Videoformate. Videostandards. Digitales Fernsehen (Übertragungsstandards) Peripherie DVB-H, DVB-T, DVB-C, DVB-S, DVB-S2, HDTV, MPEG-2, H.

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1 Videoformate DVB-H, DVB-T, DVB-C, DVB-S, DVB-S2, HDTV, MPEG-2, H.264 Videostandards Digitales Fernsehen (Übertragungsstandards) Peripherie A. Grohmann, Leipzig Titel

2 Titel Inhalt Links Glossar Videoformate Videostandards Übersicht Definition Video-Codecs Entstehung Übertragungs- / Sendeverfahren Funktionsweise Anwendungsgebiete Vorteile / Nachteile Verarbeitung Zu beachtende Aspekte: Am PC: Videokarten, TV-Karten, Softwareplayer Am TV-Gerät: Tuner, Set-Top-Boxen Die Rolle des Bildschirms Schnitt Transkodierbarkeit / Konvertierbarkeit Kritik A. Grohmann, Leipzig Inhalt

3 Titel Inhalt Links Glossar Videoformate - DVB-H, DVB-T, DVB-C, DVB-S, DVB-S2, HDTV, MPEG-2, H.264 Aufgabenstellung salopp umreißt bereits das Problem der Unterscheidung Digitale Fernseh- / Übertragungs-Standards z. B.: DVB-T, DVB-S, DVB-C, DVB-H, ISDB, ATSC Digitale (dateibasierte) Videostandards z. B.: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264 (AVC, MPEG-4/Part 10), Quicktime, RealVideo Codecs Dateicontainer z. B.: Intel Indeo; Radius Cinepak; MainConcept MPEG-2; Microsoft VC-1, Xvid, Nero Recode, x.264; DVCPRO HD; On2 Technologies VP 7; Real RV 10; FFMPEG Snow; Ogg Theora A. Grohmann, Leipzig z. B.: AVI; ASF; MP4; OGM/OGG; MOV; RealMedia (rv, ram, rm, rmvb); Matroska (mkv); Einleitung-Klärung

4 Digitale Video formate Video-Standards: beinhalten v. a. Festlegungen u. Empfehlungen zu: min./max. (Bild-)Auflösung min./max. Datenrate Kompressionsverfahren zu integrierende Datenströme (Menge u. Art v. Tonformaten, Authoring, Gerätesteuerung, andere Informationen) Art der Integration Stichworte: ISO, MPEG A. Grohmann, Leipzig Standards

5 Digitale, dateibasierte Video formate Video-Dateicontainer: Kopfdaten (Header) Bild Winkel Menü- Bildinhalte Audio Tonformate Sprachen Program Stream Andere Inhalte Kapitel Menüstrukturen Untertitel Kopierschutz Video-Dateicontainer: - Dateiformat, das andere Dateiformate beinhalten kann - bestimmt nur die Art und Weise, in der die Dateien aufbewahrt werden, und ermöglicht die synchrone Wiedergabe der Dateien Klisch, Andreas [5]. Rohlicek, Ernst [6] Stichworte: Multiplexing / Demultiplexing, Muxen / Demuxen; Streaming A. Grohmann, Leipzig Dateicontainer

6 Digitale, dateibasierte Video formate Video-Container-Beispiel: AVI-Container Video Standard: MPEG-4 Codec: Xvid Audio Standard: MP3 Codec: Lame A. Grohmann, Leipzig Container-Bsp.

7 Digitale, dateibasierte Video formate Codecs: CHIP [13]. Doom9.org [19]. PC Magazin [21]. Wikipedia [14]. JPEG [15]. Glossar.de [16]. RRZK [18] (Coder / Decoder, Compressor / Decompressor) Verfahren zum Kodieren (Encoder) und Dekodieren (Decoder) von Daten oder Signalen auch einzeln (nur Encoder / Decoder) häufig gleicher oder ähnlicher Name wie Standard oder Containerdatei verschiedene Entwickler / Hersteller Hauptziel: Kompression A. Grohmann, Leipzig Codecs

8 Digitale, dateibasierte Video formate Weg der Videodatei zum Betrachter: Video- Daten Video- Codec Datei- Container Splitter Audio- Daten Audio- Codec Hardware / Betrachter Andere Daten (Codec, Filter) Datenquelle Demultiplexer Einzelstreams Decoder Datensenke A. Grohmann, Leipzig Datei-Betrachter

9 Titel Inhalt Links Glossar Videoformate - DVB-H, DVB-T, DVB-C, DVB-S, DVB-S2, HDTV, MPEG-2, H.264 Digitale Fernseh- / Übertragungs-Standards Digitale Videostandards Landläufig interessiert den Endnutzer (aktuell) dabei am ehesten: Hardware: Software (evtl. hardwaregestützt): Wie kommt das Angebot in mein Anzeigegerät? und Codecs Warum kann ich den Film nicht (richtig) sehen? oder Warum kann ich den Film nicht sehen? Problem des Anbieters: Wie erreiche ich mein Publikum / meine Kunden? A. Grohmann, Leipzig Für welchen Standard entscheide ich mich (in welcher Situation)? Einleitung-Interessenlage

10 Titel Inhalt Links Glossar Digitale Videoformate Grundsätzlicher Zwiespalt: Bild- / Ton- Qualität Datenmenge?! Kompression!? Video-Datenmengen (Beispiel): 720x576 Pixel, PAL 25 Frames/s, RGB mit 8 bit je Farbkanal (True Color), Dauer 1 Sekunde Auflösung: Farbe: Framerate: (Pixel) 720 x bit x fps x bit = bit ( 1,187 MByte) = bit/s ( 29,66 MByte/s) = Stunde unkomprimiertes Video(-bild-)material > 104 GByte Daten! A. Grohmann, Leipzig Einleitung-Grundproblem

11 Titel Inhalt Links Glossar Digitale Videoformate Erfordernis: Kompression! Ziel: Bestmögliche Qualität bei möglichst geringer Datenmenge. Datenmenge v.a. abhängig von: Aspect Ratio (Bildseitenverhältnis) (Bild-)Auflösung, Halbbild / Vollbild (Interlaced / Progressive), Farbtiefe (, High Color, True Color, ), Framerate oder Video-/Fernseh-Norm (PAL, NTSC, SECAM), Menge u. Format d. Audiodaten, Datenrate (Bit/s), (Stichworte: Speichermedium, Streaming Media, Broadcasting), Kompression + Zusatzinformationen A. Grohmann, Leipzig Kompression!

12 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Einzelbildkompression: CHIP [13]. Wikipedia [14]. JPEG [15]. Glossar.de [16]. Widmer, R. [17]. RRZK [18] Komprimierung jedes Einzelbildes in JPEG Unterteilung d. Frames in Blöcke von 8x8 Pixeln, gesondert für Helligkeit und Farbe DCT (Diskrete Cosinus-Transformation): Wandlung d. Helligkeits- u. Farbwerte in Frequenzen, (feine, kaum wahrnehmbare Details hohe Frequenzen) Quantisierung: Ziel: Reduktion d. Datenmenge mittels Quantisierungsmatrix Wandlung der Frequenzwerte in ganze Zahlen (hohe Frequenzen 0 effektive Kompression) Quantizer: Faktor, mit dem die Werte der Q.matrix multipliziert werden (großer Quantizer starke Kompression geringere Bildqualität) Fazit: feine Details hohe Frequenz 0 Multiplikation mit 0 effekt. Kompression Stichworte: JPEG, JFIF, MJPEG, Fourier, Chroma-Subsampling, Redundanzreduktion, Irrelevanzreduktion, verlustlose / verlustbehaftete Kodierung, Blöcke, DCT, Quantisierung A. Grohmann, Leipzig Kompression: Einzelbild

13 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: Trappe, R. [4]. CHIP [13]. Wikipedia [14]. JPEG [15]. Glossar.de [16]. Widmer, R. [17]. RRZK [18] klassische GOP (Group of Pictures): Zusammenfassung von Frames ( ca. ½ Sek.) I-Frame (Intra-Frame / intra coded picture) 1er Frame, Beginn jeder GOP enthält alle (JPEG-komprimierten) Bildinformationen P-Frame, B-Frame (Predicted-Frame / predictive coded picture, Bidirectional Frame / bidirectional coded picture) enthalten die Veränderungen zu vorhergehenden und nachfolgenden Frames geringere Datenmenge P-Frame: Bezug auf vorherigen I- oder P-Frame B-Frame: Bezug auf vorherigen und nachfolgenden I- oder P-Frame Stichworte: GOP (geschlossen/nicht ~); I-, P-, B-Frames; D-Frames; Stream Order, Display Order; Motion Estimation, Makroblöcke, Bewegungsvektoren A. Grohmann, Leipzig Kompression: Bildänderungen

14 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: CHIP [13]. Trappe, R. [4]. Wikipedia [14]. JPEG [15]. Glossar.de [16]. Widmer, R. [17]. RRZK [18] GOP (Group of Pictures): Schema I-Frame, JPEG-komprimiert I I B B B B B P B-Frame P-Frame A. Grohmann, Leipzig berechnete Bildinhalte vollständige Bildinformation Kompression: Abb. GOP

15 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: CHIP [13]. Wikipedia [14]. JPEG [15]. Glossar.de. [17]. RRZK [18] Motion Estimation (Bewegungsvorhersage): Unterteilung des Frames in Makroblöcke (16x16 Pixel) Bewegungsvektoren: verzeichnen d. Positionsänderung eines Makroblocks von Frame zu Frame Stichworte: GOP (geschlossen/nicht ~); I-, P-, B-Frames; D-Frames; Stream Order, Display Order; Motion Estimation, Makroblöcke, Bewegungsvektoren A. Grohmann, Leipzig Kompression: Motion Estimation

16 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: CHIP [13]. Schmidt [20]. RRZK [18] Video Object Planes Bewegungsvektoren verfolgen ganze Objekte (Shape Coding) VOPs werden getrennt kodiert u. übertragen ( Obj. vor wechselnden Hintergründen) analog zu GOPs: I-, P- u. B-VOBs; keine festgelegte Länge, sequenzentsprechend Stichworte: VOP, Shape, Shape Coding; Binary Shape, Gray Scale / Alpha Shape; I-, P-, B-VOP; Shape-Adaptive DCT A. Grohmann, Leipzig Kompression: VOP

17 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: CHIP [13]. Quarter Pixel Erfassung minimaler Positionsveränderungen von Objekten Bewegungsvektoren, die nicht auf ganzzahligen Werten (ganzen Pixeln) beruhen MPEG-2: bis ½ Pixel Genauigkeit MPEG-4 (Xvid, DivX): optional ¼ Pixel H.264: Standardbestandteil Quarter-Pixel-Prediction Stichworte: Quarter Pixel, Sub-Pixel-Interpolation, Quarter-Pixel-Prediction A. Grohmann, Leipzig Kompression: Quarter Pixel

18 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Bildänderungen: CHIP [13]. CHIP-Online [22] Global Motion Compensation (GMC) Sonderfall des Shape Codings ganze Objekte des Ausgangsbildes werden, auch bei sich ändernder Größe und Lage, nur einmal codiert mittels Warp Points werden Größenänderung, Rotationen u. perspektivische Verzerrungen erfasst für Zooms u. Kameraschwenks Stichworte: Global Motion Compensation, Shape Coding, Warp Points A. Grohmann, Leipzig Kompression: GlobalMotion

19 Digitale Videoformate: Kompressionsverfahren Weitere: CHIP [13]. CHIP-Online [22] Flexible Blockgrößen (je nach Komplexität d. Bildes) Multi-Frame-Prädikation (aus beliebig vielen Frames vor/zurück; auch B-Frames) Deblocking Filter (Verhinderung v. Artefakten / Blockbildung) Entropie-Codierung (verlustfrei, ganze Datei, Bitebene; ähnl. ZIP-Verfahren) Wavelet-Kompression (Tiefpass: Glättung; Hochpass: Berechnung verlorener Details) Datenrate Konstante Datenrate (CBR) Variable Datenrate (VBR): geringere Datenrate - bewegungsarme Szenen, höhere Datenrate - bewegungsreiche Szenen Stichworte: Huffman-Methode; CAVLC (Context Adaptive Variable Length Coding) vorgegebene Codetabellen; CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding) selbst erzeugte Codetabellen; Multipass A. Grohmann, Leipzig Kompression: Weitere

20 Titel Inhalt Links Glossar Digitale Videoformate Problem des Codecs: Bild- / Ton- Qualität Datenmenge Rechen-Aufwand Rechen-Zeit In der Fähigkeit des Codecs, hohe Qualität bei geringer Datenmenge mit wenig Rechenaufwand zu erreichen, besteht seine Eleganz. Stichworte: Hardware-Performance, Leistungsfähigkeit des Codecs, zur Verfügung stehende Zeit A. Grohmann, Leipzig Codec_Aufwand

21 Digitale, dateibasierte Video formate Übersicht häufiger Videoformate AVI: Microsoft MPEG: Moving Picture Experts Group MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 MOV: Quicktime RM / RAM: Real Media Ogg: Xiph.Org Foundation AAF Advanced-Authoring Format MXF Material-eXchange-Format 3gp 3rd Generation Partnership Project (Mobiltelefone) Flash Video Adobe DivX DivX Inc. Matroska: Open Source WMV: Microsoft A. Grohmann, Leipzig Übersicht V-standards

22 Videoformate AVI: Microsoft Media Developer Center [7]; [8]; Wikipedia [9]; [10]; [11]; Ulead [12] Audio Video Interleaved Entwickler: Microsoft Dateicontainer; kann Bild-, Ton- u. Textdaten enthalten, die unterschiedlich kodiert sein können (z.b. MPEG-4 Videospur + MP3 Audiospur; einfache AVI-Varianten enthalten nur Bildinformationen, Audio nicht erforderlich) Viele Unterformate und Weiterentwicklungen Vorbild: Quicktime (Apple) Basis: RIFF (Resource Interchange File Format, 1991, Microsoft u. IBM, Windows 3.1) Erweiterungen: OpenDML (Matrox u. a.) DV AVI: Typ 1 (1 Datenstrom Bild+Ton); Typ 2 (Bild u. Ton getrennt); nur einzelbild-komprimiert; fixierte Kompressionsrate (3,5 MB/s) Stichworte: RIFF, FourCC, TwoCC, OpenDML, DV A. Grohmann, Leipzig AVI

23 AVI: (Fortsetzung) Videoformate Microsoft Media Developer Center [7]; [8]; Wikipedia [9]; [10]; [11]; Ulead [12] Kompression: Einzelbild (JPEG, MJPEG) Vorteil: klassisches AVI u. DV: aufgrund der Einzelbildkompression ist ein framegenaues Schneiden möglich Nachteil: große Datenmengen problematische/keine Integration bestimmter Soundformate, Untertitel, Menüs keine Eignung für Streaming Anwendungsgebiete: v. a. Capturing u. Nachbearbeitung / Schnitt Stichworte: RIFF, FourCC, TwoCC, OpenDML, DV A. Grohmann, Leipzig AVI_Forts.

24 Videoformate MPEG: Moving Picture Experts Group Motion Picture(s) Experts Group Vereinigung zur Entwicklung universeller Kompressionsstandards A. Grohmann, Leipzig MPEG

25 Videoformate MPEG-1: älterer Standard (1993) geringe Auflösung (PAL: 352 x 288 Pixel progressiv, ¼ der PAL-Standardauflösung) niedrige Datenraten bis 1,5 Mbit/s Kompression (Einzelbild; Einführung von GOPs) verwendete Tonformate: v. a. MP3 (MPEG-1 Layer 3) bekannteste Anwendung: VCD (Video CD) A. Grohmann, Leipzig MPEG-1

26 Videoformate MPEG-2: derzeit bedeutendster Standard (1994/95) Auflösung: wie bei MPEG-1 aktuelle Standardauflösung (PAL: 720 x 576 Pixel) bis zu HDTV (High Level: 1920 x 1152 Pixel; ) Datenraten bis 15 Mbit/s gute Bildqualität; bei MPEG-2 HD bis 80 Mbit/s Kompression (Einzelbild; GOPs) integrierbare Tonformate: MP3, AC-3 (Dolby Digital), AAC (Advanced Audio Coding) Mehrkanalton möglich weite Verbreitung: SVCD, DVD, Digitales Fernsehen (Standard und HD) A. Grohmann, Leipzig MPEG-2

27 Videoformate MPEG-4: ( ) Auflösung: beliebige Bildgröße (skalierbar) Datenraten variabel Kompression durch deutlich verbesserte Verfahren (Einzelbild; GOPs; VOPs; objekt- u. inhaltorientiert) auch für niedrige Datenraten und Streaming geeignet Tonformate: AAC Unterstützung von Digital Rights Management (DRM) bekannte MPEG-4 Codecs: DivX, Xvid, Nero Recode, x.264 Anwendung: Mobiltelefone, digitale Fotokameras bis Digital TV A. Grohmann, Leipzig MPEG-4

28 Videoformate H.264: (2004) Einführung flexibler Blockgrößen (4x4 bis 16x16) Multi-Frame-Prädiktion (auch aus B-Frames) Deblocking-Filter Entropie-Codierung: CAVLC und CABAC hoher Rechenaufwand doppelte Kompressionsrate bei gleichbleibender Qualität im Vergleich mit MPEG-2 Anwendung: Digital TV, v. a. HDTV; Blu-Ray-Disks A. Grohmann, Leipzig H.264

29 Titel Inhalt Links Glossar Quellen [1] Uchrin, Stefan; Video auf DVD bzw. CD - eine Einführung ; 2004 [2] Caunter, Jeff; (1999); in: Raster Scanning and Interlacing [3] Müller, Christiane; Wirtschaftsinformatik: Rechnerarchitketur & Betriebssysteme. Kathodenstrahlröhre [4] Trappe, Raffael; Paradiso-Design.net; Fernsehnormen - Standards und Technik ; 2006 [5] Klisch, Andreas; paperwork: Container, Codecs und Formate Medientheorie- und Praxis 2007, Materialien ; FH Potsdam, 2007 [6] Rohlicek, Ernst: [7] Microsoft Media Developer Center; "AVI RIFF File Reference, 2007 [8] Microsoft Media Developer Center; DV Data in the AVI File Format, 2007 [9] Wikipedia.de; Audio Video Interleaved [10] Wikipedia.de; Resource Interchange File Format, 2007 [11] Wikipedia.de; FourCC, 2007 [12] Ulead: Lernzentrum. Allgemeine Video Infos. Videomedien & Formate A. Grohmann, Leipzig Quellen_S001 1

30 Titel Inhalt Links Glossar Quellen 2 [13] CHIP 05/2005; Test & Technik. MPEG4-Encoder. 10 Filme auf 1 DVD. So komprimieren VideoCodecs Ihre Filme ; S. 88 f.; 2005 [14] Wikipedia.de; Videokompression ; 2007 [15] Joint Photographic Experts Group, Offizielle Website; JPEG ; 2007 [16] Glossar.de; ARCHmatic-Glossar und Lexikon. Videokompression/ -qualität ; 2007 [17] Widmer, René; AV-Kurs 2004 [18] Universität zu Köln, Regionales Rechenzentrum (RRZK); Digitaler Videoschnitt, 2007 [19] Doom9.org; Codec, 2007 [20] Schmidt, Ulrich; "Professionelle Videotechnik. Analoge und digitale Grundlagen, Filmtechnik, Fernsehtechnik, HDTV, Kameras, Displays, Videorecorder, Produktion und Studiotechnik"; 4., aktualis. u. erw. Aufl.; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005; S. 166 ff. [21] PC Magazin 11/2004; Software: Videoschnitt. MPEG-Profitricks. Video-Taschenmesser ; S. 126 ff.; 2004 [22] CHIP-Online; CHIP Online-Archiv. Vergleichstest: MPEG4-Encoder & Alternativen. Wie MPEG-Standards Filme komprimieren ; 2003 [23] MPEG; [24] MPEG.org; MPEG Video: for your eyes! A. Grohmann, Leipzig Quellen_S002

31 Titel Inhalt Links Glossar Quellen [25] slashcam Redaktion; Videokompression. Lernen per DVD ; Galileo Design 2004 A. Grohmann, Leipzig Quellen_S003 3

32 Videoformate Digitalisierung slashcam Redaktion [25] analoges Audio: kontinuierliches Signal Austastung mit einer festgelegten Frequenz (Sampling) Resultat: binäre Zahlenfolgen Video: Rasterung des Bildes Aufteilung in Bildpunkte (Pixel) Umwandlung der Farb- (Chroma) und Helligkeitswerte (Luminanz) in binäre Zahlenfolgen Stichworte: Austastrate; Sampling; Auflösung; Pixel; Chroma; Luminanz A. Grohmann, Leipzig Anhang_Digitalisierung

33 Audio-Digitalisierung Videoformate Abb.: slashcam Redaktion [25] Analoges Signal Austastung Werteermittlung Wandlung in binäre Zahlen Stichworte: Austastrate; Sampling; A. Grohmann, Leipzig Anhang_Audiodigitalisierung

34 Videoformate Interlacing (Zeilensprungverfahren, Halbbildverfahren) Zur Reduktion des Bildflimmerns F. Schröter, 1927 Uchrin, Stefan [1] Film: Prinzip d. Flügelblende zur Erzeugung einer flüssigen Bildwahrnehmung (Vollbild, Frame) Uchrin, Stefan [1]. Trappe, Raffael [4] PAL: 50 Halbbilder (Fields) pro Sekunde (entsprechend der Wechselstromfrequenz; 50 Hz) Ungerade Rasterzeile Gerade Rasterzeile A C Vertikalrücklauf Horizontalrücklauf B D A. Grohmann, Leipzig Nach: Caunter, Jeff [2]. Müller, Christiane [3] Anhang_Interlaced

35 Titel Inhalt Links Glossar Videoformate Auflösung Anzahl der Bildpunkte (Pixel) pro Vollbild (Frame) PAL: 720 x 576 A. Grohmann, Leipzig Anhang_Auflösung