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 digitalen Format für die DVD oder BluRay – nur ohne Kompression. Zu berücksichtigen sind also eine Videospur und mindestens eine Audiospur. Untertitel und der Overhead des DVD-/Blu-ray-Formats gehören zwar genau genommen auch dazu, fallen aber größenmäßig nicht ins Gewicht.

Platzbedarf unkomprimierter Videodaten

Ein einzelnes Bild des Videos besteht aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln, so dass eine rechteckige Fläche entsteht. Ein einzelnes Pixel benötigt 3 Byte Platz.

Das gesamte Bild eines Films in klassischer »Fernsehauflösung« (SD, Standard Definition) besteht aus 576 Zeilen mit jeweils 720 Pixeln. Hochauflösende Filme (HD, High Definition) haben 1080 Zeilen mit jeweils 1920 Pixel. Das bedeutet einen Platzbedarf von:

SD: (720 × 576) Pixel/Bild × 3 Byte/Pixel ≈ 1,2 MByte/Bild.
HD: (1920 × 1080) Pixel/Bild × 3 Byte/Pixel ≈ 6,2 MByte/Bild.

Nun hat ein Film aber mehrere Bilder, sagen wir 24 Stück pro Sekunde. Das macht bei einer Spielzeit von 1 Stunde 40 Minuten (6000 Sekunden) 144.000 Bilder. Der Platzbedarf beträgt dann:

SD: 1,2 MByte/Bild × 144.000 Bilder ≈ 167 GByte.
HD: 6,2 MByte/Bild × 144.000 Bilder ≈ 834 GByte.

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

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

Hochgerechnet auf unseren Beispielfilm ergeben sich

576.000 Byte/Sekunde × 6000 Sekunden ≈ 3,2 GByte.

Im Vergleich zum Video ist das wenig, auch wenn ein Film normalerweise mehrere Audiospuren besitzt und Audioformate mit 24 Bit Auflösung anstatt 16 Bit existieren. Pi-mal-Daumen können wir sagen: Ein komplett unkomprimierter Film verbraucht in SD-Auflösung in der Größenordnung von 200 GByte, in HD-Auflösung sind es 1000 GByte.

Dagegen wirken die Kapazitäten moderner Speichermedien und Internet-Leitungen geradezu winzig. Eine 4-Terabyte-Festplatte könnte 20 SD-Filme oder vier HD-Filme speichern. Auf Youtube müssten wir verzichten. Ein DSL-16000-Breitbandanschluss, der seine volle Geschwindigkeit ausschließlich für Videodaten nutzen könnte, würde pro Sekunde eineinhalb SD-Bilder oder ein Drittel eines HD-Bilds übertragen; weit weniger als die nötigen 24 Bilder.

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 vernünftig speichern oder übertragen zu können, müssen sie also komprimiert werden. Grundsätzlich stehen dafür zwei Möglichkeiten zur Verfügung.

  • Verlustlos (lossless). Die Daten werden zusammengepresst, ohne dass dabei irgendeine Information verloren geht. Das dekomprimierte Video entspricht also exakt dem Original. Das Verfahren kennen wir von Packprogrammen wie Zip oder Rar. Technisch funktioniert es so, dass im Original nach sich wiederholenden Zeichenfolgen gesucht wird. Diesen Zeichenfolgen wird ein kürzerer Code zugeordnet und für jedes weitere Auftauchen nicht mehr die komplette Zeichenfolge, sondern nur noch der kurze Code gespeichert.
  • Verlustbehaftet (lossy). In unkomprimierter Form enthält ein Film viel mehr Daten, als die menschlichen Sinnesorgane verarbeiten können. Das heißt, dass man einen gewaltigen Batzen an Informationen einfach wegwerfen kann, ohne dass es beim Anschauen und Zuhören auffällt. Die komprimierte Datei wird dadurch extrem klein – um Klassen kleiner als die rein verlustlos komprimierte Variante – stellt aber kein genaues Abbild des Originals mehr dar. Das heißt, aus einer verlustbehaftet komprimierten Datei lässt sich das Original nie mehr exakt rekonstruieren. Ein Teil der Informationen ist endgültig verloren gegangen. Das stört aber nicht, solange nur die Informationen fehlen, die man sowieso nicht wahrnehmen würde.
Manchmal werden die beiden Komprimierungsmethoden auch als Datenkomprimierung (verlustlos) und Datenreduktion (verlustbehaftet) bezeichnet.

Um einen Film auf eine brauchbare Größe einzudampfen, führt an der verlustbehafteten Videokompression kein Weg vorbei. Für Audiospuren ist die verlustlose Variante dagegen eine Möglichkeit, weil so oder so das Video den Löwenanteil der Größe ausmacht.

zuletzt aktualisiert: 29.05.2016

Kommentare