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0367f071662bac8c9d8e2c9df48f21de2c13780a
uni/slides/223015b/01-grundlagen-text-audio.md
Michael Czechowski f6d9992a2c add grayscale gradient svg and zoom slide 
- replace grayscale-gradient.png with svg (256 discrete rects)
- add grayscale-zoom.svg: 16 brightest shades with decimal + hex labels
- add zoom slide after '256 shades of gray'
- minor tweaks: Mbps capitalization, remove redundant '256' prefix in states list
2026-04-17 12:37:09 +02:00

55 KiB
Raw Blame History

marp, theme, paginate, backgroundColor, header, footer, title
marp theme paginate backgroundColor header footer title
true gaia true Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege (223015b) Michael Czechowski – HdM Stuttgart – SoSe 2026 Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege
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Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

223015b · Modul "Technik 1" · 1. Semester Digital- und Medienwirtschaft Hochschule der Medien Stuttgart

https://librete.ch/hdm/223015b/

bg fit

Teil 1: Einführung

Grundlagen, Text & Audio

Was sind Daten?

Datenwachstum der Menschheit

Jahr Datenmenge Kontext
100.000 v. u. Z. 0 Erste Menschen, nur Sprache
3.000 v. u. Z. ~wenige KB Keilschrift, Hieroglyphen
1450 ~wenige GB Gutenberg, Buchdruck
1986 2,6 EB 99% analog (Bücher, Vinyl, VHS)
2007 295 EB 94% digital
~2025 ~175–181 ZB Prognose (IDC DataSphere Forecast, 2021)

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
  • Magnetband lebt: LTO-Tapes bleiben günstigstes Archivmedium (AWS Glacier, Film-Archive, Rechenzentren)

Digitaler Wendepunkt – Vertiefung

Die Studie von Hilbert & López (Science 332, 2011) analysierte 60 Speichertechnologien von 1986–2007. Der Wendepunkt 2002 markiert den Moment, ab dem mehr Information digital als analog existierte.

Was 1986 „analog" bedeutete:

  • Bücher, Zeitungen, Magazine: ~8 EB
  • Vinyl-Schallplatten, Musikkassetten: ~12 EB
  • VHS-Kassetten, Filmrollen: ~60 EB

Warum analog stagnierte: Physische Medien haben Kapazitätsgrenzen. Eine VHS speichert ~10 GB; eine Blu-ray (2006) bereits 50 GB auf kleinerer Fläche.

LTO-Magnetband überlebt trotz „alter" Technologie:

Medium Kosten/TB Lebensdauer Energiebedarf
SSD ~50 € 5–10 Jahre Dauerstrom
HDD ~15 € 3–5 Jahre aktiv Dauerstrom
LTO-9 ~5 € 30+ Jahre Nur beim Zugriff

AWS Glacier, Google Coldline und Film-Archive nutzen LTO — langsamer Zugriff, aber unschlagbar günstig und langlebig.

bg fit

181 Zettabyte – Was bedeutet das?

Prognose 2025: Welt erzeugt ca. 175–181 ZB pro Jahr

  • 1 ZB = 250 Milliarden DVDs
  • 29 Terabyte pro Sekunde (Hochrechnung)

Zum Vergleich:

  • 2007: 295 Exabyte (Hilbert & López, Science 2011)
  • 2020: ~64 Zettabyte (IDC)
  • ~2025: ~175–181 ZB (IDC DataSphere Forecast, Prognose von 2021)

Was sind (digitale) Daten?

  • Text — Artikel, Gesetzestext, Hausarbeit → .txt .docx .pdf
  • Bild — Foto, Screenshot, 3D-Rendering, Illustration → .jpg .png .svg
  • Audio — Song, Podcast, Sprachmemo → .mp3 .wav .flac
  • Video — Reel, Film, Stream → .mp4 .mov .mkv

Was sind (digitale) Daten?

  • Text — Artikel, Gesetzestext, Hausarbeit → .txt .docx .pdf
  • Bild — Foto, Screenshot, 3D-Rendering, Illustration → .jpg .png .svg
  • Audio — Song, Podcast, Sprachmemo → .mp3 .wav .flac
  • Video — Reel, Film, Stream → .mp4 .mov .mkv

Am Ende alles nur Nullen und Einsen

Bandbreite: Was bedeuten 150 Mbps?

Bandbreite: Was bedeuten 150 Mbps?

150Mbps = 150 Mbit/s

Bandbreite: Was bedeuten 150 Mbps?

150Mbps = 150 Mbit/s ≠ 150 MB/s

Wenn 8 bit (b) = 1 Byte (B)

dann 150 Mbit/s ÷ 8 = 18,75 MB/s

Bandbreite MB/s 1 GB Film
16 Mbit/s (ADSL) 2 MB/s ~8 Min
50 Mbit/s (ADSL) 6,25 MB/s ~2,7 Min
150 Mbit/s (ADSL) 18,75 MB/s ~54 Sek
1 Gbit/s (Glasfaser) 125 MB/s ~8 Sek

Wie viele Megabyte können bei einer Bandbreite von 250 Mbit/s pro Minute heruntergeladen werden?

  • A) 31,25 MB
  • B) 1,875 GB = 1.875 MB
  • B) 187,5 MB
  • C) 250 MB

Upload: Der stille Flaschenhals

ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

Bandbreite Download Upload
16 Mbit/s DSL 16 Mbit/s 1 Mbit/s
50 Mbit/s DSL 50 Mbit/s 10 Mbit/s
150 Mbit/s DSL 150 Mbit/s 40 Mbit/s
Glasfaser (FTTH) 1 Gbit/s 1 Gbit/s

50 MB Upload bei 10 Mbit/s = ~40 Sekunden

Analog vs. Digital

bg fit right:40%

Schall ist eine Druckwelle

  • Lautsprecher drückt Luft → Luftmoleküle schwingen
  • Die Welle breitet sich aus — kontinuierlich, ohne Stufen
  • Vakuum: Keine Schallübertragung möglich (kein Medium)

bg fit right:40%

Schall ist eine Druckwelle

  • Lautsprecher drückt Luft → Luftmoleküle schwingen
  • Die Welle breitet sich aus — kontinuierlich, ohne Stufen
  • Vakuum: Keine Schallübertragung möglich (kein Medium)

Vinyl: Die Rille ist die Schallwelle — physische Kopie der Druckschwankung in Rillengeometrie

bg fit right:35%

Abtastung (Sampling)

Problem: Eine kontinuierliche Welle lässt sich nicht direkt als Zahl speichern

Lösung: Wir messen sie in regelmäßigen Abständen

  • 44.100 Messungen pro Sekunde = Abtastrate (Sample Rate)
  • Einheit: Hz (Hertz) = pro Sekunde
  • Nyquist-Theorem: min. 2× höchste darzustellende Frequenz → 44.100 ÷ 2 = 22.050 Hz (Mensch hört ~20–20 kHz)

bg fit right:35%

Das digitale Ergebnis

Jede Messung = ein Zahlenwert

Wie genau ist jede Messung? → Bittiefe (Bit Depth)

Bittiefe Stufen Dynamikumfang
8 Bit 256 ~48 dB
16 Bit (CD) 65.536 ~96 dB
24 Bit (Studio) 16.777.216 ~144 dB

Ergebnis: Eine Datei aus Zahlen

bg fit right:35%

Zurück zu Analog

Beim Abspielen läuft der Prozess rückwärts:

  • Zahlen → DAC (Digital-Analog-Converter)
  • DAC → elektrische Spannung
  • Spannung → Lautsprechermembran schwingt
  • Membran → Luft schwingt
  • Luft → Druckwelle → Ohr

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Zurück zu Analog

Beim Abspielen läuft der Prozess rückwärts:

  • Zahlen → DAC (Digital-Analog-Converter)
  • DAC → elektrische Spannung
  • Spannung → Lautsprechermembran schwingt
  • Membran → Luft schwingt
  • Luft → Druckwelle → Ohr

Was wir hören ist wieder analog

Das Problem der Datengröße

Das Problem der Datengröße

oder knappen Speichers

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bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde)

bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde) × 16 Bit (pro Messung)

bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde) × 16 Bit (pro Messung) × 2 Kanäle (Stereo)

bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde) × 16 Bit (pro Messung) × 2 Kanäle (Stereo) × 60 Sekunden

= 10,6 MB pro Minute

bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde) × 16 Bit (pro Messung) × 2 Kanäle (Stereo) × 60 Sekunden

= 10,6 MB pro Minute = 10.600.000 Byte pro Minute

bg right:40%

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen (pro Sekunde) × 16 Bit (pro Messung) × 2 Kanäle (Stereo) × 60 Sekunden

= 10,6 MB pro Minute = 10.600.000 Byte pro Minute = 84.800.000 bit pro Minute

bg right:40%

Das Problem skaliert

Inhalt Unkomprimiert
1 Song (4 Min) ~42 MB
1 Album (60 Min) ~635 MB
10.000 Songs ~420 GB

Kontext 1990er:

  • Übliche Festplattengröße: 100–500 MB
  • 56 kbit/s Modem → Einfache Songs laden Stunden

bg right:32% contain

Video eskaliert

Eine Minute 4K-Video (unkomprimiert):

3840 × 2160 Pixel (Auflösung pro Bild) × 3 Byte (pro Pixel – RGB) × 30 Bilder (pro Sekunde) × 60 Sekunden

= ~45 GB pro Minute

Kinofilm in üblicher Länge (~120min) über 5 TB (Terabyte)

bg right:40%

Artemis II orbitiert

Apollo (1969) Artemis II (2026)
Bandbreite ~50 kbit/s 260 Mbit/s
Video SW, ~320 Zeilen HD live, 4K gespeichert
Codec analog H.265 (HEVC)

260.000.000 Bit/s ÷ 8 (Bit pro Byte) = 32,5 MB/s × 60 Sekunden = 1,95 GB pro Minute

Apollo: 50 kbit/s = 0,375 MB/min

Kompressionsraten in der Praxis

Medium Unkomprimiert Komprimiert Faktor
1 Song (4 Min) ~42 MB ~4 MB (MP3 128) ~10×
1 Foto (12 MP) ~36 MB ~3 MB (JPEG) ~12×
1 Min 4K-Video ~45 GB ~375 MB (H.264) ~120×

Zwei Arten der Datenkompression

Zwei Arten von Datenkompressionsalgorithmen

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Prinzip: Redundanz entfernen

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Prinzip: Redundanz entfernen

Beispiel Lauflängenkodierung (Run-Length-Encoding – RLE):

Original:    AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen)
Komprimiert: 5A3B8C            (6 Zeichen)

→ Komprimiert 62% kleiner und 100% wiederherstellbar

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Prinzip: Redundanz entfernen

Beispiel Lauflängenkodierung (Run-Length-Encoding – RLE):

Original:    AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen)
Komprimiert: 5A3B8C            (6 Zeichen)

→ Komprimiert 62% kleiner und 100% wiederherstellbar

Anwendung:

  • ZIP-Archive, PNG-Bilder, FLAC-Audiodateien, RAW-Dateien, Programmcode

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Prinzip: Irrelevanz entfernen → Wozu Daten speichern, die niemand wahrnimmt?

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Prinzip: Irrelevanz entfernen → Wozu Daten speichern, die niemand wahrnimmt?

Originaldatei nicht wiederherstellbar (!)

Die Frage: Was nimmt ein Mensch eigentlich (nicht oder sehr schlecht) wahr?

  • Das Ohr hört nicht alle Frequenzen (hohe und tiefe Töne) gleich gut
  • Laute Töne überdecken leise Töne (Maskierung)
  • Das Auge sieht nicht alle Farbnuancen gleich scharf
  • Luminanz (Helligkeit/Dunkelheit) besser erkennen als Chrominanz (Farbunterschiede/Farbigkeit)
  • und Vieles mehr

Verlustfrei vs. Verlustbehaftet

Verlustfrei (Lossless) Verlustbehaftet (Lossy)
Prinzip Redundanz entfernen Irrelevanz entfernen
Reversibel Ja Nein (Information unwiederbringlich verloren)
Reduktion 30–50% 80–99%
Formate ZIP, PNG, FLAC, GIF, ... JPEG, MP3, H.264/H.265, ...

Faustregel:

  • Medien für EndnutzerInnen (Ton, Bild, Film) → Lossy oft akzeptabel
  • Quellmaterial, Code, Archive (RAW) → Lossless nötig

Die Grundbausteine

Bits, Bytes und ihre Darstellung

bg

bg

Das bit

Kleinste logische Informationseinheit

  • 0 oder 1
  • AN oder AUS
  • Strom fließt oder nicht
  • Schwarz oder Weiß
  • Richtig oder Falsch
  • Take the red pill or blue pill

Das Byte

Die kleinste adressierbare Informationseinheit

Das Byte

Die kleinste adressierbare Informationseinheit

8 bit = 1 Byte

0 0 1 0 1 0 1 0                                                                              = 42

Das Byte

Die kleinste adressierbare Informationseinheit

8 bit = 1 Byte

0 0 0 0 0 0 0 0                                                                               = 0
0 0 0 0 0 0 0 1                                                                               = 1
0 0 0 0 0 0 1 0                                                                               = 2
0 0 0 0 0 0 1 1                                                                               = 3
0 0 0 0 0 1 0 0                                                                               = 4

0 1 0 0 0 0 0 0                                                                               = 64

0 1 1 1 1 1 1 1                                                                               = 127

1 1 1 1 1 1 1 1                                                                               = ?

Das Byte

Die kleinste adressierbare Informationseinheit

8 bit = 1 Byte

0 0 0 0 0 0 0 0                                                                               = 0
0 0 0 0 0 0 0 1                                                                               = 1
0 0 0 0 0 0 1 0                                                                               = 2
0 0 0 0 0 0 1 1                                                                               = 3
0 0 0 0 0 1 0 0                                                                               = 4

0 1 0 0 0 0 0 0                                                                               = 64
0 1 1 1 1 1 1 1                                                                               = 127
1 1 1 1 1 1 1 1                                                                               = ?

2 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 2⁸ = 256 mögliche Zustände

»256 Shades of Gray«

bg fit

bg fit

Was kann man mit 256 Zuständen machen?

  • Zeichen (Buchstaben, Zahlen, Symbole)
  • Helligkeit bzw. Luminanz (0 = Schwarz/Dunkel, 255 = Weiß/Hell)
  • Lautstärkestufen (dB)
  • Zahlen 0–255 (oder –128 bis +127)

bg fit

bg fit

bg right:50%

Farben: RGB-Modell

1 Pixel = 3 Byte

  • 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

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 passen problemlos in 1 Byte

Jedoch ohne ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 🌸

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 Byte pro Zeichen)

  • Zeichen 0–127: identisch mit ASCII (Abwärtskompatibilität!)
  • 1.112.064 gültige Codepunkte
  • Umlaute: 2 Byte · CJK: 3 Byte · Emoji: 4 Byte

Beispiel: Byte zählen

Text: "Hello·🌸·こんにちは·(Kon-ni-chi-wa)"

Zeichen Byte
Hello· 6 × 1 = 6 Byte (ASCII)
🌸 4 Byte (Emoji)
· 1 Byte
こんにちは 5 × 3 = 15 Byte (Hiragana)
·(Kon-ni-chi-wa) 16 Byte (ASCII)

Gesamt: 42 Byte für 29 sichtbare Zeichen

Hexadezimal

Die Sprache der Datei-Analyse

Hexadezimal: Lesbarkeit

Für den Menschen ungeeignet: 01010000 01001110 01000111

Hexadezimal (Base 16): 50 4E 47

5 = 0101 0 = 0000 = 5 * 16 + 0 = 80 4 = 0100 E = 1110 = 4 * 16 + ? = ? 4 = 0100 7 = 0111 = ?

Jede Hex-Ziffer = 4 Bits (ein "Nibble") 0–9, A–F (10=A, 11=B, ..., 15=F)

ASCII

One Zeichensatz to rule them all

bg fit

bg right:40%

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%

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

→ 89 übersteigt den ASCII-Raum und markiert eine Binärdatei

bg fit

bg fit

bg fit

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 Farbwert 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 Globale Datenmenge 2025

bg fit

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

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 – Vertiefung

Analoge Speicherung codiert Information als kontinuierliche physikalische Größe: Rillentiefe (Vinyl), Magnetfeldstärke (Tonband), Silberkorn-Dichte (Film). Es gibt keine diskreten Stufen — theoretisch unendliche Auflösung, praktisch begrenzt durch Rauschen.

Generationsverlust entsteht, weil jede Kopie neues Rauschen addiert:

  • Schallplatte → Kassette: Frequenzgang leidet, Rauschen steigt
  • VHS → VHS: Farbsättigung sinkt, Schärfe nimmt ab
    1. Generation: oft unbrauchbar
Medium Typische Auflösung Dynamik
Vinyl (audiophil) ~20–20.000 Hz ~70 dB
Tonband (Studio) ~30–15.000 Hz ~55 dB
35mm Film ~4K-äquivalent ~13 Blendenstufen

Paradox der Analogtechnik: Das Original ist einzigartig und unersetzlich — aber genau deshalb anfällig. Jedes Abspielen einer Schallplatte trägt mikroskopisch Material ab; jeder Filmdurchlauf riskiert Kratzer.

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

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 – Vertiefung

Digitale Speicherung quantisiert kontinuierliche Signale in diskrete Werte. Der Quantisierungsfehler (Differenz zum Original) ist der Preis der Digitalisierung — aber einmal digitalisiert, bleibt die Information exakt.

Bit-identische Kopien revolutionierten die Medienindustrie:

  • Keine Qualitätskette mehr: 1000. Kopie = 1. Kopie = Original
  • Kosten pro Kopie: praktisch null (nur Speicherplatz)
  • Perfekte Archivierung: Bits altern nicht (nur der Datenträger)
Aspekt Analog Digital
Kopiervorgang Physikalischer Prozess Bit-Kopie
Qualität pro Generation Verschlechtert Identisch
Fehlerkorrektur Unmöglich Möglich (ECC, RAID)
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.

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 – Vertiefung

Jede Technologie hat physikalische Vor- und Nachteile:

Optisch (CD/DVD/Blu-ray): Laser liest Pits (Vertiefungen) und Lands (Erhöhungen). Robust gegen Magnetfelder, aber empfindlich gegenüber Kratzern und UV-Licht. M-DISC verspricht 1000 Jahre — unter Laborbedingungen.

Magnetisch (HDD/LTO): Magnetisierte Bereiche auf rotierenden Platten oder Band. HDDs haben bewegliche Teile (Verschleiß); LTO-Bänder sind passiv und extrem langlebig, aber sequentieller Zugriff.

Flash (SSD/USB/SD): Elektronen in Floating Gates speichern Bits. Keine beweglichen Teile, aber begrenzte Schreibzyklen (TLC: ~3.000, SLC: ~100.000). Ohne Strom verlieren Zellen nach Jahren ihre Ladung.

Szenario Empfehlung Grund
Betriebssystem NVMe SSD Geschwindigkeit
Videoarchiv HDD Kapazität/Preis
Langzeitarchiv LTO + M-DISC Lebensdauer
Austausch USB/SD Portabilität

Cloud ist physisch HDD/SSD/LTO in Rechenzentren — kein eigenes Medium, sondern Zugriffsmethode.

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

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Die Abtastrate (Sample Rate)

Analog → Digital ≙ Kontinuierlich → Diskret

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

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Karlheinz Brandenburg

"Vater der MP3"

  • Diplom-Ingenieur, Universität Erlangen-Nürnberg
  • Fraunhofer IIS (Institut für Integrierte Schaltungen)
  • Forschung ab 1982, Patent 1988

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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

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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

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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-Spektrogramm

Aufgabe (30 Min):

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Selbstlernen: HEX Files

  1. Drei Dateien ohne Dateiendung: hex1 hex2 hex3
  2. Lies erste 16 Bytes aus und identifiziere Dateiformat (Magic Number)
  3. Optional: Datei umbenennen und korrekte Dateiendung anhängen (bspw. .jpg)

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