Verlustbehaftete Kompression bei Multimedia

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1 Modul 114 Codes, Kompressions- und Verschlüsselungsverfahren einsetzen Verlustbehaftete Kompression bei Multimedia V1.2 Technische Berufsschule Zürich IT Seite 1

2 Farbtheorie Anwendung: Bildschirm/Beamer Cyan Gelb Weiss Magenta Y U Helligkeits- Information (Luminanz) Farbinformation Teil 1 (Chrominanz R ) V Farbinformation Teil 2 (Chrominanz B ) Anwendung: Drucker Anwendung: Television/JPEG-Komprimierung Technische Berufsschule Zürich IT Seite 2

3 Das YUV-Format + Graustufenbild (zb. für alte TV-Geräte, Abwärtskompatibilität) + Optimal für Datenreduktion! Das Auge hat für Graustufen (Hell/Dunkel) eine höhere Empfindlichkeit als für Farben! - Bild muss für die Darstellung auf dem Bildschirm/Beamer wieder in ein RGB-Bild zurückgerechnet werden! RGB zu YUV Wandlung YUV zu RGB Wandlung Rechnungsbeispiel Technische Berufsschule Zürich IT Seite 3

4 Kinofilm und Video Perforation für Filmtransport Tonspur 16mm (3072 Pixel) 22mm (4096 Pixel) (ca. 12 MegaPixel) ca. 1:1.3 Bei der Wahl der Kamera ist nicht nur die Anzahl Megapixel in der Auflösung entscheidend, sondern vielmehr die Wandlergrösse und Qualität der Optik! Filmkamera Acres Kinetic (1895) 35mm (Fullscreen) Wandlergrössen Technische Berufsschule Zürich IT Seite 4

5 Fernsehnormen Modul 114: Codes, Kompressions- und Verschlüsselungsverfahren einsetzen Kompression Interlaced Mode = Halbbilder nacheinander (ungerade/gerade Zeile) Progressive Mode = Ganze Bilder nacheinander Overscan (Am Beispiel von HD720) (Sicherer Titelbereich = Relikt aus alten Röhrenbildschirmzeiten) Overscan 1280px Bildwiederholfrequenz: ab 12 Bilder/sec. für flüssige Bewegung (Für flimmerfreies Fernsehen mind. 50 Bilder/sec.) 50 Bilder/sec. = 50Hz Overscan 720px Overscan Overscan Technische Berufsschule Zürich IT Seite 5

6 Fernsehnormen Verbreitung Europa, Brasilien, China, Indien USA, Japan, Kanada Zum Vergleich: Kino weltweit! SD 4:3 (Standarddefinition) PAL 720 x 576 (1.067**) 50 Halbbilder/sec. NTSC 720 x 480 (0.9**) 60 Halbbilder/sec. Klassisch: 12,5:9 Breitbild: 15:9 Breitbild: 16,65:9 HD720p, 16:9 (Highdefinition, Progressive) 1280 x Vollbilder/sec. ca. 19Mb/sec* 1280 x Vollbilder/sec. ca. 19Mb/sec* Cinemascope: 21:9 (Anamorphe**/Quadratische Verfahren) HD1080i, 16:9 (Highdefinition, Interlaced) 1920 x Halbbilder/sec. ca. 25Mb/sec* 1920 x Halbbilder/sec. ca. 25Mb/sec* 2048Pixel/Zeile (2k) 4096Pixel/Zeile (4k) 24 Vollbilder/sec. * Datenrate High Definition DigitalVideo-Komprimierung MPEG2 H14 ** Anamorph: nicht quadratische Pixel Weitere HD-Formate 720i und 1080p: Anamorphe Aufzeichnung: Weitere Fernsehnormen: SECAM Verbreitung Frankreich und ex. Kolonien, Russland Bild wird so aufgenommen Bild wird so projeziert Technische Berufsschule Zürich IT Seite 6

7 Fernsehnormen (S-Video und Composit-Signal) PAL, NTSC und SECAM haben verschiedene Modulationsverfahren, die untereinander nicht kompatibel sind: Komprimierung (Genereller Ablauf) Entspricht nicht mehr dem Original bei verlustbehafteter Komprimierung! Bild komprimieren Originalbild Speichermedium Bild dekomprimieren Bild Technische Berufsschule Zürich IT Seite 7

8 Übersicht Kompression Videodaten komprimieren verlustlos Intraframe Bildkomprimierun g innerhalb eines Bildes verlustbehaftet Interframe Bildkomprimierung innerhalb einer Bildfolge VLC Huffmann RLC ZLW Intraframe Interframe Subsampling (Unterabtastung) Transformation DCT Prädiktion DPCM Legende: VLC: Variable Length Coding RLC: Run Length Coding ZLW: Ziv Lempel Welch Subsampling: Unterabtastung in den Chrominanzkanälen DCT: Diskrete Cosinus Transformation DPCM: Differentielle Pulse Code Modulation Unidirektional Bildkomprimierung in Bezug auf das Folgebild Unidirektional Bidirektional Bidirektional Bildkomprimierung in Bezug auf das vorangegangene und das darauffolgende Bild Technische Berufsschule Zürich IT Seite 8

9 Beispiel Subsampling 4:1:1 (Unterabtastung) Luminanz Chrominanz R Chrominanz B Bei den beiden Farbkanälen wird nur der Wert jedes vierten Pixel gespeichert! Somit wurden die anfallenden Daten um die Hälfte reduziert! Vollauflösung 25%Auflösung 25%Auflösung Keine Reduktion: 100% + 100% + 100% = 300% 4:1:1 Reduktion: 100% + 25% + 25% = 150% Subsampling ist eine verlustbehaftete Datenreduktion. Allerdings merkt man kaum etwas davon, weil das Auge für Farben weniger empfindlich ist wie für Grauwerte! Alle möglichen Subsamplingvarianten: 4:4:4 Keine Unterabtastung Keine Reduktion in Farbkanälen -> Studiobereich 4:2:2 Unterabtastung in beiden Farbkanälen 2:1 Abtastverhältnis; Norm ITU-R BT.601; Professionelle Videokameras 4:1:1 Unterabtastung in beiden Farbkanälen Die Chrominanz-Bandbreite und damit die horizontale Farbauflösung ist gegenüber dem 601-Signal halbiert; Digitale Consumer Kameras TV-NTSC 4:2:0 Unterabtastung in beiden Farbkanälen alternierend Reduktion der Farbauflösung in der Vertikalen, da Farbdifferenzsignale zeilenweise abwechselnd und nicht in jeder Zeile gleichzeitig übertragen werden. Digitale Consumer Kameras in TV-PAL Intraframekomprimierung bei JPG (siehe DCT-Demo!) Subsampling / DCT / Quantisierung / Zick-Zack-Scan / DPCM + RLE / Entropie-Kodierung (Huffmann) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 9

10 Interframe Komprimierung Im Gegensatz zur Intraframekomprimierung (zb. DCT oder Subsampling bei JPG) wird bei der Interframe- Komprimierung eine Folge von Bildern zur Datenreduzierung herbeigezogen. Z.B. werden Ähnlichkeiten in Bildfolgen ausgenutzt, die sehr häufig sind, wenn sich im Film kaum etwas bewegt! In Regelmässigen Abständen muss ein I-Frame folgen, damit bei defekten P-Frames spätestens beim I-Frame wieder geordnete Verhältnisse bestehen. Vergleiche: Differentieller Backup Vollbild I-Frame Differenzbilder, P-Frames GOP-Sequenz (Group of Pictures) MPEG2 (Verwendet bei Video-DVD s) Bei MPEG2 kommen Intraframe- und Interframe- Komprimierungsverfahren zur Anwendung! Datenreduktion (zb. PAL-Film) 2Mbps.. 10Mbps (je nach Qualität) (Zum Vergleich: Unkomprimiertes TV PAL 720 x 576 x 25fps ergibt ca. 250Mbps) I-Frames Intraframe codierte Bilder ohne Prädiktion P-Frames Bilder mit unidirektionaler Prädiktion Vergleich zum nächsten Bild B-Frames Bilder aus bidirektionaler Prädiktion Vergleich ein Bild vor und ein Bild zurück Technische Berufsschule Zürich IT Seite 10

11 Audio Menschliches Hörvermögen : 20Hz bis 20kHz Digitalisieren von Audio CD-Eckdaten Sampling-Frequenz : 44,1 khz Quantisierung : 2 16 =65536 Stufen (=16Bit) Anzahl Kanäle : Stereo (2) Weitere: Telefonie : CD : DVD : AudioDVD : Studio : 8Bit bei 8kHz 16Bit bei 44.1kHz 16Bit bei 48kHz 24Bit bei 192kHz 16/20/24Bit bei 48/96/192kHz Audiosignal Rot Samples (bei CD-Qualität: pro Sekunde) Audiosignal Rot : Quantisierung (bei CD-Qualität: 16 Bit) Audiosignal Rot : Codierung (zb. Dualcode) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 11

12 Audiokomprimierung MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) Verlustbehaftete Kompression digital gespeicherter Audiodaten. Verfahren: Ausnutzung von psychoakustischen Effekten der Wahrnehmung: Zwei Töne erst ab gewissen Mindestunterschied der Tonhöhe (Frequenz) voneinander unterscheidbar Schlechte oder keine Wahrnehmung von kurzen leisen nach sehr lauten Geräuschen Es reicht, nur die Signalanteile die das menschliche Gehör auch wahrnehmen kann, abzuspeichern. Wie bei der MPEG-2 kann bei der Komprimierung eine konstante oder variable Bitrate gewählt werden. Qualitätsbereich (Bitrate): 8 kbit/s 320 kbit/s Achtung: Zu starke Komprimierung kann zu Artefakten führen! MP3 ab Bitrate von 160 kbit/s normalerweise kein Unterschied mehr zum Original hörbar! Nachfolger von MP3 ist AAC (Advanced Audio Coding) Komprimierungsvorgang bei MP3 1. Differenzbildung 2. Frequenzgang abgeschnitten auf 20Hz.. 18kHz 3. Maskierungseffekte 4. Huffmann Entropiekodierung DVD und Blue-ray Blue-ray Single Layer: Blue-ray Dual Layer: 25 GB 50 GB Eine DVD besteht aus: AUDIO_TS (Audio Title Sets). VIDEO_TS (Video Title Sets) xxx.ifo Diese Datei enthält InFOrmationen xxx.bup xxx.vob BackUP der Dateien Enthält die Video-Objekte Die VOB-Datei besteht aus: 1..n ILUV s (Interleaved Video Units) besteht aus einer VOBU s (Video Object Units) besteht aus einem Navigations Pack und 1..n GOP s GOP besteht aus Video-, Audio- und Subtitle-Packs Technische Berufsschule Zürich IT Seite 12

13 Anhang: Im Folgenden wird eine Bilderserie über die «verlustbehaftete Komprimierung beim JPEG-Format» Anhand des Java-Applets DCT-Demo gezeigt: Dies ist eine reine Intraframe-Komprimierung und bedient sich verschiedenen Techniken wie Subsampling DCT mit anschliessender Quantisierung RLC VLC (Huffman) Das Java-Applet DCT-Demo kann als V-Anwendung vom Schulserver aus gestartet werden! Technische Berufsschule Zürich IT Seite 13

14 Subsampling! Technische Berufsschule Zürich IT Seite 14

15 Bild vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transfor- Mieren. Bei JPG in 8x8-er Blöcke! Technische Berufsschule Zürich IT Seite 15

16 Quantisieren der Matrixwerte mit Qualität Mittel Technische Berufsschule Zürich IT Seite 16

17 Zum Vergleich: Quantisieren der Matrixwerte mit Qualität Niedrig Technische Berufsschule Zürich IT Seite 17

18 Zum Vergleich: Quantisieren der Matrixwerte mit Qualität Maximal Technische Berufsschule Zürich IT Seite 18

19 Optimales Auslesen der Matrixwerte Technische Berufsschule Zürich IT Seite 19

20 Zusammenfassen gleicher Werte mit RLC Technische Berufsschule Zürich IT Seite 20

21 Huffman- Codierung Technische Berufsschule Zürich IT Seite 21

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