Das InfoTip Kompendium

Ein kostenloser Service der InfoTip Service GmbH

Zum Anfang der
Seite scrollen

Videokompression

Inhaltsverzeichnis

4. Videokompression nach Motion-JPEG (M-JPEG)

Motion JPEG oder M-JPEG ist ein Videokompressionsverfahren bei dem jedes Einzelbild als JPEG-Bild separat komprimiert wird (Intraframe-Kompression). MJPEG ist ursprünglich als Multimedia-Applikation für PCs entwickelt worden, ist aber mittlerweile durch modernere Codecs abgelöst worden.  Nur bei mobilen Geräten mit Video-Capture-Eigenschaften wie Digitalkameras oder Mobiltelefonen spielt M-JPEG heute noch eine Rolle.
Da ein MJPEG-komprimierter Film aus nur I-Frames besteht, kann er ohne Neukodierung geschnitten werden.

5. Videokompression nach DV/DVCAM

Allgemeines

DV ist ein 1995 von ursprünglich zehn Firmen eingeführter Standard für die Aufnahme und Wiedergabe von digitalem Video mit kompakten mobilen Geräten. Zunächst für die Zielgruppen Consumer/Prosumer gedacht, wurde es später, in aufgebohrter Form als DVCPRO (von Panasonic) und DVCAM (von Sony) auch im professionellen  Einsatz verwendet. Das Aufnahmemedium für den Consumer-Bereich ist ein 6,3mm (1/4 Inch) breites metalldampfbeschichtetes Magnetband  in einer Standard-Kassette von 125x78x14,6mm (Standard-DV) oder, wesentlich weiter verbreitet, in der MiniDV-Kassette mit den Abmessungen 66x48x12,5mm. Die Aufzeichnung aufs Band erfolgt in Schrägspur mittels einer mit 9000 U/min rotierenden Kopftrommel (Durchmesser 21,7mm) mit zwei Videoköpfen. Die absolute Bandgeschwindigkeit beträgt  18,81mm/s und die Spurbreite 10 μm.
Mit jeder Umdrehung der Kopftrommel werden also zwei Spuren gelesen bzw. geschrieben. Jeweils 12 Spuren enthalten die Audio- Video und Steuerdaten für ein 720x576 Pixel großes Vollbild. Die Videodaten sind intraframe-kodiert. Hierdurch lassen sich im DV-Format aufgezeichnete Filme sehr leicht bildgenau editieren.
Die Kompression des vom Bildsensor kommenden Videosignals erfolgt über eine DCT (Diskrete Cosinus Transformation) mit einer anschließenden Lauflängen- und Huffmannkodierung (VLC). Der Kompressionsfaktor liegt bei ca. 5:1. Die Datenrate beträgt konstant ca. 25 MBit/s. Das fertig kodierte Signal kann sowohl auf Band aufgezeichnet werden oder auf einem PC in verschiedene Multimedia-Dateicontainerformate eingebettet werden. Die Übertragung zwischen Camcorder und PC erfolgt standardmäßig über eine Firewire-/iLink-/IEEE1394-Schnittstelle.

Abb. 16: Spurbild eines DV-Magnetband und Struktur eines DV-Bildes
Abb. 16: Spurbild eines DV-Magnetband und Struktur eines DV-Bildes

Der DV-Encoder

Blockbildung

Das vom CMOS- oder CCD-Bildsensor bereitgestellte Videosignal wird im Zeilensprungverfahren ausgelesen und in das YUV 4:2:0 Farbsystem ummatriziert. Die Samplefrequenz für das Luminanzsignal beträgt 13,5 MHz, die für die Farbsignale 6,75 MHz. Für die Weiterverarbeitung wird das Videobild in 8x8 Pixel große Blocke unterteilt. Jeweils vier Blöcke werden zu einem Macroblock zusammengefasst. Bildbereiche von 3x9 Macroblocks bilden einen Superblock. Die Höhe eines Superblocks (= 3 Macroblocks = 6 Blocks = 48 Pixel) entspricht somit der Höhe einer aufgezeichneten Videospur.

Abb. 17: Prinzipbild eines DV-Encoders
Abb. 17: Prinzipbild eines DV-Encoders
Shuffling

Da sich meist die wichtigsten Bilddetails in der Mitte des Bildes befinden, tritt auch meist hier die höchste Informationsdichte auf. Um bei der Kompression des Videosignales eine möglichst konstante Datenrate, bzw. Kompressionsrate, zu erhalten, wird eine möglichst gleichmäßige Informationsverteilung bei der Anwendung der Kompression angestrebt. Aus diesem Grund wird im DV-Kompressionsverfahren ein der Verwürfelung ähnlicher Algorithmus, das Shuffling, eingesetzt. Hierbei wird nach einer festen Regel aus fünf auf dem Bild verteilten Superblocks jeweils ein  Makroblock ausgelesen und mit den anderen an der gleichen Position befindlichen zu einer Videosequenz zusammengefasst. Durch die Anwendung des Shufflings wird so die Gesamtinformation eines Bildes statistisch gleichmäßig über die Fläche verteilt.

Abb. 18: Prinzip des Shuffling
Abb. 18: Prinzip des Shuffling
DCT-Prozess

Nach der Blockbildung und dem Shuffling folgt die DCT-Kodierung. Wie im Kapitel 3.4 bereits beschrieben, wird hier das Bild blockweise in seine Ortsfrequenzen zerlegt.
Das DV-Verfahren kennt zwei DCT-Modes. Der 8-8-DCT-Modus wird eingesetzt wenn wenig Bewegung im Bildinhalt ist und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern nur geringe Unterschiede bestehen. Der 2-4-8-DCT-Modus wird verwendet, wenn viel Bewegung im Bild ist und sich die Halbbilder stark unterscheiden. Ein Bewegungsdetektor löst je nach DCT-Modus unterschiedliche frequenzabhängige Summen- und Differenzbildung der AC-Koeffizienten in der Blockmatrix aus. Hierdurch wird eine gleichmäßig gute Bildqualtät  gewährleistet, unabhängig davon ob der Bildinhalt bewegt oder statisch ist.

Quantisierung

Bei der Quantisierung, wird wie in Kap. 3.4. beschrieben, jeder AC-Koeffizient zunächst nach Frequenz gewichtet durch einen in einer Quantisierungsmatrix vorgegebenen Divisor geteilt. Dieser Divisor wird dynamisch von zwei Faktoren definiert: durch die Klassenzahl (Class Number) und die Quantisierungszahl (Quantisation Number). Die Klasse eines Blocks ist abhängig von dessen Gradation (Feinheit der Abstufungen / Activity).  Die Quantisierungszahl wird über mehrere Blocks ("Areas") so bestimmt, dass die maximal erlaubte Bitrate für die jeweilige Klasse nicht überschritten wird. Weil Quantisierungsartefakte an sanften Übergängen mehr sichtbar werden können, werden Macroblocks mit feinen Abstufungen weniger stark quantisiert als Bildbereiche mit einer hohen Gradation.

VLC

Nachdem durch die Quantisierung irrelevante Bildinformationen (verlustbehaftet) aus dem Videosignal entfernt wurde, erfolgt, wie in den MPEG-Verfahren, eine verlustfreie Entropie-Kodierung in einem VLC (Variable Length Coding)  mit Huffmankodierung.

De-Shuffling

Das Shuffling der Videoinformation wird nur für den Kompressionsvorgang benötigt. Vor der Aufnahme aufs Band oder der Übertragung über das digitale Interface wird die Verwürfelung des Signals wieder rückgängig gemacht.

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)

Rechtshinweis

Sofern auf dieser Seite markenrechtlich geschützte Begriffe, geschützte (Wort- und/oder Bild-) Marken oder geschützte Produktnamen genannt werden, weisen wir ausdrücklich darauf hin, dass die Nennung dieser Marken, Namen und Begriffe hier ausschließlich der redaktionellen Beschreibung bzw. der Identifikation der genannten Produkte und/oder Hersteller bzw. der beschriebenen Technologien dienen.

Alle Rechte an den in diesem Kompendium erwähnten geschützten Marken- und/oder Produktnamen sind Eigentum der jeweiligen Rechteinhaber und werden hiermit ausdrücklich anerkannt. Alle in unseren Artikeln genannten und ggfs. durch Dritte geschützte Marken- und Warenzeichen unterliegen uneingeschränkt den Bestimmungen des jeweils gültigen Kennzeichenrechts sowie den Besitzrechten der jeweiligen eingetragenen Eigentümer.

Die Nennung von Produktnamen, Produkten und/oder der jeweiligen Produkthersteller dient ausschließlich Informationszwecken und stellt keine Werbung dar. InfoTip übernimmt hinsichtlich der Auswahl, Leistung oder Verwendbarkeit dieser Produkte keine Gewähr.

Sollten dennoch wider unserer Absicht Rechte Dritter verletzt werden, so bitten wir um eine Benachrichtigung ohne Kostennote.