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Videokompression

GRUNDLAGEN

Inhaltsverzeichnis

1. Die Eingangsbedingungen

Bei der Erstellung eines Filmes im digitaler Format entstehen riesige Datenmengen, mit denen umgegangen werden. Ein kleines Gedankenexperiment möge als Beispiel dienen: Man möchte einen Film in Full HD-Qualität (1920 x 1080 50p) auf einem Bildschirm wiedergeben. Jede der drei Grundfarben soll dabei mit einer Auflösung von 10 Bit dargestellt werden. Ein RGB-Pixel beansprucht also 30 Bit. Bei einer Auflösung von 1920 (horizontalen) x 1080 (vertikalen) Pixeln belegt ein einziges Vollbild 2.073.600 Pixel x 30 Bit = 62.208.000 MBit (= 7,776 MByte) Speicher. Bei 50 Vollbildern pro Sekunde käme man also auf 388,8 MByte an Daten pro Sekunde! Eine DVD mit 4,7GByte (bei 1GByte=1000 MByte) könnte gerade einmal 12 Sekunden Film in diesem Urformat aufnehmen. Diese Rechnung berücksichtigt dabei noch nicht einmal den Ton und den Overscan des Bildes! Das Eindampfen dieser riesigen Datenmenge möglichst ohne sichtbare Verluste an der Bildqualität erfordert einen enormen Rechenaufwand. Die meisten Kompressionsverfahren arbeiten deshalb asymmetrisch, d.h. bei der Komprimierung (Encoden) sind mehr Rechenschritte notwendig als bei der Dekomprimierung (Decodierung). Erst dieser Trick macht oftmals eine Dekodierung von hochkomprimierten Videoströmen in Echtzeit möglich.

Dem Konsumenten stehen in den heute üblichen Übertragungsketten im Prinzip fünf Typen von Eingangssignalen zur Verfügung:

  • komprimiertes digitales Videosignal als Transport Stream (TS) der digitalen terrestrischen oder Satelliten TV-Systeme (DVB-S,DVB-T, DVB-C) oder aus dem Internet.
  • komprimiertes digitales Videosignal als Programm Stream (PS) von einem Massenspeicher (DVD, Blu-ray oder Datenfile (z.B. AVI, MOV oder MPG))
  • komprimiertes digitales Videosignal als DV/HDV/ AVCHD-Datenstrom über ein digitales Computer-Interface (USB 2 oder IEEE1394 (‚Firewire’) von einem digitalen Camcorder o.ä.
  • nicht komprimiertes digitales Videosignal als TMDS-Datenstrom über ein digitales HDMI-Interface
  • Analoges Videosignal von einem Camcorder, Videorecorder usw.

Jedes der komprimierten digitalen Eingangssignale muss vor dem Ausstrahlen oder Speichern auf ein Wechselmedium kompatibel zum Verbreitungsmedium umgewandelt bzw. komprimiert werden. Jedes Kompressionsverfahren hat seine Vor- und Nachteile. Es gilt einen Kompromiss zwischen dem Kompressionsfaktor (= Verhältnis Größe der Quelldatei zur Größe der Zieldatei), Bildqualität (= Art und Menge der entstehenden Artefakte, Farbauflösung), Bedienbarkeit, Verbreitung des Decoders und schließlich auch Kosten zu finden. Videokompressionsverfahren und deren Durchsetzung im Markt spielen eine äußerst wichtige wirtschaftliche Rolle, da Kompressionsalgorithmen patentiert werden können und die Nutzung über Lizenzzahlungen durch die Hersteller von Geräten oder den Nutzern von Software abgegolten werden muss. Auch lässt sich durch proprietäre und nicht veröffentlichte Kompressionsalgorithmen eine Art Verschlüsselung des Videocontents erzielen, was eine Kontrolle über die Verbreitung erlaubt.

Ein digitales Videosignal zu komprimieren, bedeutet, dass Bildinformationen unterdrückt werden müssen, ohne dass sich der Bildeindruck verschlechtert. Diese 'überflüssigen' Informationen, sogenannte Redundanzen und Irrelevanzen, sind einmal Bestandteile des Bildes, die mehrfach vorhanden sind (redundant) oder vom Menschen nicht wahrgenommen (irrelevant) werden können. Zudem können  Redundanzen auch in den den digitalen Daten, die das Bild beschreiben, auftreten. Alle Videokompressionsverfahren beruhen auf dem Prinzip der Eliminierung von redundanten Informationen. In den meisten Videokompressionsverfahren werden daher mehrere unterschiedliche Algorithmen nacheinander eingesetzt, um Redundanzen im Bild und in den Daten auszumerzen. Algorithmen, die auf rein mathematischer Basis Redundanzen entdecken und vermeiden, arbeiten meist verlustfrei (lossless), d.h. es gehen keine Bildinformationen verloren. Nach einer Komprimierung und der nachfolgenden Dekomprimierung eines Bildes entspricht dieses dann 1:1 dem Original. Kompressionsalgorithmen, die Bildbestandteile auf ihre Wichtigkeit hin bewerten und dann die unwichtigen Informationen verwerfen (Irrelevanzreduktion), arbeiten verlustbehaftet (lossy), da bei der Komprimierung Bildinformation verloren geht.

2. Strategien für Videokompression

Generell lassen sich zwei Kompressionsstrategien für Video unterscheiden:

Intraframe-Kompression

Da eine Videosequenz, genau wie der klassische Film, eine Folge von einzelnen Bildern ist, ist durch eine Kompression jedes Einzelbildes eine Kompression der gesamten Videosequenz möglich. Da bei der Komprimierung immer nur ein Bild betrachtet wird, wird diese Methode als Intraframe-Kompression bezeichnet. Das Prinzip der Intraframe-Kompression beruht auf der Vermeidung von räumlichen (zweidimensionalen) Redundanzen, die durch die Ähnlichkeit von benachbarten Bildpixeln entsteht. Hierbei werden die gleichen Verfahren verwendet wie bei der Kompression von Einzelbildern (JPEG, ...).
Intraframe-kodierte Filmformate eignen sich besonders gut für eine Weiterverarbeitung, z.B. dem Schnitt in einem Filmeditor.

Interframe-Kompression

Bei den Interframe-Kompressionsverfahren wird nicht nur das einzelne Bild betrachtet, sondern es werden mehrere aufeinander folgende Bilder analysiert. Das Verfahren nutzt die Tatsache, dass sich aufeinander folgende Bilder ähnlich sind. Bildbestandteile, die sich von einem Bild zum nächsten nicht verändert haben sind redundant und werden daher nicht übertragen. Die zu übertragenden Daten reduzieren sich also auf die Differenz zwischen zwei Bildern. Da sich dieses Prinzip aber aufgrund der Filmhandlung nicht unendlich lange auf eine Videosequenz anwenden lässt, müssen in definierten Zeitabständen oder an Szenenwechseln vollständige Bilder (Intracodierte Frames = I-Frames) zur Auffrischung des Prozesses übertagen werden. Interframe-Kompressionsverfahren arbeiten somit mit Gruppen von Bildern (Group of Pictures = GOP).
Interframe-kodierte Filmformate sind spezialisiert auf die Verbreitung von Inhalten. Aufgrund des komplexen inneren Aufbaus sind sie weniger für ein Editing in einem Schnittprogramm ausgelegt. Sollen interframe-kodierte Filme editiert werden, benötigen sie hierfür teilweise einen erheblichen Mehraufwand an Ressourcen (= Prozessorleistung/Arbeitsspeicher/Software). Qualitative Grenzen sind wegen der niedrigen Farbauflösung (meist YCbCr 4:2:0) bei der Farbkorrektur und dem Farbprocessing, z.B. bei Blue/Green-Screen-Effekten, zu vermerken.

Abb. 1: Strategien der Videokompression
Abb. 1: Strategien der Videokompression

WEBLINKS

[1] Informationen zu MPEG: http://mpeg.chiariglione.org/

[2] Informationen zum DV-Format:
http://estu.nit.ac.jp/~e982457/capture/h2make2/dvformat/dvformat.pdf (Letzter Download am 22.12. 2009)

[3] Broschüre zu DVCOM:
http://www.sony.ca/dvcam/pdfs/dvcam format overview.pdf (Dokument nicht mehr verfügbar. Letzter Download am 22.12. 2009)

[4] Broschüre zum HDV-Format:
http://www.panavision.co.uk/pdf/downloads/equipment-info/other/canon-hdv-technical-info-paper.pdf (Letzter Download am 11.01.2010)

[5] Beschreibungen und Spezifikationen des JPEG-Standards:
http://www.w3.org/Graphics/JPEG/itu-t81.pdf (Letzter Download am 11.01.2010)

[6] Beschreibungen und Spezifikationen der GIF-Standards:
http://electronic-records-preservation.ourarchives.wikispaces.net/file/view/GIF87a.pdf (Letzter Download am 14.01.2010)
http://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif87.txt (Letzter Download am 14.01.2010)
http://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif89a.txt (Letzter Download am 14.01.2010)

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