From 512fbd9d3d8ac438b8f9bfc0fd46af75b57bbbad Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Michael Czechowski Date: Mon, 2 Feb 2026 14:25:04 +0100 Subject: [PATCH] add erklaerung slides to 223015b course files - add erklaerung css class and 6 explanation slides to 01-grundlagen-text-audio.md - add erklaerung css class and 9 explanation slides to 02-bild-audio-video.md - add erklaerung css class and 2 explanation slides to 03-speichermedien-schnittstellen.md - regenerate klausurfolien.md with updated content --- slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md | 1826 +++++++++++++++++ slides/223015b/02-bild-audio-video.md | 266 ++- .../03-speichermedien-schnittstellen.md | 75 + slides/223015b/klausurfolien.md | 161 ++ 4 files changed, 2327 insertions(+), 1 deletion(-) create mode 100644 slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md diff --git a/slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md b/slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md new file mode 100644 index 0000000..dc0cc13 --- /dev/null +++ b/slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md @@ -0,0 +1,1826 @@ +--- +marp: true +theme: gaia +paginate: true +backgroundColor: #fff +header: "Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege (223015b)" +footer: "Michael Czechowski – HdM Stuttgart" +title: Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege +--- + + + + + + + +![bg cover opacity:0.2](./assets/radek-grzybowski-eBRTYyjwpRY-unsplash.jpg) + +# Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege + +**223015b** · Modul "Technik 1" · 1. Semester +Digital- und Medienwirtschaft +Hochschule der Medien Stuttgart + +[https://librete.ch/hdm/223015b/](https://librete.ch/hdm/223015b/) + +--- + +![bg fit](./assets/qrcode-1.svg) + +--- + + + +# Teil 1: Einführung +## Grundlagen, Text & Audio + +--- + + + +# Das Problem der Datengröße + +--- + +# Ein konkretes Beispiel + +**Eine Minute Musik in CD-Qualität:** + +44.100 Messungen/Sekunde +× 16 Bit pro Messung +× 2 Kanäle (Stereo) +× 60 Sekunden + += **10,6 MB pro Minute** + + + +--- + +# Das Problem skaliert + +| Inhalt | Unkomprimiert | +|--------|-------------:| +| 1 Song (4 Min) | ~42 MB | +| 1 Album (60 Min) | ~635 MB | +| 10.000 Songs | ~420 GB | + +**Kontext 1990er:** +- Festplatte: 100-500 MB +- Modem: 56 kbit/s → 1 Song dauert Stunden + + + +--- + +# Video eskaliert + +**Eine Minute 4K-Video (unkomprimiert):** + +3840 × 2160 Pixel +× 3 Byte pro Pixel (RGB) +× 30 Bilder pro Sekunde +× 60 Sekunden + += **~45 GB pro Minute** + +Ein 2-Stunden-Film: über **5 Terabyte** + + + +--- + +# Kompressionsraten in der Praxis + +| Medium | Unkomprimiert | Komprimiert | Faktor | +|--------|-------------:|------------:|-------:| +| 1 Song (4 Min) | ~42 MB | ~4 MB (MP3 320) | ~10× | +| 1 Foto (12 MP) | ~36 MB | ~3 MB (JPEG) | ~12× | +| 1 Min 4K-Video | ~45 GB | ~375 MB (H.264) | ~120× | + + + +--- + + + +# Zwei Philosophien der Kompression + + + +--- + +# Verlustfreie Kompression (Lossless) + +**Prinzip:** Redundanz entfernen + +**Beispiel Lauflängenkodierung:** +``` +Original: AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen) +Komprimiert: 5A3B8C (6 Zeichen) +``` + +→ 62% kleiner, 100% wiederherstellbar + +**Anwendung:** ZIP, PNG, FLAC, Programmcode + + + +--- + +# Verlustbehaftete Kompression (Lossy) + +**Prinzip:** Irrelevanz entfernen + +**Die Frage:** Was nimmt ein Mensch nicht wahr? + +- Das Ohr hört nicht alle Frequenzen gleich gut +- Das Auge sieht nicht alle Farbnuancen +- Laute Töne überdecken leise Töne + +→ Warum Daten speichern, die niemand wahrnimmt? + + + +--- + + + + + + +# Verlustfrei vs. Verlustbehaftet + +| | Verlustfrei (Lossless) | Verlustbehaftet (Lossy) | +|---|---|---| +| **Prinzip** | **Redundanz** entfernen | **Irrelevanz** entfernen | +| **Reversibel** | Ja (Original wiederherstellbar) | Nein (Information unwiederbringlich weg) | +| **Reduktion** | 30-50% | 80-99% | +| **Formate** | ZIP, PNG, FLAC, GIF | JPEG, MP3, H.264/H.265 | + +**Faustregel:** +- Medien für Endnutzer → Lossy oft akzeptabel +- Quellmaterial, Code, Archive → Lossless nötig + + + +--- + + + + + +# Kompression: Erklaerung + +**Definition:** Kompression reduziert die Dateigroesse durch Entfernen von Redundanz (Lossless) oder Irrelevanz (Lossy). + +| Typ | Prinzip | Reversibel | Beispiele | +|-----|---------|------------|-----------| +| **Verlustfrei** | Redundanz entfernen | Ja | ZIP, PNG, FLAC | +| **Verlustbehaftet** | Irrelevanz entfernen | Nein | JPEG, MP3, H.264 | + +**Redundanz:** Wiederholende Muster kompakter darstellen +- "AAAA" → "4×A" (Run-Length Encoding) + +**Irrelevanz:** Fuer Menschen nicht wahrnehmbare Information entfernen +- Psychoakustik: Toene unter Hoerschwelle +- Psychovisuell: Farbunterschiede im Randbereich + +**Merkhilfe:** "Redundanz = Wiederholung, Irrelevanz = Unwichtig" + +--- + + + + +![bg fit](./assets/compression-types.png) + + + +--- + + + + +# Die Grundbausteine +## Bits, Bytes und ihre Darstellung + +--- + + + + +![bg](./assets/lightbulb-onoff.png) + + + +--- + +# Das Bit + +**Kleinste Informationseinheit** + +- **0 oder 1** +- AN oder AUS +- Strom fließt oder nicht + + + +--- + +# Das Byte + + + +--- + +# Das Byte + +**1 Byte = 8 Bits** + +``` +0 1 0 0 1 1 0 1 +``` + + + +--- + +# Das Byte + +**1 Byte = 8 Bits** + +``` +0 1 0 0 1 1 0 1 +``` + +2⁸ = **256 Möglichkeiten** (0-255) + + + +--- + + + + +»256 Shades of Gray« + +![bg fit](./assets/grayscale-gradient.png) + + + +--- + +# Was kann man mit 256 Zuständen machen? + +* **256 Zeichen** (Buchstaben, Zahlen, Symbole) +* **256 Helligkeit bzw. Luminanz** (0 = Schwarz/Dunkel, 255 = Weiß/Hell) +* **256 Lautstärkestufen** +* **Zahlen 0-255** (oder -128 bis +127) + + + +--- + + + + +![bg fit](./assets/rgb-color-model.png) + + + +--- + + + + +![bg fit](./assets/rgb-color-model-with-title.png) + + + +--- + +![bg right:50%](./assets/addaptive-substractive-colors.jpg) + +# Farben: RGB-Modell + +**1 Pixel = 3 Bytes** + +- **Rot:** 0-255 +- **Grün:** 0-255 +- **Blau:** 0-255 + +**Beispiele:** +`FF 00 00` = Rot +`00 FF 00` = Grün +`00 00 FF` = Blau +`00 00 00` = Schwarz +`FF FF FF` = Weiß + + + +--- + + + + +![bg fit](./assets/hex-dec-lookup-table.png) + +--- + +# 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!** + + + +--- + +# Unicode: Ein Standard für alle (8 Bit) + +**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) +- **Zeichen 0-127: identisch mit ASCII** (Abwärtskompatibilität!) +- 1.112.064 gültige Zeichen +- Umlaute: 2 Bytes · CJK: 3 Bytes · Emoji: 4 Bytes + + + +--- + +# Beispiel: Bytes zählen + +**Text:** `"Hello·🌸·こんにちは·(Kon-ni-chi-wa)"` + +| Zeichen | Bytes | +|---------|-------| +| `Hello·` | 6 × 1 = **6 Bytes** (ASCII) | +| `🌸` | **4 Bytes** (Emoji) | +| `·` | **1 Byte** | +| `こんにちは` | 5 × 3 = **15 Bytes** (Hiragana) | +| `·(Kon-ni-chi-wa)` | **16 Bytes** (ASCII) | + +**Gesamt: 42 Bytes** für 29 sichtbare Zeichen + + + +--- + + + +# Hexadezimal +## Die Sprache der Datei-Analyse + +--- + +# Hexadezimal: Lesbarkeit + +**Binär ist unleserlich:** +`01010000 01001110 01000111` + +**Hexadezimal (Base 16):** +`50 4E 47` (= "PNG" in ASCII) + +**Jede Hex-Ziffer = 4 Bits (ein "Nibble")** +0-9, A-F (10=A, 11=B, ..., 15=F) + +**ASCII Tabelle (0-127):** +[https://www.asciitable.com](https://www.asciitable.com) + + + +--- + + + + + +# ASCII +## One *Zeichensatz* to rule them all + + + +--- + + + + + +![bg fit](./assets/ascii-table-colored.png) + + + +--- + +![bg right:40%](./assets/matrix-code.png) + +# WTF!? + +``` +89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A +00 00 00 0D 49 48 44 52 +00 00 01 90 00 00 01 2C +``` + +--- + +![bg right:30%](./assets/matrix-code.png) + +# What the HEX-Code + +``` +89 50 4E 47 ... +``` + +| Binär | Hex | Dez | ASCII | +|-------|-----|-----|-------| +| `1000 1001` | `89` | 137 | ✗ (> 127) | +| `0101 0000` | `50` | 80 | **P** | +| `0100 1110` | `4E` | 78 | **N** | +| `0100 0111` | `47` | 71 | **G** | + +→ **PNG**-Signatur! (Das `89` markiert: "Ich bin binär, kein Text!") + + + +--- + + + + + +![bg fit](./assets/hex-code-hidden.png) + + + +--- + + + + + +![bg fit](./assets/hex-code.png) + + + +--- + + + + +![bg fit](./assets/8bit-P-character.png) + +--- + +# Magic Numbers + +**Dateityp-Identifikation durch erste Bytes** + +| Format | Magic Number (Hex) | Lesbar? | +|--------|-------------------|---------| +| PNG | `89 50 4E 47` | ✗ P N G | +| JPEG | `FF D8 FF` | ✗ ✗ ✗ | +| PDF | `25 50 44 46` | % P D F ✓ | +| ZIP | `50 4B 03 04` | P K ✗ ✗ | + +**Wichtig:** ASCII = nur 0-127! Werte darüber (z.B. `89` = 137) sind **nicht druckbar** (non-printable). *Hex-Editoren zeigen dafür `.` oder `ÿ` als Platzhalter.* + + + +--- + + + + + + +# Dateneinheiten + +| Einheit | Bytes | Potenz | Beispiel | +|---------|------:|:------:|----------| +| **Byte** | 1 | 10⁰ | Farbwerte eines Pixels | +| **Kilobyte (KB)** | 1.000 | 10³ | Kleiner Programmcode | +| **Megabyte (MB)** | 1 Million | 10⁶ | Textdokument | +| **Gigabyte (GB)** | 1 Milliarde | 10⁹ | Kinofilm in FullHD | +| **Terabyte (TB)** | 1 Billion | 10¹² | ~12h Video in 4K | +| **Petabyte (PB)** | 1 Billiarde | 10¹⁵ | Netflix-Gesamtarchiv | +| **Exabyte (EB)** | 1 Trillion | 10¹⁸ | Alle E-Mails weltweit/Tag | +| **Zettabyte (ZB)** | 1 Trilliarde | 10²¹ | Internet-Traffic 2016 | + + + +--- + + + + + +# Dateneinheiten: Erklaerung + +**Definition:** Standardisierte Groessenangaben fuer digitale Datenmengen basierend auf SI-Praefixen (Dezimal). + +| Einheit | Bytes | Potenz | Alltagsbeispiel | +|---------|-------|--------|-----------------| +| KB | 1.000 | 10³ | Kurze E-Mail | +| MB | 1.000.000 | 10⁶ | MP3-Song (~4 MB) | +| GB | 1 Milliarde | 10⁹ | HD-Film (~4 GB) | +| TB | 1 Billion | 10¹² | Externe Festplatte | + +**Dezimal vs. Binaer:** +- SI (Hersteller): 1 KB = 1.000 Bytes +- IEC (Computer): 1 KiB = 1.024 Bytes +- Daher: 1 TB Festplatte zeigt nur ~931 GB an + +**Merkhilfe:** "**K**omm **M**it **G**rossem **T**ee, **P**eter **E**xte **Z**ettelt **Y**achten" + +--- + +# Datenwachstum der Menschheit + +| Jahr | Datenmenge | Kontext | +|------|------------|---------| +| **100.000 v. Chr.** | 0 | Erste Menschen, nur Sprache | +| **3.000 v. Chr.** | ~wenige KB | Keilschrift, Hieroglyphen | +| **1450** | ~wenige GB | Gutenberg, Buchdruck | +| **1986** | **2,6 EB** | 99% analog (Bücher, Vinyl, VHS) | +| **2007** | **295 EB** | 94% digital | +| **2025** | **181 ZB** | 90% unstrukturiert | + + + +--- + + + + + + +# Der digitale Wendepunkt + +| Jahr | Analog | Digital | Digital-Anteil | +|------|--------|---------|----------------| +| **1986** | 2,6 EB | 0,02 EB | **1%** | +| **2002** | — | — | **50%** (Wendepunkt) | +| **2007** | 18 EB | 277 EB | **94%** | + +**Perspektive:** +- 1986: "Petabyte" war ein theoretisches Konzept +- 2025: ~181 Zettabyte jährlich produziert + +**Magnetband lebt:** LTO-Tapes bleiben günstigstes Archivmedium +(AWS Glacier, Film-Archive, Rechenzentren) + + + +--- + + + + + +# Digitaler Wendepunkt: Erklaerung + +**Definition:** Der Zeitpunkt, ab dem mehr Daten digital als analog gespeichert wurden. + +**Die Meilensteine:** +| Jahr | Ereignis | +|------|----------| +| 1986 | 99% analog, nur 1% digital | +| **2002** | **Wendepunkt: 50% digital** | +| 2007 | 94% digital, nur 6% analog | +| 2025 | ~181 Zettabyte jaehrlich | + +**Warum Magnetband noch lebt:** +- LTO-Tapes: ~5 USD/TB (guenstigstes Archivmedium) +- Vergleich: SSD ~50 USD/TB, HDD ~15 USD/TB +- Einsatz: AWS Glacier, Filmarchive, Cold Storage + +**Merkhilfe:** "**2002** = **D**igitale **D**ominanz beginnt" (2-0-0-2 = D-D) + +--- + + + + + +![bg fit](./assets/2011-hilbert.png) + + +--- + +# 181 Zettabyte – Was bedeutet das? + +**2025:** Welt erzeugt **181 ZB** pro Jahr + +- **2,5 Quintillionen Bytes** täglich +- **29 Terabyte** pro Sekunde +- **90%** davon: unstrukturiert (Videos, Bilder, Audio) +- **70%** davon: von NutzerInnen generiert + +**Zum Vergleich:** +- 1 ZB = 250 Milliarden DVDs +- 181 ZB = Jeder Mensch erzeugt ~23 TB/Jahr + + + +--- + + + + + + +![bg fit](./assets/growth of big data.png) + +--- + +# AI-generierte Inhalte 2025 + +**Wie viel Content ist heute synthetisch?** + +| Bereich | AI-Anteil | +|---------|-----------| +| **Neue Webseiten** | ~74% enthalten AI-Content | +| **Web-Text gesamt** | ~30-40% AI-generiert | +| **Neue Artikel** | ~52% von AI geschrieben | +| **Social-Media-Bilder** | ~71% AI-generiert | + +**Prognose 2026:** 90% des Online-Contents synthetisch + + + +--- + + + +# Teil 2: Die MP3-Revolution +## Psychoakustik & Audio-Kompression + +--- + + + + +![bg](./assets/cassette-ipod.png) + + + +--- + + + + + + +# Analoge Medien +### Distribution: physisch (Kauf, Verleih, Kopie) + +* **Text** + - Bücher, Zeitungen, Zeitschriften, Lochkarten +* **Bild** + - Fotografie (Negativ, Dia, Polaroid), Mikrofilm +* **Audio:** + - Schallplatte (Vinyl, Schellack), Tonband, Musikkassette +* **Video:** + - Film (35mm, Super 8), VHS, Betamax + +--- + + + + + +# Analoge Medien: Erklaerung + +**Definition:** Medien, bei denen Information durch kontinuierliche physikalische Groessen (Rillen, Magnetisierung, Licht) gespeichert wird. + +| Medium | Typ | Speicherprinzip | +|--------|-----|-----------------| +| Schallplatte | Audio | Rillen in Vinyl | +| Tonband | Audio | Magnetische Partikel | +| Film | Video | Lichtempfindliche Emulsion | +| VHS | Video | Magnetband | + +**Kernmerkmal Generationsverlust:** +- Jede Kopie ist schlechter als das Original +- Kassette → Kassette → Kassette = zunehmend schlechter +- Das Original bleibt einzigartig + +**Distribution:** Physisch (Kauf, Verleih, Kopie von Hand) + +--- + +# Analoge Medien: Vor- und Nachteile + +| Vorteile | Nachteile | +|----------|-----------| +| Kein Abspielgerät nötig (Buch, Foto) | Qualitätsverlust bei jeder Kopie | +| Haptisches Erlebnis | Physischer Verschleiß | +| Unabhängig von Strom/Internet | Begrenzte Haltbarkeit | +| Keine Formatkonvertierung | Platzbedarf bei Lagerung | +| Eindeutiges Original | Aufwendige Durchsuchbarkeit | + + + +--- + +# Von Analog zu Digital: Die Kopier-Revolution + +**Das Problem analoger Kopien:** +Kassette → Kassette → Kassette = immer schlechter + +**Was Digital anders macht:** +- **Identische Kopien** – kein Qualitätsverlust, nie +- **Einfache Massenproduktion** – Copy & Paste +- **Perfekte Archivierung** – Bits verändern sich nicht + +**Daher: "Raubkopien"** +Der Begriff entstand, weil digitale Kopien *tatsächlich identisch* mit dem Original waren – nicht wie bei Kassetten eine schlechtere Version. + +Quelle: [c64-wiki.de/wiki/Raubkopie](https://www.c64-wiki.de/wiki/Raubkopie) + + + +--- + + + + + + +# Digitale Medien +### Distribution: Datenträger (CD, USB), Download, Streaming, P2P + +* **Text** + - E-Book (PDF, EPUB), Dokumente (TXT, DOCX) +* **Bild** + - Digitalfoto (JPEG, PNG, RAW, WebP, GIF) +* **Audio** + - Audiodatei (MP3, FLAC, WAV, AAC, OGG) +* **Video** + - Videodatei (MP4, MKV, AVI, WebM) + +--- + + + + + +# Digitale Medien: Erklaerung + +**Definition:** Medien, bei denen Information als diskrete Zahlenwerte (Bits) gespeichert wird. + +| Medientyp | Formate | Typische Verwendung | +|-----------|---------|---------------------| +| Text | PDF, EPUB, DOCX | E-Books, Dokumente | +| Bild | JPEG, PNG, WebP | Fotos, Grafiken | +| Audio | MP3, FLAC, AAC | Musik, Podcasts | +| Video | MP4, MKV, WebM | Filme, Streaming | + +**Kernvorteil gegenueber Analog:** +- **Identische Kopien** - kein Qualitaetsverlust +- Kopie = Original (bit-identisch) + +**Distribution:** Datentraeger, Download, Streaming, P2P + +--- + + + + + + +# Digitale Speichermedien + +* **Optische Speicher** + - CD, DVD, Blu-ray +* **Magnetische Speicher** + - Festplatte (HDD), Magnetband (LTO) +* **Flash-Speicher** + - SSD, USB-Stick, SD-Karte +* **Cloud-Speicher** + - Dropbox, Google Drive, iCloud, AWS S3 + +--- + + + + + +# Digitale Speichermedien: Erklaerung + +**Definition:** Physische oder virtuelle Medien zur dauerhaften Speicherung digitaler Daten. + +| Kategorie | Technologie | Eigenschaften | +|-----------|-------------|---------------| +| **Optisch** | CD, DVD, Blu-ray | Laser liest Pits/Lands | +| **Magnetisch** | HDD, LTO-Band | Magnetisierte Bereiche | +| **Flash** | SSD, USB, SD | Elektrische Ladung in Zellen | +| **Cloud** | AWS, Google, Dropbox | Verteilte Server | + +**Auswahlkriterien:** +- **Geschwindigkeit:** SSD > HDD > Optisch > Band +- **Kosten/TB:** Band < HDD < SSD < Cloud +- **Haltbarkeit:** Band (~30 Jahre) > Optisch > SSD > HDD + +**Merkhilfe:** "**O**ptisch **M**agnetisch **F**lash **C**loud" = OMFC + +--- + +# Das Speicherproblem der Digitalisierung + + +**Ziel: Analoge Schallwelle möglichst originalgetreu rekonstruieren** + +*CD-Qualität (1982): 44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = 10,584 MB/Minute* + + + +| Inhalt | Größe | Problem (1990er) | +|--------|-------|------------------| +| 1 Song (4 Min) | ~42 MB | Ausreichend Speicher | +| 1 Album (60 Min) | ~635 MB | Gesamte Festplatte | + + + + +--- + + + + +![bg cover](./assets/spectogram-chet-baker.png) + + + +--- + +# Die Abtastrate (Sample Rate) +**Analog → Digital ≙ Kontinuierlich → Diskret** +``` + Analog (Vinyl): Digital (CD): + ~~~~~~~~~~~~~~~ • • • • • • • • + Kontinuierliche 44.100 Messpunkte + Wellenform pro Sekunde +``` +**Nyquist-Theorem:** + +> Um eine Frequenz zu rekonstruieren, braucht man mindestens **2× so viele Samples**. +44.100 Hz ÷ 2 = **22.050 Hz** max. darstellbare Frequenz +(Mensch hört: ~20 Hz bis ~20.000 Hz → passt!) + + + +--- + +# Die Bittiefe (Bit Depth) + +**Wie genau messen wir jeden Punkt?** + +| Bittiefe | Stufen | Dynamikumfang | +|----------|--------|---------------| +| 8 Bit | 256 | ~48 dB | +| 16 Bit (CD) | 65.536 | ~96 dB | +| 24 Bit (Studio) | 16.777.216 | ~144 dB | + +**16 Bit = 2¹⁶ = 65.536 Lautstärkestufen** +(von absoluter Stille bis maximaler Lautstärke) + + + +--- + +# Abtastrate (Sample Rate) × Bittiefe (Bit Depth) + +**Zwei Dimensionen der Digitalisierung:** + +| Dimension | Was bedeutet es? | CD-Qualität | +|-----------|------------------|-------------| +| **Abtastrate** (Sample Rate) | Messungen pro Sekunde (horizontal) | 44.100 Hz | +| **Bittiefe** (Bit Depth) | Genauigkeit pro Messung (vertikal) | 16 Bit | + +**44.100 Hz × 16 Bit** × 2 Kanäle = 10,584 MB/Minute + + + +--- + + + +# Kompression +## Weniger Daten, gleiche(?) Information + +--- + +# Wo liegt der Hebel für Kompression? + +**CD-Qualität:** 44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = **10,6 MB/Min** +**MP3 (128 kbps):** = **~1 MB/Min** (Faktor 10!) + +**Container-Parameter (das Raster):** + +| Parameter | Reduzieren → | Konsequenz | +|-----------|--------------|------------| +| Abtastrate | Weniger Messpunkte/Sek | Max. Frequenz sinkt | +| Bittiefe | Weniger Lautstärkestufen | Mehr Rauschen | +| Kanäle | Mono statt Stereo | Kein Raumklang | + + + +--- + +# Psychoakustik: Der MP3-Trick + +**Inhalt (was durchs Raster geht):** + +| Methode | Reduzieren → | Konsequenz | +|---------|--------------|------------| +| Psychoakustik | Unhörbare Frequenzen | Kaum wahrnehmbar | + +→ **MP3 nutzt hauptsächlich Psychoakustik** +→ Container bleibt ähnlich, Inhalt wird "ausgedünnt" + + + +--- + +# 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 + + + +--- + +![bg right:40%](./assets/karlheinz-brandenburg.jpg) + +# Karlheinz Brandenburg + +**"Vater der MP3"** + +- Diplom-Ingenieur, Universität Erlangen-Nürnberg +- Fraunhofer IIS (Institut für Integrierte Schaltungen) +- Forschung ab 1982, Patent 1988 + + + +--- + +![bg right:50%](./assets/suzanne-vega.jpg) + +# Suzanne Vega + +**"Tom's Diner" (1987)** + +- Der erste Song, der als MP3 kodiert wurde +- A cappella (keine Instrumente) +- Klare, hohe Frequenzen +- Perfekter Stresstest für Kompression +- Brandenburg hörte "Tom's Diner" über 10.000 Mal + + + + +--- + +# Wie funktioniert MP3? + +Ein Zusammenspiel aus vielen Faktoren: + +* **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) + + + + + + + + +--- + +# 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 + + + +--- + +![bg right:50% fit](./assets/napster-2001.png) + +# Napster (1999) + +**P2P-Filesharing für MP3s** + +- Shawn Fanning, 19 Jahre alt +- 80 Millionen User in 2 Jahren +- Musikindustrie verklagt (2001) +- Pandora's Box: Nicht mehr aufzuhalten + + + +--- + +![bg right:40% contain](./assets/bittorrent.png) + +# Napster & Musikindustrie + +**1999:** Napster startet +**2001:** 80 Millionen User + +**Musikindustrie:** +- CDs kosten $15-20 +- MP3s gratis (illegal, aber yolo) +- Einzelne Songs statt Alben + +**2001:** Napster wird verklagt und schließt + +**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) +✓ KünstlerInnen verloren Kontrolle + +**Aber auch:** +❌ KünstlerInnen verdienen weniger pro Stream +❌ Audio-Qualität sank (Loudness War) +❌ Physische Medien starben + + + +--- + + + +# Fragen & Diskussion + +**Kontakt:** lb-czechowski@hdm-stuttgart.de +**Folien:** Online verfügbar unter https://librete.ch/hdm/223015b + +--- + +# 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/ + +--- + + + + +# Selbstlernen: Audio-Spektrogram + +**Aufgabe (30 Min):** + +- Live Spektrogram untersuchen https://borismus.github.io/spectrogram/ +- Mit Effekten experimentieren https://audiomass.co/ +- Spektrogramme vergleichen Audacity (kostenloser Download nötig) [https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html](https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html) + + + +--- + + + + +![bg contain right:22%](./assets/qr/hexed-it.png) + +# Selbstlernen: HEX Files + +1. Drei Dateien ohne Dateiendung: + `hex1` `hex2` `hex3` +3. Lies erste 16 Bytes aus und identifiziere Dateiformat (Magic Number) +5. *Optional: Datei umbenennen und korrekte Dateiendung anhängen (bspw. `.jpg`)* + +**Tools:** +- Hex-Editor: [hexed.it](https://hexed.it) +- Magic Numbers: [en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_signatures](https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_signatures) + + + diff --git a/slides/223015b/02-bild-audio-video.md b/slides/223015b/02-bild-audio-video.md index f132c96..1dc7c6f 100644 --- a/slides/223015b/02-bild-audio-video.md +++ b/slides/223015b/02-bild-audio-video.md @@ -68,6 +68,33 @@ section.aufgabe { section.aufgabe footer { display: none; } +section.erklaerung { + font-size: 1.1rem; + background: linear-gradient(180deg, #f8fbff 0%, #e8f4fc 100%) !important; + border-left: 6px solid #1e5f8a; +} +section.erklaerung h1 { + font-size: 1.6rem; + color: #1e5f8a; + margin-bottom: 0.5rem; +} +section.erklaerung h2 { + font-size: 1.3rem; + color: #1f2937; + margin-top: 0; +} +section.erklaerung ul, +section.erklaerung ol { + font-size: 1.0rem; + line-height: 1.4; +} +section.erklaerung p { + font-size: 1.05rem; + line-height: 1.5; +} +section.erklaerung table { + font-size: 0.95rem; +} @@ -220,6 +247,33 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# Rastergrafiken: Erklaerung + +**Definition:** Bilder als zweidimensionales Raster (Array) von Pixeln mit Farbwerten. + +**Speicherberechnung (unkomprimiert):** +``` +Breite × Hoehe × (Farbtiefe ÷ 8) = Bytes +``` + +**Beispiel:** 1920×1080 bei 24 Bit +- 1920 × 1080 × 3 = 6.220.800 Bytes ≈ **6,2 MB** + +| Farbtiefe | Farben | Anwendung | +|-----------|--------|-----------| +| 1 Bit | 2 | S/W, Fax | +| 8 Bit | 256 | Graustufen, GIF | +| 24 Bit | 16,7 Mio | True Color (RGB) | +| 32 Bit | 16,7 Mio + Alpha | Transparenz | + +**Merkhilfe:** "24 Bit = 3 Bytes = RGB" (8+8+8) + +--- + # Das Problem der Skalierung **Vergrößern:** @@ -274,6 +328,33 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# Vektorgrafiken: Erklaerung + +**Definition:** Bilder als mathematische Beschreibung geometrischer Formen (Pfade, Kurven, Formen). + +| Eigenschaft | Raster | Vektor | +|-------------|--------|--------| +| Speicherung | Pixel-Array | Geometrie-Anweisungen | +| Skalierung | Qualitaetsverlust | Verlustfrei | +| Ideal fuer | Fotos | Logos, Icons | +| Formate | JPEG, PNG | SVG, PDF, AI | + +**SVG-Beispiel:** +```xml + +``` +→ Beschreibt WAS, nicht WIE (deklarativ) + +**Konvertierung:** +- Vektor → Raster: Einfach (Rasterisierung) +- Raster → Vektor: Schwierig (Tracing) + +--- + # Raster- und Vektorgrafiken | | Raster | Vektor | @@ -338,6 +419,31 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# Psychovisuelle Wahrnehmung: Erklaerung + +**Definition:** Das menschliche Auge hat Schwaechen, die Kompressionsverfahren gezielt ausnutzen. + +**Was Menschen schlecht sehen:** +| Eigenschaft | Wahrnehmung | JPEG-Strategie | +|-------------|-------------|----------------| +| Farbe vs. Helligkeit | Helligkeit besser | Farbaufloesung reduzieren | +| Hohe Frequenzen | Schlechter | Feine Details verwerfen | +| Kleine Unterschiede | Kaum merkbar | Quantisierung | + +**Raeumliche Frequenz:** +- **Niedrig:** Langsame Aenderung = grosse Flaechen +- **Hoch:** Schnelle Aenderung = feine Details, Kanten + +**Biologische Grundlage:** +- Mehr Staebchen (Helligkeit) als Zapfen (Farbe) im Auge +- Aehnlich: Psychoakustik bei MP3 (Maskierungseffekte) + +--- + @@ -442,6 +548,32 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# JPEG Farbraumkonversion: Erklaerung + +**Definition:** Umwandlung von RGB (Rot-Gruen-Blau) in YCbCr (Helligkeit + Farbdifferenzen). + +| Kanal | Bedeutung | Behandlung | +|-------|-----------|------------| +| **Y** | Luminanz (Helligkeit) | Volle Aufloesung behalten | +| **Cb** | Blau-Gelb-Differenz | Kann reduziert werden | +| **Cr** | Rot-Gruen-Differenz | Kann reduziert werden | + +**Warum diese Trennung?** +- Menschliches Auge: empfindlicher fuer Helligkeit als Farbe +- Y behaelt volle Aufloesung → Schaerfe erhalten +- Cb/Cr reduziert (Chroma Subsampling) → Daten sparen + +**Chroma Subsampling 4:2:0:** +- 4 Pixel teilen sich einen Farbwert +- Jeder Pixel behaelt eigene Helligkeit +- = 50% Datenreduktion bei kaum sichtbarem Verlust + +--- + # JPEG Schritt 2: Chroma Subsampling **Notation `J:a:b`** (bezogen auf 4×2 Pixel-Block): @@ -623,12 +755,35 @@ KLAUSURRELEVANT: - Präfix-frei: Kein Code ist Anfang eines anderen - Häufigstes Zeichen = kürzester Code - Auch in ZIP, PNG, MP3 verwendet +--> --- ---> + + + +# Huffman-Coding: Erklaerung +**Definition:** Verlustfreie Kompression durch variable Codelaengen basierend auf Zeichenhaeufigkeit. + +**Prinzip:** +- Haeufige Zeichen → kurze Codes +- Seltene Zeichen → lange Codes +- Praefix-frei: Kein Code ist Anfang eines anderen + +**Beispiel ABRACADABRA:** +| Zeichen | Haeufigkeit | Code | +|---------|-------------|------| +| A | 5× | `0` (1 Bit) | +| B | 2× | `10` (2 Bit) | +| R | 2× | `110` (3 Bit) | + +**Kompression:** 88 Bit → 23 Bit = **74% gespart** + +**Einsatz:** JPEG, ZIP, PNG, MP3, DEFLATE + +--- @@ -772,6 +927,34 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# WebP & AVIF: Erklaerung + +**Definition:** Moderne Bildformate mit besserer Kompression als JPEG. + +| Format | Jahr | Basis | Vorteil | +|--------|------|-------|---------| +| **WebP** | 2010 | VP8 (Google) | 25-35% kleiner als JPEG | +| **AVIF** | 2019 | AV1 | 50% kleiner als JPEG | + +**WebP Features:** +- Lossy und Lossless +- Transparenz (Alpha) +- Animationen (ersetzt GIF) + +**AVIF Features:** +- HDR-Unterstuetzung +- Patent-frei (Alliance for Open Media) +- Beste Kompression, aber langsamer + +**Browser-Support 2025:** WebP universell, AVIF waechst +**Realitaet:** JPEG bleibt dominant (Kompatibilitaet) + +--- + # Formatwahl in der Praxis | Anwendung | Format | @@ -890,6 +1073,33 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# Container vs. Codec: Erklaerung + +**Definition:** Container und Codec sind zwei verschiedene Konzepte bei Videodateien. + +| Begriff | Bedeutung | Beispiele | +|---------|-----------|-----------| +| **Container** | Dateiformat/"Box" | MP4, MKV, WebM, MOV | +| **Codec** | Kompressionsalgorithmus | H.264, H.265, VP9, AV1 | + +**Container enthaelt:** +- Video-Stream (komprimiert mit Codec) +- Audio-Stream(s) +- Untertitel +- Metadaten (Kapitel, Thumbnail) + +**Wichtig:** Gleiche Endung ≠ gleicher Inhalt! +- film.mp4 kann H.264, H.265 oder AV1 enthalten +- Tool-Tipp: **MediaInfo** zeigt beides an + +**Merkhilfe:** "Container = Schachtel, Codec = Verpackungsart" + +--- + # Gängige Container | Container | Verwendung | @@ -1115,6 +1325,33 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# H.264/AVC: Erklaerung + +**Definition:** Der dominierende Video-Codec seit 2003, der modernes Video-Streaming erst ermoeglichte. + +**Warum so erfolgreich?** +| Eigenschaft | Bedeutung | +|-------------|-----------| +| Kompression | ~100:1 moeglich | +| Hardware | Decoder in jedem Geraet seit ~2010 | +| Verbreitung | YouTube, Netflix, Blu-ray | + +**Technische Features:** +- Variable Block-Groessen (16×16 bis 4×4) +- Deblocking-Filter (reduziert Blocking-Artefakte) +- I-, P-, B-Frames (temporale Kompression) + +**Patent-Situation:** +- MPEG-LA Pool: 2000+ Patente +- "Internet Broadcast" fuer Endnutzer kostenlos +- Hardware-Decoder: ~$0,20/Geraet + +--- + # Das Patent-Problem **H.264 ist nicht frei** @@ -1221,6 +1458,33 @@ KLAUSURRELEVANT: --- + + + + +# AV1: Erklaerung + +**Definition:** Der offene, lizenzfreie Video-Codec der Zukunft, entwickelt von der Alliance for Open Media. + +**Alliance for Open Media (AOM):** +- Gegruendet 2015: Google, Netflix, Amazon, Microsoft, Apple, Mozilla +- Ziel: Patent-freier Standard nach H.265-Chaos + +| Eigenschaft | AV1 | +|-------------|-----| +| Effizienz | 30% besser als H.265 | +| Lizenz | Royalty-free, Open Source | +| Features | 8K, HDR, hohe Frame-Rates | + +**Stand 2025:** +- YouTube, Netflix nutzen AV1 fuer 4K/8K +- Hardware-Encoder in aktuellen GPUs +- Emmy-Gewinner 2024 fuer technische Innovation + +**Nachteil:** Encoding sehr langsam (Hardware loest das) + +--- + diff --git a/slides/223015b/03-speichermedien-schnittstellen.md b/slides/223015b/03-speichermedien-schnittstellen.md index ce7ed2f..80e9ba6 100644 --- a/slides/223015b/03-speichermedien-schnittstellen.md +++ b/slides/223015b/03-speichermedien-schnittstellen.md @@ -68,6 +68,33 @@ section.aufgabe { section.aufgabe footer { display: none; } +section.erklaerung { + font-size: 1.1rem; + background: linear-gradient(180deg, #f8fbff 0%, #e8f4fc 100%) !important; + border-left: 6px solid #1e5f8a; +} +section.erklaerung h1 { + font-size: 1.6rem; + color: #1e5f8a; + margin-bottom: 0.5rem; +} +section.erklaerung h2 { + font-size: 1.3rem; + color: #1f2937; + margin-top: 0; +} +section.erklaerung ul, +section.erklaerung ol { + font-size: 1.0rem; + line-height: 1.4; +} +section.erklaerung p { + font-size: 1.05rem; + line-height: 1.5; +} +section.erklaerung table { + font-size: 0.95rem; +} @@ -235,6 +262,29 @@ Kleine SSD für System + große HDD für Archiv. --- + + + + +# HDD vs. SSD: Erklaerung + +**Kernunterschied:** HDD = mechanisch (Magnetplatten), SSD = elektronisch (Flash-Speicher) + +| Eigenschaft | HDD | SSD | +|-------------|-----|-----| +| Zugriffszeit | ~10 ms | ~0.1 ms | +| Seq. Lesen | ~150 MB/s | ~500-7000 MB/s | +| Preis/TB | guenstig | teurer | +| Haltbarkeit | mechanisch anfaellig | Schreibzyklen begrenzt | + +**Entscheidungsregel:** +- **SSD:** Haeufiger Zugriff, Geschwindigkeit wichtig (OS, Apps, aktive Projekte) +- **HDD:** Grosse Datenmengen, selten genutzt (Archiv, Backup, Cold Storage) + +**Merkhilfe:** "Schnell = SSD, Speicher = HDD" + +--- + # Dateisysteme @@ -484,6 +534,31 @@ Warum 1 Offsite? --- + + + + +# 3-2-1-Backup-Regel: Erklaerung + +**Definition:** Bewährte Strategie zur Datensicherung gegen unterschiedliche Verlustszenarien. + +| Element | Bedeutung | Schutz gegen | +|---------|-----------|--------------| +| **3** Kopien | Original + 2 Backups | Hardware-Defekt | +| **2** Medientypen | z.B. SSD + HDD | Medienspezifische Fehler | +| **1** Offsite | Anderer Ort/Cloud | Lokale Katastrophen | + +**Beispiel-Setup:** +1. Arbeitsdaten auf SSD (Original) +2. Externes Backup auf HDD (lokal) +3. Cloud-Backup bei Anbieter (offsite) + +**Merkhilfe:** "3 Kopien, 2 Medien, 1 woanders" + +**Herkunft:** Peter Krogh, "The DAM Book" (2005) - gilt bis heute als Goldstandard. + +--- + # Backup-Arten **Vollständig (Full):** diff --git a/slides/223015b/klausurfolien.md b/slides/223015b/klausurfolien.md index 75bfded..ac0c87e 100644 --- a/slides/223015b/klausurfolien.md +++ b/slides/223015b/klausurfolien.md @@ -102,6 +102,166 @@ Hochschule der Medien Stuttgart +# Verlustfrei vs. Verlustbehaftet + +| | Verlustfrei (Lossless) | Verlustbehaftet (Lossy) | +|---|---|---| +| **Prinzip** | **Redundanz** entfernen | **Irrelevanz** entfernen | +| **Reversibel** | Ja (Original wiederherstellbar) | Nein (Information unwiederbringlich weg) | +| **Reduktion** | 30-50% | 80-99% | +| **Formate** | ZIP, PNG, FLAC, GIF | JPEG, MP3, H.264/H.265 | + +**Faustregel:** +- Medien für Endnutzer → Lossy oft akzeptabel +- Quellmaterial, Code, Archive → Lossless nötig + + + + +--- + + + + + +# Dateneinheiten + +| Einheit | Bytes | Potenz | Beispiel | +|---------|------:|:------:|----------| +| **Byte** | 1 | 10⁰ | Farbwerte eines Pixels | +| **Kilobyte (KB)** | 1.000 | 10³ | Kleiner Programmcode | +| **Megabyte (MB)** | 1 Million | 10⁶ | Textdokument | +| **Gigabyte (GB)** | 1 Milliarde | 10⁹ | Kinofilm in FullHD | +| **Terabyte (TB)** | 1 Billion | 10¹² | ~12h Video in 4K | +| **Petabyte (PB)** | 1 Billiarde | 10¹⁵ | Netflix-Gesamtarchiv | +| **Exabyte (EB)** | 1 Trillion | 10¹⁸ | Alle E-Mails weltweit/Tag | +| **Zettabyte (ZB)** | 1 Trilliarde | 10²¹ | Internet-Traffic 2016 | + + + + +--- + + + + + +# Der digitale Wendepunkt + +| Jahr | Analog | Digital | Digital-Anteil | +|------|--------|---------|----------------| +| **1986** | 2,6 EB | 0,02 EB | **1%** | +| **2002** | — | — | **50%** (Wendepunkt) | +| **2007** | 18 EB | 277 EB | **94%** | + +**Perspektive:** +- 1986: "Petabyte" war ein theoretisches Konzept +- 2025: ~181 Zettabyte jährlich produziert + +**Magnetband lebt:** LTO-Tapes bleiben günstigstes Archivmedium +(AWS Glacier, Film-Archive, Rechenzentren) + + + + +--- + + + + + +# Analoge Medien +### Distribution: physisch (Kauf, Verleih, Kopie) + +- **Text** + - Bücher, Zeitungen, Zeitschriften, Lochkarten +- **Bild** + - Fotografie (Negativ, Dia, Polaroid), Mikrofilm +- **Audio:** + - Schallplatte (Vinyl, Schellack), Tonband, Musikkassette +- **Video:** + - Film (35mm, Super 8), VHS, Betamax + + +--- + + + + + +# Digitale Medien +### Distribution: Datenträger (CD, USB), Download, Streaming, P2P + +- **Text** + - E-Book (PDF, EPUB), Dokumente (TXT, DOCX) +- **Bild** + - Digitalfoto (JPEG, PNG, RAW, WebP, GIF) +- **Audio** + - Audiodatei (MP3, FLAC, WAV, AAC, OGG) +- **Video** + - Videodatei (MP4, MKV, AVI, WebM) + + +--- + + + + + +# Digitale Speichermedien + +- **Optische Speicher** + - CD, DVD, Blu-ray +- **Magnetische Speicher** + - Festplatte (HDD), Magnetband (LTO) +- **Flash-Speicher** + - SSD, USB-Stick, SD-Karte +- **Cloud-Speicher** + - Dropbox, Google Drive, iCloud, AWS S3 + + +--- + + + + + # Rastergrafiken **Aufbau:** Liste von Pixeln mit Farbwerten (2D-Array) @@ -243,6 +403,7 @@ KLAUSURRELEVANT: - Präfix-frei: Kein Code ist Anfang eines anderen - Häufigstes Zeichen = kürzester Code - Auch in ZIP, PNG, MP3 verwendet +--> ---