Digitale Medien. 9. Digital Video

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1 Digitale Medien 9. Digital Video

2 Übersicht 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

3 Was ist Video? 3 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 Analoges Video entwickelt sich seit den 1930er Jahren 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

4 Aufbau des analogen Fernsehbildes 4 Zeile Vertikale Austastlücke Zeilenrücklauf Zweites Halbbild Erstes Halbbild Zeilensprungverfahren (Interlacing)

5 Analoge Fernsehnormen 5 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

6 Analoge Fernsehnormen 6 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 Seit 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

7 Kenngrößen eines Digitalvideos 8 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

8 Kenngrößen eines Digitalvideos Eigenschaften der Einzelbilder 9 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

9 Auflösung: Breite, Höhe 10 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) > SAR (Storage Aspect Ratio) Unterschiedliche Breiten, PAL aber immer 4:3!?

10 Pixel-Seitenverhältnis (= Pixel Aspect Ratio, PAR) 11 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) 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)

11 Bild-Seitenverhältnis (= Display Aspect Ratio, DAR) 12 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch) 4:3 (1,33:1) 16:9 (1,85:1)

12 Bild-Seitenverhältnis (= Display Aspect Ratio, DAR) 13 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch) 21:9 (2,35:1)

13 Progressive Mode 14 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)

14 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 15 Halbbild 1 Halbbild 2 (wenige ms später aufgenommen) Interlaced Frame

15 Interlaced-Mode 16 Flüssigere Bewegungen ohne Verdopplung des Speicherplatzes Probleme: Zeitlicher Versatz bei der Aufnahme 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)

16 17

17 Interlaced Frame, Even Field First 18

18 Even Field 19

19 Odd Field 20

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)

21 Datenrate (Bitrate) 22 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)

22 Kompression 23 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

23 MPEG 28 Bisher: Frames einzeln komprimiert Aber: Aufeinanderfolgende Frames ähneln sich oft stark ( zeitliche Redundanz ) ausnutzen! Frame 1 Frame 2 Stehenlassen Speichern

24 MPEG Noch besser: Bewegte Objekte erkennen Diese Objekte nur einmal, dafür mit Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit speichern 29

25 MPEG - Framearten 30 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 P und B Frames = Predictive / Bidirectional Predictive Frames unvollständig gespeichert Enthalten nur Differenzinformationen zu vorhergehenden bzw. nachfolgenden Frames

26 MPEG - GOPs 31 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...

27 32 Kompressionsartefakte

28 MPEG 4 Bessere Kompressionsraten bei gleicher Qualität Auch für HDTV geeignet Etwa 3x höhere Kompressionsrate als MPEG 2 Verwendet bspw. für mobile Endgeräte, H.264 Blu Ray Digitale HD Videoübertragung über Satellit (DVB S2) Enthält Audiodaten in unterschiedlichen Formaten, bspw.: Verlustfrei komprimiert: Audio Loosless Coding (ALS) Verlustbehaftet komprimiert: Advanced Audio Coding (ACC)

29 MPEG 4 Codecs DivX Xvid HDX4 3ivx H.264 x264 Open Source Encoder für H.264 Nero Digital Video (ASP, H.264)

30 MPEG-Standards 35 Standard Eigenschaften Anwendung MPEG 1 Ältester Standard, Auflösung 352*288, kein Interlacing, einfache Hardware(de)komprimierung, Geringe Datenraten von 1,2 Mbit - 3 MBit Video-CD MPEG 2 MPEG 4 Verbesserungen gegenüber MPEG 1 für Fernsehbilder, Interlacing, unterschiedliche PAR, hohe Auflösungen (von 352 bis über 1000 Zeilen für HDTV) Verbesserungen gegenüber MPEG 2 für geringe Auflösungen; streamfähig, DRM, versch. Audiokompressionen, verschiedene Sub-Standards zur Videokompression (H.263, neuer: H.264) SVCD, DVD, DVB, HDTV (ursprünglich), professionelle Videoproduktion (nur I- Frames) DivX, XviD, Handyvideos, DVB, HDTV (H.264), Video on Demand,...

31 MPEG-Zusammenfassung 36 Optimales Qualitäts Platz Verhältnis Anpassbar für verschiedenste Anwendungen (MPEG1 MPEG4) Framegenaues Spulen/Schneiden beim Einsatz von P und B Frames generell schwierig MPEG Kompression ca. 25:1 Codieren und Dekodieren > Videocodec

32 Dateiformate für MPEG-2 Video.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)

33 Zusätzliche Informationen im Video 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, Softwareupdates Metadaten in Videodokumenten bisher nicht einheitlich vorgesehen

34 MPEG Standards 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

35 Containerformate 40 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)

36 HDTV High Definition TeleVision Fernsehnorm mit erhöhter Bildauflösung Sammelbegriff: HDTV typisch sind: Pixel (HDTV 720p) Pixel (HDTV 1080i) 16:9

37 PAL vs. HDTV

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39 3DTV 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

40 Shutterbrille Bildquelle: Wikipedia (

41 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 46 Rückkanal möglich Internet über Kabelmodem

42 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 47

43 Digitale Fernsehübertragung 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 48 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 bei HD reduziert sich die Zahl der Sender pro Transponder Insgesamt Qualität gegenüber DVB S und C schlechter

44 Digitale Videoübertragung 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

45 Hybrid-TV Hybrid broadcast broadband TV (HbbTV), Smart TV Vermischung von Fernseh und Internetinhalten Ablösung von Multimedia Home Plattform (MHP) Darstellung von Online Inhalten auf dem Fernsehgerät Verbesserte Navigation Zugriff auf Mediathek Verschmelzen von Webseiten und Fernsehbildern, bspw. Einbettung von Fernsehbild in eine Webseite Bessere Darstellung (Ablösung) von Teletext, bspw. angereichert mit Graphiken

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47 Digitaler Videoschnitt + DVD Authoring einer aufgezeichneten Fernsehsendung Vorgehensweise (MPEG 2): 1. Transportstream demuxen 2. Video+Audio schneiden 3. DVD erstellen Demux Schnitt DVD Authoring DVD Erstellung Transportstream Video+Audio Pakete Video Audio Vi de o Au di o Erstellen von Kapiteln, Wiedergabeoptionen Zusammen führen von Audio & Video

48 Software Transponderstream umwandeln: PVAStrumento ProjektX Multimediaplayer: VideoLAN VideoSchnitt: MPEG2Schnitt Cuttermaran DVD Authoring: (GUI for) DVDAuthor DVDFlick Adobe Encore DVD (30 Tage Testversion)

49 Videoaufnahme Wichtiges Zubehör: Stativ, ev. Linsen, Beleuchtung, Akkus Grundsätzliches: Ton, ev. Zusätzliches Mikrophon mehrere Kameras Beleuchtungstechnik Effekte bei der Aufnahme (sparsam und immer begründet einsetzen): Kameraschwenk: wenn Motive zu groß sind und bei Totale zu klein wären, am besten in Leserichtung von links nach rechts Zoom: möglichst vom Objekt weg > Erst das wesentliche Detail, dann die Umgebung Indexvektor: dem Blick einer Person folgen

50 Videoschnitt Vorgehen: Grobschnitt > Feinschnitt Grobschnitt: Auswahl der wichtigsten Szenen, die die Kernaussage des Films tragen des Füll und Übergangsmaterials Feinschnitt: nach der groben Ordnung der Szenen > Anpassung der Schnitte Ein Film braucht eine Logik im Ablauf Überblendungen: sollten begründet eingesetzt werden, haben eine Wirkung! Vermeidung von Dingen, für die Hintergrundwissen notwendig ist Nicht mehrere Schwenks hintereinander. Dazwischen sollten ruhigere Aufnahmen stehen Ton: Hintergrundmusik sollte zum Film passen und nicht zu laut sein Gesamtlautstärke: 12dB, entspricht der Lautstärke von Fernsehsendungen Bitte nicht in MPEG abspeichern! Original: c't-special Digital-Video

51 Software für Videoschnitt Frei: VirtualDub AVIDemux Pinnacle VideoSpin (Registrierung erforderlich) Windows Movie Maker Lightworks (Light Version kostenlos) Kostenpflichtig: Adobe Premiere Apple Final Cut Pro Magix Video Pro Übersicht unter:

52 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

53 Semesterprojekt: Webseite Erstellung des Medienprodukts Webseite (HTML): eportfolio in dem Sie sich vorstellen (Wer Sie sind, Welche Interessen Sie haben, Welche Projekte Sie gemacht haben: Hausarbeiten, andere Medienprojekte, Abschlussarbeiten, Vorträge nur posi ve Aspekte ) Alternativen sind möglich Bedingungen: 3 Medien müssen verwendet werden (aus Text, Bild, Audio, Video) Die Medien sollen zu Ihnen und Ihrem kommunikativen Ziel passen Farben, Schriftart, Schriftschnitt, Aufbau, etc. Die Medien müssen von Ihnen stammen und von Ihnen bearbeitet worden sein Kurze Begründung zum Medieneinsatz