grundlagen

Videokomprimierung Komprimierungsverfahren, Codecs und Container

Farbunterabtastung

Ein Videosignal besteht aus Helligkeits- (Luminanz) und Farbinformationen (Chrominanz). Da für das menschliche Auge die Helligkeitsinformationen wichtiger sind als die Farbinformationen, kann bei der Abtastung des Signals eine Reduzierung der Farbinformationen durchgeführt werden, ohne dass es zu einem merklichen Qualitätsverlust der Bilddarstellung kommt. Dies ermöglicht durch Auslassen von Austastlücken eine erste Datenreduktion des Videosignals und wird Farbunterabtastung (chroma / color subsampling) genannt. Die meisten Codecs verwenden anstelle des RGB-Farbmodells das YCbCr Farbmodell. Y steht hier für den Helligkeitsanteil und Cb / Cr jeweils für den Farbanteil. Für die Farbunterabtastung wird die Notation Y:Cb:Cr verwendet. Pro Kanal wird dabei eine Farbtiefe von 8 Bit genutzt. Bei einem 4:4:4 Signal entspräche dies somit 24 Bit (8+8+8 Bit). Die nachfolgende Abbildung und Erläuterung [1] zeigen die am meisten verwendeten Varianten.

farbunterabtastungFarbunterabtastung

  • 4:4:4 (max. 24 Bit) – Höchste Bildqualität, jedes Pixel enthält Helligkeits- und Farbinformationen (Y+Cb+Cr).
  • 4:2:2 (max. 16 Bit) – Jedes Pixel enthält Helligkeitsinformationen (Y) aber nur jedes zweite Farbinformationen (Cb+Cr), sie werden also halbiert.
  • 4:2:0 (max. 12 Bit) – Jede erste Zeile enthält in jedem zweiten Pixel die Cb-Farbinformationen und jede zweite Zeile enthält in jedem zweiten Pixel die Cr-Farbinformationen. Es steht also nur ein Viertel der gesamten Farbinformationenzur Verfügung. Dabei verhält sich 4:2:0 ähnlich wie 4:1:1, wo allerdings nur jedes vierte Pixel die Farbinformationen (Y+Cb+Cr) enthält. Der Gesamtanteil der Farbinformationen ist bei beiden Varianten gleich.

Komprimierungsverfahren und Video-Codecs

Zur Datenreduktion bei der Videoaufnahme werden verlustfreie und verlustbehaftete Komprimierungsverfahren eingesetzt. Eine Komprimierung ist dann notwendig, wenn Speicherplatz eingespart oder die Bandbreite des Videostreams verringert werden muss. Die Datenmenge und der Datenstrom, jeweils unkomprimiert, setzen sich aus der Bildhöhe H [Pixel] und der Bildbreite B [Pixel], sowie der Bildrate f_{v} [Hz], der Farbtiefe F [Bit] und der Aufnahmezeit (nur Datenmenge) t [s] zusammen:

    \[ Datenmenge = \frac{B \cdot H \cdot f_{v} \cdot F \cdot t}{8 \cdot 1024 \cdot 1024}  [MB] \]

    \[ Datenstrom = \frac{B \cdot H \cdot f_{v} \cdot F}{1024^2}  [MBit/s] \]

Bei der Datenreduktion werden drei grundlegende Varianten [2] unterschieden:

Redundanzreduktion: Bei der Redundanzreduktion kann eine verlustfreie Verringerung des Videostreams durch das Entfernen von redundant vorliegenden Bildern oder Bildteilen ermöglicht werden. Ein Beispiel wäre die Entfernung von Einzelbildern in einer Standbildsequenz.

Irrelevanzreduktion: Bei der Irrelevanzreduktion werden Schwächen der visuellen Wahrnehmung ausgenutzt. Die Reduktion bzw. deren Bildstörungen sind somit kaum bis nicht sichtbar. Ein Beispiel wäre eine geringe Detailreduktion.

Relevanzreduktion: Bei der Relevanzreduktion entstehen für den Betrachter sichtbare Bildstörungen. Ein Beispiel wäre hierbei die Reduzierung der Bildauflösung.

Es gibt verschiedene Komprimierungsverfahren (Algorithmen) die entweder bei Einzelbildern (Intraframe) oder bei Bildsequenzen (Interframe) angewendet werden. Typische Verfahren sind die folgenden, welche an dieser Stelle nicht näher erläutert werden sollen. Weitere Infos zum jeweiligen Verfahren können z. B. auf Wikipedia abgerufen werden.

Um die Komprimierung bei der Aufnahme und die Dekomprimierung für die Wiedergaben durchführen zu können, stehen unterschiedliche standardisierte Codecs (Kodierung / Dekodierung) zur Verfügung, welche die verschiedenen Komprimierungsverfahren (teils abgewandelt) verwenden. Codecs werden von diversen Herstellern bereitgestellt und fortlaufend weiterentwickelt, um trotz Komprimierung ein qualitativ hochwertiges Bild zu ermöglichen. Die nachfolgende Auflistung stellt die aktuell verwendeten Codecs vor.

  • H.264 (AVC(HD)): Interframe Codec basierend auf MPEG 4, welcher mit großer Verbreitung bei aktuellen Consumer Kameras verwendet wird. Er zeichnet sich durch seine Effizienz und Skalierbarkeit aus und wird von einer Großzahl der Abspielgeräte unterstützt.
  • MPEG2: Interframe Codec, welcher der Vorgänger von H.264 ist. MPEG2 arbeitet nicht so effizient wie H.264, wird aber trotzdem heute noch von verschiedenen Kameras und für Anwendungsbereiche wie z. B. DVD oder DVB-T verwendet.
  • DV: Intraframe Codec, welcher sich mittlerweile im Produktionsbereich etabliert hat. Es existieren verschiedene Ausführungen wie unter anderem HDV, DVCPro und DVCProHD.
  • Motion-JPEG: Intraframe Codec, der die aufgezeichneten Bilder als einzelne JPEG Dateien abspeichert. Heute ist MJPEG nur noch wenig verbreitet.
  • JPEG 2000: Intraframe Codec, welcher auf dem Wavelet-Verfahren basiert und somit eine hohe Bildqualität liefern kann.

Video-Containerformate

In einem Video-Container befinden sich neben dem eigentlichen Videostream (inkl. Codec-Information) auch die Audiodaten, Sync-Daten, Untertitel, Metadaten, Timecode-Informationen und Weitere. Nachfolgend werden die drei am häufigsten zum Einsatz kommenden Containerformate aufgezeigt:

  • Quicktime (.mov, .qt) und MP4 (.mp4)
    • Information: Die Container QT und MP4 sind ähnlich aufgebaut. MP4 ist dabei ein offizieller Standard und QT ein eigenes Containerformat von Apple. MP4 wird heute bei Kompaktkameras und im Streamingbereich vorrangig eingesetzt.
    • Video / Audio: DV, DVCProHD, H.264, MPEG 1-4, AAC, AC-3 u. a.
  • MPEG – Moving Picture Experts Group (.mpeg, .mpg)
    • Information: Sowohl Containerformat, wie auch Codec. Es ist weit verbreitet und wird u. a. bei DVD und DVB-T eingesetzt.
    • Video / Audio: MPEG 1-4, AAC, AC-3 u. a.

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Zusammenfassung:
Artikel:
Videokomprimierung - Codecs / Container
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Beschreibung:
Ein Videosignal besteht aus Helligkeits- und Farbinformationen. Eine Videokomprimierung kann durch Auslassen von Farbinformationen durchgeführt werden.

Einzelnachweise:

  1. Quelle: Bilder bewegen: Filmen mit digitalen Spiegelreflexkameras (Alexander Altmann), ISBN 978-3-8266-9059-4. []
  2. Quelle: Digitale Film- und Videotechnik (Ulrich Schmidt), 97978-3-446-41250-7. []

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