Multimediatechnik / Video

Ähnliche Dokumente
Multimediatechnik / Video

Digitalisierung. analoges Signal PAM. Quantisierung

Kompressionsverfahren

Standbildcodierung. Dipl.-Ing. Guido Heising. Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K.

Bilddatenformate BMP GIF JPG. Digitale Bildverarbeitung Liedtke 7.1. Bezeichnung: Microsoft Windows Bitmap, BMP, DIB

Beispielhafte Testfragen (auch aus Schülerreferaten, Fragen können redundant sein, keine Audio Kompression berücksichtigt):

Digitales Video. Digitales Video

Bildkompression InTh, 2005, JPEG, Hak, Rur, 1

Diskrete Cosinustransformation (DCT)

Multimediatechnik / Video

16 - Kompressionsverfahren für Texte

Kompressionsverfahren

Audio- und Videodatenströme im Internet

Kompression und Datenformate. Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

Digitale Signalverarbeitung sehen, hören und verstehen

Bild-Erfassung Digitalisierung Abtastung/Quantisierung

JPEG Kompression technische Realisierung

2. Digitale Codierung und Übertragung

JPEG - Kompression. Steffen Grunwald, Christiane Schmidt, Stephan Weck TIT01EGR BA-Mannheim 21. Mai 2002

JPEG-Standbildcodierung

Verlustbehaftete Kompression. JPEG: Joint Photographic Experts Group

Digitale Bildverarbeitung (DBV)

Datenkompression. Vortrag von Markus Durzinsky Student der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Einführung in Kompressionstechniken

Proseminar Datenkomprimierung Dr. U. Tamm. JPEG - Kompression WS 2002/03. Torsten Zichner

ffl Die Portable Bitmap Utilities (PBM) manipulieren monochrome Bilder. ffl Die Portable Greymap Utilities (PGM) manipulieren Grauwert-Bilder.

(Bitte geben Sie bei der Beantwortung von Fragen eine Begründung bzw. bei der Lösung von Kurzaufgaben eine kurze Berechnung an!)

Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Digitale Medien 6-32

JPEG. Seminar: Kompressionsalgorithmen. Ruslan Ragimov. 5. September 2012

Digitales Video I. Wie wird Video am Computer codiert? Bilder. Bewegte Bilder. Ton. Videoformate. Auflösung Speicherung am Computer

MPEG Audio Layer 1. Fachbereich Medieninformatik. Hochschule Harz. Referat. Kolja Schoon. Thema: MPEG Audio Layer 1

Neue Technologien in Internet und WWW. 0. Einleitung. 1. Digitalisierung 1.1 Sampling und Quantisierung (1) 1. Digitalisierung

EDV-Anwendungen im Archivwesen II

JPEG, MPEG & Co. Alex Titze Angewandte Informatik FHTW-Berlin

Grafikformate. Grafikformate. Digitale Bildverarbeitung Bildkompression

Datenkompression. 1 Allgemeines. 2 Verlustlose Kompression. Holger Rauhut

Graphische Datenverarbeitung

Multimediatechnik / Video

Digital Signal Processing

Hauptdiplomklausur Informatik Februar 2006: Multimedia Systems

Bildkompression Proseminar Datenkompression Daniel Koch

Einführung Aufgabe 3 - MPEG. Tobias Reinsch 2011

Der JPEG-Standard. Der JPEG-Standard. Der JPEG-Standard. Der JPEG-Standard. Lineare Quantisierung

Themen Medientechnik II. Grundlagen der Bildkompression (Teil 1) Claude E. Shannon ( ) Digitale Bildübertragungsstrecke

Verlustfreie Kompressionsverfahren. RLE, LZW, Huffmann, CCITT, ZIP

Digitales Fernsehen DVB

Kompression und Datenformate. Grundlagen der Bildspeicherung, Kompressionsverfahren, Datenformate

Grundlagen der Informationstheorie. Hanna Rademaker und Fynn Feldpausch

Arbeiten im Datennetz der Universität Regensburg

Verlustbehaftete Kompression bei Multimedia

1 Informationsverarbeitung & Wahrscheinlichkeitsrechnung Informationsverarbeitung Wahrscheinlichkeitsrechnung... 2.

Basisinformationstechnologie II

MPEG Video Layer 1. Fachbereich Medieninformatik. Hochschule Harz. Referat. Kolja Schoon. Thema: MPEG Video Layer 1

Proseminar Datenkompression

Hauptseminar: Digitale Medien und Übertragungstechnik. Videokomprimierung. Teil I. Vortrag: Philipp Correll Betreuer: Deti Fliegl

Einführung in die Informatik II Aus der Informationstheorie: Datenkompression

Lossy Bildkompression: Techniken und Bildqualität

Datenkompression. Motivation Datenmengen

Diskrete Cosinus-Transformation (DCT)

AAC ADPCM. Kompressionsverfahren für Audio. Anzahl Zeichen MP3 Wahrscheinlichkeit. des Auftretens des Zeichens

Digitales Video I Wie wird Video am Computer codiert?

Algorithmen und Datenstrukturen (für ET/IT)

Multimediatechnik / Audio

Lossless Codecs. Fachbereich Medieninformatik. Hochschule Harz. Referat. Christian Menschel. Thema: Lossless Codecs

Multimediale Werkzeuge, Audio: Formate, Tools. -Sound/Audio Objekte. Formate, Beispiele:

Huffman-Kodierung. Fachbereich Medieninformatik. Hochschule Harz. Huffman-Kodierung. Referat. Henner Wöhler. Abgabe:

Arne Heyda, Marc Briede, Ulrich Schmidt: Datenformate im Medienbereich, Fachbuchverlag Leipzig 2003, Kapitel 5

Optimalcodierung. Thema: Optimalcodierung. Ziele

Quellencodierung NTM, 2006/05, 9.3 Quellencodierung, Rur, 1

Thema: JPEG / Motion JPEG. Fachbereich Medieninformatik. Hochschule Harz. JPEG / Motion JPEG. Referat. Autor: Andreas Janthur

Die Technik des digital terrestrischen Fernsehen (DVB-T)

Multimediatechnik / Video

Das Ziel einer Transformationscodierung ist, die Korrelation zwischen den Pixeln zu

5. Licht, Farbe und Bilder

Analyse und Vergleich aktueller Videokompressionsverfahren

Campus-TV der Uni Mainz

Grafikformate: JPG - PNG

Panorama der Mathematik und Informatik

Audio Codecs. Vortrag im Seminar. Digital Audio. Sebastian Kraatz. 15. Dezember 2004

Abbildtreue und Kompression gescannter Dokumente bei PDF/A

Audiokompression. Codierung und Kryptographie. Christian Urff

Adaptive Differenz-Puls-Code-Modulation (ADPCM) und Lineare, Prädiktive Codierung (LPC)

Die versteckte Kommunikation

Vorkurs Informatik WiSe 16/17

Eine verlustbehaftete Komprimierung ist es, wenn wir einige Kleidungsstücke zu

EDV-Anwendungen im Archivwesen II

Multimediale Werkzeuge, Audio: Formate, Tools

2. Digitale Codierung und Übertragung

Distribution im Internet 1

Proseminar Datenkomprimierung Dr. U. Tamm. Bildkompression WS 2002/03. Florian Strunk

9. Vorlesung. Systemtheorie für Informatiker. Dr. Christoph Grimm. Professur Prof. Dr. K. Waldschmidt, Univ. Frankfurt/Main

Modul 0: Einführung Basiswissen Multimedia. Modul 1: Information und Kommunikation (IuK)

Die Digitalisierung von Musik

2. Digitale Codierung und Übertragung

Kodierungsalgorithmen

Qualitätskriterien digitaler Bilder im Langzeitarchiv! KOST Veranstaltung in Bern vom Dr. Peter Fornaro

Digitale Audiotechnik Technología de audio digital. Friederike Maier IKX 2012

Einführung in die Medieninformatik 1

Die diskrete Cosinustransformation

Eigenschaften von Kompressionsverfahren

Transkript:

Multimediatechnik / Video Codierung, Datenreduktion Quantisierung, Lauflängencodierung DCT, JPEG http://www.nanocosmos.de/lietz/mtv Inhalt Codierung digitaler Signale Datenreduktion (Kompression) Verlustfrei und verlustbehaftet Lauflängencodierung Differenz-Codierung/Pr Codierung/Prädiktiondiktion Blocktransformation JPEG Bewegungsschätzung

Digitalisierung eines Signals Abtastung & Quantisierung = Puls-Code Code-Modulation (PCM) Codierung / Datenreduktion Kanal

Datenreduktion / Komprimierung Motivation: Unkomprimierte Datenmengen sind zu groß! TV: 20 MB/s = 72 GB/h (720x576x2x25) HDTV: 100 MB/s = 360 GB/h (1920x1080x2x25) Speicherung auf Medien CD/DVD: 700 MB / 4-74 7 GB, 1-101 10 MBit/s (ca. 1 MB/s / 3,6 GB/h) Flash: 1-321 GB HD: 80-1000 MB Übertragung über Kanäle DSL: 1-161 16 MBit/s DVB: 4 MBit/s GSM/UMTS/3G: 32 kbit-1 1 MBit/s Datenreduktion Reduktion der Irrelevanz (nicht wahrnehmbare Komponenten) Quantisierung Reduktion der Redundanz (statistische Abhängigkeiten, Korrelation) Filter, Transformation

Verlustbehaftet Datenreduktion nicht wahrnehmbare Daten reduziert: Weniger Information Leichte Störungen zulässig ( Artefakte( Artefakte ) Hohe Kompression möglichm Beispiel: Quantisierung Verlustfrei Redundante Daten reduziert: Information bleibt erhalten Mathematisch eindeutig rekonstruierbar Nur geringe Kompression möglichm Beispiel: Lauflängencodierung Redundanz und Information Datenmenge = Information + Redundanz Reduzierung der Redundanz: gleiche Information Beispiele für f r Redundanz: Gleichartige, ähnliche Farbpixel, Farbverlauf Mehr mittlere Farbwerte als Extremwerte

Codierverfahren Verfahren/Codecs: PCM DPCM, ADPCM LZW RLE, Huffman JPEG MPEG (1-4) WMV RealVideo Datei-Formate (Container): Wave, AVI GIF, PNG, TIFF, BMP ZIP, RAR Quicktime JPEG/JFIF MPEG, MP4 WMV RV Lauflängencodierung (RLE) Entropiecodierung: Information bleibt erhalten Prinzip: 2 Bytes/Wert: 1 Lauflänge, 1 Wert Beispiel: 05 20 04 10 20 20 20 20 20 10 10 10 10 Vorteil für f gleichmässige Flächen gut geeignet für f r synthetische Bilder (CG) Nicht direkt geeignet für f r reale Bilder (Foto/Video)

Varianten Lauflängencodierung RLE = Run Length Encoding VLC = Variable Length Encoding Variante: Anzahl der Nullen LZW-Codierung (Lempel-Ziv-Welch) ähnlich RLE, mit Tabelle ( Dictionary( Dictionary ) Anwendung bei GIF, TIFF, ZIP Nur geringe Komprimierungsstufe (ca. 1:3) Beispiel: Original: 11 34 11 34 35 34 35... Komprimiert: 256 257 258... Tabelle:

Huffman-Codierung Prinzip: Wortlänge nach Wahrscheinlichkeit/Häufigkeit statt je gleich lange Zeichen (z.b. 8 Bit) bekommen häufige h Zeichen ein kurzes Wort vgl. Morsezeichen, E =., Z = - -.. Kürzestmöglicher Code (Optimaler Code) Beispiel: http://www.ziegenbalg.ph-karlsruhe.de/materialien karlsruhe.de/materialien-homepage homepage-jzbg/cc-interaktiv/huffman/codierung.htm Informationsgehalt / Entropie Informationsgehalt eines Zeichens ist abhängig von der Wahrscheinlichkeit des Auftretens hohe Wahrscheinlichkeit für f r Wert geringer Informationsgehalt I(p) ) = log 2 (p) in Bits Wieviele Bits sind zur Darstellung notwendig Entropie: : Mittlerer Informationsgehalt alle Zeichen gleich häufig h max. Entropie

Codierungsziele Verlustfrei: Huffman-Codierung gute Wahl! Problem: ungleichförmig verteiltes Signal, wenig unmittelbare Redundanz Lösung: Umformen, Filtern, Transformieren des Signals, so dass es besser Huffman-codiert werden kann! Redundanzreduktion Prinzip: Signal ohne Verlust umformen Verschiedene Verfahren: Differenz bilden (Schätzung, Prädiktion diktion) Im Frequenzbereich (Spektrum) darstellen (Transformation, Fourier,, DCT)

Codierung durch Schätzung (Pr( Prädiktion) Prinzip: Bildung eines Schätzwertes aus vergangenen Werten mit Prädiktor-Filter Differenzbildung kleiner Restfehler, mehr Nullen DPCM: Differenz-PCM PCM: Übertragung des Fehlersignals - Restfehler (Residual) Schätzung (Prädiktion) Seiteninformation (Filterkoeffizientn) Realisierung eines Prädiktionsfilters Digitales Filter Differenzbildung aus vorherigen Werten

DPCM / Prädiktion - Beispiel Zahlenfolge soll codiert werden (z.b. Pixel): F(x) ) = 11, 10, 10, 9, 8, 8, 10, 11, 6 Prädiktion durch einfache Differenz: F p (x) = F(x-1) F(x) Ergebnis: F p (x) ) = 11, 1, 0, 1, 1, 0, -2, -1, 6 kleine Werte können k durch Quantisierung Null werden Q=2: F Q (x) = 5, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, 3 danach Lauflängencodierung (z.b. Huffman) Prädiktion bei Bildfolgen (Video) Differenz zum Vorgängerbild

Verlustfreie JPEG Codierung: DPCM C A B X Alternative Prädiktoren 1: X=0 2: X=A 3: X=B 4: X=C 5: X=A + B - C 6: X=A + (B - C)/2 7: X=B + (A - C)/2 8: X=(A + B)/2 Zusammenfassung Prädiktion Schätzung der folgenden Werte/Signalverläufe aus vergangenen Werten Gut bei Ähnlichkeit hnlichkeit der Werte zueinander Quantisierung: Differenzen werden gemittelt, optimalerweise viele gleiche Werte

Zeit- und Frequenzbereich Umkehrbare Transformation in den Frequenzbereich (Fouriertransformation FFT, Cosinustransf. DCT) Hohe Frequenzen sind seltener und schwächer Beispiel: Audiosignal (Klang) Zeit Frequenz Transformations-Codierung Transformation Zeit/Ort Frequenzbereich (Spektrum) Ziel: Energiepackung (Konzentration auf niedrige Frequenzen) PCM Teilbandfilter / Transformation Frequenzkoeffizienten Fourier-/Cosinustransformation (DFT/DCT) Matrixmultiplikation: y = T x, x = T y Quantisierung der Frequenzkomponenten

Frequenz-Transformation Blockweises Vorgehen! Üblich: 8x8 oder 4x4 Pixel Cosinus-Transformation (DCT): Bild ist eine Überlagerung von Basisbildern Pixel Koeffizienten (vgl. Audio) Fouriertransformation (DFT): Signal ist eine Überlagerung harmonischer Wellen Zeitsignal Frequenzspektrum (z.b. 20 ms) DCT-Prinzip Umrechnung Pixel in Koeffizienten Transformation ist umkehrbar (invertierbar)

Zweck der DCT So ähnlich werden viele quantisierte DCT-Bl Blöcke aussehen: 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Viele Nullen oder kleine Werte, die irrelevant sind DCT-Beispiel Pixelwerte: DCT-Koeff Koeff.:

DCT-Quantisierung DCT-Koeff Koeff.: Quantisiert: DCT-Quantisierung Was passiert durch das Nullsetzen hoher Koeffizienten? Anschaulich: Bild wird etwas unschärfer Hohe Frequenzen werden abgeschnitten Tiefpass Bei Bildern: Kanten werden unscharf

u=0u=1u=2m=0123 4567m u=0u=1 m=0123 4567m u=2u=3 u=0u=1 m=0123 4567m u=2u=3 DCT 2D-DCT DCT Basisbilder für f r 8x8-Block DC-Koeffizient Nullter Koeffizient = Helligkeit des Blockes Formel: DCT-Mathematisch F x = c x Σ f n cos( ( (π/16)( (2m+1)x ) 2D: F xy = c xy (x,y,n,m=0..7) xy ΣΣ f mn mn cos( ( (π/16)( (2m+1)x ) cos( ( (π/16)( (2m+1)y ) Auch als schnelle Matrix-Multiplikation Multiplikation umformbar Eigentlich verlustfrei umkehrbar aber Rundungsfehler möglich! m Nicht auswendig lernen

Quantisierung mathematisch Prinzip: Teilen und Runden Datenreduktion mit Informationsverlust! (Irrelevanz) Für r jeden Wert F(x,y): (innerhalb des 8x8-Blocks) F q (x,y) ) = F(x,y) ) / Q(x,y) Q = Quantisierungsmatrix Einfacher Fall: Q = 16 für f r alle x,y F q = P/16 für f r alle x,y alle Werte kleiner 16 = 0! Quantisierung - Beispiel Eingangswerte (DCT-transformiert) Quantisierungsmatrix (für r jeden Wert ein eigener Quantisierungsfaktor) Quantisierte DCT-Werte F Q (x) = F(x) / Q(x): adaptive Quantisierung

Decodierung / Inverse Quantisierung Quantisierung durch Teilen und Runden nicht verlustfrei umkehrbar! Beispiel: Q=10 782,91 / 10 = 78 78 * 10 = 780 Fehler = Original Rekonstruktion = 2,91 Zig-Zag Zag-Scan der DCT-Koeffizienten Umsetzung der 2D Matrix in 1D Folge von quantisierten Werten Reihenfolge gemäß der psychovisuellen Wichtigkeit der Spektralanteile 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Lauflängencodierung (Run( Run-length-coding) Sehr viele Koeffizienten werden zu Null quantisiert Lauflänge gibt Anzahl der Nullkoeffizienten bis zum nächsten n Koeffizienten ungleich Null an Spezielles Zeichen für f End-of of-block (EOB) Entropiecodierung der auftretenden Symbole (quantisierte( DCT Koeffizienten) (meist Huffman) 1, 3, 1, 9, EOB Erzeugte Datenmenge Datenmenge bei festem Q vom Bild abhängig! Variable Bitrate (VBR) Original / DCT je nach Ort

Bitrate Konstante Bitrate nur möglich m bei Steuerung von Q Regelung von Q abhängig vom Bildinhalt Bitratensteuerung: Aufwendige Verfahren, starker Qualitätseinfluss! tseinfluss! Qualität t / Quantisierungsstufe Q Quantisierungsstufe Q = Kompressionsrate = Bildqualität Vom Anwender einstellbar Bildqualität JPEG: pro Bild nur ein Q-Wert. Optimaler Wert muss ausprobiert werden 1/Q bzw. Bit/Pixel

Bildqualität t / Bildinhalt Q fest eingestellt: konstante Qualität aber: schwankende Datenmenge (variable Bitrate)! Problem bei Übertragung über Netze! Encoder-Einstellungen: CBR (constant bitrate), 1-pass, 2-pass VBR (variable bitrate) = constant quality (Q) Zusammenfassung DCT und Quantisierung DCT: Transformation in anderen Zahlenbereich Quantisierung: Datenreduktion mit Fehler Lauflängencodierung: viele Nullen -> > wenig Werte Prinzip der meisten Bild- und Videocodierverfahren!