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1 Neue Technologien im Internet und WWW Thema: Videokodierung (Alexander Endter) 1 Seminar Wintersemester 2003/04 Dr. rer. nat. Harald Sack Institut für Informatik Universität Jena

2 Gliederung I 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbräume 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 2

3 Einleitung - Rückblick Vor Videokodierung hauptsächlich Audio- & Bildkodierung Jetzt bewegte Bildsequenzen mit synchronem Ton Für Übertragung im Internet war die Bandbreite zu gering (ISDN/DSL erst später)? 3

4 Einleitung Motivation 4 Worum geht es? Bild- und Videodaten abspeichern Mit geringem Platzbedarf Schneller Zugriff / Übertragung Hohe Bildqualität Dazu brauchen wir: Einheitliches Datenformat Audio-, Bildkomprimierung (siehe vergangene Vorträge) Videokomprimierung

5 Gliederung II 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbraum 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 5

6 Visuelle Wahrnehmung & analoges TV Das menschliche Auge ist träge! Ab 16fps - Schein eines kontinuierlichen Stromes Fernsehstandards PAL/NTSC Alle 20ms ein Halbbild gesendet 2mal 25/30Hz ergeben 50/60Hz ungerade gerade PAL/NTSC-Interlace 6

7 Farbraum YUV-Farbraum Y (Luminanz) Helligkeitskomponente U (Rot-Cyan Balance) 1.Farbkomponente V (Gelb-Blau Balance) 2.Farbkomponente 7 YUV Familie: YUV in PAL eingesetzt YIQ in NTSC eingesetzt (Chrominanzen um 33 verschoben) YCbCr für Digitalisierung entwickelt (Skalierung einzelner Komponenten & Offset für Chrominanzen)

8 Anforderung an Digitalisierung & Komprimierung Mehr als 16 Frames pro Sekunde Das menschliche Auge kann Helligkeit besser auflösen als Farbe An Farbkodierung kann bis zu einem gewissen Grad gespart werden 8 Das menschliche Gehör reagiert auf Übertragungsfehler weitaus empfindlicher als das Menschliche Auge (Audikodierung >> Videokodierung)

9 Gliederung III 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbräume 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 9

10 Warum digitales Video? 10 Hoher Grad an Interaktivität Alle Methoden der DBV anwendbar Keine Kopier- / Speicherverluste Komprimierung möglich (CD-ROM, VCD, SVCD, DVD, HD-DVD*) Über digitale Netze übertragbar (Streaming) Unabhängig von Fernsehnorm (PAL / NTSC /...) Räumliche Skalierbarkeit (Bilder, Auflösung, Farbtiefe) Zeitliche Skalierbarkeit

11 Sampling Video 11 Erfolgt auf der Basis der Luminanz/Chrominanz-Informationen YUV-Signale Evtl. aus RGB-Farbraum umgewandelt Bild dazu in Pixel zerlegt Jeder Pixel hat Y-, U- und V-Wert Reduktion des Datenvolumens Nicht jeder Wert wird gesampelt Sub-Sampling

12 Subsampling / Formatwandlung Helligkeitsinformation wird genauer gespeichert als Farbinformation Farbwerte von Pixeln werden horizontal oder horizontal und vertikal zusammengefasst Verschiedene Abtastraten 12 z.b: Auf je 4 Pixel Helligkeitsinformation kommt je ein Pixel Farbinformation

13 Abtastraten Subsampling I 4:4:4 Luminanzsignal & Chrominanzsignal werden für jedes Pixel erfasst 13 4:2:2 Horizontales Subsampling Je zwei Chrominanzsignale werden zusammengefasst 33% Bandbreite eingespart

14 Abtastraten Subsampling II 4:1:1 4:2:0 Horizontales Subsampling Je vier Chrominanzsignale werden zusammengefasst 50% Bandbreite eingespart Horizontales + vertikales Subsampling Je vier Chrominanzsignale werden zusammengefasst 50% Bandbreite eingespart 14

15 Standards für digitales Video I CCIR / ITU 601 Eigenschaft HDTV NTSC PAL Luminanz 1920x x x576 Chrominanz 960x x x576 Subsampling 4:2:2 4:2:2 4:2:2 Fps Interlace nein ja ja

16 Standards für digitales Video II Eigenschaft CIF QCIF Luminanz 352x x144 Chrominanz 176x144 88x72 Subsampling 4:2:0 4:2:0 Fps Interlace nein nein 16

17 Gliederung IV 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbräume 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 17

18 Video Komprimierungstechniken 18 Auch: Bewegungskompensation / -vorhersage

19 Einfache Techniken 19 Truncation Reduktion der Farbtiefe Datenverlust, aber effizient in Echtzeitverarbeitung Farbpalette Volle 24bit selten verwendet Farbpalette geringerer Farbtiefe verwendet Laufweitenverfahren (Siehe Vortrag Bildkomprimierung ) Identische Farbflächen einer Sequenz komprimiert

20 Farbtiefen Beispiel 8bit Farbtiefe 24bit Farbtiefe 20

21 Interpolative-Verfahren Aus Teilmenge der Bildpunkte - fehlende Bildpunkte berechnet Effizient, da sich viele Bildbereiche über lange Zeit kaum ändern Komprimierung durch Speicherung der Abweichung vom Zwischenbild zum interpoliertem Zwischenbild Subsampling 21

22 Prädiktive-Verfahren 22 DPCM (Differential Pulse Code Modulation) Differenz aufeinanderfolgender Bildpunkte kodiert Starke Reduktion möglich, da Differenz benachbarter Bildpunkte oft sehr klein Bei hohen Kontrasten kaum Einsparungen Aber: Adaptive DPCM An Kontrastreichen Stellen wird die Auflösung erhöht Die Differenz benachbarter Bildpunkte wird geringer Mehr Einsparung möglich

23 Transformations-Verfahren Sinn: Daten transformieren um günstige Ausgangslage für Kodierung / Komprimierung zu erreichen Datentransformation muss reversibel sein Beispiel: Dekorrelation der Bildinformationen 23 Besondere Bedeutung für Video & Bildkodierung hat das DCT (diskrete Cosinus Transformation)

24 DCT I 24 8x8 Eingabematrix Gewichtung der 64 Koeffizienten 8x8 Koeffizientenmatrix (Beträge)

25 DCT II Nur die Beträge der Koeffizientenmatrix werden kodiert Beträge nahe 0 werden für Kodierung ignoriert Komprimierung Informationsverlust bei Dekodierung Muss möglichst klein gehalten werden 25

26 Statische Kodierung / Entropiekodierung Statistische Verteilung der Werte der Bildpunkte Bildpunkte können mit Codes variabler Bitlängen codiert werden Häufig vorkommende Bildpunkte mit Codeworten kürzerer Länge kodiert Komprimierung 26 Beispiel: Huffmann Kodierung

27 Bewegungsvorhersage 27 Beispiel: Bewegung eines Objektes aber Hintergrund kaum Veränderung Fazit: Bewegung = Veränderung der Position best. Bildpunkte durch Helligkeitsänderung dieser BP Wanted: Verfahren welches Helligkeitsveränderungen & deren Ursache innerhalb einer Bildfolge erkennt

28 3 Gruppen von Verfahren I Kontextfreie Prädiktion Vorhersage ohne semantische Information über Bildinhalt Graustufenwerte aufgrund von Nachbarschaftsbeziehungen der BP vorhergesagt 2. Modellbasierte Prädiktion Vorwegnahmen über Bildinhalt wie z.b. Kopf-Schulter-Darstellung Bildinhalt durch geeignete Gitterstruktur modelliert Bewegung durch Vektoren beschrieben

29 3 Gruppen von Verfahren II 3. Objekt- & regionenbasierte Prädiktion Bild in Segmente eingeteilt um Objekte im Segment zu erkennen Erkannte Objekte getrennt voneinander bearbeitet Für Vorhersagebild wird das letzte Einzelbild genutzt und das Differenzbild festgehalten (Picture Differencing) 29

30 Bewegungskompensation 30 Kann keine Bildschnitte bewältigen Teilaufgaben: Vorder- von Hintergrund trennen (Translation) Geradlinige Bewegungen der Kamera erkennen (Rotation) Kameraschwenks erkennen (Skalierung) Zoom erkennen Bewegungserkennung durch Segmentierung Segmente auf Veränderung (Bewegung) prüfen

31 Gliederung V 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbräume 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 31

32 MPEG Moving Pictures Expert Group 1988 gegründet Gemeinsame Arbeitsgruppe von ISO und IEC International Electrotechnical Commission / International Organization for Standardization Legen Dateiformate und Verfahren zum platzsparenden Komprimieren und Speichern von Multimediadaten in hoher Qualität fest 32

33 MPEG Standards MPEG-1 Standard 1992 Anwendung: Abspielen von digitalen Videos MPEG-2 Standard 1995 Anwendung: Digitalfernsehen MPEG-3 Standard in MPEG-2 integriert MPEG-4 Standard 1999 Interaktives Audio und Video über drahtlose Netze und Internet 33 Vor MPEG: JPEG, Motion-JPEG Ausblick: MPEG-7, MPEG-21

34 Anwendungen & Problemfelder bei MPEG-Standard Entwicklung I 34 Speichermedien Videoquelle sollte auf CD platz finden (1.2Mbps) Dies wurde nur durch ein Komprimierungsverhältnis von mind. 200:1 erreicht Random Access Digitales TV (terrestrisch - Hausantenne) Eingeschränktes Frequenzband (20-40Mbps) Ausreichend für mehrere Kanäle Multiplexingverfahren

35 Anwendungen & Problemfelder bei MPEG-Standard Entwicklung II 35 Digitales TV (Kabelbetrieb) Benötigt ununterbrochene fest zugeordnete Leitung Datenfülle macht trotz Glasfasernetze Komprimierung notwendig Ausgereifter Standard notwendig ADSL über Telefonkabel (1.5 bis 6Mbps) HDTV Hohe Qualität, 16:9, 1920x1152 Aufl. Über herkömmliche Frequenzen übertragen Erfordert erhebliche Komprimierungsmethoden

36 Anwendungen & Problemfelder bei MPEG-Standard Entwicklung III Multimediadatenübertragung in Netzen Allgemein akzeptierter Standard für Videokomprimierung wäre nötig Hersteller können Multimediadaten unabhängig von CD & DVD herstellen Medienverbreitung über Netzwerke 36

37 Syntax MPEG-Videostrom 1. Sequenz 2. GOP 3. Picture 4. Slice 5. Makroblock 6. Block 37

38 MPEG-1 Standard Ablauf der MPEG Kodierung Konvertierung des Farbraumes Von 24-Bit RGB nach 4:2:2-YCrCb Informationsverlust aber erste Datenkomprimierung

39 Ablauf der MPEG Kodierung II 2. Aufteilung in Zeilenabschnitte oder Makroblöcke Zur Entdeckung von Bewegung ausschließlich Luminanzkomponente der Makroblöcke notwendig 39 16x16 Luminanzblöcke und 8x8 Chrominanzblöcke

40 Ablauf der MPEG Kodierung III Bewegungsvorhersagealgorithmus Für Objekte im Suchraum Über Suche nach Mehrfachblöcken von BP Luminanzmakroblock verglichen mit umgebenden LMB & mit LMB des Vor/Nachfolgenden Einzelbildes Bei sehr ähnlichen LMB wird der Vektor berechnet & zusammen mit evtl. Differenzinformation kodiert Aufwendig: Suche für jedes Objekt, großer Suchraum Qualität abhängig von Leistungsfähigkeit des Enkodierers & Größe des Suchraums

41 Ablauf der MPEG Kodierung IV Bild N und Bild N+1 Bewegtes Objekt identifiziert Vektor berechnen & kodieren 41

42 Ablauf der MPEG Kodierung V 4. DCT-Transformation Eigenheiten des menschlichen Wahrnehmungssystems ausgenutzt Block von BP ausgehend von Raumkoordinaten in Frequenzbereich transformiert Hochfrequente Bildanteile vernachlässigbar weil diese für menschliches Auge weniger sichtbar 42 Verschiedene Frametypen bei Komprimierung: I-Frame, P-Frame, B-Frame, D-Frame

43 Ablauf der MPEG Kodierung VI 43 I-Frame Intra Coded Picture Ohne Informationen anderer Einzelbilder Standbild JPEG-ähnliche Kompression Bilden Ankerpunkte für random Access P-Frame Predictive Coded Picture Teile können wie in I-Frames kodiert werden Teile können sich auf vorhergehendes I-Frame Speicherung von 1. Bewegungsvektor 2. Differenzen mittels DCT

44 Ablauf der MPEG Kodierung VII 44 B-Frame Bidirectionally Predictive Coded Picture Möglichkeiten wie P-Frame Einbeziehung des nachfolgenden I-Frames bzw. P-Frames möglich D-Frame DC Coded Picture Nur DC-Koeffizienten werden gespeichert Bei schnellem Vorlauf angezeigt Überflüssig bei geeigneter periodischer Speicherung von I-Frames

45 Ablauf der MPEG Kodierung IIX 45 Komprimierungsrate anwendungsabhängig wählbar MPEG erlaubt anwendungsabhängig, beliebige Reihenfolge für die Frames Aufwendiges Umformen fordert großen Speicherplatz Jede Sequenz muss eigene I-Frames enthalten MPEG erlaubt wahlfreien Zugriff auf Videodaten

46 Ablauf der MPEG Kodierung IX 46 Beispiel: B + P-Frame Kodierung

47 Ablauf der MPEG Kodierung X 5. Quantisierung Hochfrequente Bildkomponenten unterdrückt Informationsverlust durch Speicherung von I-Frames und DCT kodierten Anteilen der P und B-Frames Bewegungsvektoren für P + B-Frames verlustfrei gespeichert 47

48 Ablauf der MPEG Kodierung XI 6. Kodierung Lauflängenkodierung der Koeffizientenmatrix 48 Huffmann-Kodierung Codes variabler Länge

49 MPEG Datenformat Multiplexing Audio & Video Zeitstempel durch Referenz-Uhr (90kHz) Durch Zeitstempel exakter Wiedergabezeitpunkt jedes Einzelbildes des MPEG-Datenstroms Puffermanagement für Dekoder notwendig weil Einzelbilder nicht geordnet vorliegen Hohe Flexibilität für Bildgröße, Bitraten, etc. Durch Constraint Parameter Set eingeschränkt 49

50 Constraint Parameter Set Horizontale Bildgröße Vertikale Bildgröße Anzahl Makroblöcke/Einzelbild Anzahl Makroblöcke/Sekunde Fps Bitrate Dekoderpuffer <= 720 Pixel <= 576 Pixel <= 396 <= 396x25 oder 330x30 <= 30 <= 1.82 Mbp/s <= durch MPEG-Gruppe festgelegt Muß von jedem MPEG En-/Dekoder unterstützt werden Betrifft Soft- & Hardware-Implementierungen MPEG konform

51 MPEG-2 Standard 51 Beginn der 90er Jahre Verfahren um höhere Bildauflösung & Interlace-Darstellung zu komprimieren gefordert CCIR 601 als Rahmen (siehe Seite 15) Ziele: Bildqualität steigern Unterstützung herkömmlicher Videoformate (Interlaced) Skalierbarkeit für unterschiedliche Auflösungen

52 Skalierungen I 52 SNR-skalierter Modus Daten in Strömen unterschiedlicher Bitrate verfügbar Aber in gleicher räumlicher Auflösung dargestellt Unterschiedliche Bildqualität Skalierung der Pixeldichte Mehrfaches Subsampling Letzte Abtastung als Basissequenz übertragen Durch Interpolation Vorhersagebilder generiert Differenz von nächst höherer Auflösung & dem Interpolationsergebnis wird kodiert und übertragen (Multiplexverfahren)

53 Skalierungen II Zeitliche Skalierung Sequenz mit reduzierter Bildfolge kodiert Fehlende Bilder interpoliert, Vorhersagebilder zusätzlich kodiert MPEG-2 kann Daten portionieren in wichtige (Header, Bewegungsvetoren, tieffrequente DCT-Koeffizienten) & weniger wichtige Anteile Bildqualität gegenüber (Übertragungs-) Fehlern verbessern 53

54 54 Schichten & Profile Überblick

55 MPEG-Systemstruktur 55 Audio & Video in einem Datenstrom gespeichert

56 MPEG Datenströme 56 Transport mit geeigneten Multiplex & Synchronisationsverfahren Komprimierungsschicht Audio- / Videodaten komprimiert Systemschicht legt Syntax für Zeitsteuerung / Synchronisation fest Systemschicht fügt sich um Komprimierungsschicht Audio/Video in einem Datenstrom gespeichert Systemstrom (MPEG-1) & Programmstrom (MPEG-2) besteht aus Folge von Paketblöcken Paketblöcke aus Paketen eines elementaren Datenstroms (Video/Audio/Daten)

57 MPEG-1 Datenstrom 57 Header Referenzinformationen (Systemuhr, Resynchronisation, Dekodereinstellung / -kompatibilität, Anzahl & Typ beteiligter Medienströme, Zeitgeberverhältnis (System/Video/Audio), Puffergröße)

58 MPEG-2 Transportstrom 58 Adaption Field ( max 184 Bytes, variabel)

59 PES Packetizized Elementary Stream Packets Gemeinsames Subelement der MPEG-2 Datenströme Informationen über zugehörigen elementaren Datenstrom 59 Stream ID: (32 für Audio / 16 für Video) Dekoderwahl PTS Presentation Time Stamp Zeitstempelinformation wann neues Einzelbild / Audio Frame startet DTS Decode Time Stamp Wann ein Frame zu dekodieren ist

60 Audio, Video & Daten zu Programmen Tabellen steuern Assoziation von mehreren Video-, Audio- & Datenströmen zu Programmen 60 Z.B.: Film mit unterschiedlichen Tonspuren & Untertiteln

61 MPEG-4 Standard 61 Hierarchie MPEG-4 soll die Vorgänger Ziele nicht ersetzen, nur ergänzen Audiovisuelle Kodierung mit niedrigen Bitraten Flexibel Unterstützung von schmalbandigen Übertragungskanälen Robustheit in fehleranfälligen Umgebungen durch Resynchronisationsmakierungen & getrennte Datenströme Einführung von objektorientierter Video-Kodierung

62 Medien Objekte 62 Unterstützung von interaktiven Anwendungen durch Medien Objekte (Person, Hintergrund, Text, Grafik, animierte Körper) Interaktion mit Inhalten Verändern von Objekten Navigieren in Szenen Starten von Animationen Auswahl von Sprachen Erstellen synthetischer Szenen aus Medien Objekten

63 Hierarchie Beispielszene 63 Zerlegung der Szene in verschiedene Audio- & Video- Medienobjekte Einzelne Medienobjekte getrennt voneinander komprimiert Verschiedene Codecs für verschiedene Medientypen

64 MPEG-4 Übertragung I 64 Szene mit BIFS-Datenstrom (Binary Format for Scenes) im Multiplexverfahren überbertragen Zu den bewährten Algorithmen wie Chrominanz- Subsampling 4:2:0 (etc.) kommen: Inhaltsbasierte Skalierung des Datenstroms Weniger wichtige Szenen des Bildes weglassen Sprite Kodierung Person aus Bild gelöst kodiert & Übertragen Hintergrund bleibt weitgehend unverändert

65 Sprite Kodierung Beispiel Sprite- & Sprachinformationen ändern sich fortlaufend Permanent Übertragen spez. Sprachcodec Hintergrund weniger oft übertragen 65

66 66 MPEG-4 Übertragung II

67 MPEG-4 Video-Pofile & -Level 67 Unterstützung von schmalbandigen Übertragungskanälen

68 H.264/AVC In Zusammenarbeit von ITU (VCEG) & MPEG Als MPEG-4 Erweiterung Effizientere Komprimierung für HDTV, HD-DVD, UMTS-Streaming etc. 5.1-Mehrkanal Audio Höhere Fehlertoleranz - weniger abhängig von störungsfreien Netzen 68

69 H.264/AVC Vergleich Ca. Hälfte der Bitrate MPEG-2 bei gleicher Quallität Mehr Quallität oder geringere Bandbreite 69

70 Gliederung VI 1. Einleitung 2. Visuelle Wahrnehmung & Farbräume 3. Digitale Videokodierung 4. Komprimierungstechniken für Videobilder 5. MPEG 1, 2, 4 6. Containerdatenformate 70

71 Quicktime Movie 71 Sollte Video, Audio & Textdinformationen gemeinsam & synchronisierbar in einer Datei ablegen (einheitliches Datenformat - Container) Kein eigenes Komprimierverfahren MPEG Unterstützung, MIDI, interaktive Panorama-Bilder, Filme, 3D-Objekte, Streaming Plattformübergreifende Multimedia-Architektur (Windows, Mac) ISO Standard

72 AVI (Audio Video Interleaved) 72 Eingeführt mit Video for Windows (Win 3.11) Ist äquivalent zu Quicktime Format für Ton und digitales Video Heute: Für lokale Videobearbeitung Es basiert auf dem Microsoft Windows Resource Interchange File Format (RIFF) List-Chunk erlaubt "verwobene" Daten Audiodaten, Videoframes (BMP),... Streaming

73 DIVX Basiert strukturell auf MPEG-4 Codec MPEG-2 DVD Film oder 2 Stunden Kinofilm auf CD-R in passabler Qualität (höher VHS) Datenvolumen um 10-12faches reduziert 600kbits (dank Divx-Hack) Weichzeichner vor Framekodierung da MPEG bei hohen Kontrastsprüngen hohe Datenrate benötigt 73

74 Real Video 74 Streaming-Format RealVideo Für niedrige Bandbreiten und Internet- Anwendungen empfohlen Musik und Video über Serverbasierendes / Serverloses Streaming Geeignet für High-Quality Szenen mit sehr starken Bewegungen Gegen Paketverluste optimiert

75 Fragen? (Fehler in der Matrix?) 75 [ The End ]

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