealProducer und die RealJukebox an. Der RealProducer arbeitet als Encoder zur Erstellung von RealAudio- und RealVideo-Dateien. Mit der RealJukebox erhält man zusätzlich die Funktionalität Soundfile-Verwaltungsprogramms, das schlicht und einfach den Umgang mit RealAudio-Dateien am PC vereinfacht.

WMA

Das Logo von Windows Media Audio

"Windows Media Audio", kurz WMA, ist das Standard-Streaming-Media-Format von Mircosoft für Audiodateien unter Windows wird vom Windows MediaPlayer erzeugt, erkennbar an der Dateiendung ".wma". Microsoft propagiert das WMA Format mit dem Hinweis auf die Integration eines Kopierschutzes, der die Urheberrechte von Studios und Interpreten schützen soll. Kern dieses Systems ist das sogenannte Digital-Rights-Management-System (DRM). Wie RealAudio ist auch WMA ein Standard für Echtzeit-Übertragung von Audio und Video im Internet. Viele MP3-Player und übrigens auch die RealPlayer von RealNetworks können WMA-Dateien abspielen.

"Windows Media Audio" (WMA) unterstützt neuerdings auch eine variable Bitrate (VBR), die Variante "WMA Professional" steigert sich in wahre High-End-Regionen und lässt das Kodieren von Quellmaterial mit 24 Bit/96 kHz und digitalen Surround-Sound zu. Dabei schafft es WMA Professional sogar, 5.1 diskrete Kanäle auf 7.1 aufzubohren. Microsoft verwendet allerdings ein proprietäres Format für den so entstandenen Digital-Surround-Sound, was zur Folge hat, dass er nur mit dem Windows Media Player 9 und über eine Mehrkanal-Soundkarte abspielbar ist. Wenn also DVD-Player wie z.B. einige der neueren Pioneer DVD-Player laut Spezifikationen WMA-kompatibel sind, so sollt man sich bezüglich Mehrkanal-Sound keine allzugroßen Hoffnungen machen.

Geradezu audiophile Qualitäten fährt Microsoft mit "WMA Lossless" auf. Diese Variante von WMA bietet einen verlustfreien Codec, d.h. die komprimierten Dateien werden bitgenau rekonstruiert. Der Platzbedarf der Musik wird mit WMA Lossless allerdings lediglich um 50 Prozent reduziert.

Beim o.g. Hörtest der C't kam WMA bei beiden Bitraten ins vordere Mittelfeld, d.h. WMA lag deutlich besser als MP3. Microsoft verteilt zwar alle WMA-Komponenten kostenlos, doch handelt es sich dabei nicht um klassischen Open Source. Dagegen spricht schon das integrierte Digital Rights Management (DRM).

MP3Pro

Das Logo von MP3Pro

Das von Coding Technologies (www.codingtechnoligies.de) entwickelte und von Thomson Multimedia (www.thomson.de) 2001 auf den Markt gebrachte MP3Pro stellt eine Weiterentwicklung des MP3-Codecs dar. Thomson hält einen wesentlichen Teil der MP3 betreffenden Patente, und Coding Technolgies ist eine schwedische Softwareschmiede, die sich unter Mitarbeit einiger Mitarbeiter des Fraunhofer Instituts auf Audiokompressionsverfahren spezialisiert hat. Im Kern soll MP3Pro nicht nur die Tonqualität erhöhen, sondern auch mit verbessserten Komprimierungsraten und mit niedrigeren Bitraten um die 64 kBit/s arbeiten. Bei 64 kBit/s erreicht die Klangqualität von MP3Pro etwa das Niveau, das MP3 bei 128 kBit/s auffährt. Bei den höheren Bitraten weist MP3 bekanntermaßen erhebliche Schwächen auf. Daher empfiehlt sich die Anwendung von MP3Pro insbesondere für Streaming und mobile Nutzung auf tragbaren MP3-Playern mit begrenzter Speicherkapazität.

MP3Pro bedient sich zur Klangverbesserung der so genannten SBR-Technik (Spectral Band Replication). Dabei werden ausgefeilte Algorithmen eingesetzt, so versucht SBR u.a., die bei niedrigen Datenraten verstärkt auftretenden Qualitätsverluste im Hochtonbereich zu kompensieren, indem es Daten "hinzurechnet". Diese Technik wird auch schlicht "Frequenzbanderweiterung" genannt. Dazu werden bereits beim Kodieren die für die spätere Hochrechnung benötigten Parameter im MP3-Bitstrom notiert. Die eigentliche Arbeit des Hochrechnens oder der Rekonstruktion der Höhendaten übernimmt dann die Decoder-Player-Software. Dabei verarbeitet der konventionelle MP3-Dekoder bei 64 kBit/s nach wie vor die für die geringe Bandbreite kodierte Musik (bei 14,5 kHz ist nach oben hin Schluss). Erkennt der MP3Pro-fähige Player hingegen im Bitstrom die Meta-Informationen des MP3Pro-Encoders, so führt er ein Postprozessing durch und rekonstruiert die hochfrequenten Musikdaten-Anteile bis zu 22,05 kHz. Dies funktioniert jedoch nur bis etwa 96 kBit/s einigermaßen vernünftig. Darüber klingen die nachträglich hinzugefügten Frequenzanteile unnatürlich und schrill - so berichtet zumindest die C't in Heft 19 vom 09.09.2002. Das Fazit der C't: "Wer wenig Platz auf der Festplatte hat oder einen MP3Pro-Player hat oder kaufen will, ist mit MP3Pro gut bedient. Zur Archvierung taugt das Format indes nicht, weil es bei keiner Bitrate tatsächliche Transparenz erzeugt."

MP3Pro-Dateien sind trotz SBR abwärtskompatibel zu MP3-Inhalten und MP3-kompatiblen Playern. D.h. alle bestehenden MP3-Dateien können von jedem MP3Pro-fähigen Player dekodiert werden. Auch umgekehrt sind Inhalte im MP3Pro-Format ebenfalls auf jedem traditionellen MP3-Player lauffähig. Um die Qualitäts-Verbesserungen des MP3Pro-Formates zu nutzen, sind allerdings MP3Pro-kompatible Player erforderlich.

Wave

Wave-Dateien - erkennbar an der Datei-Endung ".wav" - gehören strenggenommen nicht in die Reihe der MP3-Konkurrenten. Denn anders als MP3 und die anderen o.g. Codecs verwendet Wave von Haus aus keine Datenkompression. D.h. im Wave-Format werden die Audiodaten als Rohdaten gespeichert und meist nicht komprimiert. Es gibt allerdings auch die Möglichkeit, komprimierte Daten im Wave-Format zu speichern. Wave nutzt meist die von der Audio-CD bekannte Pulse Code Modulation.

Das WAV-Format definiert sich über das von Microsoft für das Betriebssystem Windows standardisierte "Resource Interchange Format" (RIFF), weshalb man mitunter auch auf die Bezeichnung "RIFF WAVE" stößt. WAV-Dateien können von dem im Windows integrierten Windows-Media-Player abgespielt werden. Meist genügt dazu ein Doppelklick auf den Dateinamen im Windows-Explorer. Wer's direkt mal ausprobieren möchte, findet unter www.musichit.de/Wav.htm jede Menge WAV-Files.

Beim großen Hörtest der C't kam Wave übrigens durchweg auf den ersten Platz, was beweist, dass Datenkompression doch nicht ohne hörbare Spuren abläuft.

Hörtest der C't in Heft 19 vom 09.09.2002

Die C't führte im Herbst der Bundestagswahl 2002 einen großen Hörtetst im Internet durch. 3.500 User nahmen Teil und bewerteten das Klangerlebnis von Testdateien der o.g. Audiocodierungs-Formate. Das Ergebnis war eine relativ komplexe Bewertungstabelle, die wir hier in der folgenden Tabelle stark vereinfacht zitieren:

Bitrate	Platz 1	Platz 2	Platz 3	Platz 4	Platz 5	Platz 6	Platz 7
64 kBit/s	Wave	Ogg Vorbis	MP3Pro	WMA	AAC	RealAudio	MP3
128 kBit/s	Wave	Ogg Vorbis	WMA	RealAudio	MP3Pro	MP3	AAC
160 kBit/s	Wave	Ogg Vorbis	AAC	WMA	RealAudio	MP3	MP3Pro

Die Test-Kandidaten hatten die Testdateien in eine Reihenfolge je nach empfundener Klangqualität zu stellen, ohne jedoch zu wissen, mit welchen Codecs die Dateien komprimiert worden waren. Dabei war von vorneherein klar, dass das unkomprimierte Wave-Format auf Platz eins landen würde - und so war es dann auch. Die o.g. Tabelle stellt eine Zusammenfassung der durchschnittlichen Ergebnisse dar.

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Text: Detlev Schnick; letztes Update: 10. Dezember 2003

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