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2026-01-23 11:32:34 +01:00

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

Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

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

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

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

Die Grundbausteine

Bits, Bytes und ihre Darstellung

Das Bit

Kleinste Informationseinheit

0 oder 1
AN oder AUS
Strom fließt oder nicht

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«

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)

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

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

ASCII

One Zeichensatz to rule them all

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

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!")

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

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)

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

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: 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 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

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

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

Karlheinz Brandenburg

"Vater der MP3"

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

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

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

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: mail@librete.ch 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

Selbstlernen: HEX Files

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

Tools:

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

39 KiB Raw Blame History Unescape Escape

Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

Teil 1: Einführung

Grundlagen, Text & Audio

Das Problem der Datengröße

Ein konkretes Beispiel

Das Problem skaliert

Video eskaliert

Kompressionsraten in der Praxis

Zwei Philosophien der Kompression

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Verlustfrei vs. Verlustbehaftet

Die Grundbausteine

Bits, Bytes und ihre Darstellung

Das Bit

Das Byte

Das Byte

Das Byte

Was kann man mit 256 Zuständen machen?

Farben: RGB-Modell

Das Problem: Sprachen

Unicode: Ein Standard für alle (8 Bit)

Beispiel: Bytes zählen

Hexadezimal

Die Sprache der Datei-Analyse

Hexadezimal: Lesbarkeit

ASCII

One Zeichensatz to rule them all

WTF!?

What the HEX-Code

Magic Numbers

Dateneinheiten

Datenwachstum der Menschheit

Der digitale Wendepunkt

181 Zettabyte – Was bedeutet das?

AI-generierte Inhalte 2025

Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

Analoge Medien

Distribution: physisch (Kauf, Verleih, Kopie)

Analoge Medien: Vor- und Nachteile

Von Analog zu Digital: Die Kopier-Revolution

Digitale Medien

Distribution: Datenträger (CD, USB), Download, Streaming, P2P

Digitale Speichermedien

Das Speicherproblem der Digitalisierung

Die Abtastrate (Sample Rate)

Die Bittiefe (Bit Depth)

Abtastrate (Sample Rate) × Bittiefe (Bit Depth)

Kompression

Weniger Daten, gleiche(?) Information

Wo liegt der Hebel für Kompression?

Psychoakustik: Der MP3-Trick

Die Geburt der MP3

Karlheinz Brandenburg

Suzanne Vega

Wie funktioniert MP3?

Bitrate: Der Qualitäts-Knopf

Der Patentkrieg

Napster (1999)

Napster & Musikindustrie

Kulturelle Revolution

Fragen & Diskussion

Lizenz & Attribution

Selbstlernen: Audio-Spektrogram

Selbstlernen: HEX Files

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