Hauptseminar: Digitale Medien und Übertragungstechnik. Videokomprimierung. Teil I. Vortrag: Philipp Correll Betreuer: Deti Fliegl

Transkript

1 Hauptseminar: Digitale Medien und Übertragungstechnik Videokomprimierung Teil I Vortrag: Philipp Correll Betreuer: Deti Fliegl

2 Übersicht 1. Grundlagen Standards (PAL, NTSC) 2. Motivation Sehr große Datenmengen 3. Ansatzpunkte zur Videokompression Intraframecodierung (DCT, Huffmann, Lauflängencodierung) Interframecodierung (Differenzbildung, Bewegungskompression, Spritecodierung) 4. Der Codec MPEG Mpeg 1,2,4,7,21 5. Aprilscherz 6. Zusammenfassung Seite 1

3 Grundlagen Video (lt. videre = sehen) Sichtbares Licht liegt bei 400nm bis 760nm Aufnehmen bewegter Bilder (z.b. mit Super8 oder VHS ) Ruckelfreie Bildbewegung ab 16 Bildern/sec Aneinanderreihung von Bildern ( Zeitdiskretisierung ) Video Parameter: Framerate, Framegrösse, Farbtiefe Analoge Standards: Halbbild PAL (Phase Alternating Line) 50Hz = 25fps, 768x576, 24bit Farbtiefe NTSC (National Television Systems Committee) 60Hz = 30fps, 640x480, 24bit Farbtiefe Seite 2

4 Ein kleines Rechenbeispiel: Ein Video im PAL-Format: Motivation - Auflösung: 768 * 576 Pixel - 25 fps (frames per second) - 24 bit Farbtiefe pro Pixel 768 * 576 * 25 * 24 = bps Kbps ca. 33 Mbyte/s immer noch ein Stummfilm!! Seite 3

5 Motivation Beispiele unterschiedlicher Zugriffsraten: Unkomprimiert Festplatte CD-ROM 48fach Kbps MB/s Kbps MB/s Kbps MB/s LAN 10 Mbit UMTS ISDN Kbps MB/s Komprimierung unerlässlich 2048 Kbps 64 Kbps Seite 4

6 Ansatzpunkte zur Videokomprimierung Einfache Videokomprimierung Auflösung, Frames/sec oder Farbtiefe vermindern Intraframecodierung JPEG, Huffmann, DCT, Lauflängencodierung, Verlust auch von wichtigen Infos Interframecodierung Differenz- bzw. Bewegungscodierung, Spritecodierung, Seite 5

7 Intraframecodierung (Codierung, die sich auf ein Bild bzw. Frame beschränkt) JPEG Zhang Huffmann-Codierung häufig auftretende Worte werden mit kurzen Zeichen codiert, seltene Worte mit längeren Zeichen. Lauflängencodierung Beispiel: aaaaaaccccdddbbaaaaa 6a#4c#3d#2b#5a Seite 6

8 Intraframecodierung DCT (Diskrete Cosinus Transformation) 8x8 Pixel Seite 7

9 Interframecodierung (Codierung, die mehrere Bilder auf einmal behandelt) Differenz- bzw. Bewegungscodierung Es werden nur Bildänderungen übertragen Spritecodierung Hier können agierende Objekte einzeln codiert werden mehr dazu bei mpeg mehr dazu bei mpeg4 Seite 8

10 MPEG MPEG = Motion Pictures Expert Group seit (1988) MPEG ist ein asymmetrisches Verfahren. Bisher gibt es die Versionen: Mpeg1 (Standard für Video CD, mit 1,5Mbit/sec) Mpeg2 (Standard für Digitales Fernsehen und DVD, mit 1,5 bis 15Mbit/sec) Mpeg4 (Multimediastandard für Internet und Kommunikation, mit 64kbit/sec, Skalierbarkeit einzelner Objekte) Mpeg7 (Standard für die Beschreibung und Suche von Audio- und Videoinhalten) Mpeg21 (Multimedia Rahmen bzw. Arbeitsplatz) Seite 9

11 MPEG Struktur eines mpeg-videos Seite 10

12 MPEG Unterteilung in Makroblöcke Frame N 4 mal 8 x 8 Pixel 16 x 16 Pixel Kompression z.b. mit DCT Seite 12

13 MPEG Differenz- bzw. Bewegungscodierung in mpeg Frame N Frame N+1 Seite 11

14 MPEG Makroblock Bild N Bild N+1 Übertragen wird nur noch der Vektor x,y Bild N Bild N+1 Differenzbild Seite 13

15 MPEG 48 x 48 Suchbereich 16x16 Makroblock Seite 14

16 MPEG Beispiel: Blockweise - Bewegungskompensation Frame N Aktuell untersuchter Makroblock Suchbereich Frame N+1 Bewegung gefunden Seite 15

17 MPEG Was wird nun übertragen? I B B P B B P B B Intraframes werden komplett als JPEG übertragen, mit Kompressionsfaktor 1:7. Predicted Frames beziehen ihre Information aus vorangegangenen I-, oder P-Frames, mit Faktor 1:20 Bidirectional Frames bekommen Daten von voran- und von nachfolgenden I- oder P-Frames, mit Faktor 1:50 Seite 16

18 MPEG4 Spritecodierung in mpeg4 Zerlegung der Szene in ihre handelnden Objekte (Video- bzw. Audioobjekte) Übereinanderlegen der Video Objekt Layers Ein sog. Szenengraph beschreibt die zeitliche und räumliche Platzierung im Bild. Einzelkomprimierung der Objekte möglich Seite 17

19 MPEG4 Spritecodierung in mpeg4 Seite 18

20 MPEG4 Spritecodierung in mpeg4 Publikum wird einmalig übertragen, nur noch nach Kameraposition verändert. Tennisspieler wird mit hoher Qualität dargestellt Seite 19

21 Aprilscherz in der c t Umbenennung der Facelet- Dateien bringt Vertauschung [en]vouge ein Tool zum Erstellen von Facelet- Bibliotheken Eine Schauspieler-Facelet- Bibliothek für mehrere Filme Seite 20

22 Zusammenfassung Unkomprimierte Filme sind riesig Komprimierung durch: Intraframecodierung Interframecodierung Bewegungscodierung (mpeg) und Spritecodierung (mpeg4) Die Moral von der Geschicht: Traue keinem c`t-april-heft NICHT! Seite 21