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Brother Johns Encodingwissen

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Der Nutzen der Kompression

Bevor wir anfangen, uns äußerst ausführlich mit der praktischen Seite von Audio- und Videokompression zu beschäftigen, sollten wir uns erst einmal darüber klar werden, warum das Schrumpfen überhaupt nötig ist. Ginge es nicht auch ohne Kompression?

Betrachten wir dazu einmal, wie groß die Datenmenge ist, die für einen durchschnittlichen Kinofilm anfällt. Dabei lassen wir unberücksichtigt, wie ein Film ursprünglich gedreht wird, sondern stellen uns vor, wir hätten ihn schon in einem passenden Format für die DVD – nur ohne Kompression. Zu berücksichtigen sind also eine Videospur und mindestens eine Audiospur. Untertitel und der Overhead des DVD-Formats gehören zwar genau genommen auch dazu, fallen aber größenmäßig nicht weiter ins Gewicht.

Platzbedarf unkomprimierter Videodaten

Ein einzelnes Bild des Videos besteht aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln, so dass eine rechteckige Fläche entsteht. Jedem einzelnen Pixel ist ein Farbwert zugeordnet, wobei sämtliche Farbtöne aus drei Grundfarben zusammengesetzt werden: Rot, Grün und Blau. Um der Genauigkeit des menschlichen Auges gerecht zu werden, verwendet man für jede der Grundfarben 1 Byte Speicherplatz, was insgesamt rund 16,7 Millionen verschiedene Farbtöne ermöglicht. Ein einzelnes Pixel verbraucht also 3 Byte Platz.

Das gesamte Bild besteht aus 576 Zeilen mit jeweils 720 Pixeln, macht insgesamt 414.720 Pixel pro Bild. Das bedeutet einen Platzbedarf von

414.720 Pixel/Bild × 3 Byte/Pixel = 1.244.160 Byte/Bild (ca. 1,2 MByte/Bild).

Mit einem einzelnen Bild würden wir also schon fast eine komplette Diskette füllen. Nun hat ein Film aber mehrere Bilder, und zwar 25 Stück pro Sekunde. Das macht für einen 100-Minuten-Film (6.000 Sekunden) 150.000 Bilder. Der Platzbedarf beträgt dann

1.244.160 Byte/Bild × 150.000 Bilder = 186.624.000.000 Byte (ca. 174 GByte).

Allein das unkomprimierte Video füllt also vierzig DVD-Rohlinge. Oder – um einen Vergleich zu bemühen, mit dem die Online-Generation vielleicht mehr anfangen kann: Mit einem DSL-6000-Breitbandanschluss und durchgehend voller Geschwindigkeit braucht man ungefähr drei Tage, um diese Datenmenge herunterladen.

Platzbedarf unkomprimierter Audiodaten

Der Ton braucht deutlich weniger Platz, so dass sich an der Größenordnung der Datenmenge nichts Wesentliches mehr ändert. Nehmen wir eine übliche Audiospur mit 6 Kanälen, 48.000 Abtastungen pro Sekunde (Hz) und 16 Bit (2 Byte) Auflösung. Das ergibt pro Sekunde

2 Byte × 48.000 Hz × 6 Kanäle = 576.000 Byte/Sekunde.

Eine Sekunde Audio füllt damit immer noch knapp eine halbe Diskette. Das Ganze auf unseren 100-Minuten-Film hochgerechnet ergibt

576.000 Byte/Sekunde×6000 Sekunden = 3.456.000.000 Byte (ca. 3,2 GByte).

Den Wert können wir noch mindestens verdoppeln, da kaum eine DVD nur eine einzelne Audiospur enthält. Ein kompletter unkomprimierter Film würde also grob 180 bis 200 GByte Speicherplatz beanspruchen. Dagegen wirkt die übliche Video-DVD mit ihrer Kapazität von knapp 8 GByte geradezu winzig.

Die Einheitenumrechnung von Dateigrößen oder Bitraten hält einen Stolperstein bereit, denn die Einheiten Kilo, Mega, Giga usw. werden in zwei verschiedenen Bedeutungen gebraucht. Mit überwältigender Mehrheit wird seit den Anfangszeiten der EDV folgende Rechenregel verwendet:

Wenn es um Bit geht (z.B. Bitrate 1500 kbit/s), dann gilt
1 Megabit = 1000 Kilobit = 1.000.000 Bit. Also immer der Faktor 1000.
Wenn es um Byte geht (z.B. Dateigröße 1400 MByte), dann gilt
1 Megabyte = 1024 Kilobyte = 1.048.576 Byte. Also immer der Faktor 1024.

Eine wichtige Ausnahme sollte man dabei im Kopf haben. Festplatten- und Rohlinghersteller verwenden für ihre Kapazitätsangaben entgegen der allgemein akzeptierten Regel den Faktor 1000. Auf diese Weise kann man einen DVD-Rohling mit einer Kapazität von 4,7 Gigabyte auszeichnen, obwohl das Betriebssystem die Disc nach der 1024er-Regel mit 4,37 Gigabyte erkennt.

Verlustlose und verlustbehaftete Kompression

Um Filme zu einem vernünftigen Preis speichern zu können, müssen sie also komprimiert werden. Grundsätzlich stehen dafür zwei Möglichkeiten zur Verfügung.

Um einen Film auf eine brauchbare Größe einzudampfen, führt an der verlustbehafteten Kompression kein Weg vorbei. Höchstens für Audiospuren wäre in Ausnahmefällen die verlustlose Variante sinnvoll: Wenn wir z.B. eine Konzert-DVD mit einer unkomprimierten PCM-Audiospur encodieren und ein Qualitätsverlust der Tonspur – auch wenn der gar nicht hörbar wäre – nicht in Frage kommt.