Übersicht Digitale Medien 9. Digital Video 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 Videoschnitt 2 Was ist Video? 3 Aufbau des analogen Fernsehbildes 4 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. 1980 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 Vertikale Austastlücke Zweites Halbbild Zeile Zeilenrücklauf Erstes Halbbild Zeilensprungverfahren (Interlacing) Analoge Fernsehnormen 5 Analoge Fernsehnormen 6 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 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 Führen zu Verkomplizierungen und Problemen der Thematik Video am Computer Keine einheitliche Übertragung der analogen Normen in digitale Herstellerspezifische Lösungen bei der Umwandlung 1
Kenngrößen eines Digitalvideos 9 Am 30. April 2012 endete die Übertragung des analogen Fernsehsignals. 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 Kenngrößen eines Digitalvideos Eigenschaften der Einzelbilder 10 Auflösung: Breite, Höhe 11 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 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!? Pixel-Seitenverhältnis (= Pixel Aspect Ratio, PAR) 12 Bild-Seitenverhältnis (= Display Aspect Ratio, DAR) 13 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) Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch) 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) 4:3 (1,33:1) 16:9 (1,85:1) 2
Bild-Seitenverhältnis (= Display Aspect Ratio, DAR) 14 Progressive Mode 15 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch) 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) 21:9 (2,35:1) 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 Halbbild 1 16 Interlaced-Mode Flüssigere Bewegungen ohne Verdopplung des Speicherplatzes Probleme: Zeitlicher Versatz bei der Aufnahme 17 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) Halbbild 2 (wenige ms später aufgenommen) Interlaced Frame 18 19 Interlaced Frame, Even Field First 3
Even Field 20 Odd Field 21 Datenrate (Bitrate) 22 Datenrate (Bitrate) 23 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) Berechnung (Größe eines einzelnen Frames) * (Frames pro Sekunde) (Größe der Videodatei) / (Länge der Datei in Sekunden) Beispiel PAL Video Breite 720 * Höhe 576 = 414.720 Pixel/Frame 3 Farben => 3 Byte => 414.720 * 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) Kompression 24 MPEG 29 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 Bisher: Frames einzeln komprimiert Aber: Aufeinanderfolgende Frames ähneln sich oft stark ( zeitliche Redundanz ) ausnutzen! Frame 1 Frame 2 Stehenlassen Speichern 4
MPEG Noch besser: Bewegte Objekte erkennen Diese Objekte nur einmal, dafür mit Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit speichern 30 MPEG - Framearten In MPEG Videos gibt es unterschiedliche Arten von Frames: 31 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 (P Frames) Zu vorhergehenden und nachfolgenden Frames (B Frames) In MPEG 1 (veraltet): D Frame Direct Coded Frame für schnelles Durchsuchen eines Videostreams http://lern.hfbk-hamburg.de/dvdtutorial/8_g_begriff.html MPEG - GOPs 32 Die Framearten sind in regelmäßigen, wiederkehrenden Gruppen angeordnet = GOP Group of Pictures Beginnenmit einem I oder B Frame, endenmit I oder P 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... GoP 1 GoP 2 http://lern.hfbk-hamburg.de/dvdtutorial/8_g_begriff.html 33 Kompressionsartefakte MPEG 4/H.264 MPEG 4-Stream Besonderheiten Bessere Kompressionsraten bei gleicher Qualität Verlustfrei und verlustbehaftete Kompression möglich deutlich höhere Kompressionsrate als MPEG 2 Verwendet bspw. für mobile Endgeräte: Tablets, Smartphones Blu Ray Digitale HD Videoübertragung: DVB S2, DVB C und DVB T2 Enthält Audiodaten in unterschiedlichen Formaten, bspw.: Verlustfrei komprimiert: Audio Loosless Coding (ALS) Verlustbehaftet komprimiert: Advanced Audio Coding (ACC) Bildvorhersage zum Teil auch innerhalb von I Frames erfolgen Vorhersage über mehrere I Frames möglich, wirkt sich auf die Kodierung von periodischen Bewegungen aus Gewichtete Mischung von Bildinhalten aus mehreren Referenzbildern > effiziente Kodierung von Überblendungen Einführung von SP &SI Frames > Umschaltung zwischen Datenströmen unterschiedlicher Bitrate, je nach Netzwerkzustand http://vc.cs.nthu.edu.tw/home/paper/codfiles/cycho/200402181718/the_sp-_and_si-frames_design_for_h.264_avc.pdf 5
MPEG-Standards 37 MPEG-Zusammenfassung 38 Standard Eigenschaften Anwendung MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4 Ältester Standard, Auflösung 352*288, kein Interlacing, einfache Hardware(de)komprimierung, Geringe Datenraten von 1,2 Mbit - 3 MBit Video-CD Verbesserungen gegenüber MPEG 1 für SVCD, DVD, DVB, HDTV Fernsehbilder, Interlacing, unterschiedliche (ursprünglich), professionelle PAR, hohe Auflösungen (von 352 bis über 1000 Videoproduktion (nur I- Zeilen für HDTV) Frames) Verbesserungen gegenüber MPEG 2 für geringe Auflösungen; streamfähig, DRM, DivX, XviD, Handyvideos, versch. Audiokompressionen, verschiedene DVB, HDTV (H.264), Video on Sub-Standards zur Videokompression (H.263, Demand,... neuer: H.264) Optimales Qualitäts Platz Verhältnis Anpassbar für verschiedenste Anwendungen (MPEG1 MPEG4) Framegenaues Spulen/Schneiden beim Einsatz von P und B Frames generellschwierig MPEG Kompression ca. 25:1 Codieren und Dekodieren > Videocodec Dateiformate für MPEG-2 Video MPEG 4 Dateiformate.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).mp4 Containerformat, alternativ auch.avi Auch möglich.m4v eigentlich nur Videodaten, wird aber auch für Video+Audio verwendet.m4a: Audiodaten.m4b: für Hörbücher, fast identisch mit.m4a, unterstützt Lesezeichen.m4p: Protected content, für DRM geschützte Inhalte.m4r: Ringtone, für Klingeltöne Zusätzliche Informationen im Video MPEG Standards Metadaten in Bildern: 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 MPEG 7 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: Suche, Zugriff von Suchmaschinen, Darstellung von Zusammenfassungen, http://www.chiariglione.org/mpeg/standards/mpeg 7/mpeg 7.htm http://de.wikipedia.org/wiki/mpeg 7 http://www.medien.ifi.lmu.de/fileadmin/mimuc/hs_ws0506/paper s/mpeg 7_Overview.pdf 6
Containerformate 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) 43 HDTV High Definition TeleVision Fernsehnorm mit erhöhter Bildauflösung Sammelbegriff: HDTV typisch sind: 1280 720 Pixel (HDTV 720p) 1920 1080 Pixel (HDTV 1080i oder p) 16:9 Vergleich: SD Auflösung 720x576 Pixel http://www.kilchenmann.ch/ue/loesungen_nach_themen/hochaufloesendes-fernsehen-hdtv/hdtv-erklaert PAL vs. HDTV http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_300-wood.pdf http://board.gulli.com/thread/879652-hdtv-auf-pc-monitor/ 3DTV Shutterbrille 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 http://www.heise.de/ct/artikel/3d-2-0-291654.html Bildquelle: Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/3d-film) 7
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 http://www.hbbtv-infos.de/ http://de.wikipedia.org/wiki/hybrid_broadcast_broadband_tv Digitaler Videoschnitt + DVD Authoring einer aufgezeichneten Fernsehsendung Tools zum Konvertieren von Video Vorgehensweise (MPEG 2): 1. Transportstream demuxen 2. Video+Audio schneiden 3. DVD erstellen Verschiedene Formate: häufig MPEG 2 zu MPEG 4 VLC SUPER Handbrake MediaCoder Transportstream Video+Audio Pakete Demux Video Audio Schnitt Vi de o Au di o DVD Authoring Erstellen von Kapiteln, Wiedergabeoptionen DVD Erstellung Zusammen führen von Audio & Video Demuxen von Video AVIDemux ProjectX PVAStrumento MPEG 2 schneiden: MPEG2Schnitt Cuttermaran MPEG 4 schneiden: VirtualDub AVIDemux Eingeschränkt: VLC Software DVD Authoring: GUI for DVDAuthor DVDFlick Adobe Encore DVD (30 Tage Testversion) 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 http://www.christoph-moder.de/hobbies/fotografie/video.html#ct 8
Videoschnitt Software für 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! 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: http://de.wikipedia.org/wiki/videoschnittsoftware http://www.christoph-moder.de/hobbies/fotografie/video.html#ct, Original: c't-special Digital-Video 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 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 (eportfolio ist nur ein Vorschlag) 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 Warum haben Sie das Medium so benutzt? Was haben Sie verändert und warum? Es sollten mehrere Seiten mit einem kleinen Menü erstellt werden Auf Trennung von Inhalt und Layout ist zu achten (HTML+CSS) 9