Version 1.6 | Datum 06/10/2009
  mediajournal
 
       
 


Christian Späth

 

 

Ogg Vorbis zur Audiokompression

Der lizenzfreie MP3-Konkurrent Ogg Vorbis



Zusammenfassung: Das vom Fraunhofer Insitut entwickelte Audiokompressionsformat MPEG 2 Audio Layer 3 (MP3) bekommt Konkurrenten. Der aussichtsreichste ist Ogg Vorbis, ein Open Source Format, das besonders im niedrigen Bitratenbereich gute Klangqualität verspricht. [vorbis.com]

Ogg Vorbis

fig01: Ogg Vorbis-Logo


Vorbis ist ein von der Xiphophorous Foundation [xiph.org] entwickelter Audio-Codec, der erst 2002 den Beta-Status hinter sich gelassen hat. Es ist das erste einer Reihe freier Multimediaformate. Weitere sind geplant.
Ogg ist das Dateiformat der Vorbis-komprimierten Files. [Lebesanft]

Die Kompression der Audiofiles kann in drei Modi durchgeführt werden.
Im Variable Bitrate (VBR)-Modus wird die Audiodatei (die beispielsweise im WAV- oder AIFF-Format vorliegt) Frame für Frame abgearbeitet. Kommen in einem Frame viele hohe Frequenzen (wie z.B. Crash-Becken beim Schlagzeug oder S-Laute beim Gesang) vor, wird mit hoher Bitrate (=weniger Verlust) komprimiert, bei spärlich instrumentierten, "ruhigen" Stellen wird entsprechend stärker kodiert.

Der zweite Modus ist der CBR (Constant Bitrate)-Modus. Hierbei werden alle Frames der Audiodatei strikt mit derselben Bitrate kodiert. Diese Art der Kompression ist auch der Standard beim MP3-Format, sie ist allerdings wesentlich uneffizienter als der "intelligente" VBR-Modus.
Im CBR-Modus entstehen wesentlich größere komprimierte Dateien mit insgesamt schlechterer Qualität als im VBR-Modus. (Kodiert man z.B. eine Audiodatei mit 192 kBit/s, stehen in kritischen Passagen auch tatsächlich nur 192 kBit/s zur Kodierung zur Verfügung. Im VBR-Modus hingegen kann man bei solchen Stellen die Bitrate angeheben, um an anderen Stellen wieder zu senken.
Von Vorteil ist der CBR-Modus lediglich dann, wenn konstante Bitraten benötigt werden, wie bei Internet Streams.

MP3-Encoder wie LAME bieten inzwischen ebenfalls VBR-Encoding an, allerdings wurde MP3 von Beginn an auf feste Bitrate-Kodierung ausgelegt, und sich so die festen Bitraten bei MP3-Dateien als eine Art Qualitätsmaß etabliert haben. (So wird eine Bitrate von 192 Kilobit pro Sekunde in vielen Encodern und anderen Programmen als "CD-Qualität" bezeichnet. Als Vergleich: eine Audio-CD hat eine Bitrate von ca. 1411 kBit/s.)
Bei Vorbis werden die Qualitätsstufen im VBR dagegen auf einer Skala von 0 bis 10 eingeteilt, wobei 10 für die höchste Qualität steht.

Der dritte im Vorbis-Bunde ist der Average-Bitrate(ABR)-Modus. Dieser ist eine Art Mischung aus den CBR und VBR. Man gibt eine durchschnittliche Bitrate an, mit der kodiert werden soll. Kodiert wird dann, von dieser Bitrate ausgehend, mit leicht variierender Bitrate. Die komprimierte Datei hat dann am Ende etwa die gleiche Dateigröße wie eine CBR-kodierte Datei, bietet allerdings hörbar bessere Qualität, da ihr bei hohen Frequenzen mehr Spielraum zur Verfügung steht als bei einer festen Bitrate. [Lebesanft]

Zur Veranschaulichung habe ich eine Audiodatei je einmal als CBR-MP3 und ABR-OGG mit 64 bzw. 128 kBit/s kodiert. Die Vorlagedatei ist ein dichtes, dynamisches Stück mit vielen typisch kompressionskritischen Stellen (hochfrequente Becken u.ä.). Die Dateien der gleichen Bitrate haben ungefähr die gleiche Größe.

Ogg mit 64 kBit/s ABR
MP3 mit 64 kBit/s CBR
Ogg mit 128 kBit/s ABR
MP3 mit 128 kBit/s CBR

[Als Player für Ogg-Files ist z.B. Winamp ab Version 2.80 nutzbar]

Besonders bei den mit 64 kBit/s kodierten Dateien ist ein deutlicher Unterschied hörbar. Die MP3-Datei klingt merklich dumpfer als die OGG-Datei. Dieser krasse Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass der dem MP3-Codec zugrundeliegende Algorithmus bei der Verwendung niedriger Bitraten ein Resampling auf 22050 Hz vornimmt. Das Frequenzspektrum wird so auf 10 kHz reduziert. Bedenkt man, dass das menschliche Gehör ein Frequenzspektrum von bis zu 20 kHz wahrnehmen kann, ist dies doch eine klare Einschränkung im Hörgenuss.

In einem groß angelegten Hörtest der Computerzeitschrift c't schnitt Ogg Vorbis weitaus besser ab als alle anderen Konkurrenten wie AAC, MP3Pro und weitere. [c't]

Besondere Eigenschaften: Channel Coupling, Bitrate Peeling

Vorbis besitzt auch eigens entwickelte technische Features, die derzeit kein anderes Audio-Kompressionsverfahren hat. Beim Channel Coupling werden beim Stereosignal beide Kanäle auf Gemeinsamkeiten überprüft. Bei starker Ähnlichkeit wird nur ein Kanal kodiert, und die Differenz zum anderen Kanal wird als Information beigefügt. Dies hat ein hohes Maß an Platzersparnis zur Folge. Channel Coupling ist in den aktuellen Codecs allerdings noch nicht implementiert.

Eine weiteres Feature ist das Bitrate Peeling, ein kompliziertes Verfahren zur Reduktion der Bitrate einer Ogg-Datei ohne erneutes De- und Rekodieren. Dieses Verfahren wird in diversen Internet-Foren als eine Art "Geheimwaffe" von Vorbis bezeichnet, da kein anderer Audio-Codec etwas ähnliches bietet. Hat man beispielsweise eine mit Qualitätsstufe 10 codierte OGG-Datei und will diese aus Speicherplatzgründen auf Qualitätsstufe 5 reduzieren, kann man durch Bitrate Peeling sozusagen die äußeren "Schalen" der Datei wie bei einer Zwiebel "abschälen". Auf den "äußeren Schalen" liegen die durch die qualitativ hohe Kodierung entstandenen Daten, weiter innen die Daten der mittleren, dann die der niedrigen Kompression, schließlich, als "Kern", die Basisdaten. (Möchte man die Bitrate einer MP3-Datei reduzieren, muss man sie zunächst wieder ins Wave-Format umwandeln und sie dann mit der gewünschten Bitrate kodieren).

Lizenz- und Patentfreiheit, GNU Public License, Open Source

Das wirklich Besondere an Ogg Vorbis ist allerdings, dass es im Gegensatz zu MP3 und anderen nach der GNU Public License [gnu.org] patent- und lizenzfrei ist, was bedeutet, dass es sowohl kommerziell als auch privat kostenlos und ohne jede Lizenz nutzbar ist. Das MP3-Format dagegen ist urheberrechtlich geschützt; wird der Fraunhofer-Codec zum Beispiel in einen Encoder oder Player implementiert, müssen dem Fraunhofer-Institut "Tantiemen" gezahlt werden.
Vorbis dagegen kann von jedem Entwickler in dessen Projekte kostenlos eingebunden werden.

Des weiteren ist der Vorbis-Quellcode für jedermann frei zugänglich. Vorbis ist also ein Open-Source Projekt, das eine riesige freie Entwicklergruppe laufend verbessert.

Weitere Anwendungen

Da Vorbis effektiver als andere Kompressions-Verfahren kodiert und gleichzeitig ein höheres Frequenzspektrum bietet, ist es auch für Videoformate von Interesse, besonders im Sinne von Internet-Streaming. Internet-Video-Streams leiden häufig durch geringe verfügbare Bandbreite an bisweilen sehr schlechtem Sound. Dies liegt daran, dass z.B. der Fraunhofer-Codec mit niedrigen Bitraten zur Audiokompression eingesetzt wird.

Es gibt bereits einen ACM-Codec von OGG Vorbis zur Nutzung mit dem beliebten Video-Codec DivX. Der Speicherplatz, den man so in den Audiospuren spart, kann man dann zur Verbesserung des Videobildes einsetzen.

Fazit

Vorbis ist der aussichtsreichste Kandidat, um die Nachfolge von MP3 anzutreten. Bislang ist MP3 als Format für Musiksammlungen allerdings noch extrem beliebt und verbreitet, und es ist trotz der aufgezeigten Vorteile, die Vorbis bietet, nicht anzunehmen, dass sich die breite Masse der MP3-User in Zeiten von immer billigerem Speicherplatz und immer größeren Bandbreiten zu einem Umstieg bewegen lässt. Im selten genutzten niedrigen Bitrate-Bereich ist jedoch anzunehmen, dass der Anteil der Ogg-Dateien zunehmen wird. Ausserdem ist es wahrscheinlich, dass Ogg im genannten Video-Streaming-Bereich an Bedeutung gewinnt.

Literaturliste

[c't]: c't; Ausgabe 19/2002; S. 94 ff.; Heise Verlag


Liste externer Links

[vorbis.com] http://www.vorbis.com
[xiph.org] http://www.xiph.org
[gnu.org] http://www.gnu.org
[Lebesanft] http://ogg.benjamin-lebsanft.de