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32a8efb92d
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12 KiB
Markdown
635 lines
12 KiB
Markdown
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<!-- _class: lead -->
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# Termin 1 – 19.12.2025
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## Grundlagen, Text & Audio
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# Mysterium
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```
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89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A
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00 00 00 0D 49 48 44 52
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00 00 01 90 00 00 01 2C
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```
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**Was ist das?**
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Hex-Dump ohne Erklärung auf Bildschirm werfen
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Fragen in den Raum: "Was seht ihr?"
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"Ist das Text? Ein Bild? Code?"
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Überleitung: "Alles digital ist nur Zahlen. Heute lernen wir, sie zu lesen."
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# Das Bit
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**Kleinste Informationseinheit**
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- **0 oder 1**
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- AN oder AUS
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- Strom fließt oder nicht
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Bit = Binary Digit
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Demonstration: Glühbirne AN/AUS = 1 Bit
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Alles Digitale basiert darauf
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Transistoren in CPUs: Milliarden Bits schalten Millionen Mal pro Sekunde
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# Das Byte
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**8 Bits = 1 Byte**
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```
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0 1 0 0 1 1 0 1
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**Wie viele Kombinationen?**
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2⁸ = **256 Möglichkeiten** (0-255)
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Rechnung gemeinsam: 2×2×2×2×2×2×2×2 = 256
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Jedes Bit kann 0 oder 1 sein
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256 verschiedene Werte mit 8 Bits darstellbar
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# Was kann man mit 256 Zuständen machen?
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- **256 Zeichen** (Buchstaben, Zahlen, Symbole)
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- **256 Graustufen** (0 = Schwarz, 255 = Weiß)
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- **256 Lautstärkestufen**
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- **Zahlen 0-255** (oder -128 bis +127)
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1 Byte ist extrem limitiert
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Für Farbbild: 3 Bytes pro Pixel (RGB)
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R=0-255, G=0-255, B=0-255 → 256³ = 16,7 Millionen Farben
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# Farben: RGB-Modell
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**1 Pixel = 3 Bytes**
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- **Rot:** 0-255
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- **Grün:** 0-255
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- **Blau:** 0-255
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**Beispiel:**
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`FF 00 00` = Rot
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`00 FF 00` = Grün
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`FF FF FF` = Weiß
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RGB = Additive Farbmischung (Bildschirme)
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CMYK = Subtraktive Farbmischung (Druck)
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Hex-Notation: FF = 255 in Dezimal
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CSS-Farben nutzen Hex: #FF0000 = Rot
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# Das Problem: Sprachen
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**Die Welt hat mehr als 256 Zeichen!**
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- Englisches Alphabet: 52 (A-Z, a-z)
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- + Ziffern: 10 (0-9)
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- + Sonderzeichen: ~30
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**≈ 90 Zeichen → passt in 1 Byte**
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**Aber:** ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 😀
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→ **1 Byte reicht nicht!**
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Problem der Zeichenkodierung
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ASCII (1963): 7 Bit = 128 Zeichen (nur Englisch)
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ISO-8859-1 (Latin-1): 8 Bit = 256 Zeichen (Westeuropa)
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Chaos: Verschiedene Standards für verschiedene Sprachen
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ASCII-Tabelle (1963)
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7 Bit = 128 Zeichen
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Erste 32: Steuerzeichen (nicht druckbar)
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Zeichen 32-126: Druckbar (Buchstaben, Ziffern, Satzzeichen)
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Keine Umlaute, kein ñ, kein é
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"American Standard" → Rest der Welt ausgeschlossen
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# Unicode: Ein Standard für alle
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**Unicode (1991):**
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Jedes Schriftsystem der Welt
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**>150.000 Zeichen:**
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- Latein, Kyrillisch, Arabisch, Chinesisch, Japanisch...
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- Mathematische Symbole, Emoji, historische Schriften
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**UTF-8:** Variable Länge (1-4 Bytes pro Zeichen)
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Unicode Consortium: Non-Profit seit 1991
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Aktuell: Unicode 16.0 (2024)
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UTF-8 = Unicode Transformation Format, 8-bit
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ASCII-kompatibel: "A" = 1 Byte (rückwärtskompatibel)
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Umlaute: "ä" = 2 Bytes, Chinesisch: 3 Bytes, Emoji: 4 Bytes
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# Beispiel: Bytes zählen
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**Text:** `"Why the fuck braucht 💩 4 Bytes?!"`
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W h y → je 1 Byte (4 Bytes)
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t h e → je 1 Byte (4 Bytes)
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f u c k → je 1 Byte (4 Bytes)
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→ 1 Byte (Leerzeichen)
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b r a u c h t → je 1 Byte (7 Bytes)
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→ 1 Byte
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💩 → 4 Bytes! (0xF0 9F 92 A9)
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→ 1 Byte
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4 B y t e s ? ! → je 1 Byte (9 Bytes)
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```
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**Gesamt: 37 Bytes**
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Buchstaben = 1 Byte (ASCII/UTF-8-kompatibel)
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Emoji = 4 Bytes (Unicode-Bereich U+1F4A9)
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Haufen-Emoji: "Pile of Poo" (offizieller Name!)
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UTF-8-Kodierung: Variable Länge spart Speicher bei ASCII
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# Hexadezimal: Lesbarkeit
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**Binär ist unleserlich:**
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`01001101 01010000 00110011`
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**Hexadezimal (Base 16):**
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`4D 50 33` (= "MP3" in ASCII)
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**Jede Hex-Ziffer = 4 Bits**
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0-9, A-F (10=A, 11=B, ..., 15=F)
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Hex = Shortcut für Menschen, nicht für Computer
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Computer denken binär, wir lesen hex
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1 Byte = 2 Hex-Ziffern (00-FF)
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Hex-Editor: Standard-Tool für Dateianalyse
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# Magic Numbers
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**Dateityp-Identifikation durch erste Bytes**
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| Format | Magic Number (Hex) | ASCII |
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|--------|-------------------|-------|
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| PNG | `89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A` | `.PNG` |
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| JPEG | `FF D8 FF` | `ÿØÿ` |
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| PDF | `25 50 44 46` | `%PDF` |
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| ZIP | `50 4B 03 04` | `PK` |
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Magic Number = Signature am Dateianfang
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Computer schauen in erste Bytes (nicht auf .jpg/.png)
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"PK" = Phil Katz (Erfinder von PKZip)
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Dateiendungen können lügen, Magic Numbers nicht
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Hex-Editor-Screenshot mit PNG-Datei
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Erste Bytes: 89 50 4E 47 = PNG-Signatur
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IHDR = Image Header (Breite, Höhe, Farbtiefe)
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Zeigen, wie man Magic Number liest
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Tool: HxD (Windows), Hex Fiend (Mac), xxd (Linux)
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# Hands-On: Mystery Files
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**Aufgabe (30 Min):**
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1. Drei Dateien ohne Extension: `mystery1`, `mystery2`, `mystery3`
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2. Öffne im Hex-Editor
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3. Lies erste 16 Bytes
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4. Identifiziere Format (Magic Number)
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5. Benenne um und öffne
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**Tools:** hexed.it (online), HxD, Hex Fiend, Bless
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Praktische Phase: Studierende arbeiten selbst
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Dateien: PNG, JPEG, TXT (vorbereitet)
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Gruppenarbeit: 3-4 Personen
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Ziel: Hex-Dump lesen lernen, Dateiformate verstehen
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# Aufgabe bis nächste Woche
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**Finde eine Datei auf deinem Computer**
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1. Öffne im Hex-Editor
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2. Screenshot der ersten 16 Bytes
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3. Identifiziere Magic Number
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4. Poste im Forum: Format + kurze Beschreibung
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**Bonus:** Finde Datei ohne Magic Number in Standard-Listen
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Selbstständiges Arbeiten
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Forum: Peer-Learning, gegenseitige Hilfe
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Bonus: Spornt Neugierige an
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<!-- _class: lead -->
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# Teil 2: Die MP3-Revolution
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## Psychoakustik & Audio-Kompression
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Kassette neben iPod
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Visueller Kontrast: Analog vs. Digital
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1980er vs. 2000er
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# Das Problem (1990)
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**1 Minute CD-Audio:**
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- Sample Rate: 44.100 Hz
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- Bit Depth: 16 Bit
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- Stereo: 2 Kanäle
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**Rechnung:**
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44.100 × 16 × 2 = 1.411.200 Bits/Sekunde
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≈ **10,6 MB/Minute**
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≈ **635 MB für 60-Min-Album**
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**1990:** Festplatten hatten 100-500 MB!
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CD-Qualität = Standard seit 1982
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Ein Album = ganze Festplatte
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Download bei 56k-Modem = Tage!
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Streaming? Unmöglich.
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# Zwei Philosophien
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**Lossless (Verlustfrei):**
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- Original exakt wiederherstellbar
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- ZIP, PNG, FLAC
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- 30-50% Ersparnis
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**Lossy (Verlustbehaftet):**
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- Daten irreversibel verändert
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- JPEG, MP3, H.264
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- 90%+ Ersparnis
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Lossless: Findet Muster, beschreibt effizienter
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Lossy: Wirft "Unwichtiges" weg (Psychoakustik/Psychovisuell)
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Trade-off: Größe vs. Qualität
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# Lossless: Run-Length Encoding
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**Original:**
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AAAAABBBCCCCCCCC
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```
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**Komprimiert:**
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```
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5A 3B 8C
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```
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**Ersparnis:** 16 → 6 Zeichen (62% Reduktion)
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RLE = Simplest Compression Algorithm
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Gut für repetitive Daten (Fax, simple Grafiken)
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Schlecht für chaotische Daten (Fotos, Audio)
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# Lossy: Der Trick
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**Kernidee:** Wirf weg, was der Mensch eh nicht wahrnimmt
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**JPEG:** Schwächen des Auges
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- Helligkeit besser als Farbe wahrgenommen
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- Große Flächen besser als feine Details
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**MP3:** Schwächen des Ohrs
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- Mittlere Frequenzen besser als hohe/tiefe
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- Laute Töne "maskieren" leise Töne
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→ **Psychoakustik / Psychovisuell**
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Auditory Masking: Lauter 1000 Hz-Ton → leise 950 Hz unhörbar
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Visuelle Masking: Starker Kontrast überstrahlt Details
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Kompression = Modell der menschlichen Wahrnehmung
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-->
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Foto: Karlheinz Brandenburg
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Fraunhofer IIS Erlangen
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"Vater der MP3"
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# Die Geburt der MP3
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**1982:** Universität Erlangen-Nürnberg
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Karlheinz Brandenburg, Diplom-Ingenieur
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**1987:** Fraunhofer IIS entwickelt MPEG-1 Audio Layer III
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**1988:** Patentanmeldung
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**1992:** Erste Software-Implementierung
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**1995:** .mp3 Dateiendung offiziell
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MPEG = Moving Picture Experts Group
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Layer III = Dritte Verfeinerungsstufe
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Forschung dauerte 10 Jahre
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Patent lief 2017 aus
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Suzanne Vega – "Tom's Diner" (1987)
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Der erste Song, der als MP3 kodiert wurde
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Karlheinz Brandenburg hörte ihn tausende Male
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# "Tom's Diner"
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**Warum dieser Song?**
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- A cappella (keine Instrumente)
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- Suzanne Vegas Stimme ist "schwierig"
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- Klare, hohe Frequenzen → Stresstest
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*"If I could code Suzanne Vega's voice well, I could code anything."*
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— Karlheinz Brandenburg
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Brandenburg hörte Song 10.000+ Mal
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A cappella = einfacher zu analysieren (nur Stimme)
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Hohe Frequenzen = Herausforderung für Kompression
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Perfektionismus: Jeder Hörtest musste bestehen
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# Wie funktioniert MP3?
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**1. Frequenz-Analyse (FFT)**
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Audio → Frequenzspektrum
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**2. Psychoakustisches Modell**
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Welche Töne hört Mensch nicht?
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**3. Quantisierung**
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Unwichtige Frequenzen reduzieren
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**4. Huffman-Coding**
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Lossless-Kompression der Restdaten
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<!--
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FFT = Fast Fourier Transform
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Psychoakustik = Modell des menschlichen Gehörs
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Quantisierung = Wo passiert Datenverlust
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Huffman = Finaler Effizienz-Boost (lossless)
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MP3 ist KEIN einfaches "Kleiner machen" – es simuliert dein Gehirn
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# Bitrate: Der Qualitäts-Knopf
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| Bitrate | Qualität | Kompression |
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|---------|----------|-------------|
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| **128 kbps** | Hörbar schlechter | ~11x |
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| **192 kbps** | Akzeptabel | ~7x |
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| **256 kbps** | Gut | ~5,5x |
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| **320 kbps** | "CD-Qualität" | ~4,4x |
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**Original CD:** 1.411 kbps (unkomprimiert)
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<!--
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kbps = Kilobit pro Sekunde
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128 kbps = Standard in 2000ern (Napster-Ära)
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320 kbps = Maximum für MP3
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Höhere Bitrate = mehr Daten = bessere Qualität
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Aber: Diminishing Returns ab 256 kbps
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<!--
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Spektrogramm-Vergleich
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Original vs. 320 kbps vs. 128 kbps
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Hohe Frequenzen verschwinden bei niedriger Bitrate
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Visuell: Dunkle Bereiche = fehlende Frequenzen
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-->
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# Der Patentkrieg
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**1990er:** Fraunhofer + Thomson halten MP3-Patente
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**Lizenzgebühren:**
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- $0,75 pro Decoder
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- $2,50 pro Encoder
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**Problem:** Napster (1999) → unkontrollierte Verbreitung
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**2017:** Patente laufen aus → MP3 ist frei
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Fraunhofer verklagte Winamp, andere Tools
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Millionen nutzten unlizenzierte Software
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Das Pferd war aus dem Stall
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2017: Fraunhofer selbst erklärte MP3 für "veraltet" (AAC besser)
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Napster-Screenshot (1999)
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P2P-Filesharing für MP3s
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Shawn Fanning, 19 Jahre alt
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80 Millionen User in 2 Jahren
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# Napster & Musikindustrie
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**1999:** Napster startet
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**2001:** 80 Millionen User
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**Musikindustrie:**
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- CDs kosten $15-20
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- MP3s gratis (illegal, aber egal)
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- Einzelne Songs statt Alben
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**2001:** Napster verklagt, geschlossen
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**Aber:** Pandora's Box offen
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→ LimeWire, Kazaa, BitTorrent, später Spotify
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<!--
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RIAA (Recording Industry Association of America) verklagte Napster
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Urteil: Napster muss schließen (2001)
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Aber: Technologie nicht mehr aufzuhalten
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iPod (2001): "1.000 songs in your pocket"
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iTunes Store (2003): Legale Alternative
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Spotify (2008): Streaming-Ära beginnt
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-->
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# Kulturelle Revolution
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**MP3 veränderte:**
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✓ Musik wurde portabel (Walkman → iPod)
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✓ Alben wurden irrelevant (Playlists)
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✓ Musikkonsum explodierte (kostenlos/billig)
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✓ Künstler verloren Kontrolle
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**Aber auch:**
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❌ Künstler verdienen weniger pro Stream
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❌ Audio-Qualität sank (Loudness War)
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❌ Physische Medien starben
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<!--
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Walkman (1979): Kassetten
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Discman (1984): CDs
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iPod (2001): MP3s
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Spotify (2008): Streaming
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||
Künstler-Einkommen: Album-Verkauf → Streaming-Pennies
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Loudness War: Alles wird lauter gemastert (Dynamik verloren)
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Vinyl-Revival: 2020er Gegenbewegung
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-->
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# Hands-On: MP3 sezieren
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**Aufgabe (30 Min):**
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1. Lade Lied runter (eigenes oder CC)
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2. Konvertiere in verschiedene Bitraten:
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- 320 kbps, 128 kbps, 64 kbps
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3. Tool: Audacity (kostenlos)
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4. Höre Unterschiede (Kopfhörer!)
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5. Vergleiche Dateigrößen
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**Optional:** Spektrogramm-Ansicht
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Audacity: FOSS Audio-Editor
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Export: Datei → Exportieren → MP3 → Bitrate wählen
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Spektrogramm: Analysieren → Spektrogramm
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Hohe Frequenzen verschwinden bei niedriger Bitrate
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# Aufgabe bis nächste Woche
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**Nimm ein Lied (eigenes oder CC)**
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1. Exportiere: WAV, MP3 320 kbps, MP3 128 kbps
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2. Notiere: Dateigrößen, Höreindrücke
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3. Poste im Forum: Screenshot + Reflexion
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**Bonus:** Niedrigste Bitrate finden, bei der du keinen Unterschied hörst
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WAV = Unkomprimiert (Referenz)
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Goldenes Ohr: Manche hören Unterschied, manche nicht
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Psychoakustik in Aktion: Subjektive Wahrnehmung
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