Karlheinz Brandenburg (*1954 Erlangen), der Elektronikbastler von einst und christliche Pfadfinder war seit seiner Diplomarbeit dabei, den richtigen Pfad zu finden, Audiodateien zu verkleinern und zwar ohne Qualitätsverlust. Er kaufte in einem Nürnberger Musikladen für 1000 Mark Schallplatten, berechnete, analysierte und komprimierte die Aufnahmen und arbeitete mit einer Formel, in der Fachliteratur OCF-Algorithmus genannt, schrieb dazu eine Software für einen Prozessor, dessen Chip heute im Deutschen Museum in München zu sehen ist. Das Ziel: Komprimierung, Verschlüsselung und Entschlüsselung von Tönen und Musik, um sie als Computerdateien durch ISDN-Telefonleitungen zu jagen. Damit ritt er eine Attacke gegen die wuchtigen HiFi-Anlagen der damaligen Zeit.
Seine Erfindung ist der ISO MPEG Audio Layer-3, vielen besser bekannt als MP3. Er betont immer wieder, dass er nicht allein diese Erfindung geschaffen habe, sondern mit einem Forscherteam zu seiner Zeit an der Universität in Erlangen mit einer Gruppe am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen.
Bild 4. Die amerikanische Sängerin Suzanne Vega verhalf Brandenburg zur idealen Audiodatenkompression.
Mit Tom´s Diner zur Audiodaten-Revolution. Der Erfinder erzählte in einem Interview, dass er während der Feinabstimmung des Algorithmus die A-cappella-Version von Tom’s Diner im Radio hörte (Achtung: nicht „Dinner“, sondern „Diner“, d.h. kleines Restaurant). Er war von der Aufnahme begeistert und zunächst überzeugt, dass man die Charakteristik von Suzanne Vegas Stimme nicht ohne hörbare Verluste komprimieren könne. Brandenburg wählte dann das Lied aus, um sein Kompressionsverfahren zu testen und, wenn nötig die Algorithmen zu korrigieren. Daher ist es nicht falsch, zu behaupten, dass MP3 ein Datenformat ist, um insbesondere Tom’s Diner möglichst wirklichkeitsgetreu zu komprimieren. Unter Tontechnikern wird Tom’s Diner darum auch „die Mutter des MP3“ genannt. Er hat es digitalisiert, in Bits zerlegt, studiert, analysiert und komprimiert. Es war unser ultimatives Teststück für MP3, sagt er. Der Song wurde zum Wiegenlied der Musik im Internet. Brandenburg stand Pate und die Musikindustrie vor einer Revolution. Das Lied erzählt eine ganz einfache Geschichte: Eine Person trinkt einen Kaffee in Tom´s Restaurant in New York und liest Zeitung, draußen regnet es, und Glocken sind zu hören. Mehr nicht.
Bei MP3 werden Daten von Audiodateien ohne hörbare Verluste in der Soundqualität reduziert. Die Umwandlung von Audiodateien in MP3-Formate geschieht, indem auf die begrenzte Hörwahrnehmung des Menschen gesetzt wird. Die Menge der Töne, die vom Menschen nicht wahrgenommen werden können, weil sie nach Frequenz und Lautstärke außerhalb seiner Grenzen liegen, wird reduziert und nicht mitcodiert. Audiodaten können auf diese Weise sehr stark komprimiert werden, so dass der Speicherbedarf wesentlich geringer ist als die der Originaldatei. Der hohe Speicherbedarf unkomprimierter Daten, die mangelnden Übertragungsraten im digitalen Rundfunk und die Übertragung von Audiodateien via Internet haben eine solche Entwicklung einfach nötig gemacht, die heute längst Standard ist.
Bild 5. Das gesamte menschliche Hörvermögen, ausgedrückt in Schalldruckpegel, Lautstärkepegel und Frequenz = Tonhöhe. Die bei der Ausbreitung von Schall auftretenden Druckschwankungen werden vom Trommelfell als Sensor in Bewegungen zur Hörempfindung umgesetzt. Bei hörbarem Schall werden diese Bewegungen dann durch das Innenohr (Gehör-Hirn-System) wahrgenommen.
Bild 6. Die Grenzen des Hörens, des Schmerzes und für Gehörschäden, sowie Schalldruck und Schalldruckpegel. Man beachte: Die Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB ergibt einen cirka 3-fachen effektiven Schalldruck! Dieser kann als maximaler Wert sehr gefährlich für das Gehör werden.
Der internationale Durchbruch. Brandenburg vertrat 1988 das Fraunhofer-Institut und 1990 die amerikanische Telefongesellschaft AT&T in der Motion Picture Expert Group (MPEG) der Internationalen Organisation für Standardisierung (ISO). Die MPEG-Gruppe hatte die Aufgabe, unter einem Dutzend Vorschlägen den besten Kompressionsstandard für Audiodateien auszuwählen. And the winner is… Brandenburg! Der fränkische Musikdaten-Kompressor ging mit seinem Erlanger Verfahren als Sieger hervor, sein System wurde 1992 zum Standard für die Datenkomprimierung zur Übertragung über Telefonleitungen.
Daraufhin machte sein MP3-Player einen Senkrechtstart. Höchste Musikqualität bei Übertragung über einfache Telefonleitungen, dieses Prinzip bedeutete eine Revolution, ganze Musikbibliotheken für unterwegs und für´s Wohnzimmer. 1993 erwarb die Firma Telos Systems aus Ohio eine Lizenz, baute ein Radiogerät und verkaufte es Zehntausende Mal. Grundig aus Fürth winkte ab, Manager aus der Plattenindustrie glaubten noch, mit der CD ihre Geschäfte auf Generationen hinaus gesichert zu haben. Warum um alles in der Welt, ließen sie sich das Riesengeschäft mit dem digitalen Walkman-Nachfolger entgehen? Hatten unsere cleveren Firmenbosse ihr Management-ABC nicht gelernt? Sie waren überängstlich, zögerlich und eitel, weil die Idee nicht aus ihrer eigenen Entwicklungsabteilung kam. Ihr Totschlagsargument lautete: Not invented here. So haben uns diese Hasenfüße um Zehntausende Arbeitsplätze gebracht und ihrer Firma die Verscherbelung oder die Insolvenz beschert. Es ist sehr schwer einsehbar: Deutsche Firmen wollten das Wunderding nicht haben! So kamen nun Hightech-Firmen ins Geschäft. 1995 wählte die New Yorker Radiogruppe Worldspace als Übertragungstechnik das Erlanger Verfahren. Die Deutsche Telekom bot einen der ersten internetbasierten Musikdienste an. Computer- und Softwarekonzerne kauften Lizenzen. 1996 kam Microsoft, 1997 Apple. Die Musikindustrie wurde durch dieses Verfahren in den vergangenen eineinhalb Jahrzehnten komplett umgekrempelt. Am meisten profitiert hat davon der Apple-Konzern. Seit der Einführung des iPods, der auf einer Weiterentwicklung des MP3-Players basiert, durch den legalen Dateienvertrieb und durch das iTunes-Programm hat sich der Börsenwert der einst maroden Computerfirma fast verdreißigfacht. Dessen Chef Steve Jobs hatte jedoch die Leistung Brandenburgs nie gewürdigt, noch je überhaupt mit einem Wort erwähnt.
Bild 7. Die Wahrnehmbarkeit für Musik reicht von einer Frequenz von 50 Hz bis 10 kHz und von einem Schalldruckpegel von 30 dB bis 95 dB – alles, was außerhalb dieser Grenzen liegt, kann weggefiltert werden – die Möglichkeiten für eine psychoakustische Datenreduktion sind somit sehr groß.
Ein Ausflug in die Technik der Musikdatenkompression – wie werden Musikstücke „komprimiert“? Bei der Erstellung einer MP3-Datei werden zwei verschiedene Verfahren angewandt, um eine hohe Kompression zu erreichen. Im ersten Schritt werden die Audiodaten mit Hilfe des psychoakustischen Modells reduziert. Im zweiten Schritt findet eine Komprimierung nach dem Verfahren der Huffman-Codierung statt.
Das psychoakustische Modell basiert auf der Tatsache, dass der menschliche Gehörsinn Frequenzen unter 20 Hz und über 16 kHz nur schwach bzw. gar nicht erfasst. Die nicht im wahrnehmbaren Bereich liegenden Daten werden entfernt. Da ihr Anteil relativ hoch ist, ist die Kompressionsrate des MP3-Verfahrens bei sehr geringem Qualitätsverlust so gut. Ein anderer Teil des psychoakustischen Modells wird als simultane Maskierung bezeichnet. Wenn leise Töne in einem Musikstück, die normalerweise wahrgenommen werden, durch laute Töne gleicher Frequenz überdeckt werden, kann das menschliche Ohr beide nicht auseinanderhalten. So wird bei der Komprimierung die Frequenz mit der niedrigeren Amplitude, also Lautstärke, weggefiltert. Ein weiterer Teil wird als temporale Maskierung bezeichnet. Sie bedeutet, dass von zwei Tönen, die kurz aufeinander folgen, nur der lautere vom menschlichen Ohr wahrgenommen wird. Wird der zeitliche Abstand größer, können beide wieder unterschieden werden. Ist der zeitliche Abstand kleiner als 5 ms, wird der leisere Ton weggefiltert. Das psychoakustische Modell ist also ein Verlust behaftetes Komprimierungsverfahren, weil es Musikdaten reduziert, dies jedoch ohne hörbare Qualitätseinbußen, weil es geschickt die Wahrnehmungsschwächen des menschlichen Gehörs ausnutzt. Zum Vergleich: Auf einer Audio-CD entspricht eine Minute Musik rund 10 MB. MP3 in guter Qualität beansprucht rund 1/10 dieses Speichers - man kann also mit MP3 etwa 10 Stunden Musik auf einer CD unterbringen.
Die Huffman-Codierung. Zuerst wird ein aus mehreren Symbolen bestehender Datenstring nach der Häufigkeit der Symbole untersucht, d.h. deren Wahrscheinlichkeit des Auftretens ermittelt. Das gezeigte Beispiel besteht aus dem Datenstring YBBA DABBA DOO. Häufigkeiten: A 0,25; B 0,33; D 0,17; O 0,17; Y 0,08, ergibt zusammen 1,00.
Bild 8. Beispiel für die Funktionsweise der Huffman-Codierung.
Die Symbole werden dann in einem binären Verzweigungs-Datenbaum dergestalt geordnet, dass jeweils zwei Symbole mit geringer Wahrscheinlichkeit zusammen gefasst und deren Häufigkeiten addiert werden. Dies wird dann wie ein Symbol behandelt, zu dessen Häufigkeit das Symbol mit der nächst höheren Häufigkeit addiert wird. Die Symbole mit der größten Häufigkeit werden separat zusammen gefasst und zum Schluss zum letztgenannten Symbol addiert. Alle Einzel-Häufigkeiten müssen dann den „Wurzelpunkt“ mit der kumulierten Häufigkeit 1,00 ergeben. Jetzt kann jedem Symbol ein eigener binärer Wert 0 oder 1 zugewiesen werden, indem entlang des Pfades, von der Wurzel bis zum Symbol selbst, die Binärwerte aufgelistet werden. In dem Beispiel: 000 zum Symbol O, 001 zum Symbol Y, 01 zu D, 11 zu A, 10 zu B. Ein Bitstrang zu einem Symbol geringer Häufigkeit ist also lang, ein Bitstrang zu einem Symbol großer Häufigkeit ist kurz. Diese Charakteristik verringert den Anteil an Redundanz, d.h. wiederkehrende Ähnlichkeiten in einer Datenmenge. Symbole mit höherem Vorkommen werden durch kürzere Codeworte ersetzt, seltener auftretende Symbole durch lange Codeworte. Damit ist also eine weitere Komprimierung der Musikdaten um ca. 20% möglich.
Wie funktioniert MP3? Karlheinz Brandenburg erklärt die Datenkompression wie eine Hausfrau, die ein Suppenschnellgericht zubereitet: Es ist eine Art akustisches Gefriertrocknen. Bei der Digitalisierung von Harmonien, Melodien, Rhythmen kommt es darauf an, alle entscheidenden Bestandteile des Ausgangsmaterials so zu erhalten wie die Gemüse- und Fleischbröckchen und die Grießklöschen in einer Tütensuppe - als Konzentrat, das wenig Speicherplatz benötigt und sich leicht transportieren lässt. Beim Zurückverwandeln der Bits in Geräusche, Töne und Klangfarben muss die Software des Abspielgeräts das Volumen und die Tonhöhe aus den Kernbotschaften rekonstruieren - wie das heiße Wasser, das auf das Tütensuppenkonzentrat gegossen wird. Aus dem prosaischen physikalischen Computercode entsteht dann wieder eine Symphonie, deren Wohlklang uns berührt, eine Rockhymne, die unsere Beine zucken lässt, oder eine Opernarie, die tief ins Herz eindringt.
Wer Brandenburg nur kurze Zeit zuhört, der spürt: Dieser Mann brennt vor Begeisterung - und er kann andere für seine Ideen entflammen. Dank dieser Fähigkeiten hat er es geschafft, über viele Jahre hinweg das Datenkompressionsverfahren MP3 vom Laborexperiment zur Marktreife zu führen - und damit, ganz nebenbei, den Markt für Musik zu revolutionieren.
Bild 9. 1994 – das erste, noch stationäre MP3-Abspielgerät, zu besichtigen im Deutschen Museum München. Bild 10. 1998 – der erste portable MP3-Player. Ab diesem Jahr waren die Geräte am Markt, ebenfalls im Deutschen Museum.
Der erste MP3-Player. 1994 gab es das erste MP3-Abspielgerät vom Fraunhofer-Institut Erlangen ohne bewegliche Teile. Um die komprimierte Musik anhören zu können, benötigt man ein Wiedergabegerät – den MP3-Player. Ein erster Schritt in Richtung MP3-Player gelang 1994: Auf der Tonmeistertagung in Karlsruhe wurde ein MP3-Abspielgerät auf der Basis des MASC 3500 von Intermetall vorgestellt. Der für damalige Verhältnisse sehr leistungsfähige Chip griff auf einen externen Speicher von 1 MB zu und konnte 1,5 Minuten Stereomusik speichern.
Der erste tragbare MP3-Player. Im Jahr 1998 begann die Ära der tragbaren MP3-Player. Die koreanische Firma Saehan stellte auf der CeBit den MP-Man vor – ein handliches Gerät, mit dem das Speichern und Abspielen von MP3-komprimierten Musikstücken möglich war. Man konnte ihn mit einer Speicherkapazität von 16, 32 und 64 MB kaufen. Das Herzstück des Geräts – der Decoderchip – stammt aus Deutschland und wurde von Intermetall (heute Micronas) mit Software vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen entwickelt.
Vermarktung – mit „Shareware“. Brandenburg – kombiniertes Wissen in Mathematik, Akustik und Elektronik – ist ein Know-how-Generator, wie es in Deutschland nur wenige gibt: Forscher, Lehrer, Wissenschaftsmanager, Unternehmer - alles in einer Person und in allen Disziplinen erfolgreich – aber erstaunlicherweise das alles nicht für persönlichen monetären Profit, obwohl in aller Welt die Konzern-Kassen klingeln. Es ist auch die Geschichte eines kleinen Projekts der Fraunhofer-Gesellschaft, zu deren Budget die Bundesrepublik Deutschland 30% beiträgt. MP3 ist aufgerückt zur Audio-CD und zum PAL-Fernsehen. Die Gesellschaft hat 22000 Mitarbeiter und hat ein Jahresbudget von 2 Milliarden Euro mit dem Schwerpunkt Natur- und Ingenieurwissenschaften. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen hat 250 Mitarbeiter, ist eines der angesehensten Forschungsinstitute und beschäftigt einige der besten Köpfe Deutschlands – mit Gehältern unter dem Niveau in der Industrie. Hauptsächlich wird die Technologie-Forschung als Partnerschaft mit der Industrie betrieben. Brandenburg bezieht sein Gehalt vom Staat (und sicherlich eine Beteiligung an den Lizenzeinnahmen) und sagt, dass er keinerlei Anteile hat in irgend einem Internetkonzern oder einer Firma, die mit dem MP3-Standard zu tun hat. Ich kümmere mich nicht um die Zahlen meines Bankkontos, ich bin zufrieden mit meiner Arbeit, mit den Menschen, mit denen ich arbeite und mit dem, was herausgekommt, sagt er. Er kümmert sich nicht viel ums Geld, außer, wenn es um sein Institut geht. Sein Forschungsprojekt MP3 vermarktete er als „Shareware“, d.h., dass jeder, der es will, nach der Registrierung beim FI sich eigene MP3-Dateien oder Software erstellen kann, welche die Werke in das komprimierte Musikformat übersetzt oder präsentiert. Er hatte wahrscheinlich keine andere Wahl als diese Lösung, weil er keine direkten Partner hatte, die eine Marketing- und Verteilerkette aufbauen konnten. Die MP3-Lizenzgebühren sind eine gute Einnahmequelle der Fraunhofer-Gesellschaft. Insofern ist das Ganze auch eine wirtschaftliche Erfolgsgeschichte, wenn auch ein kleiner Eindruck entsteht, dass Brandenburg und seine IIS-Mitarbeiter sich zu billig verkauft haben.
Von Franken nach Thüringen. Im Jahr 2000 wechselte Karlheinz Brandenburg nach Ilmenau und wurde Inhaber des Lehrstuhls für Elektronische Medientechnik des Instituts für Medientechnik an der TU Ilmenau. Im Mai 2000 wurde er zum Leiter der Fraunhofer- Arbeitsgruppe für Elektronische Medientechnologie AEMT in Ilmenau ernannt. Die ehemalige Außenstelle des Erlanger Instituts für Integrierte Schaltungen überführte Prof. Brandenburg zum 1. Januar 2004 in das eigenständige Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT. Er war zum Wissenschaftsmanager geworden, ohne MBA, ohne Business-Schule oder Studium der Betriebswirtschaft. In den Lizenzverhandlungen hatte er gelernt, wie man hart und entschlossen verhandelt.
Bild 11. Der Campus der TU Ilmenau in Thüringen – Brandenburgs Wirkungsstätte ab 2000.
Ehrung. Mit einem Festakt hat das manager magazin 2009 die „Hall of Fame der deutschen Forschung“ eröffnet. Erfinder Karlheinz Brandenburg, Teamleiter bei der Entwicklung des Datenkomprimierungsstandards MP3, wurde in diese Ruhmeshalle berufen. Mit der Aufnahme ehrt das Magazin alljährlich Wissenschaftler, diedurch ihre Lebensleistung einen herausragenden Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsstandorts Deutschland erbracht haben.
Bild 12. Deutscher Einfallsreichtum: Emil Berliner (1851-1929) erfand 1877 die Schallplatte und das Grammophon. 1928 erfand der deutsche Ingenieur Fritz Pfleumer (1881-1945) das Tonband, 1935 brachte dann die AEG das erste Tonbandgerät K1 auf den Markt. Ab 1982 entwickelte Karlheinz Brandenburg das MP3-Verfahren. 1998 gab es den ersten tragbaren MP3-player im Handel.
Karlheinz Brandenburg hat mit seinem Team beim Fraunhofer-Institut in Erlangen das dominierende Verfahren zur Speicherung und Übertragung von Musik auf Computern, im Internet und auf tragbaren Musikabspielgeräten entwickelt.
Bildnachweis
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