October 2020 – Page 11

Audio- und Videokomprimierung erklärt

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Audio- und Videokomprimierung erklärt

audio and video Compression

Wir verwenden die Komprimierung, um die Größe von Dateien zu reduzieren, damit diese schneller geladen werden können und weniger Speicherplatz beanspruchen. Wenn Sie beispielsweise ein Foto aufnehmen, erfasst Ihre Kamera das gesamte Licht, das sie empfangen kann, und sammelt das Bild. Wenn Sie ein Bild im RAW-Format speichern, in dem alle vom Kamerasensor erfassten Lichtdaten gespeichert sind, kann die Bildgröße bis zu 25 MB betragen. (Dies hängt von der Auflösung des Bildes ab. Eine Kamera mit mehr Megapixeln erzeugt ein größeres Bild.)

Audio & Video Compression

Wenn wir diese Dateien einfach in ein soziales Netzwerk hochladen oder auf einer Website veröffentlichen, möchten wir nicht, dass diese Bilddateien so viel Speicherplatz beanspruchen. Eine Fotogalerie mit RAW-Bildern kann Hunderte von Megabyte Speicherplatz beanspruchen. RAW-Formate können von professionellen Fotografen verwendet werden, um während der Bearbeitung eine hohe Bildqualität aufrechtzuerhalten. Sie sind jedoch nicht für den Durchschnittsbürger gedacht.

Stattdessen konvertiert unsere Kamera oder unser Smartphone das Bild in eine JPEG-Datei. JPEG-Dateien sind viel, viel kleiner als RAW-Bilder. Wenn Sie RAW in JPEG konvertieren, werden einige der Bilddaten “weggeworfen”, wodurch eine viel kleinere Datei erstellt wird. Der Konvertierungsprozess verwendet einen Komprimierungsalgorithmus, der für Fotos gut funktioniert und sie trotz Komprimierung ziemlich gut aussehen lässt. Abhängig von der Qualitätseinstellung werden möglicherweise immer noch Komprimierungsartefakte angezeigt.

Beachten Sie, dass verlustbehaftete Formate in der Regel einen Parameter haben, der den Verlustgrad steuert. Beispielsweise hat JPEG eine variable Qualitätseinstellung. Eine schlechte Qualität macht die JPEG-Bilddatei kleiner, aber die Bildqualität ist merklich schlechter. Hier ist ein großartiges Beispiel für ein verlustbehaftetes JPEG – Sie können verschiedene “Komprimierungsartefakte” sehen.

Verlustfreie und verlustbehaftete Formate
Wir nennen RAW ein “verlustfreies” Format, da alle Daten in der Originaldatei erhalten bleiben, während wir JPEG als “verlustbehaftetes” Format bezeichnen, da einige Daten verloren gehen, wenn das Bild in JPEG konvertiert wird. Dies sind jedoch nicht die einzigen verlustbehafteten und verlustfreien Formate.

Bilder: RAW, BMP und PNG sind verlustfreie Bildformate. JPEG und WebP sind verlustbehaftete Bildformate.
Audio: WAV ist eine Containerdatei, die häufig zum Speichern von verlustfreiem Audio verwendet wird, obwohl sie auch verlustbehaftetes Audio enthalten kann. FLAC ist ein verlustfreies Audioformat und MP3 ist ein verlustbehaftetes Audioformat.
Video . Nur wenige verlustfreie Videoformate werden von Verbrauchern häufig verwendet, da Videodateien viel Platz beanspruchen. Gängige Formate wie H.264 und H.265 sind verlustbehaftet. H.264 und H.265 können kleinere Dateien mit höherer Qualität als frühere Generationen von Videocodecs bereitstellen, da sie über einen “intelligenteren” Algorithmus verfügen, der die zu verwerfenden Daten besser auswählt.
Einige dieser verlustfreien Formate bieten auch Komprimierung. Beispielsweise enthält eine WAV-Datei im Allgemeinen unkomprimiertes Audio und nimmt viel Platz ein. Eine FLAC-Datei kann das gleiche verlustfreie Audio wie eine WAV-Datei enthalten, verwendet jedoch die Komprimierung, um eine kleinere Datei zu erstellen. Formate wie FLAC verwerfen keine Daten, sie speichern alle Daten und komprimieren sie intelligent, genau wie ZIP-Dateien. Sie sind jedoch immer noch erheblich größer als MP3-Dateien und werfen viele Daten aus.

Die Konvertierung kann auch zwischen verlustfreien Formaten verlustbehaftet sein. Damit die Konvertierung wirklich verlustfrei ist, müssen die Daten in der Quelldatei in die Zieldatei passen. Beispielsweise unterstützen verlustfreie FLAC-Dateien nur 24-Bit-Audio. Wenn Sie eine WAV-Datei mit 32-Bit-PCM-Audio in FLAC konvertieren würden, müsste der Konvertierungsprozess einige Daten wegwerfen. Der Konvertierungsprozess zwischen einer WAV-Datei mit 24-Bit-PCM-Audio in FLAC ist verlustfrei.

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Was ist verlustfreie Audiokomprimierung?

Was ist verlustfreie Audiokomprimierung?

Lossless audio compression

Sie könnten denken, dass das Wort “verlustfrei” für Audioformate verwendet wird, die keine Komprimierung verwenden. Selbst verlustfreie Audioformate verwenden jedoch die Komprimierung, um die Dateigröße auf einem akzeptablen Niveau zu halten.

Lossless audio compression

Verlustfreie Formate verwenden Komprimierungsalgorithmen, die die Audiodaten beibehalten, sodass der Klang genau dem der Originalquelle entspricht. Dies steht im Gegensatz zu verlustbehafteten Audioformaten wie AAC, MP3 und WMA, die den Ton mithilfe von Algorithmen komprimieren, die Daten verwerfen.

Audiodateien bestehen aus Geräuschen und Stille. Verlustfreie Formate können die Pause auf nahezu Null komprimieren, während alle Audiodaten erhalten bleiben.

Welche verlustfreien Formate werden für digitale Musik verwendet?
Beispiele für beliebte verlustfreie Formate zum Speichern von Musik:

FLAC
Wav
A DAS C.
Verlustfreie WMA

Verlustfreie Formate und musikalische Qualität
Wenn Sie einen verlustfreien Musiktitel vom HD-Musikdienst herunterladen, erwarten Sie Audio in hoher Qualität. Wenn Sie dagegen Musikbänder mit geringer Qualität durch Digitalisieren in verlustfreie Audioformate konvertieren, wird die Klangqualität nicht verbessert.

Können Sie von Lossy zu Lossless konvertieren?
Es ist niemals eine gute Idee, von einem Verlust zum anderen zu wechseln. Ein Song, der bereits in ein verlustbehaftetes Format komprimiert wurde, wird immer so sein. Wenn Sie es in ein verlustfreies Format konvertieren, wird nur Speicherplatz auf Ihrer Festplatte oder Ihrem Mobilgerät verschwendet. Mit dieser Methode können Sie die Qualität eines verlustbehafteten Songs nicht verbessern.

Vorteile der Verwendung des verlustfreien Audioformats
Die Verwendung eines verlustbehafteten Formats wie MP3 ist immer noch die häufigste Methode zum Speichern von Musiksammlungen. Der Aufbau einer verlustfreien Musikbibliothek bietet jedoch klare Vorteile.

Perfekte Musik-CD-Sicherung
Durch die verlustfreie Kopie von Audiodateien erhalten Sie eine etwas genaue Kopie der Original-Musik-CD. Dies bedeutet, dass Sie unabhängig von den zukünftigen Audioformaten immer eine perfekte Kopie des Originals haben.

Verlustfreie Komprimierung – wie es funktioniert

Verlustfreie Komprimierung – wie es funktioniert
Wenn sich die Kopie nicht vom Original unterscheidet.

Lossless compression

Verlustfreie Komprimierung – wie es funktioniert
Wir haben bereits entdeckt, wie Ton digitalisiert wird. Eines der Probleme: Wenn wir es mit hoher Qualität digitalisieren, benötigen wir viele Daten, was große Dateien, einen hohen Speicherplatzverbrauch, teure Flash-Laufwerke und viel Internetverkehr bedeutet. Ich möchte, dass die Dateien kleiner sind.

Lossy Compression and Lossless Compression

Hierfür wird die Komprimierung verwendet – verschiedene Algorithmen, die ihre Magie mit den Daten entfalten, und die Ausgabe sind Daten von einem kleineren Volumen.

Verlustfreie und verlustfreie Komprimierung
Es gibt zwei Haupttypen der Komprimierung: verlustbehaftet und verlustfrei.

Verlustbehaftete Komprimierung bedeutet, dass wir dabei einige Informationen verloren haben. Verlustbehaftete Komprimierungsalgorithmen versuchen sicherzustellen, dass wir nur Daten verlieren, die für uns nicht zu wichtig sind.

Stellen Sie sich vor, dass verlustbehaftete Komprimierung eine kurze Nachzählung einer Lehrplanarbeit ist: Der Schüler ist nicht so wichtig für die Beschreibung der Natur und des Stils des Autors, die Hauptsache ist die Handlung. Die kurze Zählung behielt nur das Wichtige bei, vermittelte es aber viel schneller.

Verlustfreie Komprimierung ist, wenn wir die Größe der Datei reduzieren, ohne an Qualität zu verlieren. Hierfür werden interessante mathematische und Codierungstechniken verwendet. Die Hauptidee ist, dass während der Dekodierung alle Daten an Ort und Stelle bleiben.

Verlustfreie Komprimierungsalgorithmen
Es gibt zwei Hauptoptionen: den Huffman-Algorithmus oder das LZW. LZW wird überall verwendet, ist aber ziemlich schwer zu erklären, nicht intuitiv und erfordert eine vollständige Vorlesung. Es ist viel besser, den Huffman-Algorithmus zu erklären.

Der Huffman-Algorithmus nimmt die Datei, zerlegt sie in Teile, erleichtert die Bedienung und untersucht dann, wie häufig jedes Fragment vorkommt. Der Algorithmus bezeichnet die häufigsten Wörter mit einem kurzen Code und die seltensten mit einem längeren Code. Da die häufigsten Wörter jetzt viel weniger Platz beanspruchen, wird die fertige Datei kleiner.

Es gibt aber auch einen Nachteil: Manchmal müssen Sie diese Wort- und Codezuordnungstabelle direkt in derselben Datei speichern, aber sie kann sich von selbst als groß herausstellen. Am häufigsten wird der Huffman-Algorithmus zur verlustfreien Komprimierung von Text- und Videodateien verwendet.

Hier ein Beispiel: Nehmen Sie das Lied Beyonce – All The Single Ladies. Dort gibt es zwei solche Passagen:

Alle alleinstehenden Frauen

Jetzt nimm deine Hände hoch

…

Wenn es dir gefällt, solltest du einen Ring darauf setzen

Sei nicht böse, wenn du siehst, dass er es will

Wenn es dir gefällt, solltest du einen Ring darauf setzen

Hier sind 281 Zeichen. Wir sehen, dass einige Zeilen wiederholt werden. Codieren wir sie:

KOMPRESSIONSTABELLE

\ a \ Alleinerziehende Frauen

\ b \ Jetzt heb deine Hände hoch

\ c \ Wenn es dir gefällt, solltest du einen Ring darauf setzen

\ d \ Sei nicht böse, wenn du siehst, dass er es will

SONG TEXT

\ a \ \ a \ \ a \ \ b \

…

\ c \ \ c \ \ d \ \ c \

Zusammen mit der Komprimierungstabelle belegt dieser Text jetzt 187 Zeichen. Wir haben den Text um fast ein Drittel komprimiert, da er ziemlich eintönig ist.

Verlustfreie Komprimierung am Beispiel von Audio
Im Durchschnitt benötigt eine Minute unkomprimiertes Audio 10 Megabyte. Das ist ziemlich viel: Wenn Sie beispielsweise eine einstündige Aufnahme eines Konzerts haben, nimmt dies ein halbes Gigabyte in Anspruch. Auf der anderen Seite erfasst diese Aufnahme alle Nuancen des Klangs, es gibt viele hohe Frequenzen und Schönheit im Allgemeinen.

In solchen Situationen wird eine verlustfreie Komprimierung verwendet: Sie verkleinert die Datei um das 2- bis 3-fache, ohne den Ton zu verzerren. Die Algorithmen, die das Audio komprimieren, werden als Codecs bezeichnet. FLAC und Apple Lossless sind zwei beliebte verlustfreie Audiokomprimierungscodecs.

Vergleichen Sie die Größe und Qualität des zweiminütigen Audios selbst:

Original: unkomprimiertes WAV-Format, 23 Megabyte

Verlustfreie Komprimierung: FLAC-Format mit denselben Parametern wie WAV, 10 Megabyte

Wo sonst wird verlustfreie Komprimierung eingesetzt?
In Aktenschränken. Die Aufgabe von Archivierungsprogrammen besteht darin, ausgewählte Dateien so zu verpacken, dass die Datei so wenig Speicherplatz wie möglich einnimmt, ohne das Innere zu beschädigen. Zum Beispiel könnte die Textversion von “Krieg und Frieden” 4 Megabyte und die archivierte Version 100 Kilobyte 40 Mal weniger sein.

In der Programmierung. Es gibt spezielle Wrapper, die ein gebrauchsfertiges Programm verwenden und den Code so optimieren, dass er weniger Speicherplatz beansprucht, aber seine Funktionalität beibehält. Beispielsweise:

Kommentare löschen
Minimieren Sie Funktions- und Variablennamen
Entfernen Sie die für die Lesbarkeit erforderlichen Zeichen

Verlustfreie Audioformate

Verlustfreie Audioformate

Obwohl herunterladbare Musikdateien und Musik-Streaming Musik-CDs weniger beliebt gemacht haben als zuvor, existieren sie immer noch und bieten eine hervorragende Möglichkeit, Ihre Musiksammlung zu sichern. Wenn Sie Ihre Musik nicht sichern, können Sie sie verlieren, wenn Ihre Festplatte ausfällt. Selbst wenn sich Ihre gesamte Musik auf CDs befindet, sollten Sie Kopien davon erstellen, da CDs zerkratzt werden können.

Lossless vs Lossy

Sie möchten im Katastrophenfall perfekte Kopien aller Ihrer Originale. Vermeiden Sie daher verlustbehaftete Formate wie MP3, die die Qualität Ihrer Aufnahmen beeinträchtigen können. Verwenden Sie verlustfreie Audioformate, wenn Sie Ihre digitale Musikbibliothek auf CD brennen.

Verlustfreie Audioformate codieren und komprimieren Audio verlustfrei, um sicherzustellen, dass Ihre Musik digital perfekt erhalten bleibt.

FLAC (Free Lossless Audio Codec)
Free Lossless Audio Codec (FLAC) ist das beliebteste verlustfreie Codierungsformat. Es ist zunehmend kompatibel mit Hardwaregeräten wie MP3-Playern, Smartphones, Tablets und Home-Entertainment-Systemen. FLAC ist eine Idee der gemeinnützigen Xiph.Org-Stiftung und Open Source. In diesem Format gespeicherte Musik wird in der Regel ohne Qualitätsverlust um 30-50% ihrer ursprünglichen Größe reduziert.

Zu den gängigen Methoden zum Rippen von Audio-CDs auf FLAC gehören Software-Mediaplayer wie Winamp für Windows oder spezielle Dienstprogramme wie Max für Mac-Computer.

Alle wichtigen Betriebssysteme werden von FLAC unterstützt, einschließlich Windows 10, macOS High Sierra und höher, Android 3.1 und höher, iOS 11 und höher sowie die meisten Linux-Distributionen.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec)
Apple hat sein ALAC-Format ursprünglich als proprietäres Projekt entwickelt, es jedoch 2011 als Open Source-Format veröffentlicht. Audio wird mithilfe eines verlustfreien Algorithmus codiert, der im MP4-Container gespeichert ist. Übrigens haben ALAC-Dateien die gleiche Erweiterung .m4a wie AAC, die Namenskonvention kann verwirrend sein.

ALAC ist nicht so beliebt wie FLAC, aber es ist möglicherweise die beste Option, wenn iTunes Ihr bevorzugter Software-Mediaplayer ist und Sie Apple-Hardware wie ein iPhone, einen iPod oder ein iPad verwenden.

Beim Rippen von ALAC-Musik-CDs tritt kein Qualitätsverlust auf. Dies ist daher eine gute Option, wenn Sie die Original-Audio-CDs behalten möchten. Wenn Sie zu irgendeinem Zeitpunkt von ALAC zu einem anderen Format wechseln müssen, tritt auch kein Qualitätsverlust auf.

WMA Lossless (Windows Media Audio Lossless)
Das von Microsoft entwickelte WMA Lossless-Format ist ein proprietäres Format, mit dem Original-Musik-CDs gerippt werden können, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen. Eine typische Audio-CD wird abhängig von mehreren Faktoren zwischen 206 MB und 411 MB komprimiert. Die resultierende Datei, die mit Verwirrung erstellt wird, hat eine WMA-Erweiterung, die mit Dateien im Standard-WMA-Format (verlustbehaftet) identisch ist.

WMA Lossless wird wahrscheinlich von den Formaten in dieser Liste am wenigsten unterstützt, es ist jedoch möglicherweise immer noch das von Ihnen gewählte, insbesondere wenn Sie Windows Media Player verwenden und über ein Hardwaregerät verfügen, das dies unterstützt.

Mono-Audio
Das Monkey-Audioformat ist nicht so kompatibel wie konkurrierende verlustfreie Systeme wie FLAC und ALAC, bietet jedoch im Durchschnitt eine bessere Komprimierung, was zu kleineren Dateigrößen führt. Dies ist kein Open Source-Projekt, aber es kann kostenlos verwendet werden. Dateien, die im Monkey-Audioformat codiert sind, haben die lustige APE-Erweiterung.

Zu den Methoden zum Kopieren von CDs in APE-Dateien gehört das Herunterladen eines Windows-Programms von der offiziellen Website von Monkey’s Audio oder die Verwendung einer eigenständigen CD-Ripping-Software, die Daten in diesem Format generiert.

Während die meisten Software-Mediaplayer keine integrierte Unterstützung für die Wiedergabe von Dateien im Monkey-Audioformat bieten, gibt es eine gute Auswahl an Plugins für Windows Media Player, Foobar2000, Winamp, Media Player Classic und mehr.

WAV (WAVeform-Audioformat)
Das WAV-Format wird bei der Auswahl eines digitalen Audiosystems zum Speichern Ihrer Audio-CDs nicht als ideale Wahl angesehen, ist jedoch eine verlustfreie Option. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass im WAV-Format erstellte Dateien größer sind als andere verlustfreie Formate, da keine Komprimierung verwendet wird.

Wenn Speicherplatz kein Problem darstellt, bietet das WAV-Format eine Reihe von Vorteilen: Es ist weitgehend kompatibel mit Hardware und Software. Das Konvertieren in andere Formate erfordert erheblich weniger CPU-Verarbeitungszeit, da WAV-Dateien bereits entpackt sind und vor dem Konvertieren nicht entpackt werden müssen.