Digitale Medien Übersicht. Aufbau des analogen Fernsehbildes. Analoge Fernsehnormen. Analoge Fernsehnormen. Was ist Video?

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1 Übersicht Digitale Medien 9. Digital Video Begriff Video Fernseh und Videostandards Video am Computer Probleme Kenngrößen eines digitalen Videos im Detail Aufbau eines Video Frames Größenkalkulation Kompression Arten von digitalen Videodokumenten DVB Videoschnitt 2 Was ist Video? 3 Aufbau des analogen Fernsehbildes 4 Video (lat. ich sehe)= Bewegte Bilder Video umfasst die Aufzeichnung und Wiedergabe von Bewegtbild auf elektronische Weise Je nach Sichtweise gehören zu den bewegten Bildern weitere Daten, wie z.b. Ton oder Metadaten Entwicklung von Video und Fernsehen hängen eng zusammen 1970er Erste Magnetband Videoaufzeichnungsgeräte ( MAZen ) kommen bei Fernsehanstalten zum Einsatz ca Home Video wird populär: Videorecorder zum Mitschnitt von TV Programmen sowie Videokameras, die an jeden Fernseher angeschlossen werden konnten Video im klassischen Sinne folgt immer Fernsehnormen Vertikale Austastlücke Zweites Halbbild Zeile Zeilenrücklauf Erstes Halbbild Zeilensprungverfahren (Interlacing) Analoge Fernsehnormen 5 Analoge Fernsehnormen 6 Legen den Aufbau und die Übertragung eines Fernsehbildes fest, u.a.: Art der Farbmodulation (PAL, NTSC oder SECAM) Bildwiederholfrequenz (Bilder pro Sekunde) Zeilenzahl des Bildes Bildseitenverhältnis (16:9, 4:3) Stammen aus frühen Zeiten des Röhrenfernsehens Für einfache Schaltungen in darstellenden TV Geräten entwickelt Auf geringe Übertragungsbandbreite ausgelegt Sind Kontinent und Länderspezifisch Westeuropa: PAL B/G, 625 Zeilen, 50 Halbbilder/Sekunde USA: NTSC, 525 Zeilen, knapp 60 Halbbilder/Sekunde Von allen aktuellen Fernsehern unterstützt Auch von HDTV Fernsehern Sind langsam auf dem Rückzug Ab 2012 Abschaltung der analogen Fernsehübertragung Führen zu Verkomplizierungen und Problemen der Thematik Video am Computer Keine einheitliche Übertragung der analogen Normen in digitale Herstellerspezifische Lösungen bei der Umwandlung 1

2 Kenngrößen eines Digitalvideos 8 Kenngrößen eines Digitalvideos Eigenschaften der Einzelbilder 9 Ein Video besteht aus n hintereinander wiedergegebenen Einzelbildern: Frames Daher werden die Eigenschaften eines Videos bestimmt durch: Eigenschaften der Einzelbilder Anzahl an Einzelbildern pro Sekunde Auch Framerate / Frames per Seconds (fps) Ist in einem Video eine konstante Größe Ab ca. 20 fps entsteht der Eindruck eines flüssigen Bildes Verwendeter Kompressionsalgorithmus Datenrate Es gelten die Parameter für Bilder (vgl. Vorlesung 8) Breite, Höhe in Pixeln Farbtiefe (meist TrueColor) Zusätzlich, u.a. um Fernsehstandards gerecht zu werden: Bild Seitenverhältnis (DAR) Pixel Seitenverhältnis (PAR) Progressive oder Interlaced Mode später Meist irrelevant: Auflösung in dpi Alle Einzelbilder in einem Video haben die gleichen o.g. Eigenschaften Auflösung: Breite, Höhe 10 Pixel-Seitenverhältnis (= Pixel Aspect Ratio, PAR) 11 Höhe auch Zeilenzahl genannt Ein primäres Qualitätskriterium Beispiel digitalisiertes PAL Video (abgeleitet aus Fernsehnorm): Breite 768, 720 oder 704 Pixel (je nach Hardware) Höhe 576 Pixel (625 Zeilen minus Austastlücke) Computerbildschirme, Digitale Fotografie, Print: Pixel sind quadratisch Im Videobereich verbreitet: nicht quadratische, rechteckige Pixel (auch bezeichnet als anamorphes Video) Ziel: u.a. Zeilenzahl konstant halten bei unterschiedlichem Bild Seitenverhältnis (Abwärtskompatibilität) Berechnung: PAR = Höhe:Breite eines Pixels (Höhe=1) Unterschiedliche Breiten, PAL aber immer 4:3!? PAR = 1:0,9 (Standard bei 4:3) PAR = 1:1,2 (z.b. 16:9 PAL DVD) PAR = 1:1,5 (z.b. 4:3 PAL SVCD) Bild-Seitenverhältnis (= Display Aspect Ratio, DAR) 12 Progressive Mode 13 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch) Fortschreitende ( normale ) Speicherung der Frames Kennzeichen: p hinter der Zeilenzahl (z.b. 576p) Vorteile: Ideale Darstellung auf Computermonitor und Kinoleinwand Einfache Handhabung auf dem Computer (z.b. Screenshots) Einzelbildauflösung entspricht Videoauflösung Nachteile: Schlechtere zeitliche Auflösung bei gleicher Datenmenge wie Interlaced (=schnelle Bewegungen können Ruckeln) 4:3 16:9 2

3 Interlaced-Mode Kennzeichen: i hinter Zeilenzahl (z.b. 576i) Ergibt sich aus Aufbau Fernsehbildes 1 Frame aus 2 Halbbildern ( Fields ) Ungerade Bildzeilen Halbbild A; Gerade Bildzeilen Halbbild B Halbbild 1 14 Interlaced-Mode Flüssigere Bewegungen ohne Verdopplung des Speicherplatzes Probleme: Zeitlicher Versatz bei der Aufnahme 15 Einzelne Frames aus Sequenzen mit schneller Bewegung weisen Kammmuster auf Volle Vertikale Auflösung von Einzelframes nur bei nichtbewegten Motiven, sonst halbiert sich die Höhe! Deinterlacen nötig (z.b. Halbierung der Zeilenzahl, Interpolation) Halbbild 2 (wenige ms später aufgenommen) Interlaced Frame Interlaced Frame, Even Field First Even Field 18 Odd Field 19 3

4 Datenrate (Bitrate) 20 Datenrate (Bitrate) 21 Wichtige Größe bei digitalem Video Berechnung des zu erwartenden Platzbedarfs eines Videos, wenn Datenrate und Länge bekannt Verifizierung, ob Hardwareanforderungen insb. der Festplatte oder bei Netzwerkverbindungen ausreichen Qualitätsmerkmal: Hohe Datenrate für hohe Qualität nötig (aber keine Garantie) Zu hohe Datenrate beim Aufzeichnen / Wiedergeben: Dropped Frames Üblich: Angabe meist in Daten je Sekunde Gebräuchliche Einheiten: Kbit/s, KB/s, MB/s, Mbit/s,... Kann: Im ganzen Video konstant sein (Constant Bit Rate) Je nach Bildinhalt variieren (Variable Bit Rate) Berechnung (Größe eines einzelnen Frames) * (Frames pro Sekunde) (Größe der Videodatei) / (Länge der Datei in Sekunden) Beispiel PAL Video Breite 720 * Höhe 576 = Pixel/Frame 3 Farben => 3 Byte => * 3 = 1,24 MB/Frame 25 Frames/Sekunde => 1,24 MB * 25 = 31 MB/s! Ein 2 Stunden Spielfilm = 223 GB!? (entspricht der Kapazität von etwa 50 DVDs) Kompression 22 MPEG 27 Einfachste Idee: Frames einzeln mit JPEG Algorithmus komprimieren Heißt MJPEG (Motion JPEG) Vorteile: Alle Vorteile der JPEG Kompression Einfache Hardwarelösungen Gut für Videoschnitt (framegenaue Bearbeitung) Nachteile: Nicht standardisiert Keine optimale Kompression (TV Qualität: ab ca. 3 MB/s 10 GB/h) Anwendung: Frühe/Preiswerte Schnittlösungen für den PC Broadcast Bereich Bisher: Frames einzeln komprimiert Aber: Aufeinanderfolgende Frames ähneln sich oft stark ( zeitliche Redundanz ) ausnutzen! Frame 1 Frame 2 Stehenlassen Speichern MPEG Noch besser: Bewegte Objekte erkennen Diese Objekte nur einmal, dafür mit Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit speichern 28 MPEG - Framearten In MPEG Videos gibt es unterschiedliche Arten von Frames: I Frames = Intra Coded Frames, auch genannt Keyframes Vollständig gespeicherte Frames Regelmäßig nötig Bei Szenenwechseln Zur Erhaltung der Darstellungsgenauigkeit 29 P und B Frames = Predictive / Bidirectional Predictive Frames unvollständig gespeichert Enthalten nur Differenzinformationen zu vorhergehenden bzw. nachfolgenden Frames 4

5 MPEG - GOPs 30 Die Framearten sind in regelmäßigen, wiederkehrenden Gruppen angeordnet = GOP Group of Pictures Beginnen immer mit einem I Frame Sind in manchen MPEG Varianten (wie z.b. auf einer DVD) fest vorgegegeben Beispiel: I P P P I P P P P I Kompressionsartefakte MPEG 4 MPEG-Standards 33 Bessere Kompressionsraten bei gleicher Qualität Auch für HDTV geeignet Verwendet bspw. für mobile Endgeräte, H.264 Blu Ray Digitale HD Videoübertragung über Satellit (DVB S2) Standard Eigenschaften Anwendung MPEG 1 MPEG 2 Ältester Standard, Auflösung 352*288, kein Interlacing, einfache Hardware(de)komprimierung, Geringe Datenraten von 1,2 Mbit - 3 MBit Video-CD Verbesserungen gegenüber MPEG 1 für SVCD, DVD, DVB, HDTV Fernsehbilder, Interlacing, unterschiedliche (ursprünglich), professionelle PAR, hohe Auflösungen (von 352 bis über 1000 Videoproduktion (nur I- Zeilen für HDTV) Frames) MPEG 4 Verbesserungen gegenüber MPEG 2 für geringe Auflösungen; streamfähig, DRM, DivX, XviD, Handyvideos, versch. Audiokompressionen, verschiedene DVB, HDTV (H.264), Video on Sub-Standards zur Videokompression (H.263, Demand,... neuer: H.264) MPEG-Zusammenfassung Dateiformate für MPEG-2 Video 34 Optimales Qualitäts Platz Verhältnis Anpassbar für verschiedenste Anwendungen (MPEG1 MPEG4) Framegenaues Spulen/Schneiden beim Einsatz von P und B Frames generellschwierig MPEG Kompression ca. 25:1 Codieren und Dekodieren > Videocodec.mpg (kann auch MPEG 1 oder MPEG 4 sein).mpeg (kann auch MPEG 1 oder MPEG 4 sein).m2v (MPEG 2 Elementary Video Stream).m2a (MPEG 2 Elementary Audio Stream).m2s (MPEG 2 Elementary Data Stream).ts (MPEG 2 Transport Stream).ps (MPEG 2 Program Stream).vob (DVD Video Object) 5

6 Zusätzliche Informationen im Video MPEG Standards Wiederholung Metadaten: Bilder: EXIF, IPTC, (XMP) Audio: ID3 Tag Zusatzdaten Video: Analog: Austastlücke enthält Videotext Infos zu Sendungen, Zeit NextView: Elektronische Programmzeitschrift für das analoge Fernsehen Wird auf den analogen Kanälen von Kabel 1 übertragen Digital: umfangreiche Möglichkeiten der Datenübertragung Beispiel: EPG Electronic Program Guide, MHP Multimedia Home Platform, Softwareupdates Metadaten in Videodokumenten bisher nicht einheitlich vorgesehen MPEG 7: kein Kompressionsstandard für Video Eigentlich: Multimedia Content Description Interface Standard zur Beschreibung von Multimedialen Inhalten (Metadaten) Basis XML Extensible Markup Language Regelt: Beschreibung von Inhalten, strukturell und semantisch Organisation von Inhalten Zugriff auf Daten 7/mpeg 7.htm 7 Containerformate Sind selbst kein Kompressionssystem, sondern Kapseln Videound Audio und ggf. weitere Daten Populäres Beispiel: AVI Kann von unkomprimiertem Video über DV Video bis hin zu MPEG4 alles enthalten Codecs zum Abspielen nötig Treiber zur Kompression und Dekompression von Videomaterial Player Programme teilen sich unter Windows diese Treiber Separate Codecs für Video/Audio möglich Weitere Containerformate: Quicktime, ASF, MXF (Profiformat) 38 HDTV High Definition TeleVision Fernsehnorm mit erhöhter Bildauflösung Sammelbegriff: HDTV typisch sind: Pixel (HDTV 720p) Pixel (HDTV 1080i) 16:9 PAL vs. HDTV 6

7 3DTV Shutterbrille Stereoskopische Darstellung von Videos Für jedes Auge getrennt Unterschiedliche Verfahren: Anaglyph: Halbbilder farblich getrennt und überlagert dargestellt Rot/Grün, Rot/Cyan, Bernstein/Blau Polarisationsverfahren: Bild für linkes und rechtes Auge werden parallel über zwei Projektoren erzeugt, linkes und rechtes Bild sind Phasenverschoben (linear oder zirkulär) Anzeige über Polfilterbrillen Je nach Polarisationsart ist Kopfwackeln problematisch Interferenzverfahren: bestimmte Wellenlängen werden herausgefiltert Filterung über Spezialbrille, Vorteil des Verfahrens: Kopfneigung problemlos Zeitlich versetzt: Bild für linkes und rechtes Auge wird zeitversetzt übertragen Anzeige über Schutterbrille Bildquelle: Wikipedia ( Digitale Fernsehübertragung Was steckt hinter DVB C, DVB S und DVB T DVB Digital Video Broadcasting Nicht auf Video beschränkt, digitale Hörfunkprogramme, interaktive Dienste ebenfalls möglich DVB C(able) Digitale Videoübertragung über Kabel (digitales Kabelfernsehen) Meist MPEG2, MPEG4 auch möglich Kabelreceiver notwendig 44 Rückkanal möglich Internet über Kabelmodem Digitale Fernsehübertragung Was steckt hinter DVB C, DVB S und DVB T DVB Digital Video Broadcasting DVB C(able) DVB S(atellit) Digitales Satellitenfernsehen Großer Frequenzbereich Übertragung mehrerer Programme auf einem Transponder Je Satellit etwa 100 Transponder möglich In Deutschland interessant Astra, Eutelsat Datenrate ca. 7 8MBit/s MPEG 2 DVB S2: Weiterentwicklung HD Unterstützung, MPEG 4 45 Digitale Fernsehübertragung Digitale Videoübertragung 46 Was steckt hinter DVB C, DVB S und DVB T DVB Digital Video Broadcasting DVB C(able) DVB S(atellit) DVB T(errestrisch): erdgebundene Übertragung digitalen Videos Ähnlich Rundfunkübertragung UKW, VHF Effizienter: 4 Programme pro Kanal Datenraten pro Kanal zwischen 12 und 20 Mbit/s, Nordrhein Westphalen: 12.75Mbit/s, Berlin: 14.75Mbit/s, hängt von Senderdichte ab > pro Programm ca Mbit/s Vergleich: PAL Qualität benötigt ungefähr 3 5Mbit/s, DVD bis zu 9.8Mbit/s Zur Zeit Arbeit an DVB T2: ermöglicht unter Anderem HDTV soll angeblich Ende 2009 verfügbar sein Programmstrom: für Medien mit geringer Fehlerhäufigkeit DVD, Festplatte, Video CD Transportstrom: für eher fehleranfällige Medien DVB (T, S, C) paketorientiert Pakete verschiedener Sender in einem Transportstream Bei Aufnahme werden meist die Pakete des jeweiligen Senders aufgenommen Für Videoschnitt ist Umwandlung notwendig 7

8 Digitaler Videoschnitt + DVD Authoring einer aufgezeichneten Fernsehsendung Software Vorgehensweise (MPEG 2): 1. Transportstream demuxen 2. Video+Audio schneiden 3. DVD erstellen Transportstream Video+Audio Pakete Demux Video Audio Schnitt Vi de o Au di o DVD Authoring Erstellen von Kapiteln, Wiedergabeoptionen DVD Erstellung Zusammen führen von Audio & Video Transponderstream umwandeln: PVAStrumento ProjektX Multimediaplayer: VideoLAN VideoSchnitt: MPEG2Schnitt Cuttermaran DVD Authoring: (GUI for) DVDAuthor DVDFlick Adobe Encore DVD (30 Tage Testversion) Zusammenfassung Video: Bewegte Bilder (+ Ton) Digitales Video folgt analogen Fernsehnormen Auflösung, Farbcodierung außerdem länderspezifisch (NTSC, PAL) Digitales Video, Kenngrößen: Abfolge von n Bildern pro Sekunde (Frames per second) Bilder alle gleich groß Bildseitenverhältnis (DAR) und Pixelseitenverhältnis (PAR) Pixel nicht quadra sch Wahrung DAR Interlaced vs. Progressive Formate: DV, MPEG1, MPEG2, MPEG4, AVI (Container) Digitale Videoübertragung: DVB (T, C, S) HDTV: Erhöhung der Bildgröße 8