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true	gaia	true		Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege (223015b)	Michael Czechowski – HdM Stuttgart – WS 2025/26	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

Wintersemester 2025/26

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

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Teil 1: Einführung

Grundlagen, Text & Audio

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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

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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!")

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Das Bit

Kleinste Informationseinheit

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

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Das Byte

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Das Byte

1 Byte = 8 Bits

0 1 0 0 1 1 0 1

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Das Byte

1 Byte = 8 Bits

0 1 0 0 1 1 0 1

2⁸ = 256 Möglichkeiten (0-255)

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Dateneinheiten

Einheit	Bytes	Potenz	Beispiel
1 Byte	1	10⁰	Farbwerte eines Pixels
1 Kilobyte (KB)	1.000	10³	Kleiner Programmcode
1 Megabyte (MB)	1 Million (Mio.)	10⁶	Textdokument
1 Gigabyte (GB)	1 Milliarde (Mrd.)	10⁹	Kinofilm in FullHD
1 Terabyte (TB)	1 Billion (Bio.)	10¹²	~12h Video in 4K

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Dateneinheiten (Fortsetzung)

Einheit	Bytes	Potenz	Beispiel
1 Petabyte (PB)	1 Billiarde (Brd.)	10¹⁵	Netflix-Gesamtarchiv
1 Exabyte (EB)	1 Trillion (Trill.)	10¹⁸	Alle E-Mails weltweit/Tag
1 Zettabyte (ZB)	1 Trilliarde	10²¹	Internet-Traffic 2016
1 Yottabyte (YB)	1 Quadrillion	10²⁴	Noch nie erreicht

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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

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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)

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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 Nutzern generiert

Zum Vergleich:

• 1 ZB = 250 Milliarden DVDs
• 181 ZB = Jeder Mensch erzeugt ~23 TB/Jahr

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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

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ASCII

One Zeichensatz to rule them all

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»256 Shades of Gray«

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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)

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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

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Das Problem: Sprachen

Die Welt hat mehr als 256 Zeichen!

• Englisches Alphabet: 52 (A-Z, a-z)
• • Ziffern: 10 (0-9)
• • Sonderzeichen: ~30

≈ 90 Zeichen → passt in 1 Byte

Aber: ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 😀

→ 1 Byte reicht nicht!

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Unicode: Ein Standard für alle (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!)
• Umlaute: 2 Bytes · CJK: 3 Bytes · Emoji: 4 Bytes

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Beispiel: Bytes zählen

Text: "Why the heck braucht 💩 4 Bytes?!"

W h y   → je 1 Byte (4 Bytes)
t h e   → je 1 Byte (4 Bytes)
h e c k → je 1 Byte (4 Bytes)
        → 1 Byte (Leerzeichen)
b r a u c h t → je 1 Byte (7 Bytes)
        → 1 Byte
💩      → 4 Bytes! (0xF0 9F 92 A9)
        → 1 Byte
4   B y t e s ? ! → je 1 Byte (9 Bytes)

Gesamt: 37 Bytes

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Hexadezimal: Lesbarkeit

Binär ist unleserlich: 01001101 01010000 00110011

Hexadezimal (Base 16): 4D 50 33 (= "MP3" 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

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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.

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Hands-On: HEX Files

Aufgabe (30 Min):

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)

Tools:

• Hex-Editor: hexed.it
• Magic Numbers: en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_signatures

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Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

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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

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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

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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

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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)

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Digitale Speichermedien

• Optische Speicher
  • CD, DVD, Blue-Ray
• Magnetische Speicher
  • Festplatte (HDD), Magnetband (LTO)
• Flash-Speicher
  • SSD, USB-Stick, SD-Karte
• Cloud-Speicher
  • Dropbox, Google Drive, iCloud, AWS S3

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Das Speicherproblem der Digitalisierung

CD-Qualität (1982): Ziel: Analoge Schallwelle möglichst originalgetreu rekonstruieren 44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = 10,6 MB/Minute

Inhalt	Größe	Problem (1990er)
1 Song (4 Min)	~42 MB	Passt gerade so
1 Album (60 Min)	~635 MB	Ganze Festplatte!

→ Digital ist super, aber zu groß für Speicher & Internet

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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!)

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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)

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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

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Kompression

Weniger Daten, gleiche(?) Information

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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

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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"

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Die Geburt der MP3

1982: Universität Erlangen-Nürnberg Karlheinz Brandenburg, Diplom-Ingenieur

1987: Fraunhofer IIS entwickelt MPEG-1 Audio Layer III

1988: Patentanmeldung

1992: Erste Software-Implementierung

1995: .mp3 Dateiendung offiziell

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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

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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

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Bitrate: Der Qualitäts-Knopf

Bitrate	Qualität	Kompression
128 kbps	Hörbar schlechter	~11x
192 kbps	Akzeptabel	~7x
256 kbps	Gut	~5,5x
320 kbps	"CD-Qualität"	~4,4x

Original CD: 1.411 kbps (unkomprimiert)

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Verlustfrei vs. Verlustbehaftet

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

Faustregel:

• Medien, Bilder, Videos, Audio → (tendenziell) verlustbehaftet
• Vektorgrafiken, Textdokumente, Archive, Programmcode → verlustfrei

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Beispiel: Verlustbehaftet (lossy)

Kernidee: Entferne, was Menschen nicht wahrnehmen

Format	Nutzt Schwächen von...	Fachbegriff
JPEG	Auge (Farbe < Helligkeit)	Psychovisuell
MP3	Ohr (Maskierungseffekte)	Psychoakustik

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Beispiel: Verlustfrei (lossless)

Lauflängenkodierung (RLE)

Original: AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen)

Komprimiert: 5A3B8C (6 Zeichen) → 62% kleiner

Prinzip: Wiederholungen zählen statt wiederholen

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Der Patentkrieg

1990er: Fraunhofer + Thomson halten MP3-Patente

Lizenzgebühren:

• $0,75 pro Decoder
• $2,50 pro Encoder

Problem: Napster (1999) → unkontrollierte Verbreitung

2017: Patente laufen aus → MP3 ist frei

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Napster (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

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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

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Hands-On: 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

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Fragen & Diskussion

Kontakt: mail@librete.ch Folien: Online verfügbar unter https://librete.ch/hdm/223015b

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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/