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AVS2 (Fach) / Videokompression analog zu digitalen Videosignal (Lektion)
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- analoge Fernsehsysteme B, D, H , I, K, K1, L, M - 625 Zeilen - Bildwiederholungsfrequenz 25 Hz - Zeilenfrequenz 15.625 Hz - Videobandbreite: 4,2 MHz - 6 MHz - Bildinhalt: Halbbilder -> 288 Zeilen mit Bildinhalt pro Halbbild -> 576 Zeilen mit Bildinhalt pro Bild
- analoges Fernsehsystem M - 525 Zeilen - Bildwiederholungsfrequenz 29,97 Hz - Zeilenfrequenz: 15.734,264 Hz - Videobandbreite: 4,2 Hz - 486 Zeilen mit Bildinhalt pro Bild
- Anforderung an digitales Komponentensignal - Digitalisierung von 525- und 625 Zeilen-Systemen mit einheitlichern Ansatz - orthogonales Abtastraster - Abtastpunkte mit fester Position -> Abtastfrequenz 2,25 MHz (vielfaches von Zeilenfreq.) -> ITU-R BT-601 (CCIR 601) - Verhältnis der Luminanz-/Chrominanz-Abt. fr. 4:2:2 - Luminanz = 6 * 2,25 MHz = 13,5 MHz = 4 * 3,375 MHz - Chrominanz = 3 * 2,25 MHz = 6,75 MHz = 2 * 3,375 MHz
- Videokompression Prinzip von digitalem Video - Sequenz digitaler Einzelbilder Codec - Algorithmen zur Codierung und Decodierung der Bilddaten Architektur - In welchem Rahmenstrukturen werden die Daten verpackt Asymetrie - Decoder weniger aufwendig als Encoder
- anwendungsspezifische Anforderungen Kommunikation - geringe Codierungsverzögerung - Robustheit gegenüber Übertragungsfehlern - Skalierbarkeit digitale Filme - hohe Qualität - wahlfreier Zugriff digitales Fernsehen - viele Empfänger unterschiedlicher Leistungsfähigkeit - Robustheit gegen Übertragungsfehler - wahlfreier Zugriff
- Prinzipien der Datenreduktion Redundanzreduktion - entferne überflüssige, weil bekannte Infos - Abhängigkeit/Ähnlichkeit - neben-/übereinanderliegende Bildpunkte ->spartiale (räumliche) Redundanz - in aufeinanderfolgenden Teilbildern ->temporale (zeitliche) Redundanz -> Redundanzreduktion ohne Informationsverlust ->verlustfrei codierung - Methoden: Entropiecodierung, Differezncodierung (Prädiktion) ohne/mit Bewegungskomposition
- Irrelevanzreduktion - Weglassen nicht wahrnembarer Infos - hohe Chrominanzauflösung zB wird nicht wahrgenommen - reale Videosignale haben höhere Frequenz mit geringer Amplitude -> reduzierte Auflösung möglich -> Irrelevanzreduktion hat Informationsverlust zur Folge -> verlustbehaftet - Methoden: Reduzierung der Chrominanzauflösung, Traformationscodierung, angepasste Quantiesierung
- Bewegtbild- oder Videocodierung Definition: Codierung einer Sequenz von Bildern Ansatz 1: jedes Bild der Sequenz als Einzelbild codieren - Intraframe, z.B. Motion-JPEG, DV - Bei reduzierter Bitrate deutlichere Codierverzerrung als Einzelbilder -> Hohe Bitrate Ansatz 2: Nutzung der Ähnlichkeiten aufeinanderfolgender Bilder - Prädiktion - evtl. Bewegungsschätzung - Differenzbildcodierung -> höhere Kompression
- prädiktive Videocodierung Aufeinanderfolgende Bilder ähneln sich oft -> Vorhersage eines Bildes auf der Basis eines vorhergehendes Bildes und/oder eines nachfolgende Bildes -> Dekorrelation -> inter-Codierung - Bildung des Differenzbildes (Fehlerbildes) aus Prädiktion und Originalbild - Fehlerbild wird JPEG-artig weiterverarbeitet - meist deutlich geringere Entropie als Originalbild
- Bewegungsschätzung (zeitliche Modellierung) - Grundidee für effektivere Datenkompression - Problem: Bildinhalt verschiebt/verändert sich durch "Bewegungen" - Lösung: bessere Prädiktion durch Bewegungskompensation - Gründe für Änderungen ("Bewegungen") - Kamera (Schwenk, Zoom, neue Bildinhalte) - Veränderung der Beleuchtung - tatsächliche Bewegung (Translation, Rotation, Verformung)
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- Bewegungsschätzung (Lösungsansatz) Lösung: Schätzung und Kompensation der Bewegung von der Differenzbildung Nährungsverfahren: Block-Matching-Verfahren
- Grenzen für Bewegungsschätzung - Realität stimmt nicht mit 2D-Bewegungsmodell überein - Bewegungsvektorfeld ist abgetastet und quantisiert - Randeffekte - freiwerdender Hintergrund
- Blockmatching Definition: Aufteilung des Bildes in Makroblöcke und suchen einer Entsprechung im Referenzbild - Suche/Vergleich sehr rechenaufwendig, gesichter Bezugsblock liegt meist in der Nähe -> Suchbereich begrenzen - Ziel: für jeden Block den ähnlichsten Block im vorangegangenen Bild finden -> relative Verschiebung erfolgt durch Bewegungsvektor - Problem: Objektgrenzen sind nicht immer rechteckig, Bewegung erfolgt in Teilpixeln (nicht Pixelgenau) - Lösung: kleinere Blockgröße, Sub-Pixel-Auflösung (noch mehr Rechenaufwand)