WikiDer > Videokomprimierung

Video-Kompression ist es, Videodaten mit weniger darzustellen Bits als die ursprüngliche Darstellung, um Bandbreite oder Speicherplatz zu sparen.

Die meisten Kompressionsalgorithmen und Codecs für die Videokompression verwendet werden, kombinieren zwei Mechanismen, nämlich räumliche Bildkompression und temporäre Bewegungskompensation. Außerdem wird in der Regel auch eine Audiokomprimierung parallel durchgeführt, sodass beide Datenströme als Ganzes komprimiert werden können.

Geschichte

Die folgende Tabelle gibt einen chronologischen Überblick über die verschiedenen Videokomprimierungsstandards.

Arten der Datenkomprimierung

Es lassen sich zwei Arten der Videokomprimierung unterscheiden:

1. ratlos oder verlustbehaftet
2. verlustfrei oder verlustfrei

Mit Verlust

Bei der verlustbehafteten Komprimierung können nicht alle Daten komprimiert werden, sodass ein Teil davon verloren geht. Da ein Videobild eine digitale Darstellung eines analogen Signals ist, ist es nicht notwendig, das Originalsignal vollständig rekonstruieren zu können. Dies macht diese Form der Komprimierung zur am häufigsten verwendeten Form für Videodaten.

Da unkomprimierte Videodateien sehr groß werden können (62 GB für 1 Stunde), bietet diese Komprimierungsmethode die Möglichkeit, diese Größen drastisch zu reduzieren. Verlustbehaftete Komprimierungsalgorithmen ermöglichen Komprimierungen von mehr als 99%. Das heißt, die Größe der Datei wird weniger als 1% des Originals. Dies hat natürlich Konsequenzen auf Qualität und Kosten, daher müssen diese Faktoren gegeneinander abgewogen werden.

Ein Kompressionsalgorithmus, der unter anderem für DVDs ist MPEG-2, kann dies die Originaldatei um das 15- bis 30-fache verkleinern, verliert aber dennoch wenig von der sichtbaren Qualität.

verlustfrei

Bei der verlustfreien Komprimierung ist die komprimierte Datei eine exakte Kopie des Originals, sodass keine Daten verloren gehen. Es geht also keine Qualität verloren.

Außerdem haben mit dieser Technik komprimierte Dateien oft die gleiche Größe wie die Originaldatei. Daher wird es bei der Videokomprimierung praktisch nie verwendet.

Videokomprimierungstechniken Technique

Das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf Helligkeitsänderungen als auf Farbänderungen. Dazu werden die Bilddaten zunächst in eine Helligkeitskomponente und zwei Farbkomponenten aufgeteilt. Nach diesem Schritt wird die verlustbehaftete Komprimierung angewendet, sie basiert auf a diskrete Kosinustransformation und Quantisierung. Diese Technik reduziert die Anzahl der hohen Ortsfrequenzkomponenten, da das menschliche Auge gegenüber Rekonstruktionsfehlern bei den niedrigeren Frequenzkomponenten empfindlicher ist. Der Quantisierungsschritt sollte die DCT-Koeffizienten mit der notwendigen Genauigkeit darstellen, die wichtig ist, um die erforderliche Qualität zu erreichen.

Dann wird ein Zickzack-Scan durchgeführt, der die Hochfrequenzkoeffizienten zum Ende des Streams hin ordnet, da die meisten von ihnen nach der Quantisierung 0 geworden sind. Danach, Lauflängencodierung oder RLE zur weiteren Komprimierung angewendet. Endlich noch ein Huffman-Codierung oder arithmetische Kodierung, die eine Entropieverringerung bewirken.

Danach wurde ein vollständig codierter Frame erstellt, der I-Rahmen oder intraframe Dies liegt daran, dass der Codierungsprozess keine Informationen aus anderen Frames verwendet.

Die temporäre Redundanz zwischen den Frames kann zur weiteren Komprimierung ausgenutzt werden. Dabei wird der Vorhersagefehler zwischen entsprechenden Blöcken im aktuellen und im vorherigen Frame berechnet. Die Werte dieser Fehler werden dann an den Komprimierungsprozess übergeben. Die dabei entstehenden Rahmen sind p-frames erwähnt. Wenn nicht nur die vorherigen, sondern auch die kommenden Frames als Referenz verwendet werden, wird dies zu wordt b-Rahmen oder bidirektionaler Rahmen erwähnt.

Codec

EIN Codec ist eine Kurzbezeichnung für einen Coder-Decoder, sie können ihre Arbeit sowohl durch Hardware, als auch durch Software mit schnellen Prozessoren erledigen. Es nimmt dann eine Rohdatendatei und wandelt sie in eine komprimierte Datei um. Da nicht alle Originaldaten übertragen werden können, muss der Codec auswählen, welche Daten wichtig sind und welche nicht. Das Hauptziel besteht darin, die Bitrate der Quelle für die Speicherung und Übertragung zu senken und gleichzeitig die Videoqualität so gut wie möglich zu halten. Die zugrundeliegende Idee besteht darin, die räumliche Redundanz innerhalb eines Videoframes und die zeitliche Redundanz zwischen benachbarten Videoframes zu entfernen.

MPEG

Es Internationale Standardisierungsorganisation hat eine Gruppe namens Moving Picture Experts Group of MPEG. Die von MPEG verwendeten Algorithmen verwenden eine Transformationstechnik, die die Videodaten in Segmente aufteilt. Diese Segmente werden zuerst in a . umgewandelt Frequenzbereich und dann quantisiert.

MPEG hat inzwischen einige Kompressionsformate standardisiert, nämlich MPEG-1, MPEG-2 MPEG-3 und MPEG-4, MPEG-7, MPEG-21 und MJPEG.

MPEG-1 war der erste von der Gruppe veröffentlichte Standard. es definiert die Kodierung des kombinierten Audio-Video-Signals mit einer Bitrate von ca. 15 Mbps und einer VHS-Qualität von 320×240. Es wurde so eingerichtet, dass es von Speichermedien aus funktioniert.

Später wurde der MPEG-2-Standard für digitale Fernsehanwendungen entwickelt. Neue Funktionen wurden eingeführt, wie z Skalierbarkeit, mit dem Ziel, die Komplexität der Implementierung für Geräte gering zu halten, die nicht die vom Standard geforderten vollständigen Videoeingangsformate unterstützen. Die Bitrate wurde in MPEG-2 auf 8 Mbit/s erhöht.

H.261

Blockschaltbild H.261

H.261 ist ein Videocodierungsstandard, der von der . veröffentlicht wurde Internationale Fernmeldeunion und entworfen für ISDN-Netzwerkdatenraten. Es ist heute der am weitesten verbreitete Standard für Videokonferenzen.

Das wichtigste Element des gesamten Prozesses ist der Quell-Encoder, der das eingehende Videosignal komprimiert und mit Bildern ohne Zeilensprung arbeitet, die mit 30.000/1001 pro Sekunde auftreten. Bilder werden als Luminanzwerte und zwei Farbdifferenzkomponenten (Y, Cb, Cr) codiert. Wobei die Größe der Cb- und Cr-Matrizen ein Viertel gegenüber der Y-Matrix ist.

Um die Inkompatibilität zwischen verschiedenen TV-Standards (Phasenwechsellinie, NTSC und SECAM), sind die Bildstrukturen CIF und QCIF entstanden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die H.261-Bildformate.

H.263

H.263 basiert auf H.261 und soll bewegte Bilder mit niedrigen Bitraten komprimieren. Der Verschlüsselungsalgorithmus weist gegenüber seinem Vorgänger einige Verbesserungen auf, die es ihm ermöglichen, die gleiche Qualität mit weniger als der Hälfte der Bitanzahl im verschlüsselten Stream bereitzustellen.

Vorteile gegenüber H.261

• Die halbe Pixelgenauigkeit wird für die Bewegungskompensation verwendet, im Gegensatz zur vollen Pixelpräzision und dem Schleifenfilter beim H.261.
• Einige Teile der Datenstromstruktur sind nicht optional, sodass der Codec für eine niedrigere Bitrate konfiguriert werden kann.
• Es stehen vier zusätzliche Verschlüsselungsoptionen zur Verfügung:
  • Uneingeschränkter Bewegungsvektormodus
  • Syntaxbasierte arithmetische Codierung
  • erweiterter Vorhersagemodus
  • PB-Frame-Modus
• H.264 unterstützt neue Auflösungen.

Siehe auch

• Codec
• Datenkompression
• MPEG
• H.261