Digitale Videoformate

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1 Was ist Video? Begriffsklärung: Videotechnik: allgemeine Verfahren und Ausstattung zur elektronischen Aufzeichnung, Speicherung und Wiedergabe von Bewegtbildinformationen und Toninformationen Video: jegliche Art von Bewegtbildern

2 Video-Grundlagen Relativ langsame visuelle Wahrnehmung Scheinbewegung: fps Min. 25 fps (kontinuierliche Bewegung) Traditionelle Fernsehübertragung: Raster sequentielle Rasterpunkte 625-Zeilen-CCIR-Norm) Zeilensprungverfahren bei sehr hellen Bildern 25 fps = 50 Halbbilder

3 Video-Grundlagen: Videotechnik Analoge Videotechnik Digitale Videotechnik Digital-Video (DV)

4 Video-Grundlagen: Digitale Aufzeichnungsverfahren Aufnahme wird bereits digitalisiert, komprimiert und im Schrägspurverfahren auf Magnetband aufgezeichnet. Auch der Ton wird synchron in CDQualität digital auf das Band gespeichert.

5 Video-Grundlagen: Digitales Video - Vorteile gegenüber Analogem Video: > Qualität unabhängig vom Übertragungskanal > Kopierbar ohne Qualitätsverluste > Fehlerkorrektur vielfältig möglich > Genaue digitale Filter einsetzbar

6 Größe von Videodateien: Frame size Frame rate Colour depth Audio Soundtrack Codec

7 Video Frame size (höhe+wei Frame 1 Video Frame 2 Frame rate (in fps) Video Frame n colour depth (inbit) t

8 Video-Grundlagen Digitale Videotechnik 25 bis 30 Bildern/Sekunde Ein einziges Vollbild benötigt ca. 1,2 MB Problem: Sekunde Video: 30 bis 36 MB Minute Video: 1,8 GB KOMPRESSION!

9 Video-Grundlagen: Codecs Hardware-Codecs Software-Codecs Datenkompression entspricht Datenreduktion Bsp.: Cinepak, Indeo (Intel), RLE Random Length Encoding), Video 1 Video bzw. Microsoft Video 1),MPEG-1, Motion JPEG

10 Videoformate MPEG (Motion Picture Expert Group) M-JPEG (Motion-JPEG) ist ein Verfahren, bei dem die einzelnen Bilder eines Videos nach dem JPEG-Verfahren komprimiert werden. Die Abhängigkeiten zwischen den Bildern werden zur Kompression nicht verwendet. Bei M-JPEG werden i.d.r. Hardware-JPEG-Codecs im Basismodus eingesetzt. MPEG-1: Interframe Compression Dient hauptsächlich Bewegungskompensation; Einsatzbereich: Digitalisierung von Urlaubsvideos, Businessbereich Image-Videos, Dokumentation), Internet

11 > Videosequenz wird in Gruppen (GOP, Goup of Pictures) unterteilt > alle Gruppen haben die gleiche Anzahl von Bildern (je nach Videonorm 8-10 Bilder) > Gruppen werden zusammenhängend komprimiert und erlauben den unmittelbaren Zugriff nur auf das Anfangsbild. > innerhalb einer GOP (Goup of Pictures) unterscheidet MPEG verschiedene Arten von Bildern: I-Frame (Intro Coded Picture): Das Anfangsbild einer Gruppe wird auf der Basis von 8 x 8 Blöcken einer JPEG-Kompression unterworfen. P-Frame (Predictive Coded Picture): Der Frame wird mit Bezug auf ein Referenzbild kodiert, welches durch ein voran-gegangenes I- oder P-Frame gegeben ist. Dabei wird auch eine Bewegungskompensation ganzer Bildbereiche versucht. Gespeichert wird der Verschiebungsvektor und ggf. eine Differenzmatrix mit den beobachteten Pixelabweichungen mit DPCM-Kodierung. Läßt sich kein geeigneter Macroblock finden, wird die für I-Picture vorgesehene Kompression angewendet.

12 B-Picture (Bidirectionally predictive Coded Picture) Ein B-Picture bezieht sich auf ein vorangegangenes P- oder I-Picture, auf ein nachfolgendes P- oder I-Picture oder auf beide. D-Picture (DC-Coded Picture) D-Pictures enthalten I-Picture-Kodierungen eingeschränkt auf die DC- Koeffizienten. Hierdurch wird eine eingeschränkte Bildqualität bei schnellem Voroder Rücklauf bereitgestellt.

13 Beispiel Makroblock Suchbereich

14

15 > foward prediction of P-frames > foward prediction of B-frames > backward prediction of B-frames I-Frames (Intra Frames) B-Frames (Bidirectional predicted Frames) P-Frames (Predicted Frames) =GOP (Group of Pictures), 9 oder 15 Bilder prediction: Prognose

16 räumliche Komprimierung - z.b. M-JPEG Bei der räumlichen (Video-)Komprimierung werden die einzelnen Frames einer Video-Sequenz für sich komprimiert - z.b. nach der JPEG- Methode. Häufig auftretende Nebenwirkung der räumlichen Komprimierung sind Unschärfen, Blockbildungen (Kompressions-Artefakte), Streifen (Linien gleicher Farbe) und Konturbildungen (Bereiche gleicher Farbe). zeitliche Komprimierung - z.b. MPEG Bei der zeitlichen (Video-)Komprimierung werden immer mehrere Frames einer Sequenz berücksichtigt, indem nämlich nur die Änderungen gegenüber dem Vorgänger-Frame gespeichert werden. Als Referenz werden allerdings in regelmäßigen Abständen Key-Frames berücksichtigt, die das vollständige Bild enthalten.

17 Videoformate - MPEG MPEG-2: Zeilensprungverfahren (Interlaced-Bilder); Kompressionsverhältnis bis zu 40:1 Einsatzbereich: Digitales Fernsehen,DVD, professionelle Studios MPEG-4: Gliederung des Bildinhalts in eigenständige Objekte; Einsatzbereich: Internet (Videokonferenzen), neue Handygenerationen MPEG-7: Beschreibung von Multimediadaten (z.b.: für Suchmaschinen im Internet)

18 AVI (Audio Video Interleaved) Microsoft Interleaved: Audio und Videoinformationen verschachtelt gespeichert Chunks, Subchunks (verschachtelte Datenstrukturen) Häufigsten Codecs: Cinepak, Indeo ist das am weitesten verbreitete Videoformat für PC-Plattformen Dateien im AVI-Format beinhaltem eine Video- und eine Audiospur, beide können unabhängig voneinander komprimiert sein. Bildqualität und anfallende Datenmenge hängen von der Komprimierung

19 QuickTime -.mov Apple Audio- und Videoinformationen werden gleichzeitig (synchron) gespeichert Ab Version 3.0 plattformübergreifender Medienstandard (auch Windowskompatibel) QuickTime ist ein von Apple entwickelter multi-plattform Industriestandard. Es wird sowohl von Anbietern und Entwicklern als auch von Hardwareherstellern benutzt um Grafik, Sound, Video, Text, Musik, VR und 3D Inhalte zu erstellen und zu publizieren.

20 Videoformate MHEG (Multimedia and Hypermedia Information coding expert Group): Einheitliches Austauschformat auf möglichst allen Systemen Stichwort: Interaktivität

21 DVD Digital Versatile Disk Vorteile: Hohe Speicherkapazität (bis zu 17GB) Billige Herstellung und hohe Qualität Bessere Möglichkeiten des Kopierschutzes Verschleißfreiheit Datenmenge der Fehlerkorrektur braucht weniger Speicher und ist effizienter (vgl. zu CD)

22 Video-Codecs Übersicht Anfang der 90er Jahre war es eine Sensation, auf dem Computermonitor ein kurzes Filmchen in Briefmarkengröße zu sehen. Eine bidschirmfüllende Wiedergabe war auf Grund der, verglichen mit heutigen Rechnern, geringen Rechenleistung, unmöglich. Wenige Jahre später wurden bereits Ausschnitte von Kinofilmen formatfüllend in Computerspiele integriert. Die für damalige Verhältnisse riesige Datenmenge mußte auf CDs gespeichert werden. Im Verlauf der Entwicklung ist seitdem eine Vielzahl von CODECs entstanden, die im Bereich der digitalen Videovideobearbeitung verwendet werden.

23 Cinepack: Gute Qualität, aber nicht mehr Stand der Technik. Ist immer noch interessant, wenn langsame CD-ROM-Laufwerke oder viele verschiedene Rechnerplattformen unterstützt werden sollen. Cinepack steht für fast alle Rechnerplattformen zur Verfügung. Indeo: Intel Video Codec, inzwischen als Wavelet-Codec in der Version 5.1 verfügbar. Wurde inzwischen an Ligos verkauft. Bietet hohe Bildqualität. Unterstützt eine Vielzahl von Plattformen. Soerensen: Höhere Bildqualität bei kleinen Files als Cinepack. Stellt aber höhere Anforderungen an die Hardware. Veraltet. Soerensen Video 3 steht nur noch exclusiv für Apple Quicktime zur Verfügung. MJPEG: Gute Qualität. Bei höheren Datenraten ist oft Hardwareunterstützung erforderlich. Im Prinzip mit geeigneter Hardware auf allen Plattformen nutzbar. Problematisch

24 ist die Vielfalt der Dateiformate, da praktisch jeder Hersteller von MJPEG- Schnittsystemen ein eigenes Format entwickelt hat. MPEG-1: Gute Bild- und Ton-Qualität mit konstanten Datenraten. Bei höheren Datenraten stellt die fließende Wiedergabe hohe Anforderungen an die Hardware. Plattformübergreifendes Format des MPEG-Gremiums. MPEG-2: Hervorragende Bild- und Tonqualität. Variable Datenraten sind möglich. Damit kann bei Szenen mit wenig Bewegung Bandbreite eingespart werden. Für eine flüssige Wiedergabe wird unter Umständen die Unterstüzung geeigneter Grafikkarten oder spezieller Decoderkarten benötigt. Plattformübergreifendes Format des MPEG- Gremiums. MPEG-4: Gute Bildqualität bei niedrigen Datenraten. Mit MPEG-4 ist es möglich Bildbereiche als Objekte zu definieren und komplett zu verschieben. Echte MPEG-4 CODECs sind lediglich OpenDivX des Project Mayo und 3ivX von Happy Machines.

25 Beide CODECs sind bei niedrigen Datenraten noch überfordert. Beide Projekte sind legale Projekte, die auf einer Referenzimplementation des MPEG-4 Standards basieren. MPEG4v3/DivX: Der von Microsoft entwickelte MPEG4v3-COCEC war ein Versuch, Microsofts eigenes ASF-Format (Advanced Streaming Format) als Dateiformat für MPEG-4 zu etablieren. Niedrige Bitraten sind problematisch. Der CODEC neigt dann zu Frameverlusten. DivX ist eine gehackte, illegale Version, bei der versucht wurde, den CODEC auch für Filme im AVI-Format verfügbar zu machen. Microsoft Windows Media Video: Das inzwischen in Version 8 vorliegende WMV- Format von Microsoft beruht auf dem ASF-Format und weist nur einen zusätzlichen Suchindex im Header auf. Der CODEC bietet Qualitäts- und Bitraten-basierte 2-Pass- Kodierung mit variablen Bitraten (VBR = Variable Bitrate), aber auch Modi mit konstanter Bitrate (CBR = Constant Bitrate). Im Unterschied zu Windows Media 7 wird nur noch ein Datenstrom in einer Datei untergebracht. Da der CODEC nicht im Video Compression

26 Manager verankert wird, steht er nicht für andere Programme bzw. Formate zur Verfügung. Apple Quicktime: Seit Version 3 bietet das Format gute Streaming-Eigenschaften. Da Quicktime seit Version 5 exclusiv den Soerensen CODEC lizensiert hat, ist zur Betrachtung der Filme der Quicktime-Player erforderlich ist. Der Player steht nicht für alle Plattformen zur Verfügung. RealVideo: RealVideo 8 ist eine komplette Neuentwicklung, die vermutlich auf Wavelet- Transformationen beruht. Auch Real nutzt VBR mit 2-Pass-Kodierung. Störende Blockartefakte werden auf Kosten der Detailwiedergabe unterdrückt, was bei niedrigen Datenraten zu subjektiv besseren Qualitäten führen kann.

27 Ältere CODECs, wie z.b. der von Cinepack, ermöglichen auch auf älteren, leistungsschwächeren Computern eine flüssige Wiedergabe. Sie erreichen jedoch bei weitem nicht die Bildqualität moderner CODECs, die für die Übertragung von Videos im Internet entwickelt wurden. Heute finden sie häufig dann noch Verwendung, wenn es gilt, Videos für verschiedene Betriebssysteme zu erzeugen, da viele der aktuellen Codecs nicht auf allen Plattformen zur Verfügung stehen.

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