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Bit Rate Begriffserklärung und Definition

bit-rateDie Bit Rate bezeichnet eine Einheit, bei der das Verhältnis von der Datenmenge zur Zeit angegeben wird. Gemessen wird dabei in der Einheit Bit pro Sekunde. Gängige Abkürzungen für die Bit Rate sind Bit/s oder bps. Dabei wird die Ausgabemenge an Informationseinheiten im Bezug auf digitale durch eine konstante Ausgabezeit beschränkte Multimediaformate auf einer Zeitleiste bezeichnet.

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 anhand der Inhalte von Multimedia-Inhalten 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 hingegen wird die Bit Rate angehoben. Dadurch soll eine optimale Nutzung des Speicherplatzes bei einer gleichzeitig hohen Bildqualität bei der Kompression mit einem Codec ermöglicht werden. Oftmals wird auch der benötigte Speicherplatz bei der Kodierung mit einer variablen Bit Rate im Vergleich zu einer festen Rate weniger.

Konstante Bit Rate

Die konstante Bit Rate bezeichnet ein Kompressionsverfahren für Audio- und Videoinhalte bei der Speicherung und Übertragung. Dabei wird eine konstante Datenrate verwendet, egal, wie komplex das jeweilige Signal ausfällt. Dabei wird pro Zeiteinheit immer die gleiche Menge an Daten produziert.

Die konstante Bit Rate wird bei Multimedia-Streams häufig eingesetzt. Grund dafür sind begrenzte Übertragungskapazitäten. Durch den Einsatz der konstanten Bit Rate wird bei gleichem Datendurchsatz die optimale Qualität erzielt. Teilweise kann es jedoch auch dazu kommen, dass Datenmengen quasi „verschenkt“ werden. Das ist dann der Fall, wenn denn zu codierenden Inhalte eine niedrigere Rate benötigen als diese festgelegt wurde. Besonders bei Videos mit ruhigen Szenen oder Audiodateien mit viel Stille trifft das zu. Die konstante Bit Rate wird zum Beispiel bei der Video CD oder beim Internetradio eingesetzt.

Variable Bit Rate

Neben der konstanten Bit Rate ist die Kodierung mit einer variablen Bit Rate ebenfalls möglich. Dabei werden Audio- und Videoinhalte in gleichbleibender Qualität bei unterschiedlichen Bit Raten je nach Inhalt gespeichert oder gestreamt.

Im Bereich der Medienspeicherung hat sich diese Lösung durchgesetzt, da es eine höhere Qualität bei gleichzeitig weniger Speicherverbrauch bietet. Bei der Kodierung mit variabler Bit Rate werden einzelne Abschnitte eines Mediums je nach Komplexität des Inhaltes mit unterschiedlichen Kompressionen versehen. Damit kann eine möglichst hohe Qualität bei niedrigem Speicherverbrauch erreicht werden.

Lange Zeit galt das Encoding mit Hilfe variabler Bit Raten als unsicher. Mittlerweile ist die Technologie aber ausgereift, sodass beim Umrechnen eines Mediums mit einer variablen Bit Rate ebenfalls gute Ergebnisse erzielt werden können. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass vor dem Umrechnen nicht vorausgesagt werden kann, wie groß die Datei am Ende ist. Lediglich eine minimale und eine maximale Bit Rate lassen sich in den meisten Fällen festlegen. Einzelne Encoder bieten auch die Möglichkeit an vor dem Umrechnen der Datei festzulegen, wie groß diese am Ende sein soll.

Durchschnittliche Bit Rate

Ein drittes Kompressionsverfahren ist die Festlegung einer durchschnittlichen Bit Rate. Dabei wird ein Medium mit einer variablen Bit Rate umgerechnet. Dadurch lässt sich eine festgelegte Größe einer Datei bei gleichzeitig hoher Qualität erreichen. 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 sehr genau erreichen.

Im ersten Durchlauf wird das Material analysiert und im zweiten dann komprimiert. Im Wesentlichen entspricht das Verfahren dem der variablen Bit Rate, wobei jedoch eine durchschnittliche Bit Rate die Berechnung einer Dateigröße durchaus möglich macht. Eine Abweichungstoleranz kann bei einzelnen Programmen festgelegt werden.

Nominale Bit Rate

Die nominale Bit Rate gibt die durchschnittliche Bit Rate an, die bei einer Kodierung mit variabler Bit Rate erreicht wird. Trotz der möglichen Schwankungen, die in den verschiedenen VBR-Modi entstehen kann so eine Qualitätseinschätzung erfolgen.

Der Begriff der nominalen Bit Rate wurde von den Entwicklern des OggVorbis Codecs eingeführt. Damit sollte Mp3 Nutzern der Einstieg zur Nutzung der variablen Bit Rate erleichtert werden. Viele Nutzer des Mp3 Codecs waren es lediglich gewohnt, eine Audiodatei mit einer festen Bit Rate zu komprimieren. Dabei wird eine feste ganzzahlige Qualitätsstufe angegeben, die sich der Kompression mit einer festen Bit Rate zuordnen lässt. OggVorbis arbeitet mit einer variablen Bit Rate. Das Verfahren der Kompression ist dabei so gut, eine festgelegte Bit Rate von der Qualität her erreicht werden kann.

Auch im Mp3 Format hat die nominale Bit Rate Einzug gehalten. Sowohl der LAME-Encoder als auch MPC unterstützen diese Möglichkeit der Komprimierung. Die Schwankungen der Bit Rate fallen jedoch höher aus als beim Ogg Vorbis Codec. Im Mp3 Bereich wird mit Presets gearbeitet.

Anwendung der Bit Rate in der Praxis

Die Kompression auf Basis einer Bit Rate wird für unterschiedliche Medien verwendet. Dafür werden sogenannte Codecs verwendet. Im Audiobereich besonders bekannt sind Formate wie Mp3, OggVorbis oder auch AAC. Weiterhin gibt es hier mit Opus einen aufstrebenden Codec, der bei einer noch niedrigeren Bit Rate gute Ergebnisse liefert.

Für Bilder sind die Verfahren JPEG und die überarbeitete Fassung JPEG 2000 bekannt. JPEG 2000 zeichnet sich dadurch aus, dass der Bildcodec das Bild vor der Komprimierung analysiert und je nach Bereich unterschiedliche Stufen nutzt. Im Videobereich ist besonders der MPEG Codec bekannt, der mittlerweile in verschiedenen Versionen vorliegt. Bei der DVD kommt zum Beispiel MPEG 2 zum Einsatz, während für Webanwendungen und Fernsehen in HD MPEG 4 verwendet wird. Im Internet besonders verbreitet sind die Codecs XVID und DivX. Sämtliche der aufgeführten Codecs unterstützten die Kompression mit konstanten und variablen Bitraten.



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