Dateiformate einfach erklärt: Unterschied zwischen Textdateien und Binärdateien

Dateiformate – grundsätzlich in zwei große Arten unterteilt

Dateien begegnen uns im Alltag ständig. Ob als Textdokument, Bild, Musikdatei oder Programm. Doch nicht jede Datei ist gleich aufgebaut. Tatsächlich lassen sich nahezu alle Dateiformate in zwei grundlegende Kategorien einteilen: Textdateien und Binärdateien.

Natürlich bestehen alle Dateien aus binären Daten (0 und 1). Unterschieden wird in der Art und Weise, wie die Daten zu Informationen codiert werden.

1. Textdateien

Bei Textdateien werden die Nullen und Einsen nach einem definierten Zeichensatz wie z.B. ASCII oder UTF-8 codiert und mit geeigneten Programmen in menschenlesbare Zeichen übersetzt. Da ein geeignetes Programm zum Lesen von Textdateien so gut wie auf jedem Computer existiert, sagt man, dass Textdateien direkt lesbar sind.

2. Binärdateien

Auch Binärdateien bestehen aus binären Daten (0 und 1) die man wiederum in zwei Arten einteilen kann. Entweder ist die Binärdatei ein direkt ausführbares Programm, oder eine Datei, in der Informationen binär gespeichert werden.

Öffnet man auf einem Computer eine Programmdatei, wird das darin enthaltene Programm auf dem Computer ausgeführt. Dies nennt man dann "Ausführen".

Liegt eine Binärdatei vor, in der Informationen gespeichert sind, benötigt man zum Öffnen und Verarbeiten ein geeignetes Programm.

Daher sagt man bei Binärdateien, dass diese nicht direkt lesbar sind.

Hier eine Übersicht der wichtigsten binären Dateiarten

• Programmdateien (direkt ausführbare Programme .exe )
• Systemdateien (Bibliotheken und Module .dll )
• Bilddateien (Rastergrafik & Vektorgrafik)
• Audiodateien
• Musikdateien
• Videodateien
• Komprimierte Formate
• Sonstige proprietäre Binärformate
  • Dokumentenformate (Office)
  • Projektdateien
  • Spezialdateien
  • Anwendungsdateien

Textdateien (plain text)

Bei einer Textdatei wird jedes Zeichen als Binärwert abgelegt. Die genaue Bedeutung des Zeichens wird dann über eine Zeichensatztabelle zugeordnet.

Die gängigsten Zeichensätze, die zur Codierung von Text verwendet werden, sind ASCII (oder ANSI), ISO-8859-1 und UTF-8.

Eigenschaften:

• Menschenlesbar: Für Menschen direkt lesbar mit einfachen Texteditoren.
• Zeichensatzabhängig: Die korrekte Darstellung hängt vom verwendeten Zeichensatz (z. B. ASCII, UTF-8, UTF-16, usw.) ab.
• Plattformunabhängig: Textdateien lassen sich in der Regel auf unterschiedlichen Betriebssystemen öffnen.
• Einfach zu verarbeiten: Die Dateien können leicht gelesen und geschrieben werden.
• Zeilenorientiert: Inhalte sind oft in Zeilen organisiert, getrennt durch Zeilenumbrüche. (Achtung: Zeilenumbrüche können je nach Betriebssystem anders behandelt werden)

Verwendung und Dateiendung:

• Rohe Textdateien mit Text: .txt
• Konfigurationsdateien: .ini .json .conf
• Quellcode: .php .xml .html .js .css .java .json .cs
• Skripte: .bat .cmd .sh
• Logdateien: .log
• und viele mehr...

Bilddateien (Rastergrafik)

Wie werden die Informationen gespeichert?

Bilddateien sind Binärdateien, die für jeden Pixel passende Farbinformationen speichern. Damit ist es möglich, Bilder bzw. Fotografien in Dateien zu speichern.

• Als Farbinformationen wird für jedes Pixel die Farbmischung aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) gespeichert.
• Je Farbe werden heutzutage 8 Bit verwendet.
• Die drei Farbwerte benötigen also einen Speicherplatz von 24 Bit. 8 Bit x 3 = 24 Bit.
• Diesen Wert (24 Bit) nennt man dann Farbtiefe.

Die Alpha-Erweiterung

Als Erweiterung bei der Speicherung der Informationen für einen Pixel wurde bei PNG z.B. noch ein Alpha-Kanal mit 256 Stufen je Pixel eingeführt. Der Alpha-Kanal speichert die Transparenz eines jeden Pixels. Somit lassen sich durchsichtig erscheinende Grafiken erstellen. Für die Speicherung der 256 Stufen werden zusätzlich noch 8 Bit je Pixel benötigt.

Übersicht der gängigsten Dateiformate

• Windows Bitmap (.bmp)
  • Unkomprimiert
  • Verlustfrei
• Graphics Interchange Format (.gif)
  • Verlustfreie Komprimierung (bezogen auf die Farben)
  • Max. 256 Farben inkl. einer Transparenzfarbe
  • Es können mehrere Einzelbilder in einer Datei zu einer Animation zusammengefügt werden
• JPEG-Bildformat (.jpg, .jpeg)
  • Verlustbehaftete Komprimierung (100 Qualitätsstufen)
  • Maximale Auflösung: 65.535 x 65.535 Pixel
  • Unterstützt auch den CMYK-Farbraum
  • EXIF Daten möglich
• Portable Network Graphics (.png)
  • Verlustfreie Komprimierung (10 Stufen)
  • Alpha-Kanal für Transparenz
  • Unterstützt bis zu 16 Bit pro Kanal
  • Unterstützt verschiedene Farbpaletten (Graustufen, Vollfarben oder andere)
• Tagged Image File Format TIFF (.tif)
  • Verlustfreie Komprimierung
  • Unterstützt auch den CMYK-Farbraum
  • Unterstützt bis zu 32 Bit pro Kanal
• WebP (.webp)
  • Verlustfreie und Verlustbehaftete
  • Transparenz (Alpha-Kanal) in beiden Modi
  • Animationen (ähnlich GIF)
  • Maximale Auflösung: 16.383 × 16.383 Pixel
• Rohdatenformat (.raw)
  • Proprietäres Format
  • von Hersteller zu Hersteller sowie oft auch von Modell zu Modell unterschiedlich
  • Es werden auch hardwareseitige Einstellungen der Sensoren mitgespeichert, wie z.B.: Belichtung, Fehlerkorrektur, Fokus, Blende, etc..

Rastergrafik-Programme (Pixelgrafik)

Grafikdateien sind in der Regel Binärdateien und lassen sich mit einer passenden Software anzeigen oder bearbeiten.

Zum Anzeigen von Rastergrafiken hat heutzutage so gut wie jedes Betriebssystem ein passendes Programm mit an Bord. Mit diesen kann man sich Rastergrafiken in der Regel mindestens anzeigen lassen.

Zum Bearbeiten von Rastergrafiken gibt es unzählige Programme. Hier eine Liste der gängigsten:

• Adobe Photoshop (lizenzpflichtig für Windows und macOS)
• GIMP (Open Source für Windows, Linux und macOS)

Bilddateien (Vektorgrafik)

Eine Vektorgrafik bezeichnet eine Grafikform, die nicht aus Pixeln, sondern aus mathematisch beschriebenen Formen (Primitives) besteht. Primitives (grafische Primitiven) sind dabei die elementaren Grundformen wie Punkte, Linien, Rechtecke, Kreise, Ellipsen oder Polygone. Für den 3-dimensionalen Raum bieten Vektorgrafiken noch Kugeln, Würfel, Zylinder usw. an.

In Vektorgrafiken werden nur die Konstruktionsvorschriften in Form von Anweisungen und Formeln gespeichert. Grafiken entstehen, indem die zugrunde liegenden Vorschriften der Primitives mithilfe geeigneter Grafikprogramme dargestellt werden. Komplexe Grafiken entstehen durch Kombination vieler Primitives.

Der Vorteil gegenüber einer Rastergrafik ist die hohe Qualität bei der Darstellung von skalierbaren, präzisen und verlustfreien Grafiken. Vektorgrafiken eignen sich z.B. für Logos, Icons, Schriftarten, Illustrationen, Diagramme, Zeichnungen usw. Quasi für alles, was man mit geometrischen Figuren gut darstellen kann.

Da alles in Anweisungen beschrieben wird, benötigen Vektorgrafikdateien nur wenig Speicherplatz.

Der Nachteil einer Vektorgrafik kommt erst beim Drucken und Darstellen auf Bildschirmen zum Tragen. Für die Ausgabe auf Druckern und Bildschirmen ist eine Umwandlung in eine Rastergrafik nötig, weil die Geräte bekanntermaßen pixelbasiert arbeiten.

Schwierig wird die Darstellung eines realistischen Fotos als Vektorgrafik. Da ein Foto naturgemäß besser mit Pixeln funktioniert, ist eine Speicherung als Vektordatei nicht zu empfehlen. Es muss nämlich für jedes Pixel die Position und die Farbe gespeichert werden. Dies führt wiederum zu viel mehr Speicherverbrauch als eine reine Rastergrafik.

Gängige Dateiformate

Textformat

• .svg (Scaleable Vector Graphics)

Binärformat

• .ai (Adobe Illustrator)
• .eps (Encapsulated PostScript)
• .pdf (Portable Document Format)

Vektorgrafik-Programme

Hier eine Liste der gängigsten Programme zum Anzeigen und für die Erstellung und Bearbeitung von Vektorgrafiken.

• Adobe Illustrator (lizenzpflichtig für Windows und macOS)
• Inkscape (Open Source für Windows, Linux und macOS)
• CorelDRAW (lizenzpflichtig für Windows und macOS)
• Affinity Designer (kostenlos für Windows und macOS)
• Sketch (lizenzpflichtig für macOS)

Audiodateien

Audiodateien sind Dateien in einem bestimmten Format, die den zeitlichen Verlauf eines Tonsignals speichern. Dabei wird die vollständige Klangkurve (Schallwelle) digital erfasst und abgelegt, sodass Töne, Sprache oder Musik originalgetreu wiedergegeben werden können.

Das analoge Audiosignal wird bei der Digitalisierung in regelmäßigen Zeitabständen abgetastet und mit einem Analog/Digital-Wandler in digitale Werte umgewandelt. Bei der Digitalisierung definieren die folgenden Parameter die Qualität der Digitalisierung.

• Abtastrate (Sampling-Rate): Gibt an, wie oft pro Sekunde das Signal gemessen wird, z. B. 44,1 kHz oder 48 kHz (bis zu 192 kHz möglich).
• Bittiefe (Sampling-Tiefe): Bestimmt die Auflösung der Abtastwerte, üblich sind 16-Bit oder 24-Bit.
• Audiokanäle: Ein Kanal (Mono), zwei Kanäle (Stereo) oder mehrere Kanäle für Raumklangsysteme (z. B. Dolby Surround).
• Frequenzbereich: Hochwertige Analog-Digital-Wandler decken einen Bereich von etwa 5 Hz bis 20 kHz ab, der dem menschlichen Hörvermögen entspricht.

Nach der Digitalisierung gibt es grundsätzlich drei Arten der Speicherung von Audiodaten in Dateien:

• Rohformat/unkomprimiert (PCM): Die Audiodaten werden ohne Kompression gespeichert. Jeder Abtastwert liegt direkt als digitaler Wert vor. Dies bietet die höchste Qualität, führt jedoch zu großen Dateigrößen.
• Datenkompression (verlustfrei): Die Dateigröße wird reduziert, ohne dass Informationen verloren gehen. Nach dem Entpacken entspricht das Signal exakt dem Original.
• Datenreduktion (verlustbehaftet): Nicht wahrnehmbare oder weniger wichtige Signalanteile werden entfernt. Dadurch entstehen deutlich kleinere Dateien, allerdings mit Qualitätsverlusten.

Unkomprimiert

• CompactDisc (keine Datei! Die normale CD)
• PCM (.pcm)
• RIFF WAVE (.wav)
• Audio Interchange Format (.aif, .aiff)

Datenkompression (verlustfrei)

• Apple Lossless Audio Format (.mp4)
• Free Lossless Audio Codec (.flac, .fla)
• Real Audio Lossless (.ra, .mka)
• Windows Media Audio Lossless (.wma)

Datenreduktion (verlustbehaftet)

• Adaptive Transform Acoustic Codec (ATRAC) von Sony
• MPEG-1 Audio Layer 3 (.mp3)
  • 128 kbps  -> mittelmäßige Qualität
  • 320 kbps -> gute Qualität
  • cbr - Konstanter Bitrate ->  keine Geschwindigkeitsschwankungen
  • vbr - Variable Bitrate -> Geschwindigkeitsschwankungen
• Advance Audio Codec (.aac, .mp4)
• Real Audio (.ra)
• Ogg-Vorbis (.ogg)
• Windows Media Audio (.wma)

Musikdateien

MIDI-Dateiformat

Das MIDI-Dateiformat ist eine ereignisbasierte Musikdatei und speichert keinen Klang als vollständiges Tonsignal, sondern nur Musik-Informationen.

Gespeichert werden z.B.:

• einzelne Noten (Tonhöhe)
• Notenlänge
• Anschlagstärke (Velocity)
• Tempo
• Instrumente, Klänge (z. B. Piano, Synth)
• Steuerdaten (Pitch Bend, Modulation)

Der eigentliche Klang bzw. die Musik entsteht erst bei der Wiedergabe durch ein geeignetes Gerät bzw. Software. Die ausgelesenen Musik-Informationen müssen durch einen Klangerzeuger wie Synthesizer oder Sampler in Klänge umgesetzt werden. Je nach Qualität des Klangerzeugers ist die Ausgabe der Musik unterschiedlich.

Dieses Konzept wird vor allem von MIDI verwendet, welches sich etabliert hat. Dieses Standardformat ist in so gut wie jedem Keyboard, Synthesizer, Sampler etc. implementiert. Über MIDI können die Geräte sogar angesteuert und synchronisiert werden.

MIDI ist also nicht nur ein Format zur Speicherung von Musik-Informationen, sondern wird auch als Schnittstelle zur Steuerung von digitalen Musikinstrumenten benutzt.

Typische Dateiendungen für MIDI-Dateien auf dem Computer sind .mid oder .midi.

Die Dateien liegen im Binärformat vor und lassen sich durch geeignete Programme lesen. Geeignete Programme, die MIDI-Dateien und MIDI-Signale verarbeiten können, gibt es schon sehr lange auf dem Markt. Sie nennen sich MIDI-Sequencer bzw. DAWs (Digital Audio Workstations).

Die wichtigsten sind z.B.:

• Cubase
• Logic Pro
• Ableton Live
• FL Studio

Trackerformate

Zur Speicherung von Musik-Informationen gibt es noch diverse Trackerformate, die nicht nur die Informationen zur Musik speichern, sondern meist auch Samples und Audioschnipsel enthalten.

Diese Dateiformate werden vorwiegend von den DAWs benutzt, weil diese Programme hauptsächlich das gesamte Musikprojekt inklusive Audiospuren speichern müssen. Dafür reicht MIDI allein nicht aus.

Trackerformate sind z.B. .mod , .xm oder .s3m Dateien.

Reine Notationsformate

Zusätzlich zu den oben genannten Musikformaten gibt es auch noch Dateiformate, die nur reine Noteninformationen speichern. Diese Formate werden von Notensatzprogrammen benutzt und enthalten nur Informationen zum Darstellen von Notenblättern.

Zur Speicherung der Informationen hat sich MusicXML als Standardformat durchgesetzt. Dieses Dateiformat codiert die Informationen in XML und speichert diese in einer normalen Textdatei mit der Endung (.xml).

Durch das XML-Format ist die Datei leicht von Menschen lesbar und eignet sich ideal als Austauschformat zwischen Notensatzprogrammen.

Videodateien

Videodateien sind sogenannte Containerformate und liegen im Binärformat vor. Ein Container dient als „Verpackung“ und kann mehrere unterschiedliche Datenströme enthalten. Dazu gehören insbesondere

• eine oder mehrere Videospuren,
• eine oder mehrere Audiospuren,
• optional Untertitel, Kapitelinformationen oder Metadaten.

Der Container selbst legt nicht fest, wie Video und Ton komprimiert sind – das übernehmen die jeweiligen Codecs für Audio und Video. Der Container ist nur eine Art Hülle.

Die Audiosignale im Container werden dabei mit denselben Codecs codiert, die auch schon bei Audiodateien benutzt werden, wie z.B. MP3.

Für die Videokomprimierung gibt es auch diverse Codecs die genutzt werden können.

Beispiel: Ein AVI-Container kann z.B. eine Videospur enthalten, die mit Xvid-Codec (DivX) codiert wurde, und zwei Audiospuren (Stereo), die mit MPEG 1 Layer 3 (.mp3) codiert wurden.

Einige gängige Videocodecs

Natürlich gibt es noch viele weitere Formate, die man verwenden kann. Dies ist nur ein kleiner Überblick.

• MPEG-1
  • Einsatz: Video-CD (VCD)
  • Eigenschaften: niedrige Auflösung, veraltet
• MPEG-2 (H.262)
  • Einsatz: DVD-Video, DVB (digitales Fernsehen)
  • Eigenschaften: höhere Qualität als MPEG-1, geringe Kompression
• MPEG-4 Part 2 (DivX, Xvid)
  • Einsatz: frühe Internet-Videos
  • Eigenschaften: deutlich bessere Kompression als MPEG-2
• MPEG-4 Part 10 (H.264, AVC)
  • Einsatz: Blu-ray, Streaming, HDTV
  • Eigenschaften: sehr weit verbreitet, gute Qualität bei geringer Datenrate
• MPEG-H Part 2 (H.265, HEVC)
  • Einsatz: 4K/8K-Video, moderne Streaming-Dienste
  • Eigenschaften: ca. 50 % effizienter als H.264
• MPEG-H Part 3 (VVC, H.266)
  • Einsatz: zukünftige Anwendungen, 8K, VR
  • Eigenschaften: noch effizienter als HEVC, geringe Verbreitung
• Microsoft Windows Media Video (.wmv)
  • von Microsoft entwickelter Videocodec
  • Version 7 und 8 sind Vergleichbar mit MPEG-4 Part 2
  • Die Version 9 ist technisch identisch wie VC-1
• Google WebM (.webm)
  • Ein offenes, lizenzfreies Containerformat, das speziell für Web-Video entwickelt wurde.
  • Sehr gut für Streaming und HTML5-Video

Komprimierte Formate

Mit komprimierten Formaten, sind Formate gemeint, mit denen man den Speicherplatz von existierenden Dateien verlustfrei verkleinern kann.

Durch den Einsatz eines geeigneten Algorithmus können redundante Daten aus einer Datei entfernt werden. Somit wird der Speicherplatz, der für die Speicherung der Informationen notwendig ist, weniger. Die Originaldatei kann jederzeit wieder vollständig und unverändert aus der komprimierten Datei wiederhergestellt werden.

Dies ist ideal für die Archivierung und Sicherung von Daten. Aber auch für den Dateitransfer eignen sich komprimierte Formate, da diese mehrere Dateien und ganze Ordner zu einer komprimierten Datei zusammenfassen können.

Gängige Formate und Dateiendungen sind:

• ZIP (.zip)
• 7zip (.7z)
• RAR (.rar)

Speziell auf Linux-Systemen kommen noch folgende Formate gerne zum Einsatz:

• bzip2 (.bz2)
• gzip (.gz)
• xz (.xz)

Gängige Programme zum Komprimieren:

• ZIP (bei Windows dabei)
• WinZIP
• WinRAR
• 7zip

Das besondere Archivformat

Auf Linux-Systemen gibt es noch ein besonderes Format, welches hier im Zusammenhang erwähnt werden sollte. Dieses Format ist kein eigentliches Komprimierungsformat, sondern es kann nur Dateien und Ordner zusammenfassen ohne Komprimierung.

Dies eignet sich vor allem dann, wenn man viele Dateien transferieren oder archivieren möchte. Einzeldateien lassen sich nun mal besser und schneller kopieren als viele Einzeldateien. Das Zusammenfassen ohne Komprimierung erfolgt zudem auch viel schneller als wenn eine Komprimierung eingesetzt wird.

Zum Erstellen dieser Dateien gibt es auf Linux-Systemen das Programm „tar balls“ . Dieses Programm erzeugt dann eine Datei mit der Dateiendung, .tar die alle Dateien ohne Komprimierung zusammenfasst.

Falls man auf Windows Systemen so etwas lösen möchte, könnte man das ZIP-Format nutzen, ohne Komprimierung. Das hat dann nahezu denselben Effekt.

Bei Linux-Systemen werden z.B. gerne die Dateien erst zu einer zusammengefasst (.tar) und anschließend als Einzeldatei komprimiert (z.B. .gz). Dies ist nämlich schneller, als jede Datei einzeln zu komprimieren. Diese Kombination erkennt man dann häufig an der Endung ( z.B. .tar.gz oder .tgz)