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true	gaia	true		Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege	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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Termin 1 – 19.12.2025

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	Bits	Potenz
1 Byte	1	8	10⁰
1 Kilobyte (KB)	1.000	8.000	10³
1 Megabyte (MB)	1.000.000	8 Mio.	10⁶
1 Gigabyte (GB)	1 Mrd.	8 Mrd.	10⁹
1 Terabyte (TB)	1 Bio.	8 Bio.	10¹²

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Dateneinheiten (Fortsetzung)

Einheit	Bytes	Potenz	Beispiel
1 Petabyte (PB)	10¹⁵	1.000 TB	Netflix-Gesamtarchiv
1 Exabyte (EB)	10¹⁸	1.000 PB	Alle E-Mails weltweit/Tag
1 Zettabyte (ZB)	10²¹	1.000 EB	Internet-Traffic 2016
1 Yottabyte (YB)	10²⁴	1.000 ZB	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

Ein 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)

• Fällt Euch noch mehr ein?

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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 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

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: WTF Files

Aufgabe (30 Min):

1. Drei Dateien ohne Extension: wtf1, wtf2, wtf3 → Download: materials/ Ordner
2. Öffne im Hex-Editor
3. Lies erste 16 Bytes
4. Identifiziere Format (Magic Number)
5. Benenne um und öffne

Tools: hexed.it (online), HxD, Hex Fiend, Bless

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Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

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Das Problem (1990)

1 Minute CD-Audio:

• Sample Rate: 44.100 Hz
• Bit Depth: 16 Bit
• Stereo: 2 Kanäle

Rechnung: 44.100 × 16 × 2 = 1.411.200 Bits/Sekunde ≈ 10,6 MB/Minute ≈ 635 MB für 60-Min-Album

1990: Festplatten hatten 100-500 MB!

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Was ist 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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Sample Rate vs. Bit Depth

Zwei Dimensionen der Digitalisierung:

Dimension	Was bedeutet es?	CD-Qualität
Sample Rate	Messungen pro Sekunde (horizontal)	44.100 Hz
Bit Depth	Genauigkeit pro Messung (vertikal)	16 Bit

16 Bit = 2¹⁶ = 65.536 Lautstärkestufen (von absoluter Stille bis maximaler Lautstärke)

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Kompression

Weniger Daten, gleiche(?) Information

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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: Code/Archiv → verlustfrei · Medien → verlustbehaftet

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Verlustfrei: Lauflängenkodierung (RLE)

Original: AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen)

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

Prinzip: Wiederholungen zählen statt wiederholen

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Verlustbehaftet: Der Trick

Kernidee: Entferne, was Menschen nicht wahrnehmen

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

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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
• Hörte "Tom's Diner" über 10.000 Mal

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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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Suzanne Vega

"Tom's Diner" (1987)

• A cappella (keine Instrumente)
• Klare, hohe Frequenzen
• Perfekter Stresstest für Kompression
• Der erste Song, der als MP3 kodiert wurde

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"Tom's Diner"

Warum dieser Song?

• A cappella (keine Instrumente)
• Suzanne Vegas Stimme ist "schwierig"
• Klare, hohe Frequenzen → Stresstest

If I could code Suzanne Vega's voice well, I could code anything. — Karlheinz Brandenburg

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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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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 egal)
• Einzelne Songs statt Alben

2001: Napster verklagt, geschlossen

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) ✓ Künstler verloren Kontrolle

Aber auch: ❌ Künstler verdienen weniger pro Stream ❌ Audio-Qualität sank (Loudness War) ❌ Physische Medien starben

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Hands-On: MP3 sezieren

Aufgabe (30 Min):

1. Lade Lied runter (eigenes oder CC)
2. Konvertiere in verschiedene Bitraten:
   • 320 kbps, 128 kbps, 64 kbps
3. Tool: Audacity (kostenlos)
4. Höre Unterschiede (Kopfhörer!)
5. Vergleiche Dateigrößen

Spektrogramm: Klick auf Track-Name → Spektrogramm 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/