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true gaia true Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege Michael Czechowski – HdM Stuttgart – WS 2025/26 Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege
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Termin 1 – 19.12.2025

Grundlagen, Text & Audio

bg right:40%

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?

bg

Das Bit

Kleinste Informationseinheit

  • 0 oder 1
  • AN oder AUS
  • Strom fließt oder nicht

Das Byte

8 Bits = 1 Byte

0 1 0 0 1 1 0 1

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

bg

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)

bg

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

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!

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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)

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

bg

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)

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

bg

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

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

Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

bg

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!

bg

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: Run-Length Encoding

Original:

AAAAABBBCCCCCCCC

Komprimiert:

5A 3B 8C

Ersparnis: 16 → 6 Zeichen (62% Reduktion)

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

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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

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"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

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

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)

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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

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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

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

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

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

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/

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