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Wenn Bits und Bytes eingekocht werden

Mobiltelefonie, Musikhandys, Digitalkameras, MP3- Player, Digitalfernsehen und Internetradio wären ohne Datenkompression nicht möglich. Die dabei verwendete Technik wird 60 Jahre alt.

New Yorker Models beim Musikplasch im Freien – auch sie profitieren davon, dass Claude Shanon vor sechs Jahrzehnten Jahren einen Algorithmus entwickelt hat, der beliebige Daten optimal codiert.
Bild: Reuters

Wanderer wissen, dass man mit getrockneten Apfelschnitzen viel Energie und Geschmack in den Rucksack packt, ohne überflüssiges Wasser mitzuschleppen. Und der mit viel Kraft zusammengepresste Daunenschlafsack erweist sich nach dem Auspacken wieder als kuschelige, grosse Schlafhülle – Verdichtung und Kompression machen den Alltag leichter.

Kompression ist auch bei Computerdaten nötig. Denn verdichtete Daten brauchen nicht nur weniger Speicherplatz, sondern lassen sich auch schneller per Kabel oder drahtlos übermitteln.

In der Welt von Einsen und Nullen (Bits) versucht man, durch Kompression möglichst viel Information mit möglichst wenigen Bits abzuspeichern. Wenn der PC nicht nur Texte, sondern auch Musik, Fotos und Videos verdichtet, geht es dabei auch um die Reduktion auf das Wichtigste, nämlich das Hör- und Sehbare.

Beim Morsen abgeschaut

Die Erfinder der Datenkompression nutzten die Tatsache, dass in Texten gewisse Buchstaben deutlich häufiger vorkommen als andere. Das wird bereits beim Morsen gemacht: Für das häufige «E» wird ein kurzes Beep benötigt, für das seltene «Q» braucht es drei lange und einen kurzen Signalton.

Im PC werden normalerweise für jedes Zeichen acht Bits verwendet. Claude Shanon entwickelte vor 60 Jahren einen Algorithmus, der beliebige Daten optimal codiert. Häufige Buchstaben benötigen zur Speicherung dann nur noch drei statt acht Bits. Der gesamte Speicherbedarf eines Textes schrumpft um 30 bis 60 Prozent.

David A. Huffman optimierte wenige Jahre später das Verfahren von Shannon. Der Hufmann-Code funktioniert nicht nur für Texte, sondern verdichtet beliebige Daten. Er wird deshalb seit Jahrzehnten beim Speichern von Bildern oder das Versenden von Telefaxen verwendet.

Unwichtiges verloren

Erste Datenkompressionsverfahren waren verlustlos. Das heisst, die komprimierte Information liess sich in den Originalzustand zurückversetzen. Ein Daunenschlafsack entfaltet sich wieder auf seine ganze Grösse, auch wenn er vorher auf Faustgrösse zusammengepresst wurde.

Wer noch stärker reduzieren will, muss verlustbehaftete Verfahren nutzen. Bei dieser Art von Kompression gehen aber Informationen verloren (aus getrockneten Äpfeln werden nie mehr richtige Äpfel, auch wenn man sie stundenlang wässert).

MP3 als Beispiel

Bekannteste Beispiele verlustbehafteter Kompression am PC sind die Formate MP3 für Musik und JPG für Fotos. Wird eine Musik-CD in MP3 umgewandelt, schrumpft der Speicherplatzbedarf auf einen Zehntel.

Das Ende der 80er-Jahre entwickelte MP3-Verfahren für die Kompression von Musik und Sprache verdichtet die Informationen nicht nur, sondern entfernt auch jene Bestandteile, die es für unhörbar und damit entbehrlich hält.

Das Kompressionsverfahren von MP3 hat auch den Vorteil, dass sich die verdichteten Daten mit wenig Rechenaufwand wieder in «echte Musik» umwandeln lassen. Nur so ist es möglich, günstige und kleine MP3-Player herzustellen, die mit einer Akkuladung bis zu 30 Stunden lang unterhalten.

Auch Internet-Radiostationen wurden erst durch Datenkompression möglich. Langsamere Internetverbindungen wären durch die Datenmenge unkomprimierter Musik überfordert.

Weil heute Speicherplatz günstig und Netzwerke schnell sind, werden nun aber auch bei der Musik verlustlose Kompressionsverfahren populärer. Dazu gehört insbesondere das herstellerunabhängige Format FLAC (Free Lossless Audio Codec).

Reduktion in Echtzeit

Noch beeindruckender sind die Leistungen der Datenkompression beim Video. Ein HD-Fernseher zeigt über zwei Millionen Bildpunkte an, von denen jeder für die Farbdefinition theoretisch 24 Bit Speicherplatz verlangt.

Will man pro Sekunde 25 solcher Bilder übertragen, ergibt dies eine Datenmenge von 1200 Millionen Einsen und Nullen pro Sekunde (1,11 GBit/s). Davon sind selbst schnelle Netzwerkkabel als auch Satellitenverbindungen überfordert.

In der Praxis werden deshalb bei einem hoch aufgelöstes Fernsehsignal inklusive Mehrkanalton pro Sekunde nur zwischen 20 bis 30 Millionen Bits pro Sekunde gesendet. Moderne Video- Kompressionsverfahren dampfen also die Datenmenge um den Faktor 50 bis 200 ein.

Mit neuen Tricks

Dabei werden neben den Erkenntnissen von Huffman auch verschiedene neue Tricks verwendet. So speichert man beispielsweise nur den Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Videobildern ab. Ferner versucht man, die Bewegung im Bild zu erkennen und daraus ebenfalls die Folgebilder platzsparend zu berechnen.

Am verbreitetsten ist das Videoformat H.264. Moderne Videokameras schaffen dabei das Kunststück, in Echtzeit hoch aufgelöste bewegte Bilder zu komprimieren und beim Abspielen auch wieder in Echtzeit zu dekomprimieren.

Erst wenn Elektronik oder Mathematik bei schnellen Kameraschwenks überfordert sind, erkennt man an unscharfen Details oder Klötzchenbildungen die Grenzen der modernen Datenkompression. (Tagesanzeiger.ch/Newsnet)

Erstellt: 13.08.2010, 19:07 Uhr

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