Seminarausarbeitung Videokodierung MPEG 1,2 & 4

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1 Seminarausarbeitung Videokodierung MPEG 1,2 & 4 Seminararbeit im Seminar Neue Technologien im Internet und WWW Wintersemester 2003/04 Universität Jena vorgelegt von Alexander Endter Januar 2004

2 Abstract Fast jeder Mensch hat schon einmal bewusst oder unbewusst ein kodiertes Video genutzt. Dies kann durch das Anschauen einer DVD, Nutzung von Digitalfernsehen oder auch durch das Abhalten einer Videokonferenz über das Internet geschehen sein. Die vorliegende Arbeit soll den Vorgang der Videokodierung näher bringen, indem zuerst festgestellt wird, welche Anforderungen das menschliche Wahrnehmungssystem an eine solche Komprimierung stellt. Anschließend werden einzelne Grundwerkzeuge zur Anwendung an einem digitalen Video und zum Erreichen einer Komprimierung dieses digitalen Videos vorgestellt. Der Schwerpunkt der Arbeit soll auf der Anwendung dieser vorgestellten Werkzeuge in den MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4 Videokomprimierungsverfahren liegen. Anschließend wird auf eine mögliche MPEG-4 Erweiterung und auf sogenannte Containerdatenformate wie DIVX und Quicktime Movie eingegangen. 1

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Anforderungen an die digitales Video 2.1 Analoges Fernsehen Visuelle Wahrnehmung Farbräume Digitales Video 3.1 Subsampling Standards für digitales Video Komprimierungstechniken für digitales Video 4.1 Einfache Techniken Interpolative Verfahren Prädiktive Verfahren Transformations-Verfahren Statische Kodierung Bewegungsvorhersage Kontextfreie Prädiktion Modellbasierte Prädiktion Objekt- und regionenbasierte Prädiktion Bewegungskompensation MPEG Moving Pictures Expert Group 5.1 Ausblick auf die vorgestellten MPEG-Standards Anforderungen an den MPEG-Standard Schichten MPEG-Videostrom Der MPEG-1 Standard Ablauf der MPEG-1 Kodierung Konvertierung des Farbraumes Blockvergleich DCT-Transformation I-Frame (Intra Coded Picture) P-Frame (Predictive Coded Picture) B-Frame (Bidirectionally Predictive Coded Picture) D-Frame (DC Coded Picture) Quantisierung Lauflängenkodierung Huffmannkodierung Das MPEG-Datenformat Constraint Parameter Set Der MPEG-2 Standard MPEG-2 Profile MPEG-2 Schichten

4 MPEG-2 Level und -Profile MPEG-Datenströme Der MPEG-4 Standard Medienobjekte MPEG-4 Video-Level und -Profile MPEG-4 Übertragung im Netz (z.b. Internet) Der H.264/AVC Codec Containerdatenformate 6.1 Quicktime Movie AVI (Audio Video Interleaved) DIVX Real Video Zusammenfassung und Ausblick A. Glossar B. Wichtige Internetadressen C. Abkürzungen und Akronyme Literaturverzeichnis Index

5 1. Einleitung Man gehe davon aus, dass man in einer Zeit lebt, in der vorwiegend digitales Bild und digitaler Ton kodiert wird. Aber es soll sich etwas verändern: fortlaufende Bildsequenzen mit dazu synchronem Ton - kurz Video - sollen durch Kodierung interaktiv nutzbar gemacht werden. Die kodierten Bild- und Videodaten sollen einen schnellen Zugriff erlauben und über digitale Netze wie das Internet übertragen werden können. Dies erfordert eine durch die Kodierung erreichte Reduktion des Platzbedarfs der Videoquelle und dies möglichst nicht zu Lasten der Videoqualität. Um diese Interaktivität zu erreichen, müsste man also ein einheitliches Dateiformat einführen und neben der Bild- und Tonkomprimierung auch noch Möglichkeiten finden, um ein Video zu komprimieren. 2. Anforderungen an die digitales Video 2.1 Analoges Fernsehen Am Beispiel des analogen Fernsehens sollen nun vorerst die Anforderungen des Menschen an die digitale Videokomprimierung abgesteckt werden. Dazu betrachten wir die beiden Fernsehstandards PAL und NTSC, wobei der PAL-Standard in Europa und der NTSC-Standard in Amerika verwendet wird. Bei diesen Standards wird das Fernsehbild - für den Betrachter nicht bemerkbar - in einer verwobenen Darstellung aus zwei Halbbildern erzeugt. Es wird alle 20 ms ein gerade zeiliges- und ein ungerade zeiliges Halbbild gesendet, wobei für jedes Halbbild jede einzelne Zeile, Bildpunkt für Bildpunkt eingescannt und übertragen werden muss. Die Halbbilder setzen sich dann zu dem schon genannten verwobenen Bild (interlaced) zusammen (Abbildung 2.1). Halbbild ungerader Zeilen Halbbild gerader Zeilen Verwobenes Bild Abbildung 2.1: Halbbilder und verwobenes Bild bei PAL und NTSC 2.2 Visuelle Wahrnehmung Das Ganze hat einen einfachen Grund. Das menschliche Auge ist erst ab einer Bildwiederholungsrate von mindestens 16 Bildern pro Sekunde in der Lage, einen kontinuierlichen Strom von Bildern zu erkennen ([MS04] Digitale Videokodierung). Es entsteht also beim PAL-Standard eine Darstellungsfrequenz von zwei mal 25 Herz, ergeben 50 Herz und beim NTSC-Standard zwei mal 30 Herz, ergeben 60 Herz im verwobenem Bild. Dies reicht aus, um für das Auge des Nutzers, 4

6 dank der Trägheit der Netzhaut des Menschen, ein flüssiges Fernsehbild darzustellen. 2.3 Farbräume Ein weiteres visuell wahrnehmbares Medium ist die Farbe des Fernsehbildes, welche im PAL-Standard im YUV-Farbraum dargestellt wird. Der YUV-Farbraum besteht aus einer Helligkeitskomponente und zwei Farbkomponenten, wobei sich eine Farbkomponente auf die rot-cyan Balance und die andere auf die gelb-blau Balance bezieht. Die einzelnen Komponenten des YUV-Farbraums lassen sich durch Werte von 0 bis 255 darstellen und müssen erst aus dem RGB-Farbraum, in dem sich die Farbsignale nach einer möglichen Kameraaufnahme befinden, überführt werden. Dies geschieht nach folgender Formel: Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B U = 0,493 * ( B Y ) V = 0,877 * ( R Y ) Für den NTSC-Standard wird der RGB-Farbraum der Kamera in den sogenannten YIQ-Farbraum umgerechnet und für das später behandelte digitale Fernsehen in den YCbCr-Farbraum. Diese Farbräume sind alle vom Prinzip her gleich und unterscheiden sich nur geringfügig bezüglich der Anwendung in unterschiedlichen Fernseh-Standards. Der eigentliche Grund warum wir den YUV-Farbraum mit seiner Helligkeitskomponente und den zwei Farbkomponenten verwenden ist wieder auf die visuelle Wahrnehmung des Menschen zurückzuführen. Das menschliche Auge kann Farbe nicht so gut Auflösen wie Helligkeit ([MS04] Digitale Videokodierung). Das heißt für unsere Anforderung an die Videokomprimierung, dass man bei der Komprimierung Farbinformationen einsparen könnte ohne für das menschliche Auge die Qualität des dargestellten Videobildes merklich zu verringern. Wir halten also fest, dass bei der Videokodierung eine Bildwiederholungsrate von mindestens 16 Bildern pro Sekunde dargestellt werden muss und das bei der Kodierung der Farbsignale Einsparungen vorgenommen werden können. 3. Digitales Video Die Vorteile des digitalen Videos im Gegensatz zu analogen Videos sind deutlich, da es neben der schon genannten Interaktivität, der möglichen Komprimierung und der Übertragbarkeit über digitale Netze auch noch räumliche- und zeitliche Skalierbarkeit erlaubt und keine Kopier- und Speicherverluste beim Arbeiten mit der Videoquelle entstehen. 5

7 3.1 Subsampling Die schon angesprochene Verringerung der Farbinformationen eines digitalen Videobildes kann durch verschiedene Arten des Subsampling erreicht werden. Es kommt hierbei zu einem Informationsverlust, aber auch zu einer ersten Reduktion des Datenvolumens der Videoquelle. Die Farbsignale der Bildpunkte eines Bildes werden hier horizontal oder horizontal und vertikal zusammengefasst. Hierfür gibt es verschiedene Abtastraten (Abbildung 3.1), welche auch einen unterschiedlichen Informationsverlust und eine unterschiedliche Datenvolumenreduktion hervorrufen. Beim 4:2:2-Subsampling werden horizontal jeweils zwei Farbwerte zusammengefasst, was zu einer Reduktion des Datenvolumens von 33% führt. Beim 4:2:0-Subsampling werden horizontal und vertikal jeweils vier Farbwerte zusammengefasst, was zu einer Reduktion des Datenvolumens von 50% führt. Abbildung 3.1: 4:2:2- und 4:2:0-Subsampling Die in der Abbildung dargestellten Kreise sollen die Farbkomponenten darstellen und die Quadrate die Helligkeitsinformationen. Neben den beiden in der Abbildung 3.1 gezeigten Abtastraten für das Subsampling gibt es noch weitere wie das Subsampling bei dem keine Einsparungen stattfinden und das Subsampling bei dem horizontal jeweils vier Farbwerte zusammengefasst werden, was zu einer Reduktion des Datenvolumens von auch 50% führt. Einige dieser Subsampling-Verfahren kommen bei den Standards für digitales Video (Tabelle 3.2) zum Einsatz. 6

8 3.2 Standards für digitales Video CCIR / ITU 601 Eigenschaft HDTV NTSC PAL CIF QCIF Helligkeitsinformation 1920x x x x x144 Farbinformation 960x x x x144 88x72 Subsampling 4:2:2 4:2:2 4:2:2 4:2:0 4:2:0 Bilder pro Sekunde Verwobenes Bild (interlaced) nein ja ja nein nein Tabelle 3.2: Standards für digitales Video Die in der Tabelle 3.2 dargestellten Standards würden trotz Subsampling noch ein erhebliches Datenvolumen und eine damit verbundene hohe Datenrate beim Übertragen hervorrufen. Das beste Beispiel ist HDTV. Es wird hierbei einer Farbtiefe von 8-Bit und bis zu 1920 x 1152 Bildpunkten mit 60 Herz Bildwiederholungsfrequenz und 4:2:2-Subsampling dargestellt. Dies ergibt eine Datenrate von 1920 * 1152 * 60 * * 1152 * 60 * (8 + 8) = 1,19 Gbps. Die gebräuchlichsten DSL-Techniken erlauben 1,5 Mbps bis 6 Mbps, was uns zwingt, weitere Komprimierungstechniken zu entwickeln und anzuwenden. 4. Komprimierungstechniken für digitales Video Eine Komprimierung ist möglich, da im unkomprimierten digitalen Bild viele Informationen stecken, die das menschliche Auge gar nicht wahrnehmen kann. In diesem Kapitel möchte ich die möglichen Komprimierungstechniken vorstellen und deren Funktionsweise an einem unkomprimierten Bitstrom im YCbCr-Farbraum erklären. 7

9 4.1 Einfache Techniken Bei den einfachen Techniken der Komprimierung beschränkt man sich auf die Reduktion der Bildinformation. So wird bei der Truncation einfach die Farbtiefe des Bildes reduziert, wobei es zu einem ersten Informationsverlust kommt. Eine weitere Möglichkeit wäre die Farbtiefe des Bildes zu verringern (Abbildung 4.1), da die vollen 24-bit Farbtiefe kaum verwendet werden. 8-bit Farbtiefe 24-bit Farbtiefe Abbildung 4.1: Beispiel für 8- und 24-bit Farbtiefe Ein letztes sogenanntes einfaches Verfahren ist das Lauflängenverfahren. Hier werden verlustfrei hintereinander auftretende, gleiche Farbflächen zusammengefasst und es wird nur der Wert und der dazugehörige Faktor einer Farbfläche kodiert. 4.2 Interpolative Verfahren Kommen wir nun zu den sogenannten interpolativen Verfahren, bei denen aus einer Teilmenge von Bildpunkten die noch fehlenden oder vorher zum Beispiel beim Subsampling reduzierten Bildpunkte berechnet werden. Dies ist eine sehr effiziente Technik, da sich viele Bildbereiche oft über lange Zeit kaum ändern. Es können sogar komplette Zwischenszenen interpoliert werden, da sich meistens nur wenige Objekte in einer Szene bewegen. Die Komprimierung hierbei kommt dadurch zu Stande, dass nur Abweichungen vom Zwischenbild zum interpoliertem Zwischenbild gespeichert werden. 4.3 Prädiktive Verfahren Die DPCM (Differential Pulse Code Modulation) ist ein prädiktives Verfahren, d.h. es werden die Redundanzen aufeinanderfolgender Einzelbilder ausgenutzt. Dadurch ist hier eine starke Reduktion des Datenvolumens möglich, da bei der DPCM nur die Differenz aufeinanderfolgender Bildpunkte gespeichert wird. Oft ist diese Differenz sehr klein und die DPCM liefert eine gute Reduktion. Ist aber die Differenz zweier 8

10 aufeinanderfolgender Bildpunkte groß, wie bei Bildern mit hohen Kontrasten, dann liefert die DPCM keine Reduktion. Hier greift dann die sogenannte Adaptive DPCM ein, die an den kontrastreichen Stellen die Auflösung erhöht und somit die Differenz benachbarter Bildpunkte geringer wird. Dadurch erhält man durch die Anwendung der DPCM wieder eine höhere Reduktion des Datenvolumens. 4.4 Transformations-Verfahren Das sogenannte Transformations-Verfahren basiert auf der Fourier-Transformation, bei dem die Daten in deren Frequenzraum transformiert werden, um eine günstige Ausgangslage für die Kodierung zu erreichen ([UT] 2.1 DCT). Dabei ist es wichtig, dass die Datentransformation umkehrbar ist, um die Ursprungsdaten wieder aus den transformierten Daten herstellen zu können. Für die Komprimierung ist hier die Dekorrelation der Bildinformationen ausschlaggebend. Das Bild wird in möglichst nicht symmetrisch verteilte Bildinformationsanteile aufgeteilt, was dann bei der Entropiekodierung der Frequenzbeträge ausgenutzt werden kann. Eine besondere Bedeutung für Video- und Bildkodierung hat die DCT (diskrete Cosinus Transformation). Hier werden aus einer 8 x 8 Eingabematrix die 64 Koeffizienten nach Größe der Beträge in eine 8 x 8 Koeffizientenmatrix geordnet. Anschließend werden dann die Beträge der Koeffizienten kodiert, wobei die Koeffizienten, deren Beträge nahe null sind, ignoriert und welche nicht mit kodiert werden. Es kommt dadurch zu der gewünschten Komprimierung und auch zu einem unerwünschten Informationsverlust bei der Dekodierung, welcher möglichst klein gehalten werden sollte. 4.5 Statische Kodierung Bei der statischen Kodierung wird verlustfrei kodiert. Es wird hier die statistische Verteilung der Werte der Bildpunkte ausgenutzt, um häufiger vorkommende Bildpunkte mit Codes geringerer Bitlängen und weniger häufig vorkommende Bildpunkte mit Codes größerer Bitlängen zu codieren. Ein sehr bekanntes Beispiel hierfür ist die Huffmann Kodierung ([UOHK] Huffmann-Kodierung) Bewegungsvorhersage Bei der Bewegungsvorhersage bzw. der Bewegungskompensation handelt es sich um eine Reihe von Verfahren, die zu den schon im Abschnitt 4.3 genannten prädiktiven Verfahren zählen. Auch hier wird wie bei den anderen Techniken der überschüssige Informationsgehalt des Videostroms ausgenutzt. Als Beispiel kann man sich hier die Bewegung eines Objektes im Bild vorstellen, wobei sich dessen Hintergrund kaum verändert. Die Bewegung wäre hier als Veränderung der Position bestimmter Bildpunkte durch deren Helligkeitsänderung zu betrachten. Wir suchen also Verfahren, welche Helligkeitsänderungen und deren Ursache innerhalb einer Bildfolge erkennen, um eine Komprimierung zu erreichen. Die gesuchten Verfahren lassen sich in 3 Gruppen einteilen. 9

11 Kontextfreie Prädiktion Bei der kontextfreien Prädiktion wird die Bewegungsvorhersage ohne jegliche Information über den Bildinhalt getroffen und die Graustufenwerte der Bildpunkte werden aufgrund von Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den einzelnen Bildpunkten vorhergesagt Modellbasierte Prädiktion Bei der modellbasierten Prädiktion werden dagegen Vorwegnahmen über den Bildinhalt getroffen wie z.b. die Kopf-Schulter-Darstellung. Der Bildinhalt wird durch eine geeignete Gitterstruktur modelliert und die Bewegungen im Bild werden mit Vektoren beschrieben Objekt- und regionenbasierte Prädiktion Verwendet man objekt- und regionenbasierte Prädiktion dann wird zuerst das Bild in Segmente eingeteilt, um einzelne Objekte in diesem Segment zu erkennen. Die erkannten Objekte werden dann getrennt voneinander bearbeitet, wie es im MPEG-4 Standard gehandhabt wird. Bei typischen Anwendungen der kontextfreien Prädiktion wie bei der DPCM, wird für das vorherzusagende Bild das vorhergehende Einzelbild genutzt und deren Differenzbild festgehalten. Darüber hinaus kann für die Vorhersage der Sachverhalt ausgenutzt werden, dass Bewegungen im Folgebild meist nur von den erkannten Objekten ausgehen Bewegungskompensation Bei der Bewegungskompensation kommt es darauf an, eine zweite mögliche Ursache für Bewegung zu beachten. Die Kamerabewegung, welche erheblich zur Vorhersage des Folgebildes und einer dadurch möglichen Reduktion des Datenvolumens beitragen kann. Nachteil dieser Technik ist es, dass keine Bildschnitte oder ähnliches bewältigt werden können. Um ein effizientes Bewegungsmodell zu erhalten, müssen verschiedene Teilaufgaben wie z.b. die Trennung von Hinter- und Vordergrund oder die Erkennung von geradlinigen Kamerabewegungen, Kameraschwenks und Zoom bewältigt werden. Die Erkennung dieser Bewegungen geschieht wie bei der Bewegungsvorhersage. Das Bild wird segmentiert und die einzelnen Segmente werden auf Bewegungen untersucht. Die Anwendung dieser Komprimierungstechniken für digitales Video soll nun am Standard der MPEG-Videokomprimierung gezeigt werden. Es werden dabei MPEG- 1, MPEG-2 und MPEG-4 vorgestellt. 10

12 5. MPEG Moving Pictures Expert Group 1988 wurde die MPEG-Gruppe gegründet und stellte eine gemeinsame Arbeitsgruppe von ISO und IEC dar. Die Gruppe legt Dateiformate und Verfahren zum platzsparenden Komprimieren und Speichern von Multimediadaten in hoher Qualität fest. Folglich würde das in Abschnitt 1 angesprochene einheitliche Dateiformat nicht lange auf sich warten lassen. Der MPEG-Standard teilt sich in MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7 und MPEG-21, wobei MPEG-7 und MPEG-21 hier nicht betrachtet werden sollen. 5.1 Ausblick auf die vorgestellten MPEG-Standards Der MPEG-1 Standard (1992) wurde für flüssige Video-Wiedergaben entworfen und weist daher die größten Kompressionsraten auf. Die MPEG-1-Komprimierung bzw. Dekomprimierung war ursprünglich ein hardwareabhängiges Verfahren, welches aber mittlerweile, dank der mit der Zeit schneller gewordenen Prozessoren, auch ein Software komprimieren oder dekomprimieren möglich macht ([GLMP] MPEG). Der wesentliche Unterschied zwischen MPEG-1 und MPEG-2 besteht darin, dass der MPEG-2 Standard (1995) besser mit dem beim digitalen Fernsehen eingesetzten Zeilensprungverfahren (verwobenes Bild / interlaced) umgehen kann. Das Geheimnis von MPEG-2 liegt in der Kompression auf höchster Qualitätsstufe, so dass Filmmaterial nahezu 1 zu 1 in Studioqualität bearbeitet und editiert werden kann. Konsequenter Weise etablierte sich MPEG-2 zu einem beim Fernsehen und dadurch weit verbreitet eingesetzten Standard ([GLMP] MPEG). Der Teil des MPEG-3 Standard, der für HDTV vorgesehen war, wurde mittlerweile in den MPEG-2 Standard integriert. MPEG-3 ist dabei aber nicht mit MP3 zu verwechseln ([GLMP] MPEG). Der MPEG-4 Standard (1999) ist eine Weiterentwicklung des MPEG-2-Formats und befindet sich seit 1996 in der Entwicklung. Obwohl MPEG-4 ursprünglich als ein Kodierungsstandard für audiovisuelle Daten mit sehr niedriger Bitrate gedacht war, diente die Entwicklung weit mehr Zwecken, als lediglich der Mediendatenübertragung über digitale Netze. MPEG-4 stellt z.b. effiziente Mechanismen zur Komprimierung und Verteilung interaktiver Medieninhalte bereit. Die Kompressionsrate als solche, ist bei MPEG-4 nicht höher als bei MPEG-2, aber Sprites können besser komprimiert werden, weil dem Kodiermechanismus dafür wesentlich mehr Zeit zur Verfügung steht. Eine später beschriebene Skriptsprache (VRML97) ermöglicht es, in wenigen Bytes, Operationen wie Verschieben wesentlich schneller durchzuführen, als es die digitalisierte komprimierte Form der gleichen Operation ermöglichen würde. Microsofts erste Implementierung von MPEG-4 ist seit Windows 98 auf jedem Windows-PC installiert ([GLMP] MPEG). 5.2 Anforderungen an den MPEG-Standard Eine Anforderung, die sich an den MPEG-Standard stellte, war das Speichermedium. Die Videoquelle sollte auf einer CD Platz finden, was zur Folge hatte, dass die Bitrate der Videoquelle maximal bei 1,2 Mbps liegen durfte. Da aber eine einfache 8-Bit 11

13 abgetastete Videoquelle nach dem CCIR/ITU 601-Standard eine Bitrate von ca. 210 Mbps besitzt wäre eine Komprimierung von mindestens 200:1 nötig, um eine solche Videoquelle von CD abzuspielen. Darüber hinaus sollte auf die Speicherquelle wahlfrei zugegriffen werden können. Jede Stelle der Videoquelle sollte weitgehend ohne Zeitverlust anwählbar sein. Beim Empfang von digitalen Fernsehen über die Hausantenne hat man ein durch andere Rundfunksignale eingeschränktes Frequenzband von ca Mbps zur Verfügung. Dies würde für das oben genannte Beispiel eine Komprimierung von mindestens 6:1 erfordern, wobei der Nutzer dann lediglich nur ein Programm empfangen könnte. Mit einer angemessenen Komprimierung in Kombination mit Multiplexingverfahren wäre die Übertragung mehrerer Programme in einem digitalen Signal möglich. Der gleiche Sachverhalt ist beim Empfang digitalen Fernsehens über den Kabelanschluss zu finden. Die Datenfülle, die hier bewältigt werden muss, kann trotz Glasfaserleitungen nicht bewältigt werden. Es ist hier also eine Komprimierung und auch ein ausgereifter Standard notwendig, an dem sich die unterschiedlichen Hersteller von Empfangsdekodern orientieren können. Eine weitere Möglichkeit die digitale Videoquelle über Kabel zu empfangen ist ADSL, bei dem über herkömmliche Telefonkabel (Twisted Pair) mit Hilfe von speziellen Datenübertragungstechniken eine Bitrate von 1,5 Mbps bis 6 Mbps erreicht wird. Es wird also eine Komprimierung von mindestens 35:1 benötigt um die im oben genannten Beispiel beschriebene Videoquelle zu übertragen. Für den Empfang von HDTV sind wie in Abschnitt 3.2 berechnet 1,19 Gbps Bitrate zu bewältigen. Dies würde für die Übertragung über ADSL bedeuten, dass an der oben genannten Videoquelle eine Komprimierung von mindestens 200:1 durchgeführt werden müsste. Ein ausgereifter, allgemein akzeptierter Standard für die Videokodierung wäre eine Grundlage für die Hersteller von Multimediadaten, um unabhängig von Speichermedien wie CD oder DVD Medien in digitalen Netzen wie das Internet zu vertreiben. Die Anforderungen an den MPEG-Standard sind also eine erhebliche Komprimierung der Videoquelle, die Möglichkeit des wahlfreien Zugriffs und die Möglichkeit, dass der MPEG-Standard als ausgereifter Standard allgemein akzeptiert wird. Es soll jetzt gezeigt werden, wie diese Anforderungen im MPEG-1 Standard erfüllt wurden. 5.3 Schichten MPEG-Videostrom Die Bestandteile einer digitalen MPEG-Videosequenz (Abbildung 5.3) sind Gruppen von Bildern (GOP), welche wiederum aus Einzelbildern bestehen. Diese Einzelbilder werden in Zeilen von Makroblöcken (16 x 16 Bildpunkte) unterteilt, wobei ein Makroblock aus 4 Blöcken (8 x 8 Bildpunkte) besteht. 12

14 5.3.1 Der MPEG-1 Standard Abbildung 5.3: Syntax des MPEG-Videostroms Zuerst soll der Ablauf der MPEG-1 Kodierung anhand der Abbildung gezeigt werden. Abbildung 5.3.1: Ablauf der MPEG-1 Kodierung Ablauf der MPEG-1 Kodierung Konvertierung des Farbraumes Der möglicherweise von einer Kamera aufgenommene Videostrom wird nun vom 24- Bit RGB-Farbraum in den YCrCb-Farbraum konvertiert. Anschließend wird ein 4:2:2 Subsampling durchgeführt und somit die Farbinformation des Videostroms reduziert. Es kommt dabei zwar zu einem Informationsverlust, aber auch zu einer ersten Komprimierung des Videostroms. 13

15 Blockvergleich Im nächsten Schritt werden die einzelnen Bilder des Videostroms in Makroblöcke unterteilt, um anhand der Helligkeitskomponenten der Bildpunkte eine mögliche Bewegung von Objekten zu erkennen. Ein sogenannter Bewegungsvorhersagealgorithmus, für Objekte im Bild, sucht nach Mehrfachblöcken von Bildpunkten im Suchraum. Es wird nun der aktuelle Makroblock (nur Helligkeitskomponente) mit den umgebenden Makroblöcken und den Makroblöcken des vor- und nachfolgenden Einzelbildes verglichen. Wenn dabei eine Ähnlichkeit zwischen Makroblöcken festgestellt wird, dann wird der Vektor zwischen den Positionen der ähnlichen Makroblöcke berechnet und zusammen mit eventuellen Differenzinformationen kodiert ([FHJMC] Motion-Compensation) (Abbildung ) Folgebilder ähnliche Makroblöcke Vektor Abbildung : Entstehung eines Verschiebungsvektors Die Qualität der Bewegungsvorhersage ist von der Leistungsfähigkeit des Enkodierers und der Größe des Suchraums abhängig, da die Suche für jedes einzelne Objekt durchgeführt werden muss DCT-Transformation Die schon in Abschnitt 4.4 beschriebene diskrete Cosinus Transformation wird hier folgendermaßen eingesetzt: Ein Block von Bildpunkten wird ausgehend von dessen Raumkoordinaten in seinen Frequenzbereich transformiert, wobei dann hochfrequente Bildanteile vernachlässigt werden, weil diese für das menschliche Auge kaum erkennbar sind ([MS04] MPEG Komprimierung: Prinzipielles Vorgehen). Für die Komprimierung eines MPEG-Videostroms gibt es verschiedene Arten von Einzelbildern (Frames). Einige dieser Frames sind voneinander abhängig, da sich bestimmte Frames die Information über die Position eines Objektes von vorund/oder nachfolgenden Einzelbildern beziehen können I-Frame (Intra Coded Picture) Das I-Frame ist eine Art Standbild, welches keinerlei Informationen über andere Einzelbilder besitzt. Dieses Standbild wird JPEG-ähnlich komprimiert und dient als Ankerpunkt und Startpunkt für den wahlfreien Zugriff. Womit also die erste Anforderung an den MPEG-Standard erfüllt wird ([UT2] Frametypen). 14

16 P-Frame (Predictive Coded Picture) Die Makroblöcke im P-Frame bestehen entweder nur aus Vektoren und Bilddifferenzinformationen und beziehen sich auf das vorhergehende I-Frame (Abbildung ) oder wenn der Vorhersagealgorithmus bei verschiedenen Makroblöcken erfolglos war, dann besteht dieser Makroblock aus einem vollständig pixelkodierten Makroblock. Der Dekoder muss also die komplette I-Frame Information vorhalten, um das P-Frame erfolgreich dekodieren zu können ([UT2] Frametypen) B-Frame (Bidirectionally Predictive Coded Picture) Bei der Kodierung eines B-Frames werden die Makroblöcke zuerst mit einem nachfolgenden I-Frame oder P-Frame und danach mit einem davor liegenden I- Frame oder P-Frame verglichen. Sind beide Vergleiche erfolgreich, so werden aus den gefundenen I-Frames oder P-Frames Mittelwerte gebildet und für die Kodierung des B-Frames zu Grunde gelegt (Abbildung ). Sollte kein Vergleich erfolgreich sein, so wird dieser Makroblock des B-Frames als ein herkömmlicher, vollständiger, pixelkodierter Makroblock kodiert. Der Dekoder muss also eine ganze Reihe an vor- und nachfolgenden I-Frame und P-Frames vorhalten, um das B-Frame erfolgreich dekodieren zu können ([UT2] Frametypen). Abbildung : Beispiel B- + P-Frame kodierung D-Frame (DC Coded Picture) D-Frames sollen nur am Rande genannt werden, da sie bei geeignet periodischer Speicherung von I-Frames (alle 0,4 Sekunden oder alle 12 Einzelbilder([MS04] MPEG Komprimierung: Prinzipielles Vorgehen)) im Videostrom überflüssig sind. Diese D-Frames werden nur mit ihren DC-Koeffizienten (entstanden bei der DCT- 15

17 Transformation) kodiert und sind generell von schlechter Qualität. D-Frames werden meist nur beim schnellen Vorlauf angezeigt ([UT2] Frametypen). Der MPEG-Standard erlaubt es, anwendungsabhängig die Komprimierungsrate, Bildqualität und Frame-Typen-Nutzung festzulegen. Es ist sogar eine beliebige Reihenfolge der gespeicherten Einzelbilder möglich, was aber beim Umformen zu erheblichen Speicherplatzbedarf führt Quantisierung Bei der Quantisierung kommt es zu einem Informationsverlust, da die bei der DCT entstandenen Koeffizienten nahe Null auf den Wert Null gerundet werden. Dies tritt also bei der Speicherung der I-Frames und den DCT-kodierten Anteilen der B- Frames und P-Frames auf. Die Bewegungsvektoren für P-Frames und B-Frames werden dagegen verlustfrei gespeichert ([CSQ] Quantisierung) Lauflängenkodierung Anschließend wird die im Abschnitt 4.1 schon beschriebene Lauflängenkodierung der Koeffizientenmatrizen in Zick-Zack-Reihenfolge von niedrigen zu hohen Frequenzkomponenten angewendet. Die Lauflängenkodierung ist verlustfrei, also kommt es zu keinem Informationsverlust Huffmannkodierung Am Ende der MPEG-1 Videokomprimierung wird das Huffmannverfahren angewandt, welches im Abschnitt 4.5 schon vorgestellt wurde Das MPEG-Datenformat Da ein MPEG-Datenstrom aus Video und dem dazugehörigen Audio (oder mehreren Audioströmen) besteht, muss zur synchronen Übertragung der beiden elementaren Datenströme das Multiplexingverfahren angewandt werden. Ab einem Unterschied von nur 80 ms würde dem Betrachter auffallen, dass sich Audio und Video nicht synchron verhalten ([MS04] MPEG Komprimierung: Prinzipielles Vorgehen). Darüber hinaus besitzt jedes Einzelbild eine Zeitstempelinformation, damit der Dekoder erkennen kann, wann der genaue Wiedergabezeitpunkt für jedes Einzelbild und den dazugehörigen Ton ist. Die Zeitstempelinformation wird durch eine Referenzuhr (90 khz) realisiert. So kann beim wahlfreien Zugriff auf den MPEG- Datenstrom der exakte Zugriffszeitpunkt des Einzelbildes ermittelt werden, welches aktuell wiedergegeben werden soll. Dank eines Puffers und der vorhandenen Zeitstempelinformationen kann man die vorhandenen Datenströme flexibel dekodieren. Dadurch sind auch variable Datenübertragungsraten möglich, wobei man die Dekodierung einzelner Bilder unterdrückt, falls die dafür vorgesehene Dekodierzeit nicht zur Verfügung steht und die Synchronität der Datenströme nicht beeinträchtigt wird. Der Puffer des Dekoders muss Pufferüberläufe vermeiden, die durch zeitlich ungeordnete Einzelbilder hervorgerufen werden können. 16

18 Constraint Parameter Set Durch eine hohe Flexibilität der Bildgröße, Bitraten etc. ist es notwendig, eine Art Obergrenze dieser Schlüsselwerte zu setzen, um den Standard auch für kostengünstige Dekoder-Implementationen nutzbar zu machen. Dafür wurde der Constraint Parameter Set (Tabelle ) von der MPEG-Gruppe 1992 festgelegt. Der MPEG-Datenstrom, der den Kriterien des Constraint Parameter Set entspricht, sollte von jedem MPEG-En- und Dekoder unterstützt werden. Andersherum muss der Constraint Parameter Set von jedem MPEG-En- und Dekoder unterstützt werden, wobei dies für Soft- und Hardwareimplementierungen gilt. Horizontale Bildgröße Vertikale Bildgröße Anzahl Makroblöcke/Einzelbild Anzahl Makroblöcke/Sekunde Bilder pro Sekunde Bitrate Dekoderpuffer <= 720 Pixel <= 576 Pixel <= 396 <= 396x25 oder 330x30 <= 30 <= 1.82 Mbp/s <= Tabelle : Constraint Parameter Set Es wurden also alle an den MPEG-1 Standard gestellten Anforderungen erfüllt. MPEG-1 wurde als ausgereifter Standard allgemein akzeptiert, der wahlfreie Zugriff war möglich (Zugriff auf I-Frames) und es kam zu einer erheblichen Komprimierung (siehe Constraint Parameter Set) Der MPEG-2 Standard Da sich der MPEG-1 Standard als großer Erfolg entpuppte, begann man gleich nach der Veröffentlichung, an den Nachfolgern MPEG-2, MPEG-3 und MPEG-4 zu arbeiten. MPEG-1 war auf die CD zugeschnitten und unterstützte nur den progressiven (zeilenweise, Bildpunkt für Bildpunkt) Bildaufbau. Die MPEG-Gruppe sah sich dann Anfang der 90er Jahre zunehmend dem Druck der Medienindustrie ausgesetzt, die ein Verfahren forderten, welches die herkömmlichen Fernsehstandards (PAL und NTCS) komprimieren sollte. Zudem sollte mit dem MPEG-2 Standard eine bessere Bildqualität erzielt und die Möglichkeit einer Skalierbarkeit geschaffen werden, um unterschiedliche Bedingungen für unterschiedliche Leistungsklassen von Nutzern zu schaffen. Dadurch kann mit MPEG-2 alles - von der einfachen Videokonferenz bis zum hochauflösenden HDTV - dargestellt werden. 17

19 MPEG-2 Profile Das Profil Main unterstützt sämtliche Hauptanwendungsgebiete und erlaubt keine Skalierung. Das Profil Simple verhält sich wie das Main Profil, unterstützt keine B- Frames und wird hauptsächlich in Software-Dekodern verwendet. Im Profil SNR legt man mehr Wert auf gesteigerte Qualität bzgl. des Signal-Rausch-Verhaltens und die Farbauflösung ist skalierbar. Das Spatial Profil stellt ein verbessertes Main Profil dar, in dem die Pixeldichte skalierbar ist. Das letzte Profil ist das High Profil, welches die höchste Qualitätsstufe darstellt und in dem wiederum die Pixeldichte skalierbar ist. Im SNR-skalierten Modus stehen die Videodaten in unterschiedlichen Bitraten zur Verfügung und je nach Leistungsfähigkeit des Dekoders werden die Daten bei gleicher räumlicher Auflösung in unterschiedlicher Qualität dargestellt. Eine Skalierung der Pixeldichte wird durch mehrfaches Subsampling erzeugt. Das entstandene Einzelbild der letzten Anwendung des Subsamplings gilt als Basisfrequenz. Dann wird die Differenz zwischen der nächst höher aufgelösten Stufe des Subsamplings und dem Interpolationsergebnis kodiert und zusammen mit der Basisfrequenz übertragen. Bei einer zeitlichen Skalierung wird eine Sequenz mit reduzierter Bildfolge kodiert, wobei dann die fehlenden Bilder interpoliert und die Vorhersagebilder zusätzlich kodiert werden. Hier kommt es wiederum auf die Leistungsfähigkeit des Dekoders an, inwieweit dieser abgesehen von der Basisfrequenz noch zusätzliche mitempfangene Daten dekodieren kann, um die Bildqualität zu verbessern. MPEG-2 ist zudem noch im Stande, Daten zu portionieren in wichtige Bestandteile wie Header, Bewegungsvektoren etc. und weniger wichtige Anteile. Dadurch soll die Bildqualität gegenüber (Übertragungs-) Fehlern verbessert werden MPEG-2 Schichten Die Schicht Low ist vergleichbar mit dem MPEG-1 Standard und unterstützt CIF und PAL bis 4 Mbps. Anwendung findet diese Schicht am allgemeinen Verbrauchermarkt (z.b.videorecorder). Bei der Verwendung der Main Schicht werden die CCIR 601 Standard-Bildformate unterstützt. Das heißt, Maximal 720 x 480 Bildpunkte bei 30 Bildern pro Sekunde und ergibt bis zu 15 Mbps Bitrate. Die Main Schicht wurde für den qualitativ hochwertigen Verbrauchermarkt entwickelt. Die Schicht High1440 unterstützt Bildformate bis 1440x1152 Bildpunkte (4xCCIR) bei 30 Bildern pro Sekunde. High1440 erzeugt also Bitraten bis zu 60 Mbps und ist für den Verbrauchermarkt für hochauflösendes TV entwickelt worden. Für die Nutzung von HDTV ist die Schicht High entwickelt worden, die bei 1920x1080 Bildpunkten und 60 Bildern pro Sekunde eine Bitrate von bis zu 80 Mbps erzeugt MPEG-2 Level und Profile Die in Tabelle dargestellten Schichten und Profile werden vom MPEG-2 unterstützt. 18

20 Simple Main SNR Spatial High High x1152, 60 fps x1152, 60 fps High x1152, 60 fps x1152, 60 fps 720x576, 30 fps 1440x1152, 60 fps 720x576, 30 fps Main 720x576, 30 fps 720x576, 30 fps 720x576, 30 fps - 720x576, 30 fps 352x288, 30 fps Low - 352x288, 30 fps 352x288, 30 fps MPEG-Datenströme Tabelle : MPEG-2 Level und Profile Es sollen verschiedene multimediale Datenströme wie Audio, Video, etc. übertragen werden. Dies geschieht wie schon in Abschnitt erwähnt mit geeigneten Multiplex- und Synchronisationsverfahren. Die komprimierten Audio- und Videodaten bilden die Komprimierungsschicht. Die Systemschicht (Referenzuhr, etc.) reguliert die Zeitsteuerung und Synchronisation der Daten. System- und Komprimierungsschicht zusammen schaffen die Möglichkeit der gemeinsamen Speicherung von Audio- und Videostrom in einem gemeinsamen Datenstrom (Abbildung ). Abbildung : MPEG Systemstruktur 19

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