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Datenkompression Definition & Begriffserklärung

DatenkompressionDer Speicherplatz auf einem Computer ist immer begrenzt. Daher ist es immer wichtig, die gespeicherten Daten so gering wie möglich zu halten. Dasselbe gilt bei der Übertragung von Daten. Werden Daten beispielsweise über das Internet übertragen, dauert die Übertragung um so länger, je mehr Daten übertragen werden. Um die Kapazitäten für den Datenspeicher und für die Datenübertragung so wenig wie möglich auszulasten, wurden Verfahren entwickelt, um den gleichen Informationsgehalt mit einer geringeren Datenmenge zu speichern beziehungsweise zu übermitteln. Diese Verfahren werden unter dem Begriff Datenkompression zusammengefasst.

Um die Daten zu komprimieren, gibt es viele verschiedene Möglichkeiten. Wichtig bei der Auswahl des Verfahrens ist es immer, die Art der Daten zu beachten. Für verschiedene Datenarten sind die unterschiedlichen Kompressionsverfahren unterschiedlich gut geeignet, beispielsweise gibt es spezielle Verfahren, um Texte zu komprimieren, andere eignen sich hingegen zur Kompression von Bildern oder Audiodaten.

Ein wichtiger Punkt bei den verschiedenen Komprimierungsverfahren ist dabei immer, ob die Datenkompression verlustbehaftet ist oder nicht. Bei einer verlustfreien Komprimierung sind die Daten nach der Dekomprimierung wieder in ihrem Originalzustand verfügbar. Dies ist insbesondere bei Schriftstücken oder bei ausführbaren Dateien wichtig, da hier eine Änderung der Daten die Funktionalität derselben verändern kann. Bei einer verlustbehafteten Datenkompression können die komprimierten Daten hingegen nicht wieder in ihren Originalzustand überführt werden. Diese Methoden sind für Daten geeignet, bei denen eine geringfügige Abweichung keine größeren Probleme nach sich zieht.

Eine weitere Unterscheidung wird zwischen der asymmetrischen und der symmetrischen Datenkompression gemacht. Bei der asymmetrischen Kompression dauert der Vorgang der Komprimierung erheblich länger als die Dekomprimierung. Bei der symmetrischen Kompression hingegen benötigen beide Vorgänge etwa die gleiche Zeit.

Verlustfreie Datenkompression

In vielen Fällen ist es sehr wichtig, dass die Daten genau in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden können. Bei ausführbaren Dateien kann beispielsweise bereits ein einzelnes verändertes Bit dafür sorgen, dass das gesamte Programm unbrauchbar wird. Daher ist es sehr wichtig, hier eine verlustfreie Datenkompression zu wählen. Bei dieser Form der Kompression soll erreicht werden, Redundanzen zu vermeiden. Redundanzen sind Wiederholungen gleicher Daten.

Um eine Datei zu komprimieren, durchsucht die Komprimierungssoftware diese nach sich wiederholenden Segmenten. Wenn einige Segmente gefunden wurden, die sich mehrere Male in der Datei wiederholen, werden diese durch eine Abkürzung ersetzt. Das Kompressionsprogramm vermerkt, welche Abkürzung für welches Datensegment steht und gibt diese Informationen weiter.

Um dieses Verfahren bildhafter zu machen, kann man sich die Datei als einen Text vorstellen. In jedem längeren Text kommt es vor, dass sich viele Wörter wiederholen. Wenn man nun die häufigsten Wörter durch eine Zahl ersetzt, nimmt diese einen erheblich geringeren Speicherplatz ein als das ursprüngliche Wort. Bei der Komprimierung muss dann vermerkt werden, welche Zahl für welches Wort steht. Um den Text zu dekomprimieren, müssen lediglich die Zahlen wieder durch die Wörter ersetzt werden. Zwar gibt es noch viele weitere Verfahren zur Datenkompression, die Grundprinzipien sind jedoch immer ähnlich. Mit dieser Form der Kompression ist es möglich, die ursprünglichen Daten originalgetreu wiederherzustellen.

Verlustbehaftete Datenkompression

Die verlustbehaftete Komprimierung geht in der Regel auf eine sogenannte Irrelevanzreduktion zurück. Dabei werden Informationen, die als nicht wichtig betrachtet werden, nicht mehr gespeichert. So kann der Umfang der Daten erheblich vermindert werden. Bei der Irrelevanzreduktion ist es stets wichtig, die Form der Kompression an die Art der Daten anzupassen. Daher ergeben sich auch ganz unterschiedliche Verfahren. Oftmals kommt es jedoch vor, dass die verworfenen Informationen nicht völlig irrelevant sind, daher kann es zu einem Qualitätsverlust bei den Daten kommen.

Ein Beispiel für eine verlustbehaftete Datenkompression für Bilddateien ist die JPEG-Komprimierung. Ein digitales Bild besteht aus vielen einzelnen Farbpunkten. Insbesondere wenn die benachbarten Farbpunkte sehr ähnlich sind, kann das menschliche Auge die Unterschiede nicht wahrnehmen. Das JPEG-Format  definiert daher Felder mit ähnlicher Farbe und gibt diesen daraufhin eine neue Farbe, die einem Durchschnittswert der Originalfarben entspricht. So wird der Umfang der Daten erheblich reduziert. Wenn die Flächen für die Vereinheitlichung nur eine geringe Größe haben, ist der Unterschied für den Menschen kaum bemerkbar. Jedoch ist so auch die Datenmenge, die eingespart wird, recht gering. Bei einer stärkeren Komprimierung kann die Menge der Daten zwar stärker reduziert werden, jedoch wird der Qualitätsverlust so offen sichtbar.

Ein weiteres Beispiel für ein Komprimierungsverfahren ist das MP3-Format. Dieses enthält sowohl eine verlustfreie als auch eine verlustbehaftete Komprimierung. Der verlustfreie Teil der Kompression besteht in der Differenzbildung bei den Stereo-Kanälen. Um ein Musikstück in Stereo aufzunehmen, werden in der Regel zwei vollständige Kanäle verwendet. Jedoch sind die Informationen oftmals in beiden Kanälen sehr ähnlich. Um die Daten zu reduzieren, ist es möglich, den zweiten Kanal als Differenz zum ersten abzubilden.

Bei einem ähnlichen Verlauf kann so die Datenmenge erheblich reduziert werden. Dieses Verfahren ist verlustfrei. Das verlustbehaftete Element der Kompression besteht darin, Klangbereiche, die das menschliche Gehör nicht wahrnehmen kann, zu entfernen. Außerdem können Töne, die an den Grenzen des hörbaren Bereichs liegen und daher nicht so klar unterschieden werden können, durch andere Töne maskiert werden. Dies bedeutet, dass anstatt vieler verschiedener Töne ein einzelner Ton dargestellt wird. Der Effekt ist für den Menschen kaum wahrnehmbar.

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