Multimedia Tools (Subject) / 05 - Videocodierung (Lesson)

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• Technische Grundlagen - Typische Anwendungsbeispiele und Codecs DVD, DVB-S, DVB-C, DVB-T: MPEG-2 Part 2; H.265 oder HEVC oder MPEG-H Teil 2 (@DVB-          T2 möglich)Blu-Ray Disc: MPEG-4 Part 10 AVC (H.264), VC-1, MPEG-2, H.265(@Blu-Ray mit 4k Auflösung)HDTV: gemäß DVB-S2 Nutzung von z.B. MPEG-2 oder AVC (H.264)möglichDigitales Kino (Nach DCI-Spezifikation): Motion-JPEG2000DV-, MiniDV, DVCPRO, DVCAM: Einzelbildcodierung ähnlich MJPEGBetacam SX, IMX: MPEG-2HDV (Semiprof. HDTV-Videoformat): MPEG-2HDCAM SR (HDTV): MPEG-4 Part 2Bandlose HD-Camcorder (AVCHD-Format): MPEG-4 AVC (H.264)
• Technische Grundlagen - Typische Anwendungsbeispiele und Codecs Streaming: z.B. MPEG-4, Real Video, Windows Media VideoVideoportale (z.B. Youtube): z.B. Sorenson (H.263-Variante), AVC(H.264) und sehr häufig VP9 (der Internet Engineering TaskForce)Handheld Video (z.B. DVB-H, 3GPP, iPod, Digicams): z.B. MPEG-4 AVC (H.264, MPEG-4 Part 10), MPEG-4 Part 2Videokonferenz-Systeme: z.B. H.261, H.263, AVC (H.264)Weitere: DivX, Xvid, Nero Digital (alle sind Implementierungen von MPEG-4 Part 2)Häufig sind die codierten Videodaten in Containerformatenenthalten, z.B. MP4, Flash Video (flv), avi, asf
• Technische Grundlagen - Standardgrößen und Bildraten für Videokonferenz Standardgrößen• SQCIF (Sub-QCIF): 128 x 96 Pixel• QCIF (Quarter-CIF): 176 x 144 Pixel(Videogröße im ISDN-Bildtelefon)• CIF (Common Intermediate Format): 352 x 288 Pixel• 4CIF (4-fach CIF): 704 x 576 Pixel• 16CIF (16-fach CIF): 1408 x 1152 Pixel• SDTV / DV-PAL: 720 x 576• YouTube verwendet 640 x 480 (Aspect Ratio 4:3)• Mittlerweile HD-Unterstützung: 1080p: 1920 x 1080 PixelBeispielhafte Bildraten• 25 Frames/s: Ausgabe auf TV• 2-15 Frames/s: (früher) Video im Internet• 8-10 Frames/s: Bildtelefonie
• Technische Grundlagen - Grundlagen der Kompression von Einzelbildern • Gleiche Prinzipien wie z.B. bei JPEG• Blockweise Verarbeitung (z.B. 8x8 Pixel Blöcke)• Transformation von Bildblöcken in den Ortsfrequenzbereich mit Hilfe der 2D-DCT (Diskrete Cosinus Transformation) = Berechnung von Spektralkoeffizienten für jeden Bildblock• Reduktion der für die menschliche Wahrnehmung nicht relevanten Bilddaten = Quantisierung der Spektralkoeffizienten• Verlustlose Kompression der verbleibenden Bilddaten = Entropiecodierung
• Technische Grundlagen - Zusätzliche Kompressionstechniken für Video Einfache Techniken:• Reduktion des Farbraums / Farbumfangs durch Tabellen• Interpolation (Subsampling (Bildgröße, Framerate))• Frame Prediction = Abhängigkeit der einzelnen Framesuntereinander, Speicherung von Differenzbildern• Bewegungskompensation/ motion compensation/ motion prediction = Vorhersage von Folgebildern mit Hilfe der BewegungsschätzungStatistische Verfahren zur Redundanzminderung• Vektorquantisierung (führt zu Quantisierungsfehlern)• Entropiekodierung z.B. Run Length Encoding(Lauflängenkodierung)
• Technische Grundlagen - Diskrete Cosinus-Transformation (2D-DCT) • Transformation aus dem Orts- in den Frequenzbereich• Transformation erfolgt blockweiseIn Vidocodierung sind typisch• Block: 8x8 Bildpunkte• Makroblock: 16x16 Bildpunkte
• Technische grundlagen - Grundprinzip Differenzbildcodierung Bild (Frame) =>Codierung des Differenzbildes =>Codiertes Videosignal Codiertes Videosignal =>Decodierung des Differenzbildes=>Rekonstruiertes (vorangegang.) BildDifferenzbild = Differenz von gegenwärtigen und vorherigen BildCodiertes Videosignal =Folge von codierten DifferenzbildernDecodierung des Differenzbildes = Rekonstruktion des Einzelbildes durch Addition zum vorherigen BildBeachte: Die Verwendung des vorherigen Bildes für die Differenzbildung ist eine sehr einfache “Prädiktion” des gegenwärtigen Bildes, ohne Einbeziehung von z.B. Bewegung im Bild
• Technische Grundlagen - Frame Prediction Einzelne Bilder einer Videosequenz unterscheiden sich• wenig: bei Videokonferenzen („Head and Shoulder“)• deutlich: bei schnellen Bewegungen der Objekte, beiSchwenks oder Zooms• dramatisch: bei harten Schnitten• Durch Einbeziehung von Bewegung im Bild durch sog.„Bewegungskompensation“ ergibt sich deutlichverbesserte Prädiktion des augenblicklichen Bildes, d.h.besser komprimierbare Differenzbilder!
• Technische Grundlagen - Frame Prediction (I-,P-,B-Frames) Frame PredictionUnterschiedliche sog. Frames (Einzelbilder)• I-Frames (Intraframes): große Datenmenge, enthalten den kompletten Bildinhalt, ohne Differenzbildung• P-Frames (predictive frames) enthalten nur die Differenz zu einem prädizierten Bild, basierend auf vorhergehenden P- oder I-Frame• B-Frames (bidirectional predictive frames) interpolieren zwischen dem vorhergehenden und dem folgenden P- / IFrame.
• Technische Grundlagen - Frame Prediction (Framefolge; +-;Schnitte) Typische Framefolge:I B P B P B P B P B P B P B P B P B P B P B P B Ibei geeigneten Videoszenen in Multimediaanwendungen wird oft nur alle 5-10Sekunden ein I-Frame eingefügt (digit. Fernsehen etwa 2-3 pro Sekunde)+ Vorteil: viel geringere Datenrate bei wenig bewegten Szenen- Nachteil: die einzelnen Frames sind nicht mehr unabhängig,Schnitte sind ohne Re-Codierung nur an I-Frames möglichFür Schnittsysteme wurden deshalb bisher Verfahren ohne Bewegungskompensation verwendet.
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• Technische Grundlagen - Bewegungskompensation • Das aktuelle Bild wird in gleich große Blöcke aufgeteilt, üblicherweise 16x16 Pixelblock (Makroblock) oder 8x8 Pixelblock• Bewertungskriterium:Differenz von Helligkeitswerten des Ursprung-Makroblocks zu Helligkeitswerten eines Suchmakroblocks• Der Bewegungsvektor wird dadurch festgelegt, dass im vorhergehenden Bild der Suchmakroblock gefunden wird, der das Bewertungskriterium minimiert.• Die Suche findet gewöhnlich nur auf der Luminanz statt.
• Technische Grundlagen - Bewegungskompensation (Folgebild;Probleme) • Mit Hilfe der errechneten Bewegungsvektoren lässt sich das Folgebild prognostizieren.• Die Bewegungskompensation liefert eine Vorhersage für das Folgebild. Es wird die Differenz gebildet zw. vorhergesagtem und wirklichem Folgebild. Das Differenzbild wird codiert.• problematisch für die Bewegungskompensation: Zoom, Rotation, Szenenschnitt
• Technische Grundlagen - Zusammenfassung • “Hybrid-Coder”: gleichzeitige Nutzung von transformationsbasierter und prädiktiver Codierung• Intraframe-Codierung: Codierung nur innerhalb eines Bildes• Interframe-Codierung: Nutzung der Abhängigkeiten zwischen aufeinander folgenden Bildern (Interframe-Prädiktion)• Bewegungskompensation: (engl. “Motion Compensation”, Differenzbildung unter Verwendung von Bewegungsvektoren)• Entropiecodierung der quantisierten Spektralkoeffizienten (im Standard zu finden unter Variable Length Coding)
• Video-Codecs Videocodecs (weitere)M-JPEG                                     Kompressionstechnik: 2D-DCT;(„Motion JPEG“)                         jedes Einzelbild wird in JPEG codiert, daher gut geeignet zur                                                      Postproduktion (Videoschnitt), jedoch hohe Datenrate Digital                                                      Video (DV) Für Consumer-Geräte, einfache Hardware 25 bzw.                                                    50 Mbit/sWMV                                          Proprietäres Format von Microsoft Meist eingebettet in                                                                MicrosoftContainerformat .asf                                                   Seit 2005 auch Codec VC-1                                                   (standardisiert durch SMPTE)Realvideo                                   Proprietäres Videoformat, entwickelt von Realnetworks
• Video-Codecs - Standards: MPEG MPEG “Moving Pictures Expert Group” internationaler Standard zur A/V CodierungMPEG-1 (1992) Zielanwendung: Codierung von A/V für CD max. 352x288 Pixel, max. 30 fps,<1.5 Mbit/sMPEG-2 (1994) Zielanwendung: Digitales Fernsehen in Fernsehqualität, Unterstützung fürZeilensprungverfahren ...MPEG-4 (1999) neue Funktionen wie Skalierbarkeit, objektorientierte Darstellung, Interaktivität ...wird in HDTV verwendet (optional)AVC                                            Advanced Video Coding, auch H.264 Teil des MPEG-4                                                               Standards (Part 10) Einsatz für DVB-H, DVB-S2 (inkl. HDTV),                                                     DMB,…

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