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update 223015b chapter 1: content fixes, expand speaker notes with abbreviations

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- endnutzer -> endnutzerInnen, fix lossy reversibility wording
- add tar to deflate examples, reword shannon-limit
- expand kompression-vertiefung speaker notes: lz77/lz78/deflate/tar explained
- resolve all abbreviations in speaker notes (cmyk, rgb, css, html, http,
  smtp, url, cjk, utf-8, si, iec, iot, lto, ssd, hdd, ecc, raid, vhs,
  fft, jpeg, aac, riaa, foss, iis, rle)
- minor slide fixes: hex examples, byte value, wording improvements
This commit is contained in:
Michael Czechowski
2026-04-09 22:10:59 +02:00
parent c57db78c52
commit 3bd6d7b459
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slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md
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@@ -282,12 +282,12 @@ Sondern gezielt das entfernen, was Menschen nicht wahrnehmen.
| | Verlustfrei (Lossless) | Verlustbehaftet (Lossy) | | | Verlustfrei (Lossless) | Verlustbehaftet (Lossy) |
|---|---|---| |---|---|---|
| **Prinzip** | **Redundanz** entfernen | **Irrelevanz** entfernen | | **Prinzip** | **Redundanz** entfernen | **Irrelevanz** entfernen |
| **Reversibel** | Ja (Original wiederherstellbar) | Nein (Information unwiederbringlich weg) | | **Reversibel** | Ja (Original wiederherstellbar) | Nein (Information unwiederbringlich verloren) |
| **Reduktion** | 30-50% | 80-99% | | **Reduktion** | 30-50% | 80-99% |
| **Formate** | ZIP, PNG, FLAC, GIF | JPEG, MP3, H.264/H.265 | | **Formate** | ZIP, PNG, FLAC, GIF | JPEG, MP3, H.264/H.265 |
**Faustregel:** **Faustregel:**
- Medien für Endnutzer → Lossy oft akzeptabel - Medien für EndnutzerInnen → Lossy oft akzeptabel
- Quellmaterial, Code, Archive → Lossless nötig - Quellmaterial, Code, Archive → Lossless nötig
<!-- <!--
@@ -312,7 +312,7 @@ Claude Shannon definierte 1948 die **Entropie** als theoretische Untergrenze der
**Verlustfreie Kompression** erreicht diese Grenze durch: **Verlustfreie Kompression** erreicht diese Grenze durch:
- **Statistische Kodierung:** Huffman, Arithmetic Coding - **Statistische Kodierung:** Huffman, Arithmetic Coding
- **Wörterbuch-Methoden:** LZ77, LZ78, DEFLATE (ZIP, PNG) - **Wörterbuch-Methoden:** LZ77, LZ78, DEFLATE (ZIP, PNG, TAR)
- Originalzustand ist exakt rekonstruierbar - Originalzustand ist exakt rekonstruierbar
**Verlustbehaftete Kompression** unterschreitet die Grenze, indem sie menschliche Wahrnehmungsgrenzen ausnutzt: **Verlustbehaftete Kompression** unterschreitet die Grenze, indem sie menschliche Wahrnehmungsgrenzen ausnutzt:
@@ -322,7 +322,32 @@ Claude Shannon definierte 1948 die **Entropie** als theoretische Untergrenze der
| Gehör | Maskierungseffekte, Hörschwelle | MP3: Töne unter Maskierungsschwelle weglassen | | Gehör | Maskierungseffekte, Hörschwelle | MP3: Töne unter Maskierungsschwelle weglassen |
| Sehen | Farbauflösung, Kontrastempfindlichkeit | JPEG: Chroma-Subsampling, hohe Frequenzen verwerfen | | Sehen | Farbauflösung, Kontrastempfindlichkeit | JPEG: Chroma-Subsampling, hohe Frequenzen verwerfen |
**Shannon-Limit:** Verlustfreie Kompression kann nicht unter die Entropie; verlustbehaftete kann beliebig weit gehen – auf Kosten der Qualität. **Shannon-Limit:** Verlustfreie Kompression ist durch Entropie begrenzt; Verlustbehaftete Kompression kann beliebig weit gehen – auf Kosten der Qualität.
<!--
ABKÜRZUNGEN:
- LZ = Lempel-Ziv (nach Abraham Lempel und Jacob Ziv)
- LZ77 = Lempel-Ziv 1977 – Sliding-Window-Verfahren: sucht Wiederholungen in einem Fenster der letzten Bytes und ersetzt sie durch Rückverweise (Offset + Länge)
- LZ78 = Lempel-Ziv 1978 – baut ein explizites Wörterbuch auf: neue Muster bekommen einen Index, Wiederholungen werden durch den Index ersetzt
- DEFLATE = Kombination aus LZ77 + Huffman-Coding; verwendet in ZIP, PNG und gzip
- TAR = Tape ARchive – kein Kompressionsformat, sondern ein Archivformat (bündelt Dateien zu einer). Kompression erst durch Kombination: .tar.gz (gzip = DEFLATE), .tar.bz2 (bzip2), .tar.xz (LZMA)
- ZIP = Archivformat mit eingebauter DEFLATE-Kompression (Phil Katz, 1989)
- PNG = Portable Network Graphics – nutzt DEFLATE für verlustfreie Bildkompression
STATISTISCHE KODIERUNG:
- Huffman-Coding: Häufige Zeichen bekommen kurze Bitfolgen, seltene Zeichen lange. Beispiel: 'e' (häufig) → 2 Bit, 'q' (selten) → 8 Bit
- Arithmetic Coding: Kodiert die gesamte Nachricht als einzelne Zahl zwischen 0 und 1. Etwas effizienter als Huffman, aber rechenintensiver
ENTROPIE (Shannon):
- Maß für den Informationsgehalt: Wie "überraschend" ist jedes Zeichen?
- Hohe Entropie = schwer komprimierbar (z.B. verschlüsselte Daten, Rauschen)
- Niedrige Entropie = gut komprimierbar (z.B. "AAAAAAA" oder natürliche Sprache)
- Theoretisches Minimum: kein Algorithmus kann unter die Entropie-Grenze kommen
PRAXISBEISPIEL:
- ZIP einer .txt-Datei: ~60-70% kleiner (Text hat niedrige Entropie)
- ZIP einer .jpg-Datei: kaum kleiner (JPEG hat Entropie schon ausgereizt)
-->
--- ---
@@ -400,11 +425,15 @@ BYTE = Wortspiel aus "Bit" + "Bite" (Bissen) – ein "Bissen" Information
**1 Byte = 8 Bits** **1 Byte = 8 Bits**
``` ```
0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0
``` ```
<!-- <!--
binary 00101010
= decimal 42
Rätsel: "Wenn sich das Wachstum einer Seerose auf einem Teich jeden Tag verdoppelt · und nach *zehn Tagen* der ganze Teich bedeckt ist, wann ist er zur Hälfte zugewachsen?" Rätsel: "Wenn sich das Wachstum einer Seerose auf einem Teich jeden Tag verdoppelt · und nach *zehn Tagen* der ganze Teich bedeckt ist, wann ist er zur Hälfte zugewachsen?"
Frage: "Weiß jemand wieviele Zustände wir mit 8 Bit beschreiben können?" Frage: "Weiß jemand wieviele Zustände wir mit 8 Bit beschreiben können?"
@@ -500,8 +529,8 @@ Das menschliche Auge kann etwa 10 Millionen Farben unterscheiden
<!-- <!--
Welche Farben für ein volles Spektrum bieten sich nach unserer gelernten Sparsamkeit hier am besten an? Welche Farben für ein volles Spektrum bieten sich nach unserer gelernten Sparsamkeit hier am besten an?
1. CMYK bzw. in diesem Fall CMYW 1. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key/Black) bzw. in diesem Fall CMYW (Cyan, Magenta, Yellow, White)
2. RGB 2. RGB (Red, Green, Blue)
--> -->
--- ---
@@ -539,11 +568,11 @@ Sog. RGB Tuple (geordnete endliche Liste)
<!-- <!--
"Weiß jemand oder möchte jemand raten, wofür das "s" bei "sRGB" steht?" "Weiß jemand oder möchte jemand raten, wofür das "s" bei "sRGB" steht?"
sRGB = Standard RGB sRGB = Standard RGB (Red, Green, Blue)
CMYK = Subtraktive Farbmischung (Druck) CMYK = Cyan, Magenta, Yellow, Key (Black) – Subtraktive Farbmischung (Druck)
Hex-Notation: FF = 255 in Dezimal Hex-Notation: FF = 255 in Dezimal
CSS-Farben nutzen Hex: #FF0000 = Rot CSS (Cascading Style Sheets)-Farben nutzen Hex: #FF0000 = Rot
Wer HTML/CSS gemacht hat, kennt das schon! Wer HTML (HyperText Markup Language)/CSS gemacht hat, kennt das schon!
background-color: #FF0000; = Rot background-color: #FF0000; = Rot
--> -->
@@ -564,11 +593,9 @@ background-color: #FF0000; = Rot
- + Ziffern: 10 (0-9) - + Ziffern: 10 (0-9)
- + Sonderzeichen: ~30 - + Sonderzeichen: ~30
**≈ 90 Zeichen → passt in 1 Byte** **≈ 90 Zeichen passen problem in 1 Byte**
**Aber:** ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 😀 **Jedoch ohne** ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 😀
→ **1 Byte reicht nicht!**
<!-- <!--
Problem der Zeichenkodierung Problem der Zeichenkodierung
@@ -644,7 +671,7 @@ Hinweis: は wird hier "wa" ausgesprochen (Partikel), nicht "ha"
# Hexadezimal: Lesbarkeit # Hexadezimal: Lesbarkeit
**Binär ist unleserlich:** **Für den Menschen ungeeignet:**
`01010000 01001110 01000111` `01010000 01001110 01000111`
**Hexadezimal (Base 16):** **Hexadezimal (Base 16):**
@@ -653,12 +680,17 @@ Hinweis: は wird hier "wa" ausgesprochen (Partikel), nicht "ha"
**Jede Hex-Ziffer = 4 Bits (ein "Nibble")** **Jede Hex-Ziffer = 4 Bits (ein "Nibble")**
0-9, A-F (10=A, 11=B, ..., 15=F) 0-9, A-F (10=A, 11=B, ..., 15=F)
`5 = 0101` `0 = 0000`
`4 = 0100` `E = 1110`
`4 = 0100` `7 = 0111`
**ASCII Tabelle (0-127):** **ASCII Tabelle (0-127):**
[https://www.asciitable.com](https://www.asciitable.com) [https://www.asciitable.com](https://www.asciitable.com)
<!-- <!--
"Gerne vorab auf den Link gehen" Dezimalsystem passt nur umständlich 0->15 (1111) ins binäre System
Hexadezimal (16) passt perfekt
WICHTIG: ASCII geht nur von 0-127! WICHTIG: ASCII geht nur von 0-127!
- Werte 128-255 sind NICHT in der ASCII-Tabelle - Werte 128-255 sind NICHT in der ASCII-Tabelle
@@ -702,12 +734,12 @@ KULTURHISTORISCHER KONTEXT:
- "American Standard Code for Information Interchange" (1963) - "American Standard Code for Information Interchange" (1963)
- Entwickelt für US-amerikanische Bedürfnisse - Entwickelt für US-amerikanische Bedürfnisse
- Keine Unterstützung für: Umlaute (ä, ö, ü), ß, diakritische Zeichen (é, ñ, ç) - Keine Unterstützung für: Umlaute (ä, ö, ü), ß, diakritische Zeichen (é, ñ, ç)
- Nicht-lateinische Schriftsysteme (Kyrillisch, Arabisch, CJK) wurden nicht berücksichtigt - Nicht-lateinische Schriftsysteme (Kyrillisch, Arabisch, CJK = Chinese, Japanese, Korean) wurden nicht berücksichtigt
- Führte zu zahlreichen inkompatiblen Erweiterungen (ISO-8859-1, Windows-1252, etc.) - Führte zu zahlreichen inkompatiblen Erweiterungen (ISO-8859-1, Windows-1252, etc.)
WARUM NOCH HEUTE RELEVANT? WARUM NOCH HEUTE RELEVANT?
- Abwärtskompatibilität: UTF-8 ist vollständig ASCII-kompatibel (Zeichen 0-127 identisch) - Abwärtskompatibilität: UTF-8 (Unicode Transformation Format, 8-bit) ist vollständig ASCII-kompatibel (Zeichen 0-127 identisch)
- Internetprotokolle basieren auf ASCII: HTTP-Header, SMTP, URLs - Internetprotokolle basieren auf ASCII: HTTP (HyperText Transfer Protocol)-Header, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), URLs (Uniform Resource Locator)
- Programmiersprachen: Schlüsselwörter und Syntax sind ASCII - Programmiersprachen: Schlüsselwörter und Syntax sind ASCII
- Ein 60 Jahre alter Standard, der durch Kompatibilitätszwänge fortbesteht - Ein 60 Jahre alter Standard, der durch Kompatibilitätszwänge fortbesteht
@@ -770,7 +802,7 @@ US-ASCII (1967) Code Chart
| `0100 1110` | `4E` | 78 | **N** | | `0100 1110` | `4E` | 78 | **N** |
| `0100 0111` | `47` | 71 | **G** | | `0100 0111` | `47` | 71 | **G** |
→ **PNG**-Signatur! (Das `89` markiert: "Ich bin binär, kein Text!") → `89` übersteigt den ASCII-Raum und markiert eie Binärdatei
<!-- <!--
Hex = 2 Ziffern = 1 Byte = 8 Bit Hex = 2 Ziffern = 1 Byte = 8 Bit
@@ -853,7 +885,7 @@ WARUM nutzt PNG absichtlich 89 (= 137 dezimal)?
Geschichte: "PK" bei ZIP = Phil Katz (Erfinder von PKZip, 1989) Geschichte: "PK" bei ZIP = Phil Katz (Erfinder von PKZip, 1989)
Fun Fact: DOCX, XLSX, PPTX, ODT = alles ZIP-Archive mit XML-Inhalt! Fun Fact: DOCX, XLSX, PPTX, ODT = alles ZIP-Archive mit XML-Inhalt!
Dateien OHNE Magic Number: TXT, HTML, CSS, JSON, XML Dateien OHNE Magic Number: TXT, HTML (HyperText Markup Language), CSS (Cascading Style Sheets), JSON (JavaScript Object Notation), XML (Extensible Markup Language)
→ Reiner Text, kein binäres Format → Reiner Text, kein binäres Format
Sicherheits-Aspekt: Sicherheits-Aspekt:
@@ -882,8 +914,8 @@ Windows vertraut der Endung, aber "file" (Linux) liest Magic Number
| **Zettabyte (ZB)** | 1 Trilliarde | 10²¹ | Internet-Traffic 2016 | | **Zettabyte (ZB)** | 1 Trilliarde | 10²¹ | Internet-Traffic 2016 |
<!-- <!--
SI-Präfixe (Dezimal): 1 KB = 1.000 Bytes SI (Système International d'Unités)-Präfixe (Dezimal): 1 KB = 1.000 Bytes
Binär (IEC): 1 KiB = 1.024 Bytes (Kibibyte) Binär (IEC = International Electrotechnical Commission): 1 KiB = 1.024 Bytes (Kibibyte)
Windows zeigt oft binär, sagt aber "KB" → Verwirrung! Windows zeigt oft binär, sagt aber "KB" → Verwirrung!
1 TB Festplatte = ~931 GiB nutzbar 1 TB Festplatte = ~931 GiB nutzbar
@@ -974,9 +1006,9 @@ ANALOG damals: Bücher, Zeitungen, Vinyl, VHS, Filmrollen, Fotos
DIGITAL damals: Festplatten, CDs, DVDs, frühe Flash-Speicher DIGITAL damals: Festplatten, CDs, DVDs, frühe Flash-Speicher
HEUTE: LTO-9 (2021) speichert 18 TB pro Band, ~$5/TB für Cold Storage HEUTE: LTO-9 (LTO = Linear Tape-Open, 2021) speichert 18 TB pro Band, ~$5/TB für Cold Storage
VERGLEICH: SSD ~$50/TB, HDD ~$15/TB, LTO ~$5/TB VERGLEICH: SSD (Solid State Drive) ~$50/TB, HDD (Hard Disk Drive) ~$15/TB, LTO ~$5/TB
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@@ -1032,7 +1064,7 @@ AWS Glacier, Google Coldline und Film-Archive nutzen LTO – langsamer Zugriff,
<!-- <!--
Quellen: IDC Global DataSphere Forecast, Statista 2025 Quellen: IDC Global DataSphere Forecast, Statista 2025
IoT-Geräte allein: 73 ZB in 2025 IoT (Internet of Things)-Geräte allein: 73 ZB in 2025
Cloud-Speicher: 100 ZB (50% der Weltdaten) Cloud-Speicher: 100 ZB (50% der Weltdaten)
Prognose 2028: 394 ZB Prognose 2028: 394 ZB
--> -->
@@ -1145,7 +1177,7 @@ Analoge Speicherung codiert Information als **kontinuierliche physikalische Grö
<!-- <!--
GENERATIONSVERLUST: GENERATIONSVERLUST:
Kassette → Kassette = jede Kopie schlechter Kassette → Kassette = jede Kopie schlechter
VHS → VHS = Rauschen nimmt zu VHS (Video Home System) → VHS = Rauschen nimmt zu
Schallplatte: Jedes Abspielen = minimaler Verschleiß Schallplatte: Jedes Abspielen = minimaler Verschleiß
ABER: Analoges Original bleibt "das Original" ABER: Analoges Original bleibt "das Original"
@@ -1216,7 +1248,7 @@ Digitale Speicherung quantisiert kontinuierliche Signale in diskrete Werte. Der
|--------|--------|---------| |--------|--------|---------|
| Kopiervorgang | Physikalischer Prozess | Bit-Kopie | | Kopiervorgang | Physikalischer Prozess | Bit-Kopie |
| Qualität pro Generation | Verschlechtert | Identisch | | Qualität pro Generation | Verschlechtert | Identisch |
| Fehlerkorrektur | Unmöglich | Möglich (ECC, RAID) | | Fehlerkorrektur | Unmöglich | Möglich (ECC = Error Correcting Code, RAID = Redundant Array of Independent Disks) |
| Formatmigration | Verlust | Verlustfrei möglich | | Formatmigration | Verlust | Verlustfrei möglich |
**Die Kehrseite:** Digitale Obsoleszenz. Ein DOCX von 2025 ist in 50 Jahren womöglich unlesbar – während ein Buch von 1525 heute noch lesbar ist. Offene Formate (PDF/A, FLAC, PNG) mildern dieses Risiko. **Die Kehrseite:** Digitale Obsoleszenz. Ein DOCX von 2025 ist in 50 Jahren womöglich unlesbar – während ein Buch von 1525 heute noch lesbar ist. Offene Formate (PDF/A, FLAC, PNG) mildern dieses Risiko.
@@ -1507,7 +1539,7 @@ Patent lief 2017 aus
- Forschung ab 1982, Patent 1988 - Forschung ab 1982, Patent 1988
<!-- <!--
Fraunhofer IIS Erlangen Fraunhofer IIS (Institut für Integrierte Schaltungen) Erlangen
Forschung dauerte über 10 Jahre Forschung dauerte über 10 Jahre
Perfektionist: Jeder Hörtest musste bestehen Perfektionist: Jeder Hörtest musste bestehen
--> -->
@@ -1574,7 +1606,7 @@ Ein Zusammenspiel aus vielen Faktoren:
<!-- <!--
MP3-Kompression in 4 Schritten (vereinfacht): MP3-Kompression in 4 Schritten (vereinfacht):
1. FFT (Fast Fourier Transform) 1. FFT (Fast Fourier Transform = Schnelle Fourier-Transformation)
- Wandelt Schallwellen in Frequenzen um - Wandelt Schallwellen in Frequenzen um
- Wie ein Prisma Licht in Farben zerlegt - Wie ein Prisma Licht in Farben zerlegt
@@ -1586,7 +1618,7 @@ MP3-Kompression in 4 Schritten (vereinfacht):
3. Quantisierung (hier passiert der Datenverlust!) 3. Quantisierung (hier passiert der Datenverlust!)
- Unwichtige Frequenzen werden "grob" gespeichert - Unwichtige Frequenzen werden "grob" gespeichert
- Wichtige Frequenzen bleiben genau - Wichtige Frequenzen bleiben genau
- Wie JPEG: Details entfernen, wo es nicht auffällt (Kontrast/Helligkeit bleibt) - Wie JPEG (Joint Photographic Experts Group): Details entfernen, wo es nicht auffällt (Kontrast/Helligkeit bleibt)
4. Huffman-Coding (verlustfrei) 4. Huffman-Coding (verlustfrei)
- Häufige Muster = kurze Codes - Häufige Muster = kurze Codes
@@ -1659,7 +1691,7 @@ KERNKONZEPT: Kompression = Modell der menschlichen Wahrnehmung
**Prinzip:** Wiederholungen zählen statt wiederholen **Prinzip:** Wiederholungen zählen statt wiederholen
<!-- <!--
RLE = Run-Length Encoding = Lauflängenkodierung RLE = Run-Length Encoding (Lauflängenkodierung)
Einfachster Kompressionsalgorithmus Einfachster Kompressionsalgorithmus
Gut für: Fax, einfache Grafiken, Icons Gut für: Fax, einfache Grafiken, Icons
Schlecht für: Fotos, Audio (zu chaotisch) Schlecht für: Fotos, Audio (zu chaotisch)
@@ -1684,7 +1716,7 @@ Schlecht für: Fotos, Audio (zu chaotisch)
Fraunhofer verklagte Winamp, andere Tools Fraunhofer verklagte Winamp, andere Tools
Millionen nutzten unlizenzierte Software Millionen nutzten unlizenzierte Software
Das Pferd war aus dem Stall Das Pferd war aus dem Stall
2017: Fraunhofer selbst erklärte MP3 für "veraltet" (AAC besser) 2017: Fraunhofer selbst erklärte MP3 für "veraltet" (AAC = Advanced Audio Coding, besser)
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@@ -1727,7 +1759,7 @@ Aber: LimeWire, Kazaa, BitTorrent folgten
→ LimeWire, Kazaa, BitTorrent, später Spotify → LimeWire, Kazaa, BitTorrent, später Spotify
<!-- <!--
RIAA (Recording Industry Association of America) verklagte Napster RIAA = Recording Industry Association of America – verklagte Napster
Urteil: Napster muss schließen (2001) Urteil: Napster muss schließen (2001)
Aber: Technologie nicht mehr aufzuhalten Aber: Technologie nicht mehr aufzuhalten
iPod (2001): "1.000 songs in your pocket" iPod (2001): "1.000 songs in your pocket"
@@ -1795,7 +1827,7 @@ Vollständige Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
- Spektrogramme vergleichen Audacity (kostenloser Download nötig) [https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html](https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html) - Spektrogramme vergleichen Audacity (kostenloser Download nötig) [https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html](https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html)
<!-- <!--
Audacity: FOSS Audio-Editor (audacityteam.org) Audacity: FOSS (Free and Open-Source Software) Audio-Editor (audacityteam.org)
Export: Datei → Exportieren → MP3 → Bitrate wählen Export: Datei → Exportieren → MP3 → Bitrate wählen
Spektrogramm-Ansicht: Auf Track-Name klicken (Dropdown öffnet sich) → "Spektrogramm" wählen Spektrogramm-Ansicht: Auf Track-Name klicken (Dropdown öffnet sich) → "Spektrogramm" wählen
Hohe Frequenzen (oben im Bild) verschwinden bei niedriger Bitrate Hohe Frequenzen (oben im Bild) verschwinden bei niedriger Bitrate