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Künstliche Intelligenz

30 Jahre MP3: Als die Musik ins Internet kam


Dieser Artikel erschien zuerst 2020 auf heise online. Wir veröffentlichen ihn in leicht aktualisierter Form zum 30. Jubiläum von MP3 erneut.

Das mit den Jubiläen in der Technik ist knifflig – denn meist gibt es gleich mehrere Termine, die als Geburtstag in Frage kommen. So ist es auch bei MP3: Für nach ihrem Verfahren eingedampfte Audiodateien legten die Projektbeteiligten beim federführenden Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) am 14. Juli 1995 nach interner Abstimmung „.mp3“ als Dateiendung fest. Im Hause hießen die Files bis zu diesem Zeitpunkt „.bit“. Aber fixiert wurde das ausgefuchste und von einigen gar als überkomplex gescholtene System schon auf dem MPEG-Meeting vom 2. bis 6. November 1992 in London. Die Entwicklungsgeschichte reicht gar bis in die 1970er zurück – die „Schwangerschaft“ währte also mehr als ein Jahrzehnt.

MP3 ist die Kurzform von MPEG 1/Layer III – die Abkürzung MPEG (Empeg gesprochen) steht für „Moving Picture Experts Group“. MPEG befasste sich mit Verfahren zur Datenreduktion von Bildern und musste sich daher auch für den Ton etwas einfallen lassen. Ziel: Die vergleichsweise hohe Datenrate von per PCM (Pulse Code Modulation) digitalisierten Audiosignalen auf Mengen eindampfen, die digitalen Hörfunk ermöglichen oder den Einsatz auf Datenträgern, die weniger Kapazität haben als die CD.

Daran forschte man an vielen Stellen der Welt – Sony tüftelte für seine MiniDisc an Atrac, Dolby an AC-1, dem Vorläufer des später als Dolby Digital vermarkteten AC-3. Alleine in Deutschland und den Niederlanden gab es anfangs drei Lager: Die erste Gruppe entstand um Philips und das Münchner Institut für Rundfunktechnik (IRT) und werkelte an einem „Musicam“ genannten System. Zunächst als Einzelkämpfer war Karlheinz Brandenburg unterwegs, der an der Universität Erlangen Möglichkeiten erforschte, subjektiv klangneutral die Datenflut digitaler Tonsignale zu bändigen. „Wir wollten das Signal so speichern, dass es alles enthält, was vom Innenohr an die Nervenbahnen weitergegeben wird“, sagt Brandenburg im Gespräch mit heise online. Team Drei bildete sich mit Detlef Krahé an der Universität Duisburg und Ernst F. Schröder von Thomson (damals Telefunken, heute Technicolor). Letztlich waren es Team 2 und 3, deren Arbeit in MP3 mündete.

Brandenburg handelte im Auftrag: Sein Doktorvater, Professor Dieter Seitzer, später Gründer des Fraunhofer IIS, hatte in den 1970ern den Gedanken, Musik übers aufkommende ISDN-Telefonnetz in Hi-Fi-Qualität zu verbreiten. Er wollte sich erste Ideen schützen lassen – das Patent wurde aber zunächst nicht erteilt, weil die Prüfer der Ansicht waren, nach dem Stand der Technik könne man mit den angepeilten Bitraten keine Musik übertragen. Daraufhin fand Seitzer in Karlheinz Brandenburg den Doktoranden, der sich des Themas annahm. Recht bald wechselte Brandenburg ans gerade gegründete IIS, wo eine Gruppe unter Leitung von Professor Heinz Gerhäuser weiterforschte.


Das Fraunhofer-Audioteam 1987 (von links): Harald Popp, Stefan Krägeloh, Hartmut Schott, Bernhard Grill, Heinz Gerhäuser, Ernst Eberlein, Karlheinz Brandenburg und Thomas Sporer.
(Bild: K. Fuchs/Fraunhofer IIS)

Anfangs bremste alle Forscher die verfügbare Rechenleistung – unter Umständen dauerte es Stunden, bis man ein Klangbeispiel mit den jeweils geforderten Parametern codiert hatte. In Europa nahm die Technik mit der Vergabe des EU-Projekts 147 („Eureka“) Fahrt auf, das dem digitalen Rundfunk in der EU zum Durchbruch verhelfen sollte. Gleichzeitig waren die ersten Echtzeitsysteme verfügbar, die die Forschung wesentlich beschleunigten. 1988 gründete sich MPEG, nach diversen Hörtests kam zuerst MPEG 1/Layer I als abgespeckte Musicam-Variante auf der längst vergessenen digitalen Compactcassette (DCC) kurzzeitig zum Einsatz.

MPEG 1/Layer II ist die etwas komplexere Musicam-Variante. Sie ist bei SD-Digital-TV und -Radio via Kabel und Satellit der Standard und wird fürs terrestrische Digitalradio DAB (Digital Audio Broadcast) genutzt. In Deutschland konnte sich das erste DAB aber nicht durchsetzen. Das gelang erst ab 2011 mit DAB+, dessen Codec auf AAC basiert (Advanced Audio Coding). MPEG 1/Layer III – eben MP3 – fußt auf der Thomson-/Fraunhofer-Entwicklung ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding) und der modifizierten diskreten Cosinustransformation (MDCT). Letztere ist eine der MP3-Schlüsseltechnologien – sie kam ins System, nachdem 1988 die Uni Hannover mit Hans-Georg Musmann und Bernd Edler zum Projekt gestoßen war.

Während Layer II im Rundfunk das Rennen machte, hatten die Teams um Thomson und Fraunhofer erst das Nachsehen. Doch die Geduld zahlte sich aus. Thomson-Mann Schröder sagte heise online: „Brandenburg hatte Weitsicht und Durchhaltevermögen.“ Er suchte nach Anwendungen abseits des klassischen Rundfunks und setzte auf die schnell wachsende Rechenleistung von PC-Prozessoren.

Dann passierten mehrere Dinge nahezu gleichzeitig: ITT-Intermetall (heute Micronas) lieferte mit dem MASC 3500 den ersten Einchip-Signalprozessor, der sich als MP3-Decoder programmieren ließ. Das – gescheiterte – digitale Satellitenradio „Worldspace“ setzte auf MP3 als Codec, die US-Firma Telos Systems baute auf MP3-Basis Technik für die Zuspielung von Außenübertragungen zu Rundfunkstudios. Brandenburg: „Deren Gründer Steve Church, hat uns Tipps gegeben, wir wir MP3 vermarkten können. Unter anderem sagte er uns: ‘Schaut Euch das Internet an!’‟



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Google will ChromeOS und Android zusammenlegen


Google will seine Betriebssysteme Android und ChromeOS kombinieren. Das hat Android-Chef Sameer Samat in einem Gespräch mit Techradar bestätigt. Weitere Details zur Umsetzung oder einen Zeitplan gehen aus den Aussagen Samats aber nicht hervor.

Dass ChromeOS und Android zusammenwachsen sollen, erwähnte Samat fast beiläufig. Der Google-Manager fragte den Techradar-Reporter danach, wie er seinen Mac benutze. „Ich frage, weil wir ChromeOS und Android zu einer gemeinsamen Plattform kombinieren werden“, sagte Samat dann laut Techradar. „Deswegen bin ich daran in interessiert, wie die Leute heutzutage ihre Laptops benutzen.“

Berichte über ein engeres Zusammenwachsen der beiden Google-Betriebssysteme gibt es schon länger. Zuletzt sorgte eine neue Variante Chrome-Browsers mit Extensions-Support für Aufsehen. Bislang gibt es Erweiterungen nur in den Desktop-Versionen von Chrome. Die neue Version des mobilen Chrome, die aktuell in Entwicklung ist, unterstützt aber auch Erweiterungen.

Diese Version ist nicht für Smartphones und Tablets gedacht, berichtete Android-Experte Mishaal Ramaan bei Android Authority. Stattdessen soll die neue Variante von Chrome auf PCs und Notebooks mit Android-Betriebssystem zum Einsatz kommen – dabei dürfte es sich um den Hybrid aus ChromeOS und klassischem Android handeln.

Dass ChromeOS und Android eine gemeinsame Zukunft haben, gilt in der Branche als offenes Geheimnis. Offiziell bestätigt hatte Google das bisher aber nicht. Die fast beiläufigen Aussagen Samats sind die erste Bestätigung von Google. Bis zur eigentlichen Ankündigung könnte aber noch etwas Zeit vergehen. Die neue Chrome-Variante befindet sich beispielsweise noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

Schon jetzt kann Android in einem Desktop-Modus verwendet werden: Wer die aktuelle Beta von Android 16 verwendet, kann einen Desktop-Modus anschalten, der auf Samsung Dex basiert. Mit einem künftigen Android-16-Update soll das Feature auch außerhalb der Beta-Version verfügbar gemacht werden.


(dahe)



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Gravitationswellen: Massereichste Kollision zweier Schwarze Löcher lässt rätseln


Die beiden Gravitationswellendetektoren von LIGO haben im Herbst 2023 offenbar die Entstehung des bislang massereichsten Schwarzen Lochs beobachtet – und wieder stehen Forscher und Forscherinnen vor einem Rätsel. Wie eine internationale Forschungsgruppe berichtet, sind zwei Schwarze Löcher mit jeweils mehr als 100 Sonnenmassen zu einem neuen Objekt verschmolzen, das auf die 225-fache Masse unseres Heimatsterns kommt. Mindestens das kleinere der beiden fällt dabei aber in einen Bereich, der bisher für unmöglich gehalten wird. Ein beteiligter Astronom nennt dessen Masse gar „verboten“. Hinzu komme, dass die beiden Objekte so schnell rotieren, dass das ebenfalls an die Grenzen des Möglichen gehe.

Laut der Forschungsgruppe wurden die Gravitationswellen am 23. November 2023 beobachtet, das Ereignis trägt deshalb die Bezeichnung GW231123. Beobachtet wurden die Signale von beiden LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in den USA. Es handle sich wegen der Eigenschaften der beteiligten Schwarzen Löcher um eine „einzigartige Herausforderung“ und es bestehe die Möglichkeit, dass ihr Ursprung noch viel komplexer ist als angenommen. Es werde Jahre dauern, das komplizierte Signalmuster auszuwerten und all die daraus folgenden Implikationen zu verstehen, prognostiziert Gregorio Carullo von der University of Birmingham, der an der Arbeit beteiligt war.

Um die Aufregung der Forscher und Forscherinnen zu verstehen, braucht es einen Blick auf die Massen der beiden Schwarzen Löcher, die hier wohl verschmolzen sind. Nach unserem Verständnis von Sternen und ihrem Ende dürften wir eigentlich keine Schwarzen Löcher finden, die mehr als 65 und weniger als 120 Sonnenmassen aufweisen. Das liegt daran, dass Sterne in diesem Massenbereich an ihrem Lebensende erst so viel Masse verlieren, dass sie auf jene Masse schrumpfen, in der nach einer Explosion als kleineres Schwarzes Loch enden. Stattdessen liegen aber bei GW231123 beide Schwarze Löcher in oder an diesem Bereich. Vorstellbar aber offenbar äußerst unwahrscheinlich sei, dass beide selbst durch Kollisionen entstanden sind.

Die Gravitationswellenastronomie beruht auf Voraussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Gravitation ist demnach eine Eigenschaft des Raums, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Werden massereiche Körper beschleunigt, erzeugen sie Gravitationswellen, die das Gefüge des Raums verformen – selbst bei großen Massen aber nur minimal. Einstein selbst ging deshalb davon aus, dass diese nie nachweisbar sein würden. Mit modernen sehr leistungsfähigen Instrumenten lassen sie sich aber beobachten – wenn das verantwortliche Ereignis groß genug war. Mit den Detektoren in den USA, Italien und Japan werden seit Jahren immer wieder Spuren gigantischer Kollisionen entdeckt.


(mho)



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Solarbetriebener Roboter bekämpft Unkraut mit KI und Hacke


Das Robotik-Start-up Aigen hat Unkraut auf landwirtschaftlich genutzten Flächen den Kampf angesagt. Dazu verwendet das Unternehmen einen solarbetriebenen Roboter, der Unkraut mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) erkennt und mit elektrisch angetriebenen Hacken den Garaus macht.

In der Landwirtschaft wird Unkraut auf dem Feld meist mit Herbiziden bekämpft. Das ist weder gesund für den Boden noch für den Verbraucher, der die belasteten Nutzpflanzen über Lebensmittel zu sich nimmt.

„Jeder isst Lebensmittel, die mit Chemikalien besprüht wurden“, fasst Richard Wurden, Mitgründer und CTO von Aigen, das Problem plakativ zusammen. Wurden hat fünf Jahre beim Elektroautohersteller Tesla als Maschinenbauingenieur gearbeitet. Dann begann er mit der Entwicklung eines Roboters, der in der Landwirtschaft Unkraut bekämpfen kann. Auf die Idee brachten ihn Verwandte, die im US-Bundesstaat Minnesota einen landwirtschaftlichen Betrieb haben, Nutzpflanzen anbauen und die kostspielige Unkrautbekämpfung beklagten. Denn nach einiger Zeit können Unkräuter eine Resistenz gegen Unkraut vernichtende Herbizide entwickeln. Andere, ungefährlichere Verfahren, wie etwa das Entfernen von Unkräutern mit der Hacke, seien zu teuer. Es fehlt einfach an Arbeitskräften, die diese Arbeit erledigen könnten. So bleibt also nur noch der Einsatz von Chemikalien, obwohl deren Wirksamkeit mit der Zeit abnimmt und die Mehrheit der Landwirte sie ablehnt.

Der Roboter von Aigen soll das Unkrautproblem auf umweltfreundliche Weise beheben. Auf einem autonom elektrisch fahrbaren Gestell sind Solarzellen installiert. Sie laden eine Batterie, die die Elektromotoren und die benötigte Elektronik zur Steuerung des Antriebs, der Kameras, Signalübermittlung und Unkrautentfernung speist. Prinzipiell ahmt der beräderte Roboter einen Menschen nach, der Unkraut jätet.

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Das Video zeigt, wie der Roboter von Aigen selbstständig auf landwirtschaftlichen Flächen Unkraut jätet.

Dazu bewegt sich der Roboter, auch koordiniert mit anderen Robotern, über ein Feld und sucht zwischen den Nutzpflanzen nach Unkraut. Das funktioniert über eine KI, die Kamerabilder per Bilderkennung auswertet und Unkräuter identifiziert. Das wird jedoch nicht auf dem Roboter selbst erledigt, sondern in einem Kontrollzentrum, an das der Roboter die Bilddaten drahtlos übermittelt. Unterstützung dafür gibt es von Amazon Web Service (AWS), die Aigen im Rahmen des „Compute for Climate“-Programms unterstützten. Amazons Cloud-Ableger hilft mit diesem Programm Start-ups, die sich mit Umweltproblemen befassen und stellt ihnen etwa KI-Tools, Rechenzentrumskapazitäten und technische Hilfe zur Verfügung.

Mithilfe der Unkrauterkennung kann der Roboter dann mit der Bekämpfung beginnen. Dazu nutzt er Schneideblätter, ähnlich einer herkömmlichen Hacke, die das Wurzelwerk der Unkräuter abhackt, sodass das Unkraut abstirbt. Es verbleibt dann auf dem Feld. Die drei am Roboter befindlichen Hacken werden entsprechend der Position des Unkrauts elektromotorisch ausgerichtet und betätigt. Das nahezu in Echtzeit.

Geht etwas schief, gibt der Roboter eine Rückmeldung an das Kontrollzentrum, das weitere Maßnahmen ergreifen kann. Prinzipiell soll der Roboter seine Arbeit durchgängig erledigen – zumindest, solange die Sonne scheint und für Energienachschub über die Solarzellen gesorgt ist. Nach Einbruch der Dunkelheit steht der Roboter entsprechend still und setzt seine Arbeit erst am nächsten Tag wieder fort.

Aigen stellt klar, dass die Unkrautroboter keine menschliche Arbeitskraft ersetzen sollen. Vielmehr könnten Mitarbeiter, die etwa mit der Ausbringung der Herbizide beschäftigt waren, zur Überwachung der Roboter im Kontrollzentrum eingesetzt werden.

Für ein 65 ha großes Feld werden fünf Roboter benötigt. Dabei kommt allerdings ein stattliches Sümmchen für den Landwirt zusammen: Rund 50.000 US-Dollar soll ein Roboter in der Anschaffung kosten. Meist werden teure Landmaschinen, wie etwa Mähdrescher, die nicht dauernd genutzt werden, jedoch von Firmen gegen eine Gebühr für einen gewissen Zeitraum verliehen. Es ist anzunehmen, dass das auch das Geschäftsmodell von Aigen werden dürfte.


(olb)



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