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Videotechnologie: Videostandard H.264 hat Branche vorangetrieben

01.05.2007
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Videotechnologie: Videostandard H.264 hat Branche vorangetrieben. Der nachfolgende Artikel setzt eine Reihe von Beiträgen des ZVEI-Fachverbands Sicherheitssysteme, Fachkreis Videosysteme, zum Thema Veränderungen in der modernen Videotechnik (Einfluss von IP- und Digitaltechnik, die Bedeutung der Bildanalyse und der Detektionsalgorithmen) fort. Nachfolgend schildert Dr. Frank Bauernöppel (DResearch Digital Media Systems GmbH), Fachkreis Videosysteme, die Entwicklungen im Bereich Videokodierung.

Grundbausteine der Videokodierung

Aus dem Jahr 1929 datiert eine Patentanmeldung, die ein Verfahren zur Verbesserung von (damals analogen) Videoübertragungen beschreibt: Man übertrage anstelle einer Folge von Einzelbildern (Abb. 1) immer nur die Änderungen in der Szene in Form von Differenzbildern (Abb. 2). Das man dadurch in der Regel eine Einsparung erzielt liegt daran, dass eine Videoszene nicht eine Aneinanderreihung zusammenhangloser Einzelbilder ist, sondern sich zeitlich benachbarte Bilder einander ähnlich sind (zeitliche Korrelation von Videodaten).

Zeitlich benachbarte Bilder werden sich noch viel ähnlicher (und damit das Einsparungspotential viel größer), wenn man bewegte Objekte verfolgt (Abb. 3) und anstelle der Objekte selbst nur deren Bewegungsinformation überträgt, z.B. Form einfacher Verschiebungsvektoren ("Bewegungsvektoren"). Dies setzt jedoch eine digitale Repräsentation der Bilder und genügend CPU Performance voraus und wurde seit den 70er Jahren erforscht.

Eine andere einfache Beobachtung ist, dass innerhalb eines einzelnen Bildes benachbarte Bildpunkte oft ähnlich sind, etwa der blaue Himmel im Hintergrund einer Landschaftsaufnahme. Man spricht hier von einer örtlichen Korrelation von Bild- oder Videodaten. Auch dies lässt sich für eine effektivere Kodierung von digitalen Bildern oder Video ausnutzen, indem man die Daten einer mathematischen Transformation unterzieht, etwa bei JPEG und den verschiedenen MPEG Verfahren einer Digitalen Kosinus Transformation (DCT) und anschließend geschickt rundet (Quantisierung).

Beim Runden nutzt man auch die Eigenschaft des menschlichen Sehens aus, für verschiedene Strukturen (Ortsfrequenzen) verschieden empfindlich zu sein.

Außerdem ist die Quantisierung die wichtigste Stellschraube zum Einstellen einer gewünschten Dateigröße oder Bitrate. Bewegungsvektoren und transformierte und quantisierte (Rest-)Bilddaten machen den Hauptteil digitaler kodierter Videodaten aus.

Bevor diese aber gespeichert oder versendet werden, entfernt man in einem letzten Schritt, der Entropiekodierung (nach Shannon 1946), noch letzte Redundanzen aus den Videodaten. Dieser Schritt ist vergleichbar mit dem Einzippen von Textdateien, die ja aufgrund der unterschiedlichen Buchstaben Häufigkeiten und Wiederholungen auch ohne Informationsverlust komprimiert werden können.

MPEG, H.26x und Variationen zum Thema

Basierend auf den obigen Grundlagen hat sich vor allem in den letzten zwei Jahrzehnten ein großes Betätigungsfeld für die Forschung und Entwicklung von Videokodierungsverfahren aufgetan. Angeregt durch die immer höhere CPU Performance hat man die Basisverfahren immer weiter verfeinert und neue, komplexere Algorithmen hinzugefügt, die noch besser komprimieren als ihre Vorgänger. Bspw. hat man die Genauigkeit der Bewegungsvektoren immer weiter erhöht und erlaubt Bildvorhersagen von mehreren Bildern (B-Bilder). Bei der Entropiekodierung haben die rechenaufwändigen arithmetischen Kodierverfahren (SAC, CABAC) die relativ einfachen VLC Huffman Codes überholt.

Eine Vorreiterrolle der technologischen Entwicklung hat dabei die MPEG Arbeitsgruppe (Moving Picture Experts Group) der ISO eingenommen, die 1988 von Leonardo Chiariglione nach dem Vorbild der JPEG Arbeitsgruppe gegründet wurde und seitdem eine Reihe bedeutender Standards wie MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4 hervorgebracht hat. Weitere wichtige Impulse kamen aus der Telekommunikation (damals CCITT, heute ITU-T) mit ersten Empfehlungen zur Videotelefonie (H.26x) in den 90er Jahren.

Wie komplex Videokodierung geworden ist, zeigt auf beeindruckende Weise die Anzahl der Textseiten, auf denen die Standards niedergeschrieben werden: 1993 genügten 25 Seiten für die Definition von H.261, 10 Jahre später benötigt die erste Ausgabe von H.264 269 Seiten, die Fassung von 2005 hat inzwischen 330 Seiten.

Dabei konzentrieren sich die Standards lediglich auf die Syntax und Semantik der kodierten Bitströme. Sie stellen eine Reihe von Werkzeugen wie Bewegungskompensation, Vorhersage von Bildblöcken, aus anderen Bildern, Transformationskodierung usw. zur Verfügung und definieren, wie man aus einem kodierten Bitstrom durch Anwendung dieser Werkzeuge das Video dekodiert. Die Kodierung selbst ist nicht standardisiert, jeder Hersteller kann und muss hier kreativ werden, um aus der Fülle der Werkzeuge diejenigen auszuwählen und anzuwenden, die für seinen Einsatzzweck am wertvollsten sind.

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