Die Bit Rate bezeichnet eine Datenrate, bei der das Verhältnis von Datenmenge zu Zeit angegeben wird. Gemessen wird dabei in der Einheit Bit pro Sekunde. Gängige Schreibweisen und Abkürzungen für die Bit Rate sind Bitrate, Bit/s oder bps. Bei zeitabhängigen digitalen Medien beschreibt sie, wie viele Informationseinheiten innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gespeichert oder übertragen werden.
Die Bit Rate kommt bei der Audio- und Videokompression zum Einsatz. Möglich ist die Kodierung mit einer konstanten (kurz CBR) und einer variablen (kurz VBR) Bit Rate. Die variable Bit Rate richtet die Kodierung an den Inhalten des Multimedia-Materials aus. Bei einer vorwiegend ruhigen Szene in einem Film werden dabei zum Beispiel weniger Informationseinheiten in Bezug auf die Zeit benötigt. In Szenen mit vielen Bewegungen oder Details hingegen kann die Bit Rate angehoben werden. Dadurch soll eine effiziente Nutzung des Speicherplatzes bei gleichzeitig hoher Bildqualität bei der Kompression mit einem Codec ermöglicht werden. Häufig fällt auch der benötigte Speicherplatz bei der Kodierung mit einer variablen Bit Rate im Vergleich zu einer festen Rate geringer aus. Die erreichbare Qualität hängt jedoch zusätzlich vom Codec, seinen Einstellungen und dem Ausgangsmaterial ab.
Konstante Bit Rate
Die konstante Bit Rate bezeichnet ein Kompressionsverfahren für Audio- und Videoinhalte bei der Speicherung und Übertragung. Dabei wird unabhängig davon, wie komplex das jeweilige Signal ausfällt, eine weitgehend konstante Datenrate verwendet. Pro Zeiteinheit wird somit ungefähr die gleiche Menge an Daten produziert.
Die konstante Bit Rate wird bei Multimedia-Streams häufig eingesetzt. Grund dafür sind begrenzte oder fest planbare Übertragungskapazitäten. Durch den Einsatz der konstanten Bit Rate lässt sich der erforderliche Datendurchsatz gut vorhersehen. Teilweise kann es jedoch auch dazu kommen, dass verfügbare Datenmengen nicht effizient genutzt werden. Das ist dann der Fall, wenn die zu codierenden Inhalte eine niedrigere Rate benötigen als festgelegt wurde. Besonders bei Videos mit ruhigen Szenen oder Audiodateien mit viel Stille trifft das zu. Umgekehrt kann eine komplexe Passage bei derselben festen Bit Rate sichtbare oder hörbare Qualitätsverluste aufweisen. Die konstante Bit Rate wird zum Beispiel bei der Video-CD und bei bestimmten Formen des Internetradios eingesetzt.
Variable Bit Rate
Neben der konstanten Bit Rate ist die Kodierung mit einer variablen Bit Rate ebenfalls möglich. Dabei werden Audio- und Videoinhalte mit einer an den Inhalt angepassten Datenrate gespeichert oder gestreamt. Das Ziel besteht meist darin, über unterschiedlich komplexe Abschnitte hinweg eine möglichst gleichmäßige wahrgenommene Qualität zu erreichen.
Im Bereich der Medienspeicherung ist diese Lösung weit verbreitet, da sie eine höhere Qualität bei gleichem Speicherverbrauch oder einen geringeren Speicherverbrauch bei vergleichbarer Qualität bieten kann. Bei der Kodierung mit variabler Bit Rate werden einzelne Abschnitte eines Mediums je nach Komplexität des Inhalts unterschiedlich stark komprimiert. Damit kann eine möglichst hohe Qualität bei effizientem Speicherverbrauch erreicht werden.
Das Encoding mit variablen Bit Raten stellt höhere Anforderungen an die Steuerung des Encoders und die Planung der Übertragung. Mit geeigneten Codecs und Einstellungen lassen sich jedoch zuverlässig gute Ergebnisse erzielen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass vor dem Umrechnen nicht immer exakt vorausgesagt werden kann, wie groß die Datei am Ende ist. Bei vielen Encodern lassen sich eine minimale und eine maximale Bit Rate oder eine gewünschte Qualitätsstufe festlegen. Einzelne Encoder bieten außerdem die Möglichkeit, vor dem Umrechnen der Datei eine Zielgröße oder durchschnittliche Bit Rate vorzugeben.
Durchschnittliche Bit Rate
Ein drittes Verfahren ist die Festlegung einer durchschnittlichen Bit Rate, häufig als ABR bezeichnet. Dabei wird ein Medium mit einer variablen Bit Rate umgerechnet, während der Encoder über die gesamte Laufzeit einen vorgegebenen Durchschnitt anstrebt. Dadurch lässt sich die voraussichtliche Größe einer Datei bei gleichzeitig hoher Qualität relativ genau planen. Manche Codecs bieten für diese Variante der Kompression von Multimedia-Inhalten die Möglichkeit, in zwei Durchgängen zu komprimieren. Dadurch lässt sich die durchschnittliche Bit Rate genauer erreichen.
Im ersten Durchlauf wird das Material analysiert und im zweiten dann komprimiert. Im Wesentlichen entspricht das Verfahren dem der variablen Bit Rate, wobei die durchschnittliche Bit Rate eine Berechnung der ungefähren Dateigröße ermöglicht. Vereinfacht ergibt sich die Datenmenge aus Bit Rate mal Laufzeit. Audioanteile, Containerinformationen und weitere Daten müssen bei einer gewünschten Gesamtgröße zusätzlich berücksichtigt werden. Eine Abweichungstoleranz kann bei einzelnen Programmen festgelegt werden.
Nominale Bit Rate
Die nominale Bit Rate gibt einen Ziel- oder Orientierungswert an, der bei einer Kodierung mit variabler Bit Rate im Durchschnitt erreicht werden soll. Trotz der möglichen Schwankungen, die in den verschiedenen VBR-Modi entstehen, kann so eine grobe Einschätzung von Datenmenge und Qualität erfolgen. Ein direkter Qualitätsvergleich ist allerdings nur eingeschränkt möglich, wenn unterschiedliche Codecs, Encoder oder Ausgangsdateien verwendet werden.
Der Begriff der nominalen Bit Rate wurde insbesondere im Zusammenhang mit dem Ogg-Vorbis-Codec verwendet. Damit sollte MP3-Nutzern der Einstieg in die Nutzung der variablen Bit Rate erleichtert werden. Viele Nutzer des MP3-Codecs waren es gewohnt, eine Audiodatei mit einer festen Bit Rate zu komprimieren. Ogg Vorbis arbeitet häufig mit Qualitätsstufen und einer variablen Bit Rate. Einer solchen Qualitätsstufe kann eine erwartete nominale Bit Rate zugeordnet werden. Die tatsächlich entstehende Datenrate hängt dennoch vom Audiomaterial und von den Einstellungen des Encoders ab.
Auch bei der MP3-Kompression wird mit variablen Bit Raten und Qualitätsvorgaben gearbeitet. Der LAME-Encoder unterstützt dafür unter anderem VBR-Modi und Presets. Die Schwankungen der Bit Rate sind Teil des Verfahrens und erlauben es dem Encoder, komplexen Passagen mehr Daten als einfachen Passagen zuzuweisen.
Anwendung der Bit Rate in der Praxis
Die Kompression auf Basis einer Bit Rate wird für unterschiedliche zeitabhängige Medien verwendet. Dafür werden sogenannte Codecs eingesetzt. Im Audiobereich besonders bekannt sind Formate und Codecs wie MP3, Ogg Vorbis oder auch AAC. Weiterhin gibt es mit Opus einen Codec, der auch bei vergleichsweise niedrigen Bit Raten gute Ergebnisse liefern kann.
Für Einzelbilder sind die Verfahren JPEG und JPEG 2000 bekannt. Da ein einzelnes Bild keine Laufzeit besitzt, wird seine Kompression normalerweise über Dateigröße, Auflösung und Qualitätsstufe beurteilt und nicht über eine Bit Rate pro Sekunde. Bei Bildfolgen, Videos oder der laufenden Übertragung von Bildern kann eine Datenrate dagegen wieder relevant sein. Im Videobereich sind Standards aus der MPEG-Familie bekannt, die in verschiedenen Versionen und Anwendungsformen vorliegen. Bei der DVD kommt zum Beispiel MPEG-2 zum Einsatz, während MPEG-4-Technologien für zahlreiche Web-, Mobil- und HD-Anwendungen verwendet werden. DivX und Xvid sind Implementierungen beziehungsweise Bezeichnungen, die insbesondere mit MPEG-4 Part 2 verbunden sind. Ob konstante, variable oder durchschnittliche Bit Raten unterstützt werden, hängt vom jeweiligen Codec, Encoder und Ausgabeformat ab.
Eine hohe Bit Rate bedeutet innerhalb desselben Codecs und bei vergleichbaren Einstellungen meist mehr verfügbare Daten und damit ein höheres Qualitätspotenzial. Sie ist jedoch kein alleiniger Qualitätsmaßstab. Auflösung, Bildrate, Farbtiefe, Abtastrate, Kanalzahl und die Effizienz des Codecs beeinflussen das Ergebnis ebenfalls. Für einen belastbaren Vergleich sollten deshalb dieselbe Quelle, derselbe Codec und vergleichbare Einstellungen verwendet werden.
Zusammenfassung
Bitrate stellt das Verhältnis zwischen Datenmenge und Zeit bei digitalen Medien dar und wird typischerweise in Bit pro Sekunde (Bit/s oder bps) gemessen. Sie ist entscheidend für die Qualität, die benötigte Übertragungsleistung und den Speicherverbrauch bei der Audio- und Videokompression.
Es gibt verschiedene Kompressionsverfahren: Die konstante Bitrate (CBR) verwendet unabhängig von der Komplexität des Signals eine weitgehend gleichbleibende Datenrate. Sie ist besonders in Szenarien mit begrenzten oder planbaren Übertragungskapazitäten nützlich, kann die verfügbaren Daten aber bei einfachen Passagen weniger effizient einsetzen.
Die variable Bitrate (VBR) passt die Datenrate an die Komplexität des Inhalts an. Dieses Verfahren kann eine hohe Qualität bei geringerem Speicherverbrauch bieten. Die genaue Dateigröße lässt sich dabei jedoch nicht in jedem Fall vorab bestimmen.
Die durchschnittliche Bitrate ermöglicht eine gute Planung der Dateigröße, während die Datenrate innerhalb des Mediums variieren darf. Einige Codecs erlauben eine besonders genaue Annäherung an die gewünschte durchschnittliche Bitrate durch eine Kompression in zwei Durchgängen.
Die nominale Bitrate bietet einen Orientierungswert bei der Verwendung einer variablen Bitrate. Sie wurde insbesondere im Zusammenhang mit Ogg Vorbis verwendet und findet als Konzept auch bei anderen Audioverfahren Anwendung.
Zur Kompression werden verschiedene Codecs und Formate wie MP3, Ogg Vorbis, AAC und Opus im Audiobereich oder MPEG-basierte Verfahren im Videobereich verwendet. Welche Bitratensteuerung verfügbar ist, hängt vom jeweiligen Codec und Encoder ab.
Häufige Fragen und Antworten
Die Bit Rate beschreibt das Verhältnis zwischen der Datenmenge und der Zeit bei digitalen Medien. Sie wird üblicherweise in Bit pro Sekunde (Bit/s oder bps) gemessen. Die Bit Rate ist wichtig für die Qualität, die erforderliche Übertragungskapazität und den Speicherverbrauch bei der Audio- und Videokompression.
Die gängigsten Verfahren sind die konstante Bit Rate (CBR), bei der eine weitgehend gleichbleibende Datenrate verwendet wird, und die variable Bit Rate (VBR), bei der die Datenrate je nach Komplexität des Inhalts variiert. Außerdem kann eine durchschnittliche Bit Rate (ABR) als Zielwert festgelegt werden. Eine nominale Bit Rate dient bei variablen Verfahren vor allem als Orientierungswert.
Die Bit Rate hilft dabei, Qualität, Speicherverbrauch und erforderliche Übertragungskapazität bei Audio- und Videodaten zu steuern. Eine zu niedrige Bit Rate kann sichtbare oder hörbare Qualitätsverluste verursachen, während eine unnötig hohe Bit Rate mehr Speicherplatz und Bandbreite beansprucht. Welche Einstellung geeignet ist, hängt auch vom Codec, vom Ausgangsmaterial und vom Verwendungszweck ab.
