Mehr als nur ein Standard: MP3 – Das Synonym für souveränen Musikgenuss überall

Es war die geniale Idee knapp von zwei Handvoll junger Wissenschaftler und Ingenieure aus dem bayerischen Erlangen. In den 1980er und 1990er Jahren beschäftigten sie sich mit dem Problem, digitalisierte Musik oder Sprache ohne dramatische Qualitätsverluste über schmalbandige Übertragungswege schicken zu können. Mit dieser Frage beschäftigte sich auch der Gründungsdirektor des Fraunhofer-Institutes für Integrierte Schaltungen (FhG IIS) und Professor für Elektrotechnik an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen, Dieter Seitzer. Er suchte nach Anwendungen für das damals noch hochmoderne digitale Telefonnetz ISDN. Er wollte sogar zusammen mit einem Kollegen ein Patent dazu anmelden. Das allerdings wurde ihm verwehrt, weil der Patentprüfer nicht an die Machbarkeit glaubte. Seitzer allerdings ließ das Thema nicht los. Er suchte unter seinen Studenten Kandidaten, die der Sache auf den Grund gehen wollten und bildete eine Forschungsgruppe. Auch Karlheinz Brandenburg meldete sich bei Seitzer und machte aus dem Thema seine Doktorarbeit mit dem Titel „Ein Beitrag zu den Verfahren und der Qualitätsbeurteilung für hochwertige Musikcodierung“.

Schnell war dem IIS-Kernteam um Karheinz Brandenburg, Ernst Eberlein, Heinz Gerhäuser, Bernhard Grill, Jürgen Herre und Harald Popp klar, dass sie für die gestellte Aufgabe quasi „die Luft aus der Musik rauslassen“ müssen. 1987 fingen sie an, Verfahren zu entwickeln, mit dem die notwendigen Daten zur Übertragung oder Speicherung digitalisierter Musik und Sprache erheblich reduziert werden konnten. Zunächst weiter mit dem Ziel, ein Gerät zu bauen, mit dem Rundfunksendungen digital über das digitale Telefonnetz abgewickelt werden können.

Luft rauslassen

Brandenburg und seine Kollegen mussten schnell einsehen, dass sie das gewünschte Ergebnis allein mit mathematischen Verfahren zur Reduzierung der Datenmenge nicht erzielen konnten – immerhin waren dafür Datenreduktionraten im Bereich von 1:10 und mehr nötig. Also untersuchten die Wissenschaftler gründlich den Hörapparat des Menschen. Unzählige Probanden mit überdurchschnittlichem Hörvermögen wurden in etlichen Hörtestreihen auf akustische Proben gestellt: Was kann das menschliche Ohr überhaupt hören? Unter welchen Bedingungen nimmt das Ohr, Töne gar nicht mehr wahr? Und wie sehr kann die Übertragungsqualität einzelner Töne reduziert werden, ohne dass es das Ohr übelnimmt? Diese Fragen sollten die „Goldenen Hörer“ mit den besonders guten Ohren beantworten. Die Forscher gingen davon aus, dass schon das Gehör jede Menge überflüssige Information herausfischt.

„Wenn wir da genauer hinschauen, bis hin zur Cochlea, denn stellen wir fest, dass auch im Gehör schon eine ganze Menge Datenreduktion stattfindet“, erklärt Karlheinz Brandenburg. Nicht alles werde in absoluter Genauigkeit vom Ohr erfasst und ans Gehirn geleitet, sondern nur ein Teil davon. Grob vereinfacht mache MP3 etwas ganz Ähnliches wie das Gehör. Die Dinge, die auch vom Gehör nicht an die Nerven und ans Gehirn weitergegeben werden, würden auch bei MP3 nicht weitergegeben. Effekte wie Maskierung fanden die Forscher in den Testreihen heraus. Leise Töne zum Beispiel können von lauten verdeckt werden. Oder die Tatsache, dass das Ohr nicht alle Töne mit gleicher Präzision wahrnehmen kann, also auch die dafür nötigen Daten nicht unbedingt erforderlich sind. Viele solcher psychoakustischen Effekte können eingesetzt werden, um Datenbits einzusparen. Dazu wird das Audiosignal mit sogenannten Filterbänken in eine sogenannte Zeit-Frequenz-Darstellung überführt. Bei mp3 sind es 576 Kanäle, die dann eingehender analysiert werden. „Mittels der in den Hörtests herausgefundenen psychoakustischen Modelle wird dann abgeschätzt, welche Signalbestandteile mit welcher Genauigkeit quantisiert werden dürfen, ohne dass der Quantisierungsfehler stören würden“, erklärt Brandenburg den grundlegenden Mechanismus dieser Datenreduktion. Die restlichen Daten werden dann mit einem bekannten mathematischen Verfahren, der Huffmann-Codierung, geschickt verpackt.

Ziel MPEG

Der Weg zum endgültigen MP3-Standard führte allerdings über einige Zwischenschritte. So wurde in Erlangen der damals bereits theoretisch entwickelte LC-ATC-Algorithmus (Low Complexity Adaptive Transform Coding) auf Hochleistungsrechner erprobt und verbessert. Der nächste Meilenstein war der OCF-Algorithmus (Optimum Coding in the Frequency Domain), bei dem schon viele Aspekte von MP3 berücksichtigt wurden. OCF war damals in der Lage, ein Mono-Musiksignal ohne große Qualitätseinbußen von 768 KBit/s auf nur 64 KBit/s zu reduzieren – das entspricht einer Datenreduktion von etwa 1:12. Mit OCF startete das IIS 1989 auch seine Beteiligung an der Entwicklung eines neuen Audiostandards für die Moving Picture Experts Group, kurz MPEG. Aus diesen Entwicklungen für MPEG gingen im Wesentlichen zwei Algorithmen hervor, nämlich ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding) und MUSICAM.

Für das ASPEC-Verfahren, quasi der unmittelbare Vorläufer von MP3, baute das IIS 1990 auch Hardware, die im praktischen Einsatz die Machbarkeit der Verfahren unter Beweis stellen sollte. Tatsächlich kamen die Aspec-Geräte beim Rundfunk auch zum Einsatz, nämlich 1992 anlässlich der Olympischen Winterspiele im französischen Albertville. Auf nur einem ISDN-B-Kanal mit 64 Kbit/s konnten so Reportagen kostengünstig übertragen werden. Damit war MP3 zwar im kommerziellen Einsatz, doch der Durchbruch ließ auf sich warten. Das konkurrierende Verfahren MUSICAM machte sich dagegen beim Rundfunk breit, zumal das Forschungsinstitut der öffentlich-rechtlichen Sender, das Institut für Rundfunktechnik in München, sich maßgeblich an der MUSICAM-Entwicklung beteiligte. Auch die Musikindustrie war zuerst von dem neuen Verfahren nicht zu überzeugen. Denn das Geschäft mit den CDs als Nachfolger der Schallplatten lief prächtig – Innovationen waren bei den Musikmanagern eher unerwünscht, zumal es damals auch noch kaum Abspielgeräte für Musik aus Dateien gab. Auch Inhalte selbst waren rar – Musiktitel in MP3 codiert waren schlichtweg noch nicht breit verfügbar.

Durchbruch Shareware

Da kamen die Erlanger eher aus Geldnot auf eine Idee, die man heute als „disruptiv“ bezeichnen würde. Sie brachten einen Shareware-MP3-Encoder und -Decoder auf den Markt. Damals für die legendären 286er-Rechner in der AT-Klasse. Die Kostenlos-Version war zwar in der Funktion beschränkt, um potentiellen Interessenten die Möglichkeit zum Test zu geben, sie aber letztlich zum Kauf zu animieren. Doch die Free-Version wurde schnell gehackt und verbreitete sich in Windeseile, „was im Nachhinein natürlich dazu geführt hat, dass dann urplötzlich für Millionen von Stück im Umlauf waren“, erinnert sich Bernhard Grill, der heute das IIS in Erlangen leitet. Zwar ist durch diesen Hackerangriff MP3 richtig in Fahrt gekommen, aber richtig finden Grill und Brandenburg den Angriff von damals noch immer nicht.

Filesharing-Plattformen mit illegal kopierter Musik und per MP3 codiert schossen in der Folge aus dem Boden. Sie versetzten nicht nur die Musikindustrie in Angst und Schrecken, sondern auch zahlreiche Eltern, die sich urplötzlich mit Anzeigen der Musikindustrie gegen Ihre Sprösslinge wegen Urheberrechts-Verletzungen konfrontiert sahen. Grill meint, die Musikindustrie hätte damals auch anders reagieren können: „Wenn die Industrie rechtzeitig eingestiegen wäre an dieser Stelle, wäre es vielleicht gar nicht nötig gewesen. Sondern man hätte die Musik eigentlich kaufen können, wie ich es eben heute auch tue.“ Auch Karlheinz Brandenburg erinnert sich noch gut an die Abwehrhaltung der Musikindustrie. Das Team vom IIS habe den Kontakt zur Musikindustrie gesucht: „Es waren Leute von uns in München bei einem großen Label und haben höfliches Desinteresse geerntet.“

Höfliches Desinteresse

Mit diesem Desinteresse hat sich die Musikindustrie über lange Zeit selbst geschadet. Erst mit den kommerziellen Streamingdiensten wie Apple Music oder Spotify hat sich vor allem die Situation an der Klagefront wieder beruhigt. Musik wird heute gestreamt und die Nutzerinnen und Nutzer zahlen dafür. Die Forscher in Erlangen haben sich in der Zwischenzeit auch nicht auf den Lorbeeren ausgeruht, die ihnen MP3 und die damit verbundene Patentierung einbrachten. Beständig wurden Codierverfahren verbessert und weiter entwickelt, angetrieben vor allem durch den Boom in der Mobilfunkbranche. Und auch wenn in modernen Streamingservices heute verbesserte Verfahren zumEinsatz kommen: MP3 ist immer noch nicht nur ein beliebtes Codierverfahren für Musik, sondern das globale Synonym für digitalen, zeitsouveränen Musikgenuss überall.