Welche Rolle aber spielt die Bitrate?

Diesen Begriff kennt man vor allem aus der Qualitätsbeschreibung von verlustbehaftet komprimiertem Audio (z. B. MP3). Hier kommt leider noch erschwerend hinzu, dass sich bei kanalgetrenntem Komprimieren die Bitrate auf die beiden Kanäle aufteilt: Stereo-MP3 (nicht zu verwechseln mit Dual-Channel) mit einer Bitrate von 320 kBit/Sek. nutzt pro Kanal nur 160 kBit/Sek. Oder unterschiedliche Bitraten pro Kanal: Joint-Stereo (errechnetes Monosignal mit zusätzlicher Stereoinformation) hingegen arbeitet mit Lautstärkedifferenzen beider Kanäle und kann die Bitrate somit wesentlich effizienter nutzen.

Was genau hat es mit der offensichtlich so wesentlichen Bitrate auf sich? Bei einer CD nach dem Red Book-Standard errechnet sich die Bitrate wie folgt: 2 Kanäle * 44,100 Hz Samplingrate * 16 Bit Bittiefe pro Sample ergeben 1.411.200 Bit/Sek., sprich 1,4112 MBit/Sek. Bitrate. Das ist offenkundig erheblich mehr als komprimierte Formate bereitstellen (sollen). Man sieht, wie komprimierende Verfahren arbeiten: Nicht zuletzt reduzieren sie mehr oder weniger geschickt die Bittiefe pro Sample bei gegebener Samplerate von zum Beispiel 44,1 kHz. Die Datenmenge sinkt und genau das ist das Ziel jeder Datenkompression – so bringt die Halbierung der Bitrate exakt eine Halbierung der Datenmenge.

Beispielhaft habe ich einige verbreitete Dateiformate für digitales Audio gegenübergestellt:

Format

Codec(s)

Multi-channel

Samplerate

Bittiefe beziehungsweise sich aus der Bitrate ergebende Bittiefe

Kompression
/Akustische Verlust-
behaftung

WAV

PCM u.a.

Ja

beliebig

beliebig

Optional, je nach Codec, auch verlustlos

AIFF

PCM u.a.

Nein

beliebig

beliebig

nein

FLAC

FLAC (Free Lossless Audio Codec)

Ja

0,001 kHz-655.350 kHz

4, 8, 16, 20, 24, 32

verlustlos

Apple Loss-
less
MP4

ALAC (Apple Lossless Audio Codec)

Ja

0,001 kHz-384.000 kHz

16, 20, 24, 32

verlustlos

MP3

MPEG I Layer 3 in versch. Inkar-
nationen wie z. B. LAME

Nein

8-48 kHz

8-320 kBit/Sek. CBR/VBR oder 640 CBR für Freeformat-MP3

obligatorisch verlustbehaftet

Die meisten Leser werden wissen, dass verlustbehaftete Kompression häufig auch auf psychoakustischen Modellen beziehungsweise natürlichen Begrenzungen des menschlichen Hörvermögens beruht: Was wir Menschen nicht hören können (sollen), wird auch nicht im Musiksignal gespeichert und geht unwiederbringlich verloren – man braucht es ja angeblich nicht. Beliebtestes Beispiel dafür ist das bereits angesprochene betagte Format MP3. Für einige Audiophile ist verlustbehaftetes Komprimieren allein wegen seiner Definition unbrauchbar für ernsthaftes Musikhören, unabhängig davon, ob sie die Komprimierungsverluste überhaupt bemerken würden. Für andere klingen mit 320 kBit/Sek. codierte MP3s bei Popmusik identisch zur CD, sie sind zufrieden.

Verlustfreie Komprimierung wiederum wird aber seit stetig steigenden Internetbandbreiten und Speicherkapazitäten zunehmend beliebter. Exemplarisch sei wieder das Format FLAC genannt, das erfreulicherweise auch noch „open source“ ist, also frei genutzt und sogar programmtechnisch verändert werden darf. Inzwischen wird es sogar meist von proprietärer Audio-Hardware direkt unterstützt, wobei dann FLAC-Dateien ohne Hilfe eines Computers abgespielt und teils sogar erstellt werden können (CDs rippen). FLAC unterstützt – wie auch die Tabelle oben zeigt – sehr hohe Bittiefen und Samplingraten sowie Mehrkanalsound.

Bei FLAC erfolgt die Codierung des Tonsignals auf Basis von rechenleistungsschonend berechenbaren Festkommaalgorithmen, bei der schrittweise Blöcke gebildet werden und die Stereo-Separierung in eine Mitte-Seite-Separierung umgerechnet sowie eine Signalummodellierung mit Differenzspeicherung vorgenommen wird. Dabei gehen keine Informationen verloren, diese werden vielmehr effizienter als beispielsweise auf einer CD gespeichert – abhängig von der Komplexität des Audiosignals werden dadurch Kompressionsraten von bis zu 30% erreicht.

Es sei noch einmal klar gestellt, dass FLAC oder MP3 Dateiformate sind und sich daher mit dem PCM der Red-Book-Codierung einer CD oder DSD (siehe folgender Abschnitt) nicht direkt vergleichen lassen. Dabei wollen wir es zum Thema Datenkompression belassen.