Codecs

Ob Sie eigene Audio- und Videodateien im Internet bereitstellen oder bereits vorhandene Ressourcen nutzen möchten – es stehen eine Vielzahl verschiedener Wiedergabeprogramme, Codecs und Dateiformate zur Verfügung. Hier führen wir Sie durch den Dschungel von MPEG, AVI, MKV & Co. Zum einen werden die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Systemkomponenten erklärt. Auf diese Weise werden sich Rätsel lösen, zum Beispiel warum nur bestimmte AVI-Videos auf Ihrem Rechner angezeigt werden – und wie Sie derartige Probleme beseitigen können. Zum anderen werden die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Formate und Methoden erläutert. So können Sie einschätzen, welche Qualität Sie von einer Audio- oder Videodatei erwarten dürfen und welche Dateien für Ihre Anwendungszwecke besonders geeignet sind.

Als Endanwender ist man vor allem mit einer Sorte von Programmen gut vertraut: den Wiedergabeprogrammen (oder auch „Player“). Sie spielen Audio- oder Videodateien ab und sind somit das Softwareäquivalent zu CD- oder DVD-Wiedergabegeräten. Die Programmoberfläche enthält Elemente einer Fernbedienung: es gibt Knöpfe zum Abspielen, Vor- und Zurückspulen, Pausieren usw. Bekannte Vertreter sind z. B. der Windows Media Player, der VLC-Player oder Apple iTunes. Statt einen Datenträger einzulegen, müssen bei den Sofware-Playern Dateien geöffnet werden. Audio- und Videodateien können von einem Player nur dann geöffnet werden, wenn dieser etwas mit dem verwendeten Dateiformat anfangen kann.

Dateiformate

Die digitalen Daten, mit denen analoge Audio- oder Videosignale repräsentiert werden, können in diversen Formaten organisiert sein. Am Besten lässt sich dies für ein einzelnes Bild erklären: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die einzelnen Bildpunkte in einer Datei abzulegen. Ob zum Beispiel die Bildpunkte nacheinander zunächst von links nach rechts oder zuerst von oben nach unten in der Datei abgelegt werden ist natürlich eine Konvention, die festgelegt werden muss. Auch die Art und Weise, in der ein Farbwert gespeichert wird, muss klar definiert werden. Diese und noch viele weitere Festlegungen werden durch das jeweilige Dateiformat bestimmt. Zum Ablegen der Daten wird also immer eine fest vorgegebene Kodiervorschrift eingehalten, die letztlich dafür ausschlaggebend ist, ob die Daten richtig interpretiert werden können. Vielleicht wird die Unterschiedlichkeit der einzelnen Formate am Besten verständlich, wenn man sich diese wie verschiedene Datenträger vorstellt: CDs, große und kleine Schallplatten, Tonbänder usw. können alle Audiodaten enthalten – trotzdem können Sie eine Schallplatte nicht in den CD-Spieler legen! Genauso verschieden sind etwa die Formate MPEG, Quicktime, oder Matroska. Diese Formate werden auch als Containerformate bezeichnet. Den Container kann man sich gut als eine Schachtel vorstellen, die wiederum verschiedene Audio- und Video-Codecs beinhaltet. Diese Codecs können Dateien sowohl codieren als auch decodieren, also ein Signal z.B. für den Transport komprimieren, um es anschließend bei der Wiedergabe wieder zu dekomprimieren.

Viele verschiedene Codecs zum Abspielen von Audio- und Videodaten

Im Wohnzimmer werden die verschiedenen Wiedergabegeräte oft in einer Anlage vereint, so dass nicht mehrere Geräte notwendig sind. Genauso funktionieren auch verschiedene Wiedergabeprogramme: sie sind in der Lage, verschiedene Formate zu lesen und abzuspielen. Für jedes Format wird ein eigener Codec verwendet. Dabei handelt es sich um Miniprogramme, die nur eine Aufgabe erfüllen – das Codieren und Decodieren von Audio- oder Videoinformationen. Jeder Codec kann zum Schreiben und Lesen von genau einem Format verwendet werden. Für unterschiedliche Formate werden andere Codecs verwendet – sie entsprechen also in etwa den einzelnen technischen Bestandteilen Ihrer Stereoanlage. Nur gibt es eben statt eines Geräts K zum Abspielen von Schallplatten und eines Geräts C zum Abspielen von DVDs, einen Codec M zum Abspielen von Audio in MP3-Dateien und einen Codec W zum Abpielen von Video nach dem MPEG-4-Standard in MP4-Dateien. Die meisten Player haben bereits eine Reihe von Codecs integriert und sind daher in der Lage mehrere Dateiformate abzuspielen. Es besteht auch die Möglichkeit, dass ein Player weitere Dateiformate verstehen lernt, indem man zusätzliche Codecs nachrüstet. Sowie man bei seiner Stereoanlage weitere Geräte – etwa den alten Plattenspieler oder einen Highend-CD-Spieler – anschließen kann, erlauben Player das Aufrüsten durch Plug-ins . Ein Codec-Plug-in ist unabhängig vom einem bestimmten Player und kann von verschiedenen Playern verwendet werden. Zusätzliche Codecs benötigt man z. B. wenn man neuere oder selten verwendete Dateiformate mit seiner Player-Software abspielen möchte.

Prinzip des Video- und Audiocodecs

Wenn Audio- oder Videodateien nicht abgespielt werden können, dann liegt es in der Regel daran, dass der benötigte Codec für das jeweilige Dateiformat nicht vorhanden ist. Mit einem WMA-Codec können Sie zum Beispiel keine MP3-Dateien abspielen und umgekehrt. Leider ist es nicht immer ganz so einfach, den richtigen Codec zu finden. Zwar ist es so, dass ein Codec immer nur ein Dateiformat unterstützt. Anders herum gibt es aber für ein Dateiformat oft verschiedene Codec-Programme. Um beim Vergleich mit der Stereoanlage zu bleiben: der Kassettenspieler kann zwar nur Kassetten abspielen, doch eine Kassette passt in verschiedene Geräte unterschiedlicher Hersteller und kann auch noch unterschiedlich genutzt werden (etwa langsame oder schnelle Aufnahme). Auch Codecs werden von verschiedenen Anbietern entwickelt. So gibt es zum Beispiel für das vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen entwickelte MP3-Format zahlreiche Codecs. Diese unterscheiden sich jedoch weniger in der Dekodierung der Daten (also beim Abspielen), sondern – wie weiter untern erklärt – bei der Kodierung. Daher ist das Abspielen von MP3-Dateien in der Regel auch unproblematisch. Kritischer ist es dagegen, wenn es vom gleichen Dateiformat unterschiedliche Versionen gibt. Genau wie jede andere Software werden auch Codecs weiterentwickelt, mit dem Vorteil besserer Klangqualität und dem Nachteil, dass ältere Codec-Versionen die neuen Dateiformate nicht mehr verstehen. Besonders verwirrend wird es dann, wenn unterschiedliche Versionen des Dateiformats die gleiche Dateiendung verwenden. Das Quicktime-Dateiformat verwendet etwa sowohl für QuickTime 6 als auch 7 die Endung .mov. Damit nicht genug, denn Quicktime ist nicht nur ein Dateiformat, sondern gleich eine komplette Multimedia-Architektur, die unter anderem einen Quicktime Player umfasst. Der Quicktime Player kann nun wiederum nicht nur Quicktime-Dateien sondern auch andere Formate abspielen. Quicktime bezeichnet also oft ganz unterschiedliche Dinge und auch hinter Dateien mit der Endung .mov können nicht nur unterschiedliche Versionen sondern ganz verschiedene Formate verbergen. Aus diesem Grund lassen sich solche Dateien einmal abspielen, ein anderes Mal nicht. Da hilft es nur, immer den aktuellsten Codec zu installieren, denn diese sind in der Regel rückwärts kompatibel, d. h. sie können auch ältere Formate interpretieren. Außerdem muss noch berücksichtigt werden, dass mit der gleichen Dateiendung nicht nur unterschiedliche Versionen sondern auch ganz verschiedene Dateiformate gemeint sein können. Bei AVI-Dateien kommen für die eigentliche Kodierung der Videodaten unterschiedliche Codecs wie etwa DivX zum Einsatz.

Wer also sicher gehen möchte, dass alle Mediendateien abgespielt werden können, sollte möglichst viele Codecs für seinen Player bereithalten. Zum Glück sind die meisten Codecs – oder zumindest die Decoder – kostenlos erhältlich. Codec-Sammlungen erlauben das Auffrischen der bevorzugten Playersoftware in einem Rutsch.

Audio- und Videodaten selbst kodieren und komprimieren

Wenn Sie selbst Mediendateien im Internet bereitstellen möchten, ist es wichtig, die Unterschiede der einzelnen Formate etwas genauer zu kennen. Die einzelnen Dateiformate und sogar die Codecs unterscheiden sich nämlich in der Wiedergabequalität und in den resultierenden Dateigrößen. Einige Formate eignen sich zudem auch für das so genannte Streaming. Bei diesem Verfahren kann die Medienwiedergabe bereits beginnen bevor die gesamte Datei lokal auf dem Rechner verfügbar ist. Sobald die ersten Daten übertragen wurden kann die Wiedergabe beginnen. Einige Formate erlauben zudem die Qualität – und damit die benötigte zu übertragende Datenmenge – je nach verfügbarer Übertragungskapazität anzupassen: schnelle Verbindungen erhalten dann eine bessere Bild- und Tonqualität.

Allen Formaten gemein ist in der Regel, dass die Audio- und Videodaten komprimiert in die Dateien geschrieben werden. Die anfallenden Datenmengen sind sehr groß, daher versuchen die Codecs beim Kodieren die Datenmenge zu verkleinern. Das Kunstwort Codec wird daher oft auch als Kurzform für Compressor/Decompressor verwendet. Diese Kompression ist besonders für Video-Signale ein wichtiges Verfahren, da sich so die enorme Datenmenge von Filmen reduzieren lässt. Man sollte jedoch dabei nicht vergessen, dass damit auch ein Qualitätsverlust der Bilder verbunden ist. Die Verfahren zur Komprimierung der Daten sind sehr unterschiedlich. Generell unterscheidet man zwischen verlustbehafteter und verlustfreier Kompression.

Verlustbehaftete Kompression

Bei der verlustbehafteten Kompression handelt es sich streng genommen um eine Datenreduktion, d. h. Datenmengen schrumpfen dadurch, dass als irrelevant betrachtete Daten einfach verworfen werden. Man kann daher die ursprünglichen Daten auch nicht originalgetreu wiederherstellen. Die Qualität der Audio- und Videodateien hängt also auch davon ab, wie treffsicher der Encoder (Teil des Codecs, der für das Kodieren der Daten zuständig ist) Daten als relevant oder irrelevant identifiziert. Dabei kommen Erkenntnisse der Wahrnehmungspsychologie zum Einsatz. Signale, die nur schwach oder gar nicht vom menschlichen Augen/Ohr wahrgenommen werden, werden entfernt oder mit geringerer Qualität gespeichert. Zum Beispiel ist ein leiser Ton unmittelbar vor einem lauten Ton für den Menschen nicht wahrnehmbar (Zeitliche Maskierung). Ebenso wenig kann er zwei Töne mit sehr ähnlicher Frequenz unterscheiden (Gleichzeitige Maskierung). Auf diese Weise lassen sich die Daten vereinfachen, ohne dass es für den durchschnittlichen Zuhörer zu einer wahrnehmbaren Qualitätsreduzierung kommt. Das geschulte Ohr kann aber in einigen Fällen sehr wohl Unterschiede ausmachen. Außerdem ist zu bedenken, dass aufgrund der nicht mehr vorhandenen Originaldaten eine weitere Verarbeitung der Audio/Videodateien kritisch ist. Zum Beispiel können leise Töne nicht mehr herauskristallisiert und ggf. verstärkt werden, wenn diese bereits herausgefiltert worden sind.

Verlustfreie Kompression

Bei der verlustfreien Kompression bleiben die Originaldaten erhalten, sie werden nur kompakter in eine Datei geschrieben. Bei Bildern ist es zum Beispiel möglich, statt jeden einzelnen Bildpunkt in einer Datei zu speichern nur die Änderungen zu berücksichtigen. Wird etwa ein blaues Meer gezeigt, dann muss in der Datei also nicht „blau-blau-blau...-blau-blau“ stehen, sondern es reicht die Angabe „123 blaue Pixel“ – der Informationsgehalt verändert sich dadurch nicht. Auch bei Videodaten werden oft nicht die einzelnen Bilder sondern nur die Bildunterschiede gespeichert. Wenn die Kamera also für ein paar Sekunden eine unbewegte Landschaft zeigt, dann muss dieses Landschaftsbild nur ein einziges Mal in die Datei geschrieben werden. Bei Audiodaten können Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen Kanälen (linker und rechter Stereokanal sind oft identisch) genutzt werden, um Daten kompakter abzulegen. In allen drei Beispielen sind gleiche oder nur geringe Änderungen die Voraussetzung für eine Datenkompression. Da diese Ähnlichkeiten in den Audio- und Videodaten nicht ständig vorkommen, ist die verlustfreie Kompression leider nicht so effektiv wie die verlustbehaftete.

Verlustbehaftete und Verlustfreie Kompression

Verbreitete Formate

MPEG (Moving Picture Experts Group)

Die Moving Picture Experts Group (MPEG) befasst sich mit der Entwicklung von Standards im Bereich der Video- und Audiokompression. 1993 wurde der erste Standard MPEG-1 verabschiedet. Zielsetzung war es, die Filme so sehr zu komprimieren, dass sie bei der üblichen Geschwindigkeit damaliger CD-Wiedergabegeräte abgespielt werden konnten. Diese Video-CDs hatten noch eine sehr bescheidene Qualität.

Die Video-Kompression wurde mit dem 1994/95 eingeführten neuen Standard MPEG-2 deutlich verbessert. Dieser Standard ist heute weit verbreitet, denn er kommt auf den handelsüblichen DVDs zum Einsatz.

Ein MPEG-3 Standard wurde nie verabschiedet. Zwar gab es Planungen, einen solchen Standard für HDTV-Qualtität (hochauflösendes Fernsehen) zu spezifizieren. Als man jedoch feststellte, dass der MPEG-2 Standard hierfür ausreicht, wurde diese Absicht verworfen. Übrigens hat das weit verbreitete MP3-Format nichts mit dem (nicht existierenden) MPEG-3 zu tun. MP3 wurde bereits für Audiowiedergabe bei MPEG-1 entwickelt. Die „3“ steht für die verwendete Audio-Ebene. MP3 ist die Abkürzung für MPEG-1 Audio Layer 3 und nicht für MPEG-3.

Seit 1999 gibt es den MPEG-4 Standard. Dieser Standard verbessert noch einmal die Komprimierung. Vor allem aber ist er sehr viel flexibler, da er unterschiedlichste Audio- und Videoformate aufnehmen kann. Zudem unterstützt MPEG-4 nicht nur rechteckige Videos sondern audiovisuelle Objekte, die miteinander zu Szenen kombiniert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Interaktion des Benutzers mit diesen Objekten.

H.264/MPEG-4 AVC Ist eine neuere Generation von MPEG-4 mit dem Zusatz AVC (Advanced Video Coding) oder auch H.264 genannt. H.264 ist kein Dateiformat, sondern ein Standard für hocheffiziente Videokompression und somit ein Codec. Das standardisierte Containerformat ist MPEG-4 mit der Dateiendung .mp4, allerdings ist H.264 nicht an ein bestimmtes Containerformat gebunden. So kann dieses Verfahren auch in AVI-, Matroska- oder Ogg-Dateien vorliegen. Dieses Kompressionsverfahren wird vermehrt in HDTV, Blu-Ray-Filmen sowie mobilen Anwendungen eingesetzt. H.264 zeichnet sich durch eine gute Video-Qualität aus, so liefert das Verfahren einen höheren Detailgrad und sattere Farben im Vergleich zu anderen trotz reduzierter Dateigröße. Allerdings wird relativ hoher Rechenaufwand zur Umwandlung und beim Abspielen von Medien benötigt. Zudem wird dieser Codec von der Videoplattform YouTube zur Kompression Ihrer erstellen Videos empfohlen, die Sie auf der Videoplattform veröffentlichen möchten.

Player: Windows Media Player, Real Player, VLC Player

AVI (Audio Video Interleaved)

Das von Microsoft entwickelte AVI-Format ist ein so genanntes Containerformat, d. h. es kann Audio- und Videodatenströme verschiedener Kodierungsverfahren aufnehmen. Daher kann es vorkommen, dass eine Wiedergabesoftware zwar das AVI-Format versteht, nicht aber die darin enthaltenen Videodaten. Zum Kodieren oder Dekodieren wird daher für jeden Datenstrom ein entsprechender Codec benötigt. In der Regel lassen sich AVI-Dateien aber problemlos mit den meisten Playern abspielen.

Player: Windows Media Player, VLC Player, KMPlayer

DivX

DivX ist ein sehr weit verbreiteter Videocodec, denn er erlaubt eine ausgesprochen hohe Kompression bei annehmbarer Bildqualität. Nur bei sehr schnellen Bildwechseln kann es zu kleinen Fehlern in der Darstellung kommen. Mit DivX ist es möglich, Filme so sehr zu verkleinern, dass eine DVD auf eine CD reduziert werden kann. Aufgrund der – relativ – geringen Datengröße hat sich dieses Format gerade im Internet zum Austausch von längeren Filmen etabliert. Aufgrund der hohen Verbreitung können heute auch viele DVD-Abspielgeräte dieses Format interpretieren. Das Dateiformat basiert auf dem MPEG-4 Videostandard (siehe oben) und wird im AVI-Container abgespeichert, hat folglich zumeist die Dateiendung .avi.

Der Erfolg von DivX im Heimbereich hat sich in den letzten Jahren so weit gesteigert, dass selbst DVD-Player im Niedrig-Preis-Segment DivX unterstützen. Was MP3 für die Musikindustrie darstellt, das ist DivX für die Filmbranche: Mittels dieser Technologie lassen sich nämlich Videodateien so stark komprimieren, dass sie relativ bequem über das Internet verschickt werden können. DivX basiert auf dem MPEG-4 Video Standard. Entsprechend kodierte Filme (in der Regel AVI-Dateien) können mit Hilfe eines passenden Codecs in gängigen Video-Bearbeitungs- und Wiedergabe-Programmen editiert und angezeigt werden.

Player: Windows Media Player, Real Player, VLC Player

OGG

Das Ogg Container-Dateiformat ist eine freie und von Softwarepatenten unbeschränkte Alternative. In diesem Dateiformat können sowohl Audio-, Video- sowie Textdaten eingebunden werden. Zur Komprimierung dieser Daten werden meist die Codecs Writ für Text-Daten, die Audio-Codecs Vorbis oder FLAC sowie der Video-Codec Theora genutzt. Laut den Herstellern ist der Ogg-Container besonders für Streaming gut geeignet, da ohne zusätzliche Anpassungen gestreamt werden kann. Im Video-Bereich ist Ogg nicht sehr verbreitet, jedoch gewinnt in der Open-Source-Szene dieses Dateiformat vermehrt an Beliebtheit.

Dateiendung: .ogg, .oga, .ogv, .ogx

Matroska

Matroska ist ein Containerformat für Audio- und Videodaten sowie Textstreams (z.B. Untertitel) und zählt ebenfalls zu den freien Containerformaten. So sind Spezifikationen öffentlich einsehbar und können frei in Softwareanwendungen verwendet werden. Mit diesem Format ist es möglich ähnlich wie bei DVDs, die Einteilung von Dateien in Kapitel und die Einbindung von mehreren Tonspuren, z.B. für unterschiedliche Sprachen. Zudem besteht die Möglichkeit eine Menüfunktion zur Benutzerführung einzusetzen. Dieser Container ist weiter verbreitet als der ogg Container. Insbesondere im HD-Video-Bereich wird vermehrt das Matroska-Format eingesetzt.

Dateiendung: .mkv, .mk3d, .mka, .mks

Letzte Änderung: 29.10.2015
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