Videokompression

Videokompression

 

(Videokomprimierung), die Reduktion der Größe von digitalen Videodateien (Datenreduktion, Komprimierung). Bei einer unkomprimierten Darstellung muss bei einem Video die vollständige Information für jeden Bildpunkt jedes Frames gespeichert werden, was zu riesigen Datenmengen führt. Bei einer Videosequenz in der PAL-Norm (PAL) beispielsweise hat jedes Bild eine Auflösung von 768 × 576 Pixel, die Darstellung jedes Pixels erfordert 24 bit, sodass sich bei einer Frame Rate von 25 Bildern pro Sekunde eine Datenrate von 253 Mbit/s ergibt (ohne Ton). Da bei einer so großen Datenmenge viele Speichermedien sehr schnell gefüllt wären und eine Datenübertragung sehr aufwendig wäre, werden verschiedene Verfahren angewandt, um die Datenmenge zu verkleinern, ohne die Qualität des Videos wesentlich zu beeinträchtigen. Der Kompressionsfaktor, d. h. das Verhältnis der ursprünglichen Größe einer Datei zur Größe der Datei nach der Kompression, kann bis zu 150 : 1 betragen.

 

Man unterscheidet - wie bei der Komprimierung anderer Daten auch - zwischen verlustfreien und verlustbehafteten Komprimierungsmethoden. Bei Ersteren gehen keine Informationen verloren, nach Kompression und anschließender Dekompression liegt also wieder die Ursprungsdatei vor. Dagegen werden bei der verlustbehafteten Kompression Informationen weggelassen. Diese gehen unwiederbringlich verloren, sodass die Datei nach der Dekomprimierung nicht mehr mit der Originaldatei identisch ist. Mit verlustbehafteten Verfahren lassen sich jedoch höhere Kompressionsfaktoren erzielen als mit den verlustfreien. Je nach Verfahren entstehen dadurch teils sichtbare Qualitätseinbußen und Bildfehler (Artefakte), teils nur geringe, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Generell gilt: Je größer der Kompressionsfaktor, desto gravierender die Bildfehler.

 

Kompression beruht darauf, die Speicherung von Redundanzen, also von Information, die mehrfach vorkommt, zu verringern oder sogar zu vermeiden. Dies kann bei bewegten Bildern auf zweierlei Weise geschehen: Die Intraframe-Kodierung berücksichtigt räumliche Redundanzen, also Redundanzen innerhalb der einzelnen Frames. So muss beispielsweise bei einer größeren einfarbigen Fläche innerhalb des Bildes nicht für jeden einzelnen Bildpunkt die volle Farbinformation gespeichert werden. Bei der Interframe-Kodierung geht es dagegen um zeitliche Redundanzen, d. h. um Redundanzen in aufeinander folgenden Bildern. Hier gibt es Bereiche, die sich innerhalb eines Zeitraums nicht oder nur wenig ändern. Diese müssen nicht für jedes Einzelbild separat gespeichert werden, sondern es genügt, nur jeweils die Veränderungen gegenüber dem vorangegangenen Bild bzw. die Art der Bewegung des Objekts zu speichern (I-Frames, P-Frames, B-Frames).

 

An komprimierte Videodaten werden jedoch bestimmte Anforderungen gestellt: So soll u. a. der Zugriff auf einzelne Bilder gewährleistet sein, ein Suchlauf, d. h. ein schneller Vor- und Rücklauf, bei dem z. B. nur jedes zehnte Bild gezeigt wird, und eine Synchronisation oder ein Rückwärtsabspielen sollen möglich sein.

 

Zu den verlustfreien Methoden, die auf der Verringerung von Redundanzen beruhen, gehören die Anwendung einer Color Lookup Table (CLUT), Runlength Encoding (RLE) sowie statistische Kodierung (Huffman-Kodierung) oder LZW.

 

Eine einfache verlustbehaftete Datenkomprimierung kann zunächst darin bestehen, die Farbinformation zu reduzieren. Dafür ist die YUV-Darstellung (YUV) der RGB-Darstellung (RGB-Farbmodell) vorzuziehen. Das YUV-Farbmodell verwendet eine Helligkeits- und zwei Farbkomponenten. Da das menschliche Auge für die Helligkeit wesentlich empfindlicher ist, kann anstelle der Speicherung der vollen Information (4 : 4 : 4), die Gewichtung 4 : 2 : 2 oder sogar 4 : 1 : 1 gewählt werden, d. h. nur die Helligkeitsinformation wird vollständig dargestellt, die beiden Farbkomponenten dagegen nur mit 50 % oder 25 % Auflösung.

 

Redundanzen innerhalb der Einzelbilder nutzt die diskrete Cosinus-Transformation (DCT) aus. Sie wandelt Blöcke von je 8 × 8 Bildpunkten in Beschreibungen um, bei denen die einzelnen Werte durch Frequenzen und Amplituden repräsentiert werden. Dabei beschreiben die Frequenzen, wie schnell sich Farben innerhalb eines Bildes verändern, die Amplituden beschreiben die Stärke der Veränderung. In einem anschließenden Vorgang, der sog. Quantisierung, wird die Genauigkeit, mit der die Daten kodiert sind, den Gegebenheiten angepasst, was zu einer weiteren Datenreduktion führt.

 

Als weitere Methode zur Komprimierung von Einzelbildern wird die ebenfalls zu den Transformationskodierungen zählende fraktale Bildkomprimierung angewandt.

 

Nicht jede Kompressionsmethode ist für alle Anwendungen geeignet. Häufig spielt die Zeit eine wesentliche Rolle, die für die Kompression und die Dekompression benötigt wird. Hier unterscheidet man zwischen symmetrischen Kompressionsverfahren, die für die Kompression genauso lange brauchen wie für die Dekompression, und asymmetrischen Kompressionsverfahren, bei denen die Kompression meist wesentlich länger dauert als die Dekompression. Bei interaktiven Anwendungen wie z. B. in der Bildtelefonie oder bei Videokonferenzen, müssen beide Vorgänge mit möglichst geringer Verzögerung ablaufen, um eine Übertragung der bewegten Bilder in Echtzeit zu ermöglichen. Hier ist Motion-JPEG die geeignetere Methode. Auch H.261, ein H-Standard für Videokonferenzen und Videotelefonie über ISDN, zählt zu den symmetrischen Verfahren. Hier werden verschiedene Kodierverfahren angewandt, nämlich die diskrete Cosinus-Transformation (DCT, s.o.) und die Differential Pulse Code Modulation (DPCM). Werden Daten jedoch nur in eine Richtung übertragen (z. B. bei Video on Demand, VOD), so ist eine schnelle Dekomprimierung gefragt, während der Zeitaufwand für die Komprimierung von untergeordneter Bedeutung ist. In diesen Fällen wird MPEG bevorzugt.

 

 TIPP:

 

Zum Lieferumfang von Windows Me und Windows XP gehört das Programm Movie Maker, das einen sehr hohen Grad der Videokompression erreicht. Dieser Vorteil wird allerdings durch Einschränkungen bei Bildqualität und -größe erkauft. Derart komprimierte Videos eignen sich v. a. für Amateurzwecke und für kleine Videos, die im Internet veröffentlicht werden sollen.