Fachbereich Medieninformatik Hochschule Harz H.264/AVC Referat Olaf Cempel 11273 Abgabe: 15.01.2007
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung...1 2 Einsatzgebiete...1 3 Funktionsweise von H.264...1 3.1 Slices und Makroblöcke...1/2 3.2 Entropiekodierung...2 3.4 Inter-Codiertypen und Bewegungskompensation...2/3 3.5 Schleifen Filter...3 4 Vergleich zwischen H.264, H.263 und MPEG-2...4/5 5 Fazit...5 6. Quellen 6.1 Internetquellen...6 6.2 Bildquellen...6
1 Einleitung Hinter dem Kürzel H.264 verbirgt sich ein Codec, der von der ITU (International Telecommunication Union) unter der Bezeichnung H.26L entwickelt wurde. Das Hauptziel dieser Entwicklung war es zu dem gängigen H.263 und MPEG-2(H.262) einen Codec zu entwickeln, der eine Verdoppelung der Codiereffi zienz bei gleichbleibender Bildqualität erreicht. Die Moving Picture Experts Group (MPEG) schloß sich dieser Entwicklung an und es entstand das Joint Video Team (JVT). Beide Organisationen verabschiedeten 2003 den neuen Standart, wobei er bei der ITU die Bezeichnung H.264 trägt, bei ISO/IEC MPEG die Bezeichnung MPEG-4/AVC (Advanced Video Coding). Die Einsatzgebiete für diese neue Entwicklung liegen in erster Linie bei HD-Formaten, ganz gleich ob es sich um HDTV (High Defi nition Television) oder die neuen HD-DVD oder Blu-ray Formate handelt. Auch verspricht dieses neue Videokompressionsverfahren Fernsehsendern ein bessere Qualität der Bilder, da der Bandbreitenbedarf nicht so groß ist und sie deshalb höheraufl ösende Fernsehbilder übermitteln können. Im Zuge der immer verbesserten Hardware für Handys wird der H.264 Codec auch für das Streaming von Videos auf Mobiltelefone interessant. 2 Einsatzgebiete Der H.264 Codec wurde auf keinen spezifi schen Verwendungszweck hin zugeschnitten, sondern entfaltet seine Leistung in einem recht breiten Spektrum von Anwendungen. Die Einsatzgebiete sind daher sehr breit gefächert und von verschiedener Gestalt: HDTV H.264 ist eines der obligatorischen Videokompressionsverfahren der HD-DVD und Blu-ray Disc-Standards, sowie für die hochaufl ösende Fernsehübertragung (z. B. bei Pro7 HD, Sat.1 HD und Premiere HD). Portable Video Die konkurrierenden Mobilfernsehstandards DVB-H und DMB nutzen beide (unter anderem) H.264 für die Videokodierung für mobile Endgeräte, wie für die neuesten Mobiltelefone (z. B. Nokia N -Serie) oder PDA s. Auch die PSP (PlayStaion Portable) und die 5. Generation des ipods können H.264-Videos abspielen. Multimedia Der QuickTime Player, aus dem Hause Apple, wird ab Version 7 mit einem H.264-Codec ausgeliefert. So sind beispielsweise in ichat AV (Apples Hauseigenes Chatprogramm) erstmalig Mehrfach-Videokonferenzen möglich. Videokonferenztechnik Seit 2005 stehen Anwendern verschieden Videokonferenzendsysteme mit H.264-Codecs zur Verfügung. 1) 3 Funktionsweise von H.264 Die Funktionsweise des H.264 Codecs unterscheidet sich nicht sehr stark von der des H.263 Codecs oder MPEG- 2. Die Vorteile liegen in einer Optimierung und in einem besseren Zusammenspiel der einzelnen Komponenten. 3.1 Slices und Makroblöcke H.264 basiert auf zeitlichen und örtlichen Prädikationstechniken mit einer Transformationscodierung, die im Zusammenspiel wirken. Jedes Frame eines Videosignals wird in gleich große quadratische Makroblöcke unterteilt. Diese Makroblöcke können unterschiedliche Größen haben. Waren beim MPEG-2 die Makroblöcke immer 16 x 16 Pixel groß, können sie beim H.264 7 unterschiedliche Größen haben (16 x 16, 16 x 8, 8 x 16, 8 x 8, 8 x 4, 4 x 8, 4 x 4) Diese Auswahlmöglichkeit erlaubt es, die Bewegungsinformation besser an die Form bewegter Objekte anzupassen und dadurch die Block-Artefakte zu reduzieren 2) 1) http://de.wikipedia.org/wiki/h.26 2) http://www.ldv.ei.tum.de/media/fi les/homes/kldi/dp0604_mpeg-4-avc.pdf Seite: 1
Eine Sequenz von Makroblöcken stellt einen Slice dar. Slices können unabhängig von anderen Bereichen im Bild decodiert werden, die daraus resultierenden Daten werden in eine NAL (Network Abstraction Layer) Unit übertragen. H.264/AVC defi nieren fünf Slice-Typen: I (Intral), P (Predicted), B (Bilinear predicted), SP (switching P), SI (switching I). Die Slice-Typen SP und SI ermöglichen ein effi zientes Umschalten zwischen Bitströmen, die bei verschiedenen Bitraten codiert wurden. 1) 3.2 Entropiekodierung Beim H.264 wird die Entropiekodierung dazu benutzt, um den Verlust von Informationen beim Kodieren so gering wie möglich zu halten. Dies geschieht, indem vorhandende Redundanzen ausgenutzt werden. Die Kodierung bei häufi g auftretenden Datensymbolen wird durch ein kurzes Codewort gekennzeichnet, bei seltenen durch ein langes. H.264/AVC unterstützt zwei Methoden der Entropiecodierung. Beim Variable Length Coding (VLC) wird eine einzige unendliche Codeworttabelle für alle Syntaxelemente außer den Transformationskoeffi zienten benutzt. Als Codeworttabelle wird ein Exp-Golomb-Code verwendet, der sehr einfache und regelmäßige Decodiereigenschaften besitzt. Für die Übertragung der quantisierten Transformationskoeffi zienten wird eine aufwendigere Methode verwendet: Context- Adaptive Variable Length Coding (CAVLC). In diesem Schema wird in Abhängigkeit von bereits übertragenen Daten zwischen verschiedenen VLC-Tabellen für das zu codierende Element umgeschaltet. 2) 3.3 Inter-Codiertypen und Bewegungskompensation Ein Vorteil des H.264 Codecs ist die Unterteilung in 4 x 4 Bildpunkte, denn dadurch kann eine erhöhte Kodiereffi - zienz erreicht werden, Die sich daraus ergebende genauere Anpassung bewegter Bildbereiche erlaubt somit eine Schätzgenauigkeit von 1/4 Pixel. Was eine deutliche Verbesserung der Bildqualität bedeutet. Für die Inter-Codiertypen können die Makroblöcke weiter in Blöcke von MxN Bildpunkten unterteilt werden. Für die Inter-Prädikation jedes MxN-Blocks wird mit Hilfe von Seiteninformationen das benutzte Referenzbild und eine Bild-zu-Bild-Verschiebung des Blocks übertragen. 3) In Abbildung 1 werden die möglichen Makroblockunterteilungen dargestellt. Abb. 1. Unterteilung von Makroblöcken 4) 1,2 & 4) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf 3) http://iphome.hhi.de/eisert/papers/dortmund03.pdf Seite: 2
Eine der wesentlichen Neuerungen im H.264 Codec ist die Bewegungskompensierte Langzeitvorhersage. Bei dieser werden aus mehreren Bildern die benötigten Referenzen genommen, was zu einer höreren Effi zienz der Bewegungskompensation führt. Außerdem ist es bei der Bewegungskompensierten Langzeitvorhersage nun möglich auch geringe Bewegungen und sogar Bewegungen außerhalb des Bildbereiches zu kompensieren. Dabei kann die Referenz für die Bewegungskompensation aus mehreren Bildern ausgewählt werden, während früher nur die Benutzung eines Bildes möglich war. 1) In Abbildung 2 wird dies verdeutlicht. Abb. 2. Bewegungskompensierte Langzeitprädikation 2) 3.4 Schleifen Filter Wie jedes blockbasierte Codierverfahren besitzt auch der H.264 einen Nachteil: es treten Blockstrukturen bei zu grober Quantisierung auf. Aber diesen Nachteil weiß der H.264 zu minimieren, indem er einen adaptiven Loop-Filter innerhalb der Codierschleife defi niert. Die Stärke dieses Loop-Filters liegt in seiner Filterung, die abhängig von verschiedenen Daten ist und adaptiv gesteuert wird. Die Sichtbarkeit von Blöcken wird dabei reduziert, ohne dass die Schärfe des Bildinhalts stark beeinfl usst wird. Folglich wird die subjektive Qualität signifi kant verbessert. Gleichzeitig reduziert das Filter die Bitrate um ca. 5 bis 10 % bei derselben objektiven Qualität wie bei ungefi ltertem Video. 3) 1 & 3) http://iphome.hhi.de/eisert/papers/dortmund03.pdf 2) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf Seite: 3
4 Vergleich zwischen H.264, H.263 und MPEG-2 Der H.264 Codec ist im Vergleich mit seinen Konkurrenten in allen Belangen weit vorraus. Die folgenden Abbildungen geben einen Überblick über die verschidenen Anwendungsgebiete der Videostandarts sowie eine zeitliche Einordnung und ein Vergleichsbeispiel nach Cyc03. Abb. 3. Anwendungen der Videostandarts 1) Abb. 4 Vergleich der Videostandarts nach Cyc03. 2 ) 1 & 2) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf Seite: 4
Abb. 5. Überblick ISO und ITU-T Standarts 1 ) 5 Fazit Die Kompression mit dem H.264 Codec ist deutlich effi zienter als z.b. mit dem vergleichbaren MPEG-2-Standard, der z. B. auch beim digitalen terrestrischen Fernsehen DVB-T eingesetzt wird. Ein Film passt bei gleicher Qualität in eine Datei, die nur rund halb so groß ist. Oder umgekehrt: Bei gleicher Dateigröße liefert das H.264 deutlich bessere Qualität. Allerdings braucht ein und derselbe Rechner beim H.264 Codec deutlich mehr Zeit um ein Video zu kodieren als beim MPEG-2-Standard. Die Kodiereffi zienz des H.264 Codecs ist um den Faktor 2 erhöht worden, dadurch wird der Codec in naher Zukunft sehr interessant werden und nach und nach die etablierten Videostandarts ablösen. Insbesondere für den Telekommunikationsbereich wird er sehr interessant sein, da er gut für Videokonferenzen, Streaming über UMTS und für das neue Broadcast System (Fernsehen über xdsl) geeignet ist. Auch die TV-Branche wird diesen Codec Beachtung schenken. Zwar ist die Anschaffung neuer Hardware notwendig, aber dies werden die großen Sendeanstallten investieren müssen, da der Kunde zunehmend nach HDTV verlangt. Der H.264 Codec wird auf kurz oder lang der neue Standart für hervorragende Bildqualität und wird sich in allen Bereichen, sei es vom Handy bis zum HD tauglichen LCD-Fernseher, durchsetzten. Zum Schluß ein Vergleich der Bildqualität zwischen H.264 und MPEG-2. Auf dem linken Bild sieht man, dass es beim H.264 zu weniger Mosaik Bildung kommt, was dem guten Schleifen Filter zu verdanken ist. Abb. 6. Links H.264, rechts MPEG-2 2) 1) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf 2) http://www.ldv.ei.tum.de/media/fi les/homes/kldi/dp0604_mpeg-4-avc.pdf Seite: 5
6 Quelle 6.1 Internetquellen http://www.ist-ipmedianet.org/fktg_04_vortrag_schierl_hhi_v05.pdf (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://www.camgaroo.com/modules.php?name=news&fi le=article&sid=114 (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://www.netzwelt.de/news/73129-h264-der-videocodec-der-zukunft.html (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://www.apple.com/de/macosx/features/h264/ (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://de.wikipedia.org/wiki/h.264 (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://www.wwcoms.com/technology/csvt_overview.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.ims.tuwien.ac.at/task_detail.php?ims_id=144 (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.mainconcept.com/site/?id=1038 (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.itu.int/osg/spu/newslog/searchview.aspx?q=h.264 (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.paradiso-design.net/h264_avc.html (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.irt.de/irt/veranstaltungen/pdf/hdtv-sdtv-qualitaet-2006-11-20-koll-fktg-1.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) https://www.stud.uni-hannover.de/~jiang/studienarbeit.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://rtg.informatik.tu-chemnitz.de/fi leadmin/user_upload/publications/def-sa-mfi e.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.ldv.ei.tum.de/media/fi les/homes/kldi/dp0604_mpeg-4-avc.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.cdt.luth.se/~peppar/kurs/smd151/spie04-h264overviewpaper.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://iphome.hhi.de/eisert/papers/dortmund03.pdf (zuletz abgerufen am 14.01.2007) http://www.karley.de/product_info.php/cpath/743_1699/products_id/15230&name=h_264_video_codec_f%c3%bc. htm (zuletz abgerufen am 14.01.2007) 6.2 Bildquellen http://www.ldv.ei.tum.de/media/fi les/homes/kldi/dp0604_mpeg-4-avc.pdf (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) http://www.imt.tu-ilmenau.de/lehre/hs_avt/ergebnisse-2004-ss/hs-avt-2004-thema18-hausarbeit.pdf (zuletzt abgerufen am 14.01.2007) Seite: 6