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2025-11-16T13:49:15Z

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'''Audiodatenkompression''' (oft auch als '''Audiokompression''' bezeichnet) ist eine [[Datenreduktion]] („verlustbehafteter“ [[Algorithmus]]) oder [[Datenkompression]] („verlustfreier“ Algorithmus).

Audiodatenkompression bezeichnet spezialisierte Arten der Datenkomprimierung, um digitale [[Audio]][[daten]] effektiv in ihrem Umfang zu reduzieren. Wie bei anderen spezialisierten Arten der [[Datenkomprimierung]] (vor allem [[Videokompression|Video-]] und [[Bildkompression]]) werden spezifische Eigenschaften der entsprechenden Signale mit verschiedenen Möglichkeiten ausgenutzt, um einen Verkleinerungseffekt zu erzielen.

Nicht zu verwechseln ist diese Art der Kompression mit dem Verfahren einer [[Dynamikumfang|Dynamikeinengung]] (auch ''Dynamikkompression'' genannt), die im Normalfall zum Anheben von leiseren oder Absenken lauterer Passagen in einem Audiosignal verwendet wird und nicht das Ziel hat, Daten einzusparen ''(siehe dazu [[Kompressor (Signalverarbeitung)|Kompressor]])''.

== Verlustfreie Audiodatenkompression ==
Die ''verlustfreie Audiodatenkompression'' oder kürzer ''verlustfreie Audiokompression'' ist die ''[[Datenkompression#Verlustfreie Kompression|verlustfreie Kompression]]'' von Audiodaten, also die Erzeugung von gepackten Daten, die eine bitidentische Rekonstruktion des Ausgangssignals erlauben.

Die verlustfreien Audio[[codec]]s unterscheiden sich von generischen Datenkompressionsverfahren dadurch, dass sie speziell an die typische [[Datenstruktur]] von Audiodaten angepasst sind und diese daher besser komprimieren als generische Verfahren wie zum Beispiel die [[Abraham Lempel|Lempel]]-[[Jacob Ziv|Ziv]]-basierten Algorithmen [[Deflate]]/[[ZIP-Dateiformat|ZIP]] und [[RAR (Dateiformat)|RAR]]. Die mit heutigen verlustfreien Verfahren erreichbare Kompressionsrate liegt bei [[Audio-CD]]-typischen Inhalten (Musik, 16 Bit/44100 Hz) üblicherweise zwischen 25 und 70 Prozent.

=== Verwendung ===
Die Verfahren finden Anwendung in Tonstudios, auf neueren Tonträgern wie der [[Super Audio Compact Disc|SACD]] und der [[DVD-Audio]] sowie zunehmend auch in privaten Musikarchiven qualitätsbewusster Musikhörer, die beispielsweise [[Generationsverlust]]e vermeiden wollen. Daneben sind viele Datenkompressionsverfahren aus dem Audiobereich auch für andere Signale wie beispielsweise biologische Daten, medizinische Kurven oder seismische Daten interessant.

=== Problemstellung ===
Die Mehrzahl der Tonaufnahmen umfasst Töne, die in der realen Welt aufgenommen wurden und damit schwer zu komprimieren sind – ähnlich dem Umstand, dass sich Fotos nicht so sehr komprimieren lassen, wie computergenerierte Bilder. Auch computergenerierte Tonabfolgen können jedoch komplizierte Wellenformen enthalten, die sich mit vielen Kompressionsalgorithmen nur schlecht komprimieren lassen.

Die besondere Herausforderung bei der Kompression von Audiosamples liegt darin, dass sich die Werte sehr schnell verändern und es wenige Folgen gleicher Bytes gibt. Allgemeine Datenkompressionsalgorithmen setzen auf diese wiederkehrenden Datenmuster und funktionieren somit für die Audiodatenkompression nicht gut.

==== Sparsamere Repräsentationen finden ====
Die PCM-Darstellung von Schallwellen lässt sich ihrer Natur nach im Allgemeinen schwer vereinfachen ohne eine zwangsweise verlustbehaftete [[Frequenzgruppe|Konvertierung in Frequenzfolgen]], wie sie im menschlichen Ohr stattfinden.

Im Falle von Audiodaten können
* Ähnlichkeiten zwischen den (Stereo-)Kanälen und
* Abhängigkeiten zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten (durch De[[korrelation]]) sowie danach
* [[Entropie (Informationstheorie)|Entropie]] der Abtastwerte des Restsignales
ausgenutzt werden.

=== Technik ===
==== Kanalkopplung ====
{{Hauptartikel|Kanalkopplung}}

Durch Kopplung von Kanälen können Abhängigkeiten zwischen Kanälen ausgebeutet werden. Indem ein Kanal über den Unterschied zu einem vorhandenen oder einem neuen Mittenkanal beschrieben wird, kann die wiederholte Beschreibung gemeinsamer Inhalte vermieden werden.

Die Differenzsignale können entweder verlustfrei gespeichert, [[Quantisierung (Signalverarbeitung)|quantisiert]] und entsprechend verlustbehaftet kodiert werden oder beispielsweise auch zu [[parametrisches Stereo|parametrischen Beschreibungen]] abstrahiert gespeichert werden.

==== Vorhersage ====
Zur Ausbeutung von Abhängigkeiten zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten wird eine De[[korrelation]] vorgenommen, indem versucht wird, den Verlauf der Klangkurve vorherzusagen. Dadurch kann ein Rest-/Differenzsignal errechnet werden, das bei guter Vorhersage entsprechend schwach ist (das heißt wenig signifikante Stellen hat) und darüber hinaus mit einer [[Entropiekodierung]]smethode komprimiert werden kann. Dazu werden in den meisten Fällen Abtastwerte mit ausgefeilten, sich anpassenden (adaptiven) Vorhersageverfahren aus anderen extrapoliert.

==== Entropiekodierung ====
Die Entropiekodierung des dekorrelierten Restsignales nutzt für dessen Abtastwerte unterschiedliche Auftrittswahrscheinlichkeiten und Ähnlichkeiten aus. Hierfür werden oft beispielsweise [[Golomb-Code#Rice-Code|Rice-Codes]] verwendet.

Ein Verfahren ist symmetrisch, wenn zum Dekodieren das Signal die gleichen Schritte wie bei der Kodierung umgekehrt durchläuft und der Rechenaufwand für das Kodieren von dem für das Dekodieren nötigen Rechenaufwand abhängt.

=== Verfahrensmerkmale ===
Bei verlustfreien Codecs sollten definitionsgemäß Qualitätsunterschiede des Audiosignals ausgeschlossen sein, Verfahrensunterschiede liegen hier in folgenden Merkmalen:
* Kompressionsrate
* direktes Abspielen der komprimierten Daten
* Anspringen beliebiger Positionen in einem Audiostrom
* Ressourcenbedarf der Kompression sowie der Dekompression
* Soft- und Hardwareunterstützung
* Flexibilität im Umgang mit [[Metadaten]]
* Art der [[Lizenz]]
* [[Plattformunabhängigkeit|Plattformübergreifende]] Verfügbarkeit
* Unterstützung von Mehrkanal-Signalen
* Unterstützung unterschiedlicher [[Auflösung (Messtechnik)|Auflösungen]] – zeitlich ([[Abtastfrequenz]]) beziehungsweise der Klangtiefe ([[Abtasttiefe]])
* eventuell zusätzliche verlustbehaftete, oder sogar Hybrid-Modi (verlustbehaftete + Korrekturdatei)
* [[Streaming Media|Streaming]]-Unterstützung
* Fehlertoleranz/-korrekturmechanismen
* Eingebettete [[Prüfsumme]]n zur schnellen Überprüfung einer Datei auf Vollständigkeit
* Symmetrische und asymmetrische Kodiermöglichkeiten (Un-/Abhängigkeit der Dekodier- von der Kodiergeschwindigkeit)
* Unterstützt die Erstellung selbstentpackender Dateien
* Kompatibilität zum [[Replay Gain|Replay-Gain]]-Standard
* Unterstützung eingebetteter [[Cuesheet]]s
* eventuelle Speicherung von [[Kopfdaten]] des Originalformates

=== Verlustfreie Audioformate ===
Verlustfreie [[Audioformat]]e sind:
* [[Adaptive Transform Acoustic Coding]] – Advanced Lossless (ATRAC)
* [[Apple Lossless]], auch ''Apple Lossless Encoding'' oder ''Apple Lossless Audio Codec'' (ALAC)
* [[Dolby TrueHD]]
* [[Digital Theater Systems High Definition#DTS-HD Master Audio|DTS-HD Master Audio]]
* Emagic ZAP
* [[Free Lossless Audio Codec]] (FLAC)
* Lossless Audio (LA)
* [[Meridian Lossless Packing]] (MLP)
* [[Monkey’s Audio]] (APE)
* [[MPEG-1]] Audio Layer 3 (mp3HD)
* [[MPEG-4 Audio Lossless Coding]] (ALS)
* [[OptimFROG]]
* [[Shorten]]
* TAK Toms verlustfreier Audiokompressor
* The [[True Audio]] (TTA)
* [[WavPack]] (WV/WVC)
* Windows Media Audio Lossless (WMA Lossless)

== Verlustbehaftete Audiodatenkompression ==
Als ''verlustbehaftete Audiodatenkompression'', auch weniger präzise, kürzer ''Verlustbehaftete Audiokompression'' beziehungsweise in entsprechendem Kontext ''[[Verlustbehaftete Kompression]]'' oder englisch „lossy“ (verlustbehaftet), bezeichnet man Verfahren, die eine Datenreduktion durchführen und gezielt weniger relevante Signalanteile in der Regel näherungsweise mit minderer Präzision abspeichern oder unwiederbringlich verwerfen.

Bei simplen Verfahren wie [[μ-law]] und [[A-law]] werden nur die einzelnen Abtastpunkte des PCM-Datenstroms anhand einer logarithmischen Kennlinie abhängig vom Pegel quantisiert.
Verfahren wie [[Adaptive Differential Pulse Code Modulation|ADPCM]] nutzen bereits die Korrelationen aufeinanderfolgender Abtastpunkte aus.
Moderne Verfahren basieren meist auf Frequenztransformationen in Verbindung mit [[Psychoakustik|psychoakustischen]] Modellen, die die Eigenschaften des menschlichen (Innen-)Ohres nachbilden und entsprechend dessen Unzulänglichkeiten die Darstellungspräzision maskierter Signalanteile reduziert.
Für spezialisierte Verfahren werden weiterhin Modelle eingesetzt, die den Klangerzeuger nachbilden und so eine [[Klangsynthese]] beim Empfänger beziehungsweise im Dekoder ermöglichen, womit dann ein großer Signalanteil mit Parametern zur Steuerung des Synthesizers beschrieben werden kann.

[[Datei:Verlustbehaftete komprimierung.png|mini|Verlustbehaftete Kompression]]

=== Psychoakustik ===
Die meisten modernen Verfahren versuchen nicht den mathematischen Fehler zu reduzieren, sondern die subjektive menschliche Wahrnehmung der Tonfolgen zu verbessern. Da das menschliche Ohr nicht alle Informationen eines ankommenden Tones analysieren kann, ist es möglich, eine Klangdatei stark zu verändern, ohne dass die subjektive Wahrnehmung des Hörers beeinträchtigt wird. So kann ein [[Codec]] zum Beispiel einen Teil der Klanganteile in sehr hohen und sehr tiefen Frequenzbereichen, die am Rande des [[Hörbereich]]es liegen, mit stärker verminderter Präzision speichern oder ausnahmsweise sogar komplett verwerfen. Zudem können leise Klänge mit geringerer Genauigkeit wiedergegeben werden, da sie durch laute Klänge benachbarter Frequenzen verdeckt („maskiert“) sind. Eine andere Art der Überlagerung ist, dass ein leiser Ton nicht erkennbar ist, wenn er unmittelbar vor oder nach einem lauten Ton kommt (zeitliche Maskierung). Ein solches Modell der Ohr-Gehirn-Verbindung, das für diese Effekte verantwortlich ist, wird häufig '''psychoakustisches Modell''' genannt (auch: ''Psychoaccoustic Model'', ''Psycho-model'' oder ''Psy-model''). Ausgenutzt werden hierbei Eigenschaften des menschlichen [[Auditive Wahrnehmung|Gehörs]] wie [[Frequenzgruppe]]nbildung, Hörbereichsgrenzen, [[Maskierungseffekt]]e und Signalverarbeitung des [[Innenohr]]s.

Die meisten der nach einem psychoakustischen Modell arbeitenden verlustbehafteten Kompressionsalgorithmen basieren auf simplen Transformationen, wie der [[Modifizierte diskrete Kosinustransformation|modifizierten diskreten Kosinustransformation]] (MDCT), welche die aufgenommene Wellenform in ihre Frequenzabfolgen umwandeln und damit näherungsweise Repräsentationen des Ausgangsmaterials finden, die sich effizient quantifizieren lassen, da die Repräsentation der menschlichen Wahrnehmung näher ist. Einige moderne Algorithmen benutzen [[Wavelet]]s, aber es ist noch nicht sicher, ob solche Algorithmen besser funktionieren als die auf MDCT basierenden.

=== Qualität ===
Verlustbehaftet komprimierende Verfahren erlauben prinzipbedingt nur die Rekonstruktion eines näherungsweise ähnlichen Signals. Mit vielen Verfahren kann [[Transparenz (Signalverarbeitung)|Transparenz]] erreicht werden, also für die Hörwahrnehmung (des Menschen) ein Grad der Ähnlichkeit erreicht werden, bei dem kein Unterschied zum Original wahrnehmbar ist. Unterhalb der Transparenzschwelle werden die ins Signal eingeschleppten Kompressionsartefakte hörbar.
Am oberen Ende der Skala steht die Transparenz, bei der kein Unterschied zum Original wahrnehmbar ist. Sie kann in Blindhörtests festgestellt werden.
Meist stellt sich grob ein Schwellwert in der Höhe der Bitrate dar, ab dem Transparenz möglich wird, wobei ein mehr oder minder großes Risiko auf Ausnahmesituationen bleibt, die (noch) nicht transparent kodiert werden können. Dieses Risiko sinkt in der Regel bei weiterer Erhöhung der Bitrate und hängt unter anderem auch von der Architektur des jeweiligen Verfahrens ab. Hier können somit modernere Verfahren oft mit besseren Mechanismen zur Beherrschung von Problemstellen aufwarten.
Unterhalb der Transparenzschwelle des Kompressionsverfahrens werden die Kompressionsartefakte eventuell zu einem gewissen Grad noch von den Störungen maskiert, die minderwertige Geräte in die Wiedergabe einbringen. Bei wahrnehmbaren Kompressionsartefakten ist ein objektiver Vergleich unterschiedlicher Verfahren deutlich schwerer, da er oft weitgehend von den subjektiven Vorlieben des Hörers abhängt. Maßstäbe können hier zum Beispiel die Natürlichkeit des Klangbildes sein – zum Beispiel ob die Artefakte natürlich auftretenden Störungen wie Rauschen ähneln. Am unteren Ende der Qualitätsskala wird bei Sprach-Codecs üblicherweise noch die Verständlichkeitsschwelle betrachtet, unterhalb derer Sprachinhalte nicht mehr verständlich reproduziert werden können.

==== Kompressionsartefakte ====
Bei auf Frequenztransformationen basierenden Kompressionsverfahren ergeben sich als typische Artefakte unter anderem ein merklich ausgedünntes, ärmeres Klangspektrum, was zum Beispiel zu Zwitscherartefakten („birdie artifact“) oder charakteristisch dumpf blubberndem oder gurgelndem Klang führt und vorauseilende Echos (englisch „pre-echo artifacts“) bei scharfen, energiereichen Klangereignissen ([[Transienten]]).

==== Generationsverlust ====
Da die verlustbehaftet arbeitenden Teile eines Kompressionsverfahrens in der Regel bei jedem Durchlauf (weiteren) Verlust erzeugen, ergibt sich ein sogenannter Generationsverlust, wenn zum Beispiel beim [[Transkodierung|Transkodieren]] eine Datei komprimiert, dann dekomprimiert und anschließend wieder komprimiert wird. Das passiert in der Praxis vor allem, wenn eine Audio-CD aus verlustbehafteten Audiodateien gebrannt wird (Audio-CDs sind unkomprimiert) und das Material später wieder ausgelesen und komprimiert wird. Dieses macht verlustbehaftete Dateien ungeeignet für Anwendungen in professionellen Tonbearbeitungsbereichen („Data reduction is Audio destruction“). Allerdings sind solche Dateien sehr beliebt bei Endbenutzern, da ein Megabyte je nach Komplexität des Tonmaterials ungefähr für eine Minute Musik bei annehmbarer Qualität reicht, was einer Kompressionsrate von etwa 1:11 entspricht.

Ausnahmen bilden hier beispielsweise verlustbehaftete Vorfilter zur Kombination mit verlustfreien Verfahren wie lossyWAV<ref>{{Internetquelle |url=https://wiki.hydrogenaud.io/index.php?title=LossyWAV |titel=lossyWAV - Hydrogenaudio Knowledgebase |hrsg=hydrogen audio |sprache=en |abruf=2022-06-22}}</ref>, die die PCM-Daten bearbeiten, um nachfolgend eine stärkere Kompression mit einem (bestimmten) verlustfrei arbeitenden Kompressionsverfahren zu erreichen. Dabei können die vom Vorfilter erzeugten Daten – zumindest solange sie danach nicht weiter verändert werden – natürlich mit dem verlustfrei arbeitenden Kompressionsverfahren beliebig oft komprimiert und dekomprimiert werden, ohne weitere Verluste zu erleiden.

==== Qualitätseinschätzung ====
{{Überarbeiten}}
Die folgenden Einschätzungen basieren auf verschiedenen Hörtests von hydrogenaudio.org.
Dieses Forum stellt eine Plattform dar, die von interessierten und versierten Benutzern sowie von den Entwicklern verschiedener Audiokompressionsverfahren wie MP3 ([[LAME]]-Encoder), Vorbis oder Nero-AAC besucht wird. Durch die hohe Anzahl an teilnehmenden Testpersonen ergeben sich statistisch abgesicherte Qualitätsaussagen.

Seit der Entwicklung von MP3 (um 1987) über die anfängliche Nutzung des Codecs (um 1997–2000) bis zum weltweit meistgenutzten Audio-Format (seit etwa 2003) wurde die Ausgabequalität stetig verbessert. Ebenso wurden weitere Formate wie Vorbis, WMA oder AAC entwickelt, um eine Alternative zu MP3 darzustellen oder dieses langfristig abzulösen. Auch diese Formate wurden stetig weiterentwickelt.

Eine MP3-Datei mit einer Bitrate von ~128 kbit/s klang 1997 noch sehr bescheiden. Die versprochene CD-ähnliche Qualität wurde damals noch nicht erreicht. Im Jahr 2005, so belegen damalige Hörtests,<ref>{{Webarchiv | url=http://www.listening-tests.info/mf-128-1/results.htm | wayback=20080605005108 | text=Results of Public, Multiformat Listening Test @ 128 kbps (December 2005)}}</ref> bot der Encoder ''LAME'' für dasselbe Format bei ~128 kbit/s für die deutliche Mehrheit der Hörer bereits eine transparente, also von der Originalaufnahme nicht unterscheidbare Qualität.

Eine vergleichbare Qualität ist mit dem AAC-Format laut einem Hörtest von August 2007<ref name="mf-48-1">{{Webarchiv | url=http://www.listening-tests.info/mf-48-1/results.htm | wayback=20080605044735 | text=Results of Public, Multiformat Listening Test @ 48 kbps (November 2006)}}, auf www.listening-tests.info, November 2006 (englisch).</ref> bereits mit 96 kbit/s zu erreichen.

Die Hörtests aus den 2000er Jahren mit Bitraten von 48 und 64 kbit/s zeigen, dass bei diesen niedrigen Bitraten bereits eine Qualität erzielt werden kann, die für den Einsatz in portablen Geräten oder für Webradio geeignet ist.<ref name="mf-48-1"/><ref>{{Webarchiv | url=http://www.listening-tests.info/mf-64-1/results.htm | wayback=20080605035019 | text=Results of Public, Multiformat Listening Test @ 64 kbps (July 2007)}} </ref>

Mit einem qualitativ guten Encoder und dem richtigen Format konnte bereits bei 96 bis 128 kbit/s eine Qualität erreicht werden, die die deutliche Mehrheit der Benutzer nicht von der CD unterscheiden kann.

=== Verlustbehaftete Audioformate ===
[[Datei:Audiodatenkompression Spektrogramm.png|mini|Vergleich mehrerer verlustbehafteter Audiodatenkompressionsverfahren mit einer durchschnittlichen Datenrate von 128 kbit/s und dem Ausgangsmaterial in CD-Qualität mit 1.411 kbit/s. Am Beispiel eines 22 Sekunden langen Ausschnittes des Liedes ''[[Tom’s Diner#„Die Mutter der MP3“|Tom’s Diner]]'' ist deutlich zu erkennen, welche Frequenzen von den verschiedenen Verfahren entfernt wurden.]]

* [[Advanced Audio Coding]] (AAC)
* [[Adaptive Multi-Rate#Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB)|AMR-WB]]
* [[ATRAC]] und ATRAC3 ([[MiniDisc]])
* [[ATRAC3plus]] ([[Hi-MD]])
* [[Dolby Digital]] (auch ATSC A/52 oder AC-3 genannt)
* [[DTS]]
* [[Long-term Predicted Excitation Coding|LPEC]]
* [[MPEG-1 Audio Layer 2|MP2]] (MPEG-1 Layer 2 Audio Codec)
* [[MP3]] (MPEG-1 Layer 3 Audio Codec)
* [[mp3PRO]]
* [[Musepack]] (Open Source)
* Ogg [[Vorbis]] (Open Source)
* [[Opus (Audioformat)|Opus]]
* [[TwinVQ]]
* [[Windows Media Audio]] (WMA)

== Siehe auch ==
* [[Unterbrechungsfreie Wiedergabe]]
* [[Mean Opinion Score]] (Beurteilung der Klangqualität von Kompressionsverfahren)
* [[Spektralbandreplikation]] (Spectral Band Replication, SBR)
* [[Teilbandkodierung]]

== Literatur ==
* {{Literatur|Autor=Roland Enders|Titel=Das Homerecording Handbuch|Auflage=3.|Ort=München|Verlag=Carstensen|Jahr=2003|ISBN=3-910098-25-8}}
* {{Literatur|Autor=Thomas Görne|Titel=Tontechnik|Auflage=1.|Ort=Leipzig|Verlag=Carl Hanser|Jahr=2006|ISBN=3-446-40198-9}}
* {{Literatur|Autor=R. Beckmann|Titel=Handbuch der PA-Technik, Grundlagen-Komponenten-Praxis|Auflage=2.|Ort=Aachen|Verlag=Elektor|Jahr=1990|ISBN=3-921608-66-X}}
* {{Literatur|Autor=A. Lerch|Titel=Bitratenreduktion|Herausgeber=[[Stefan Weinzierl (Akustiker)|Stefan Weinzierl]]|Sammelwerk=Handbuch der Audiotechnik|Auflage=1.|Ort=Berlin|Verlag=Springer|Jahr=2008|ISBN=978-3540343004|Seiten=849-884}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Audio data compression|Audiodatenkompression}}
* [http://members.home.nl/w.speek/comparison.htm Vergleich verlustfreier Audio-Codecs auf Speek] (englisch)
* [http://synthetic-soul.co.uk/comparison/josef/ Vergleich verlustfreier Audio-Codecs von Josef Pohm] (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Audiokompression| ]]
[[Kategorie:Tonbearbeitung]]

Audiodatenkompression - Versionsgeschichte

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