Grundlagen Audio und Video. Anhang

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1 Grundlagen Audio und Video Anhang 1

2 Grundlagen Audio und Video Videokonferenz-Normen Video Analog-Videosignal-Normen Digitale-Videosignal-Normen Bildgrößen Videokomprimierung Audiokodierungen Datenübertragung nach H.239 2

3 H.320 Der Standard H.320 der ITU-T regelt die Grundlagen für die Videokommunikation über das leitungsvermittelte schmalbandige ISDN-Netz. Die Bandbreite kann von 64 kbps bis 1920 kbps reichen und wird in Form einzelner Kanäle zu je 64 kbps zur Verfügung gestellt. Der im Standard H12 genannte Kanaltyp mit 1920 kbps wird im allgemeinen Sprachgebrauch als S 0 -Anschluß bezeichnet. Innerhalb des Standards werden Anforderungen für die Verarbeitung der Audio- und Videodaten definiert, die Formate für die Medienübertragung spezifiziert und weitere Protokolle für die Rufsignalisierung und die Synchronisierung der Kommunikationsverbindungen angegeben. 3

4 H.323 ist ein internationaler ITU -Standard für die Sprach-, Daten- und Video-Kommunikation über paketorientierte Netze, der die spezifischen Fähigkeiten von Endgeräten im IP-Umfeld festlegt. Er wurde aus dem H.320-Standard abgeleitet und definiert zusätzlich die Netzübergänge zu ISDN und ATM und soll die Interoperabilität der Herstellerprodukte garantieren. Dazu werden vier Hauptgruppen und deren Kommunikation untereinander beschrieben: Terminals, Gateways, Gatekeeper und H.323 (I) MCUs (Multipoint Control Units). 4

5 H.323 definiert die Multimedia-Kommunikation über LANs, die keine garantierte Dienstgüte zur Verfügung stellen. Er versucht die dadurch auftretenden negativen Effekte, wie Paketverluste, Jitter und andere Verzögerungen, auf multimediale Echtzeitdienste zu minimieren. Der Standard wird ständig weiterentwickelt und liegt seit Dezember 2009 in der Version 7.0 vor. Der ursprüngliche Titel "Visual telephone systems and equipment for local area networks which provide a nonguaranteed quality of service" wurde schon in der Version 2.0 im Jahr 1998 in "Packet-based multimedia communications systems" geändert. H.323 (II) 5

6 H.323 ist eine sogenannte Regenschirm -Norm, welche andere Standards zusammenfaßt. Sie definiert z.b.: H.221: Strukturierung von Video und Audio-Bitströmen H.230: Multiplexing über mehrere ISDN-Kanäle H.231: Multipoint Control Unit (MCU) H.232: Verbindungsaufbau H.233: Verschlüsselungstechniken H.245: Kontrollprotokoll H.323 (III) H.248: Nutzung von Gateways 6

7 Videostandards: H.261: Videokodierung und -komprimierung mit ca. 10:1 H.262: Videokodierung und -komprimierung H.263: Videokodierung und -komprimierung mit ca. 50:1 H.264: Videokodierung und -komprimierung mit ca. 100:1 H.265: Videokodierung und -komprimierung mit ca. 200:1 Audiostandards: G.711, G.722, G.723, G.728, G.729 Datenübertragung: H.323 (IV) Sie wird mittels H.239 spezifiziert. Dieses Protokoll ist kein Bestandteil von H.323, aber besitzt inhaltlich enge Zusammenhänge. 7

8 Weitere Normen (I) Die Normen H.310/H.321/ H.322/ H.324 haben für die heutzutage üblichen Videokonferenzen (IP- bzw. ISDN- Konferenzen) keine praktische Bedeutung mehr. Sie seien nur der Vollständigkeit halber hier aufgeführt: Der Standard H.310 liefert mittels H.262 und H eine Anpassung des MPEG-2-Standards für die Kommunikation über breitbandige Netze. Er ist inhaltlich eng mit H.322 verwandt. Der Standard H.321 ist die Adaption von H.320 für breitbandige Netze. Die zugrunde liegende Infrastruktur wird nicht verändert, jedoch die Zusammenarbeit zwischen schmal- und breitbandigen Netzen optimiert. 8

9 Weitere Normen (II) Der Standard H.322 ist die Grundlage der Videokommunikation über zuverlässige und paketorientierte Netze. Die physische Grundlage bildet ein Netz, in dem neben dem 10-Mbps-Kanal ein isochroner (Sonderform der asynchronen Übertragung mit Zeitkennzeichnung) 6-Mbps- Kanal für Multimedia mit garantierter Bandbreite (QoS, Quality of Service) bereitgestellt wird. Die Signalisierung wird im Unterschied zu H.310 mittels H.242 ausgeführt. Der Standard H.324 definiert die notwendigen Methoden zur audiovisuellen Kommunikation über analoge Verbindungen. Die Netzwerkschnittstelle wird durch den Modemstandard V.34 mit kpbs definiert. Der Einsatz stark komprimierender Codecs H.263 (Video) und G (Audio) wird dadurch obligatorisch. 9

10 PAL (Phase Alternation Line): Analog-Videosignal-Normen (I) in Europa verwendeter Videostandard zeilenweise Phasenänderung zur Kompensation störender Einflüsse Weiterentwicklung von NTSC Bildseitenverhältnis 4:3 kodierte Rot- und Blaukomponenten des Signals werden gleichzeitig übertragen (SECAM: nacheinander) Bildwechselfrequenz 50Hz (beide Halbbilder 25fps) 768 x 576 Pixel 10

11 NTSC (National Television System Committee): in den USA,Kanada, Japan und Südkorea verwendeter Videostandard Bildwechselfrequenz 60Hz (beide Halbbilder 30fps) mit 640x480 Pixel schwache Farbkonstanz Analog-Videosignal-Normen (II) Die Verwendung von NTSC-Kameras in Deutschland kann bei Kunstlicht (insbesondere bei Leuchtstofflampen) durch Interferenzen zu starkem Flimmern führen. 11

12 Analog-Videosignal-Normen (III) Composite Übertragung des Videosignals (PAL oder NTSC) über eine Ader beinhaltet die Helligkeitsinformation (Y) und die Farbe (C) Übertragung von einem Helligkeitswert pro Bildpunkt, jedoch nur einem Farbwert für vier Bildpunkte Anschluss erfolgt mit Cinch-Stecker (üblicherweise: gelb = Video rot-schwarz oder rot-weiß = Audio) auch am Scart-Stecker ist ein Pin mit diesem Signal belegt 12

13 Y/C (S-Video) Analog-Videosignal-Normen (IV) Übertragung des Helligkeits- und Farbwertes pro Bildpunkt auf zwei getrennten Leitungen Qualität besser als bei Composit-Signalen Anschluss erfolgt über Hosidenstecker 13

14 RGB Analog-Videosignal-Normen (V) additives Farbmodell bei welchem Weiß aus der Zusammenfügung von Rot, Grün und Blau zurückgeführt wird Übertragung der Helligkeit pro Farbe auf je einer Leitung das grüne Farbsignal enthält zusätzlich das Sync-Signal am Scart-Stecker normaler TV-Geräte sind die Pins für RGB oft nicht belegt 14

15 DVI (Digital Visual Interface) für verschiedene Anschlüsse mit maximaler Übertragungsrate von 1,65 Gbit/s geeignet es gibt 3 DVI-Varianten mit zwei übertragbaren Auflösungen als Single-Link Digitale-Videosignal-Normen (I) (max. Auflösung 1600 x 1200) und Dual-Link (max. Auflösung 2048 x 1536) DVI-I (integrated, also sowohl analog und digital): als Single-Link (18+5 Pins) und Dual-Link (24+5 Pins) DVI-D (nur digital): als Single-Link (18+1 Pins) und Dual-Link (24+1 Pins), seltener mit 12+1 Pins, die aber keine DDC-Daten (Datenaustausch über das Bildschirmkabel) übertragen DVI-A (nur analog): kommt selten zum Einsatz 15

16 Digitale-Videosignal-Normen (II) Schematische Darstellung der Stecker für die verschiedenen DVI-Belegungen: Quelle: Wikipedia (Stand Nov. 2014) Hinweis: Mini- und Micro-DVI von Apple sind nur mechanisch abweichende Varianten 16

17 Digitale-Videosignal-Normen (III) HDMI (High Definition Multimedia Interface) HDMI ist eine volldigitale Schnittstelle zur Übertragung von Audio- und Videodaten, die abwärtskompatibel zu DVI ist Standard für HD-Medien wie z.b. Blu-ray, HDTV und HD-DVD mit integriertem Kopierschutzstandard HDCP Spezifikation schreibt nur 480p und zwei Audiokanäle vor; Rest ist alle optional Hersteller müssen statt Versionsnummern die optionalen Funktionen nennen, die unterstützt werden HDMI-Stecker sind in mehreren Varianten im Markt: Typ A: Standard-HDMI (ca. 4,5 mm x 13 mm) Typ C: Mini-HDMI (ca. 2,5 mm x 10,5 mm) Typ D: Micro-HDMI (ca. 2,8 mm x 6,4 mm) Typ B, E spielen keine Rolle 17

18 Bildgrößen weltweite gemeinsame Videogröße ist seit H.261 das Format CIF (Common Interchange Format) NTSC: 640x480, Pixel PAL: 768x576, Pixel CIF: 352x288, Pixel CIF ist in allen H.26x-Standards definiert Umwandlung verschiedener Bildgrößen oft unzureichend und stark plattformabhängig 18

19 Ausgewählte Bildformate Bitrate(Mbit/s) Auflösung Unterstützt durch (30 Bilder/s; Farbe 24 Bit) Bildformat (x,y) Übertragungsprotokoll komprimiert nativ mit H.264 SQCIF H.263 H.264 8,8 0,088 QCIF H.261 H.263 H ,2 0,182 CIF H.261 H.263 H ,9 0,729 4 CIF H.263 H ,9 2, p H ,6 6,636 SXGA H ,7 9, CIF H.263 H ,9 11,679 UXGA H ,4 13, p H ,0 14,930 QXGA H ,9 22,649 19

20 Vergleich von Auflösungen QXGA: 2048 x p: 1920 x p: 1280 x 720 VGA: 640 x 480 QCIF: 176 x 144 Angaben in Pixeln 20

21 Videokomprimierung (I) im Standard H.323 sind die Videonormen in der Reihe H.26x festgelegt H.263 H.261 H.262 H.264 H

22 H.261 Videokomprimierung (II) Bandbreite immer n * 64 kbps nur QCIF und CIF(optional für n>2) definiert Y:Cb:Cr = 4:2:2, d.h. je 4 Helligkeitspixel bilden eine Farbe Blöcke sind inter- oder intracodiert intracodierte Blöcke werden mit einer Mindestfrequenz gesendet (Verluste) Bewegungskompensation bei der Differenzbildung ist optional 22

23 Videokomprimierung (III) H.262 andere Bezeichnung für MPEG-2 Part 3 Codec wird vorrangig für DVD-Kodierung verwendet bei Videokonferenzen findet er keine Verwendung 23

24 H.263 Videokomprimierung (IV) ähnlich H.261, jedoch zusätzlich bidirektional Differenzcodierte Einzelbilder (B-Frames) möglich besseres Verhalten gegenüber Paketverlusten; optimiert für niedrige Übertragungsraten und Sequenzen mit relativ wenig Bewegung Eigenschaften: bessere Komprimierung, weiter Bandbreitenbereich zusätzliche Bildformate SQCIF ( 128 x 96 Pixel) 4CIF ( 704 x 576 Pixel) 16CIF (1408 x 1152 Pixel) fand Eingang in MPEG-4 Part 2 24

25 Videokomprimierung (V) H.264 "Advanced Video Coding for Generic Audiovisual Services Zusammenfassung von ISO MPEG-4 und ITU H.26x sehr effiziente Kodierung mit beeindruckender Bildqualität: 768 kbps mit H.263 äquivalent 384 kbps mit H.264 Hardwareanforderungen steigen, weil: sehr aufwendiges Preprocessing (z.b. Filtereinsatz beim Encoding, wie Weichzeichner, Schärfe und Rauschminderung) aber auch sehr aufwendiges Postprocessing (z.b. Filterung beim Abspielen, Deinterlacing) 25

26 H.265 Videokomprimierung (VI) "Standard High Efficiency Video Coding" (HEVC) gemeinsame Entwicklung von ITU und MPEG gegenüber H.264 doppelt so starke Kompression ohne Qualitätsverlust Bildgrößen zwischen 320 x 240 und 8192 x 4320 darstellbar eine maximale Bildrate von 300 fps wird unterstützt 26

27 Wichtige ITU-Standards zur Kodierung von Audiosignalen Standard Bandbreitenbedarf in kbps Audiobandbreite in khz Basis- Algorithmus G ,1 PCM (Pulse Code Modulation) G ,1 ADPCM (Adaptive PCM) G , 56 oder 64 bis 7 SB-ADPCM (Sub Band ADPCM) G oder 32 bis 7 - G.722.1C (Siren 14) 24, 32 oder 48 bis 14 - G.723 5,3 oder 6,3 5,3 MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelyhood Quantization) G oder 24 3 ADPCM (Adaptive PCM) G oder 40 3 ADPCM (Adaptive PCM) G ,4-3 LD-CELP (Low Delay Code Excited Linear Prediction) G CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Predictive) AAC-LD 24, 48, 96 oder MPEG4-AAC (MPEG4 Advanced Audio Coding) 27

28 G.711 Audiokodierungen (II) G.711 basiert auf dem Verfahren Audio PCM (Pulse Code Modulation). Es transformiert ein analoges Audiosignal bei einer Abtastrate von 8 khz kompressionsfrei in digitales Signal mit einer Auflösung von 8 bit und einer Bandbreite von 64 kbps. G.711 ist einfach zu implementieren und liefert Signale mit einer ausreichenden Qualität. Allerdings eignet es sich aufgrund seiner hohen Bitrate von 64 kbit/s nicht für den Einsatz über Verbindungen mit geringer Bandbreite sowie wegen des Mangels an Fehlererkennungs- oder Fehlerkorrektur-mechanismen auch nicht für den Einsatz über störanfällige Netze. 28

29 G.721 Audiokodierungen (III) Eine Empfehlung der ITU-T, die definiert, wie eine 8 khz Samplingrate mit Hilfe der Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) in einen 32kbps-Datenstrom gewandelt wird. Dabei wird der Unterschied zwischen benachbarten Signalen ausgewertet und daraus eine Vorhersage für das nächste Signal generiert. 29

30 G.722 Audiokodierungen (IV) G.722 ist ein Audiocodec, der im Jahr 1988 von der ITU verabschiedet wurde. Mittels einer Abtastrate von 16 khz werden die Signale mit 14 bit quantisiert. Der Codec umfaßt eine Bandbreite von 7 khz und keinen Mechanismus zur Fehlerkorrektur. Die Datenübertragungsrate kann in drei Modi geschehen: 48 kbps 56 kbps 64 kbps Für diese Komprimierung wird ein Kodierer verwendet, welcher auf ADPCM aufbaut. 30

31 G Audiokodierungen (IV) G ist ein Audiocodec, der auf dem Verfahren der Firma Polycom Siren7 basiert. Die Abtastrate beträgt 16 khz bei einem Frequenzband von 7 khz, welche mittels 24 oder 32 kbps übertragen werden. Eine Übertragung mit 16 kpbs ist nicht implementiert. Die Algorithmen bei G und Siren7 sind identisch, aber das Datenformat ist unterschiedlich. G.722.1C beschreibt die Variante mit 14 khz Frequenzband, welche die monophone Version von Siren14 darstellt. 31

32 G Audiokodierungen (IV) G ist ein komprimierendes Verfahren zur Audioübertragung, welches technisch von G.722 grundsätzlich verschieden ist. Die Sprachkompression wird mittels des Verfahrens AMR-WB (Adaptive Multirate Wideband) realisiert. Das Verfahren hat eine Bandbreite von 7 khz, neun wählbare Bitraten und Sprachpausenerkennung. Es wird von allen Mobilfunksystemen unterstützt und wird für VoIP und Webkonferenzen eingesetzt. 32

33 G.723 Audiokodierungen (IV) Eine Empfehlung der ITU-T mit dem Titel 'Dual Rate Speech Coder for Multimedia Communication Transmitting at 5.3 and 6.4 kbps'. Die Verzögerungszeit ist mit ms allerdings sehr hoch. G.726 / G.727 Zwei Empfehlungen der ITU-T auf der Grundlage des ADPCM-Verfahrens für unterschiedliche Bandbreiten. Die Sprachqualität ist besser als jene von G.711, aber schlechter als bei allen anderen G.72x-Standards. 33

34 G.728 Audiokodierungen (IV) G.728 ist ein ITU-Standard, welcher zur Komprimierung von Sprache eingesetzt wird. Sein Haupteinsatzgebiet liegt im Bereich von VoIP. Er zeichnet sich durch eine geringe Latenz aus. Sie wird durch eine Schätzfunktion erreicht, welche immer aktuell aus den letzten fünf Abtastwerten gebildet wird. G.728 ist besonders bei geringen Bandbreiten sehr leistungsstark, was durch eine hohe Komplexität erkauft wird. Die Qualität wird ebenbürtig zu G.726 und G.727 angesehen. Der Standard besitzt Strategien zum Verbergen von Rahmen- und Paketverlusten und ist sehr stabil gegenüber Bitfehlern. 34

35 G.729 Audiokodierungen (IV) G.729 ist ein ITU-Standard, der in seiner Qualität mit G.723 vergleichbar ist. Es ist ein Regenbogenstandard, welcher in 12 Varianten (Stand: ) verfügbar ist. Für eine ordnungsgemäße Übertragung müssen beide Seiten dieselbe Variante (Anhang, Annex) beherrschen. Der Codec ist für die Übertragung der menschlichen Sprache optimiert, andere Geräusche werden nur unzureichend verarbeitet. Da auch Sprachpausen unterdrückt werden, muß im praktischen Einsatz zur Vermeidung von irrtümlich angenommenen Verbindungsbeendigungen, ein sogenanntes Komfortrauschen erzeugt werden. Der Standard kommt vorwiegend im Bereich VoIP zum Einsatz. 35

36 H.239 im Juli 2003 verabschiedet Datenübertragung nach H.239 Übertragungsprotokoll für Präsentationen mit XGA-Auflösung in einem zweiten Kanal Application Sharing nicht möglich data showing statt data sharing 36