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backgroundColor: #fff
header: "Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege"
footer: "Michael Czechowski – HdM Stuttgart – WS 2025/26"
title: Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege
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}
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<!-- _class: invert -->

![bg fit](./assets/digital-landscape.png)

---

<!-- _class: lead -->

# Termin 1 – 19.12.2025
## Grundlagen, Text & Audio

---

![bg right:40%](./assets/matrix-code.png)

# Mysterium

```
89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A 
00 00 00 0D 49 48 44 52
00 00 01 90 00 00 01 2C
```

**Was ist das?**

<!-- 
Hex-Dump ohne Erklärung auf Bildschirm werfen
Fragen in den Raum: "Was seht ihr?"
"Ist das Text? Ein Bild? Code?"
Überleitung: "Alles digital ist nur Zahlen. Heute lernen wir, sie zu lesen."
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/lightbulb-onoff.png)

<!--
Bit = Binary Digit
Demonstration: Glühbirne AN/AUS = 1 Bit
-->

---

# Das Bit

**Kleinste Informationseinheit**

- **0 oder 1**
- AN oder AUS
- Strom fließt oder nicht

<!--
Alles Digitale basiert darauf
Transistoren in CPUs: Milliarden Bits schalten Millionen Mal pro Sekunde
-->

---

# Das Byte

**8 Bits = 1 Byte**

```
0 1 0 0 1 1 0 1
```

**Wie viele Kombinationen?**
2⁸ = **256 Möglichkeiten** (0-255)

<!-- 
Rechnung gemeinsam: 2×2×2×2×2×2×2×2 = 256
Jedes Bit kann 0 oder 1 sein
256 verschiedene Werte mit 8 Bits darstellbar
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/grayscale-gradient.png)

<!--
256 Graustufen: 0 = Schwarz, 255 = Weiß
-->

---

# Was kann man mit 256 Zuständen machen?

- **256 Zeichen** (Buchstaben, Zahlen, Symbole)
- **256 Graustufen** (0 = Schwarz, 255 = Weiß)
- **256 Lautstärkestufen**
- **Zahlen 0-255** (oder -128 bis +127)

<!--
1 Byte ist extrem limitiert
Für Farbbild: 3 Bytes pro Pixel (RGB)
R=0-255, G=0-255, B=0-255 → 256³ = 16,7 Millionen Farben
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/rgb-color-model.png)

<!--
RGB = Additive Farbmischung (Bildschirme)
-->

---

# Farben: RGB-Modell

**1 Pixel = 3 Bytes**

- **Rot:** 0-255
- **Grün:** 0-255
- **Blau:** 0-255

**Beispiel:**
`FF 00 00` = Rot
`00 FF 00` = Grün
`FF FF FF` = Weiß

<!--
CMYK = Subtraktive Farbmischung (Druck)
Hex-Notation: FF = 255 in Dezimal
CSS-Farben nutzen Hex: #FF0000 = Rot
-->

---

# Das Problem: Sprachen

**Die Welt hat mehr als 256 Zeichen!**

- Englisches Alphabet: 52 (A-Z, a-z)
- + Ziffern: 10 (0-9)
- + Sonderzeichen: ~30

**≈ 90 Zeichen → passt in 1 Byte**

**Aber:** ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 😀

→ **1 Byte reicht nicht!**

<!-- 
Problem der Zeichenkodierung
ASCII (1963): 7 Bit = 128 Zeichen (nur Englisch)
ISO-8859-1 (Latin-1): 8 Bit = 256 Zeichen (Westeuropa)
Chaos: Verschiedene Standards für verschiedene Sprachen
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/ascii-table.png)

<!--
ASCII-Tabelle (1963)
7 Bit = 128 Zeichen
Erste 32: Steuerzeichen (nicht druckbar)
Zeichen 32-126: Druckbar (Buchstaben, Ziffern, Satzzeichen)
Keine Umlaute, kein ñ, kein é
"American Standard" → Rest der Welt ausgeschlossen
-->

---

# Unicode: Ein Standard für alle

**Unicode (1991):** 
Jedes Schriftsystem der Welt

**>150.000 Zeichen:**
- Latein, Kyrillisch, Arabisch, Chinesisch, Japanisch...
- Mathematische Symbole, Emoji, historische Schriften

**UTF-8:** Variable Länge (1-4 Bytes pro Zeichen)

<!-- 
Unicode Consortium: Non-Profit seit 1991
Aktuell: Unicode 16.0 (2024)
UTF-8 = Unicode Transformation Format, 8-bit
ASCII-kompatibel: "A" = 1 Byte (rückwärtskompatibel)
Umlaute: "ä" = 2 Bytes, Chinesisch: 3 Bytes, Emoji: 4 Bytes
-->

---

# Beispiel: Bytes zählen

**Text:** `"Why the fuck braucht 💩 4 Bytes?!"`

```
W h y   → je 1 Byte (4 Bytes)
t h e   → je 1 Byte (4 Bytes)
f u c k → je 1 Byte (4 Bytes)
        → 1 Byte (Leerzeichen)
b r a u c h t → je 1 Byte (7 Bytes)
        → 1 Byte
💩      → 4 Bytes! (0xF0 9F 92 A9)
        → 1 Byte
4   B y t e s ? ! → je 1 Byte (9 Bytes)
```

**Gesamt: 37 Bytes**

<!-- 
Buchstaben = 1 Byte (ASCII/UTF-8-kompatibel)
Emoji = 4 Bytes (Unicode-Bereich U+1F4A9)
Haufen-Emoji: "Pile of Poo" (offizieller Name!)
UTF-8-Kodierung: Variable Länge spart Speicher bei ASCII
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/hex-binary-table.png)

<!--
Hex-Binär-Umrechnungstabelle
Jede Hex-Ziffer = 4 Bits
-->

---

# Hexadezimal: Lesbarkeit

**Binär ist unleserlich:**
`01001101 01010000 00110011`

**Hexadezimal (Base 16):**
`4D 50 33` (= "MP3" in ASCII)

**Jede Hex-Ziffer = 4 Bits**
0-9, A-F (10=A, 11=B, ..., 15=F)

<!--
Hex = Shortcut für Menschen, nicht für Computer
Computer denken binär, wir lesen hex
1 Byte = 2 Hex-Ziffern (00-FF)
Hex-Editor: Standard-Tool für Dateianalyse
-->

---

# Magic Numbers

**Dateityp-Identifikation durch erste Bytes**

| Format | Magic Number (Hex) | ASCII |
|--------|-------------------|-------|
| PNG | `89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A` | `.PNG` |
| JPEG | `FF D8 FF` | `ÿØÿ` |
| PDF | `25 50 44 46` | `%PDF` |
| ZIP | `50 4B 03 04` | `PK` |

<!-- 
Magic Number = Signature am Dateianfang
Computer schauen in erste Bytes (nicht auf .jpg/.png)
"PK" = Phil Katz (Erfinder von PKZip)
Dateiendungen können lügen, Magic Numbers nicht
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/hexeditor-screenshot.png)

<!--
Hex-Editor-Screenshot mit PNG-Datei
Erste Bytes: 89 50 4E 47 = PNG-Signatur
IHDR = Image Header (Breite, Höhe, Farbtiefe)
Zeigen, wie man Magic Number liest
Tool: HxD (Windows), Hex Fiend (Mac), xxd (Linux)
-->

---

# Hands-On: Mystery Files

**Aufgabe (30 Min):**

1. Drei Dateien ohne Extension: `mystery1`, `mystery2`, `mystery3`
2. Öffne im Hex-Editor
3. Lies erste 16 Bytes
4. Identifiziere Format (Magic Number)
5. Benenne um und öffne

**Tools:** hexed.it (online), HxD, Hex Fiend, Bless

<!-- 
Praktische Phase: Studierende arbeiten selbst
Dateien: PNG, JPEG, TXT (vorbereitet)
Gruppenarbeit: 3-4 Personen
Ziel: Hex-Dump lesen lernen, Dateiformate verstehen
-->

---

# Aufgabe bis nächste Woche

**Finde eine Datei auf deinem Computer**

1. Öffne im Hex-Editor
2. Screenshot der ersten 16 Bytes
3. Identifiziere Magic Number
4. Poste im Forum: Format + kurze Beschreibung

**Bonus:** Finde Datei ohne Magic Number in Standard-Listen

<!-- 
Selbstständiges Arbeiten
Forum: Peer-Learning, gegenseitige Hilfe
Bonus: Spornt Neugierige an
-->

---

<!-- _class: lead -->

# Teil 2: Die MP3-Revolution
## Psychoakustik & Audio-Kompression

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/cassette-ipod.png)

<!--
Kassette neben iPod
Visueller Kontrast: Analog vs. Digital
1980er vs. 2000er
-->

---

# Das Problem (1990)

**1 Minute CD-Audio:**

- Sample Rate: 44.100 Hz
- Bit Depth: 16 Bit
- Stereo: 2 Kanäle

**Rechnung:**
44.100 × 16 × 2 = 1.411.200 Bits/Sekunde
≈ **10,6 MB/Minute**
≈ **635 MB für 60-Min-Album**

**1990:** Festplatten hatten 100-500 MB!

<!-- 
CD-Qualität = Standard seit 1982
Ein Album = ganze Festplatte
Download bei 56k-Modem = Tage!
Streaming? Unmöglich.
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/compression-types.png)

<!--
Lossless vs. Lossy Kompression
Visualisierung der beiden Philosophien
-->

---

# Zwei Philosophien

**Lossless (Verlustfrei):**
- Original exakt wiederherstellbar
- ZIP, PNG, FLAC
- 30-50% Ersparnis

**Lossy (Verlustbehaftet):**
- Daten irreversibel verändert
- JPEG, MP3, H.264
- 90%+ Ersparnis

<!--
Lossless: Findet Muster, beschreibt effizienter
Lossy: Wirft "Unwichtiges" weg (Psychoakustik/Psychovisuell)
Trade-off: Größe vs. Qualität
-->

---

# Lossless: Run-Length Encoding

**Original:**
```
AAAAABBBCCCCCCCC
```

**Komprimiert:**
```
5A 3B 8C
```

**Ersparnis:** 16 → 6 Zeichen (62% Reduktion)

<!-- 
RLE = Simplest Compression Algorithm
Gut für repetitive Daten (Fax, simple Grafiken)
Schlecht für chaotische Daten (Fotos, Audio)
-->

---

# Lossy: Der Trick

**Kernidee:** Wirf weg, was der Mensch eh nicht wahrnimmt

**JPEG:** Schwächen des Auges
- Helligkeit besser als Farbe wahrgenommen
- Große Flächen besser als feine Details

**MP3:** Schwächen des Ohrs
- Mittlere Frequenzen besser als hohe/tiefe
- Laute Töne "maskieren" leise Töne

→ **Psychoakustik / Psychovisuell**

<!-- 
Auditory Masking: Lauter 1000 Hz-Ton → leise 950 Hz unhörbar
Visuelle Masking: Starker Kontrast überstrahlt Details
Kompression = Modell der menschlichen Wahrnehmung
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/karlheinz-brandenburg.jpg)

<!--
Foto: Karlheinz Brandenburg
Fraunhofer IIS Erlangen
"Vater der MP3"
-->

---

# Die Geburt der MP3

**1982:** Universität Erlangen-Nürnberg
Karlheinz Brandenburg, Diplom-Ingenieur

**1987:** Fraunhofer IIS entwickelt MPEG-1 Audio Layer III

**1988:** Patentanmeldung

**1992:** Erste Software-Implementierung

**1995:** .mp3 Dateiendung offiziell

<!-- 
MPEG = Moving Picture Experts Group
Layer III = Dritte Verfeinerungsstufe
Forschung dauerte 10 Jahre
Patent lief 2017 aus
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/suzanne-vega.jpg)

<!--
Suzanne Vega – "Tom's Diner" (1987)
Der erste Song, der als MP3 kodiert wurde
Karlheinz Brandenburg hörte ihn tausende Male
-->

---

# "Tom's Diner"

**Warum dieser Song?**

- A cappella (keine Instrumente)
- Suzanne Vegas Stimme ist "schwierig"
- Klare, hohe Frequenzen → Stresstest

*"If I could code Suzanne Vega's voice well, I could code anything."*
— Karlheinz Brandenburg

<!-- 
Brandenburg hörte Song 10.000+ Mal
A cappella = einfacher zu analysieren (nur Stimme)
Hohe Frequenzen = Herausforderung für Kompression
Perfektionismus: Jeder Hörtest musste bestehen
-->

---

# Wie funktioniert MP3?

**1. Frequenz-Analyse (FFT)**
Audio → Frequenzspektrum

**2. Psychoakustisches Modell**
Welche Töne hört Mensch nicht?

**3. Quantisierung**
Unwichtige Frequenzen reduzieren

**4. Huffman-Coding**
Lossless-Kompression der Restdaten

<!-- 
FFT = Fast Fourier Transform
Psychoakustik = Modell des menschlichen Gehörs
Quantisierung = Wo passiert Datenverlust
Huffman = Finaler Effizienz-Boost (lossless)
MP3 ist KEIN einfaches "Kleiner machen" – es simuliert dein Gehirn
-->

---

# Bitrate: Der Qualitäts-Knopf

| Bitrate | Qualität | Kompression |
|---------|----------|-------------|
| **128 kbps** | Hörbar schlechter | ~11x |
| **192 kbps** | Akzeptabel | ~7x |
| **256 kbps** | Gut | ~5,5x |
| **320 kbps** | "CD-Qualität" | ~4,4x |

**Original CD:** 1.411 kbps (unkomprimiert)

<!-- 
kbps = Kilobit pro Sekunde
128 kbps = Standard in 2000ern (Napster-Ära)
320 kbps = Maximum für MP3
Höhere Bitrate = mehr Daten = bessere Qualität
Aber: Diminishing Returns ab 256 kbps
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/audio-spectrogram.png)

<!--
Spektrogramm-Vergleich
Original vs. 320 kbps vs. 128 kbps
Hohe Frequenzen verschwinden bei niedriger Bitrate
Visuell: Dunkle Bereiche = fehlende Frequenzen
-->

---

# Der Patentkrieg

**1990er:** Fraunhofer + Thomson halten MP3-Patente

**Lizenzgebühren:**
- $0,75 pro Decoder
- $2,50 pro Encoder

**Problem:** Napster (1999) → unkontrollierte Verbreitung

**2017:** Patente laufen aus → MP3 ist frei

<!-- 
Fraunhofer verklagte Winamp, andere Tools
Millionen nutzten unlizenzierte Software
Das Pferd war aus dem Stall
2017: Fraunhofer selbst erklärte MP3 für "veraltet" (AAC besser)
-->

---

<!-- _header: '' -->
<!-- _footer: '' -->

![bg](./assets/napster-interface.png)

<!--
Napster-Screenshot (1999)
P2P-Filesharing für MP3s
Shawn Fanning, 19 Jahre alt
80 Millionen User in 2 Jahren
-->

---

# Napster & Musikindustrie

**1999:** Napster startet
**2001:** 80 Millionen User

**Musikindustrie:**
- CDs kosten $15-20
- MP3s gratis (illegal, aber egal)
- Einzelne Songs statt Alben

**2001:** Napster verklagt, geschlossen

**Aber:** Pandora's Box offen
→ LimeWire, Kazaa, BitTorrent, später Spotify

<!-- 
RIAA (Recording Industry Association of America) verklagte Napster
Urteil: Napster muss schließen (2001)
Aber: Technologie nicht mehr aufzuhalten
iPod (2001): "1.000 songs in your pocket"
iTunes Store (2003): Legale Alternative
Spotify (2008): Streaming-Ära beginnt
-->

---

# Kulturelle Revolution

**MP3 veränderte:**

✓ Musik wurde portabel (Walkman → iPod)
✓ Alben wurden irrelevant (Playlists)
✓ Musikkonsum explodierte (kostenlos/billig)
✓ Künstler verloren Kontrolle

**Aber auch:**
❌ Künstler verdienen weniger pro Stream
❌ Audio-Qualität sank (Loudness War)
❌ Physische Medien starben

<!-- 
Walkman (1979): Kassetten
Discman (1984): CDs
iPod (2001): MP3s
Spotify (2008): Streaming
Künstler-Einkommen: Album-Verkauf → Streaming-Pennies
Loudness War: Alles wird lauter gemastert (Dynamik verloren)
Vinyl-Revival: 2020er Gegenbewegung
-->

---

# Hands-On: MP3 sezieren

**Aufgabe (30 Min):**

1. Lade Lied runter (eigenes oder CC)
2. Konvertiere in verschiedene Bitraten:
   - 320 kbps, 128 kbps, 64 kbps
3. Tool: Audacity (kostenlos)
4. Höre Unterschiede (Kopfhörer!)
5. Vergleiche Dateigrößen

**Optional:** Spektrogramm-Ansicht

<!-- 
Audacity: FOSS Audio-Editor
Export: Datei → Exportieren → MP3 → Bitrate wählen
Spektrogramm: Analysieren → Spektrogramm
Hohe Frequenzen verschwinden bei niedriger Bitrate
-->

---

# Aufgabe bis nächste Woche

**Nimm ein Lied (eigenes oder CC)**

1. Exportiere: WAV, MP3 320 kbps, MP3 128 kbps
2. Notiere: Dateigrößen, Höreindrücke
3. Poste im Forum: Screenshot + Reflexion

**Bonus:** Niedrigste Bitrate finden, bei der du keinen Unterschied hörst

<!--
WAV = Unkomprimiert (Referenz)
Goldenes Ohr: Manche hören Unterschied, manche nicht
Psychoakustik in Aktion: Subjektive Wahrnehmung
-->

---

<!-- _class: lead -->

# Fragen & Diskussion

**Kontakt:** czechowski@hdm-stuttgart.de
**Folien:** Online verfügbar unter https://hdm.librete.ch

---

# Lizenz & Attribution

Diese Präsentation ist lizenziert unter **Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International (CC BY-SA 4.0)**

- Erlaubt Teilen & Anpassen mit Namensnennung
- Adaptionen müssen unter gleicher Lizenz geteilt werden

Vollständige Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/