1. Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de
Basisinformationstechnologie II
Sommersemester 2014
02. Juli 2014 – Video: Kompressionsverfahren

2. Video
 Container
 Matroska
 MP4
 Codecs
 DivX
 Xvid
 H.264
 Verfahren der Videokompression
 Intra-coding
 Vektorquantisierung
 Konturbasierte Codierung
 Inter-coding
 Differenzcodierung
 Bewegungskompensation
Themenüberblick

3. Video
Container und Codecs

4. Bildnachweis: „Kill Bill“ (2003)

5. Bildnachweis: „Kill Bill“ (2003)
Bitraten (37 sec.):
◦ 1 Mbps (~5 MB)
◦ 500 Kbps (~3 MB)
◦ 100 Kbps (~1,6 MB)
Konstante Bitrate (CBR)
vs.
Variable Bitrate (VBR)

6.  ~25 Bilder pro Sekunde  25 fps (frames per second)
 Auflösung
 Farbtiefe (Quantisierung) z.B. 24 Bit pro Pixel
 Rechenexempel unkomprimiertes Video:
 720 * 576 * 24 = 9.953.280 Bit pro Frame = ~1,2 MB / Frame
(9.953.280 / 8 / 1024)
 1,2 MB * 25 Frames = 30 MB/ sec.
 30 MB * 60 sec. = 1.800 MB / min.
 1,8 GB * 60 min. = 108 GB / std.
Speicherplatzbedarf von Videomaterial

7. DVD & Co.
Quelle: http://www.bluray-disc.de/faq/was-ist-der-unterschied-zwischen-blu-ray-und-der-dvd

9. Container
Codecs  Von den Begriffen Compressor und Decompressor
• Codecs: Mathematische Algorithmen, mit deren Hilfe Video- und Audiodaten reduziert werden.
• Hardware-Codecs: Hardwarebausteine, die die Kompression in Echtzeit durchführen.
• Software-Codecs

10. MKV: Matroska Media Container
http://matroska.org/technical/whatis/index.html

11. Matroska Media Container
Matroska
• Unterstützt Videocodecs:
• MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4
• H.264
• RealVideo, WMV, Theora, Dirac
• …
• Unterstützt Audiocodecs:
• MP3
• AAC, AC3, DTS, WAV, Vorbis, FLAC

12. Container: mp4
Mp4
 Von der Moving Picture Expert Group (MPEG) (gegründet 1988) beschränkt auf
folgende Formate:
 Video: MPEG-4 (Part 2, Part 10 (AVC/H.264)), MPEG-2 und MPEG-1
 Audio: AAC, MP3, MP2, MP1, AC-3
 Bilder: JPEG, PNG
 Grafik und Text: BIFS (z. B. können Untertitel in dieses Format
umgewandelt werden)
 Dateiendungen:
 .m4v, .mp4v: Video (MPEG-4-Videoströme)
 .m4a: nur für Audio
 .m4b: (Audiobook): Hörbücher, in die Lesezeichen gesetzt werden können
 .m4p: (Protected): DRM-geschützte AAC-Audiodateien
 .m4r: (Ringtone): Klingeltöne für iPhone

13. MPEG: Standards

15. Codec: DivX
DivX
 <= DivX ;-) 3.11 (1999): Veränderter MS MPEG 4 Codec:
 u.a.: Erhöhung der maximalen Bitrate
 MS MPEG 4: 256 kbps
 DivX: bis 6 mbps
 Erzeugt kein ISO-konformes MPEG 4 Video
 > DivX ;-) 3.11: Neuentwicklung, patentierter Codec
 Unterstützt u.a.:
 Multipass Encoding (variable Bitrate)
 Komplexe Szenen erhalten eine höhere Bitrate zugewiesen, langsame Szenen eine
niedrigere Bitrate
 2000: Gründung der Firma DivXNetworks
  Open Source Projekt OpenDivX, basierend auf der MPEG-4 Referenzimplementierung des EU-
Projektes „MoMuSys“ (Mobile Multimedia Systems)
 Nach Veröffentlichung von DivX 4.0 (August 2001): Fokus auf kommerzielle Interessen, die
Entwicklungsarbeiten an OpenDivX werden eingestellt
 Kodiereffizienz schlechter als bei DivX ;-)
 DivX 5: Erstes kommerzielles Produkt
 …DivX 9.1.2 (2013-05)
Linktipp: http://www.heise.de/ct/artikel/DivX-im-Griff-288448.html

16. Coded: Xvid
Xvid
 Freie MPEG-4 Implementierung (GNU General
Public License), basierend auf OpenDivX
Quelltext
 Techniken:
 B-Frames
 Quarter Pixel Compensation
 …

17. Codec: H.264
H.264
• 2003 als Standard verabschiedet: MPEG-4 Part 10
oder auch AVC (Advanced Video Coding)
 Zehnter Teil des MPEG-4 Standards (MPEG-
4/Part 10, ISO/IEC 14496-10)
• Datei-/Containerformat: mp4
• Verwendung:
• HDTV / Blu-Ray
• Freier, quelloffener Encoder: x264
(http://www.videolan.org/developers/x264.html)

18. H.264
Variable block-size motion compensation (VBSMC) with block sizes as large as 16×16 a
as small as 4×4, enabling precise segmentation of moving regions.

19. Videokompression: Möglichkeiten in der Beseitigung von Redundanzen
Videokompression
?
?
?

20. Wie ließe sich diese Videosequenz komprimieren?
http://skateboarding.ru/gallery/data/media/81/sequence_mini.jpg

21. Videokompression: Möglichkeiten in der Beseitigung von Redundanzen
Videokompression
Bild- bzw. Framedimensionen (Höhe und Breite)
- Eigenschaften der Pixel (Helligkeit, Farbe)
- Eigenschaften des jeweils betrachteten Frames
Zeitliche Dimension

22. Welche der beiden Videosequenzen lässt sich besser /
stärker komprimieren? Warum?
http://skateboarding.ru/gallery/data/media/81/sequence_mini.jpg / http://mamboaustralia.com/isfucked/wp-content/uploads/2011/05/CHEADLE_CULBURRA_SEQUENCE1.jpg

23. Unterscheidung:
 Intra-coding (auch: spatial coding): Redundanz aus
einem Frame entfernen (räumliche Redundanz),
Kompression teilweise analog zu JPEG
 Vektorquantisierung
 Konturbasierte Codierung
vs.
 Inter-coding (auch: temporal coding): Redundanz
zwischen Frames entfernen (temporale Redundanz)
 Differenzkodierung (frame differencing)
 Bewegungskompensation
Videokompression

24. Idee und Verfahrensweise:
 Aufteilung des Frames in Blöcke (4x4, 8x8, etc.)
 Suche nach ähnlichen Blöcken
 Ähnliche Blöcke im Bild ersetzen durch „Durchschnittsblock“
 Zwei Schritte:
 Training: Erstellung der Tabelle (Codebuch) mit häufig vorkommenden Blöcken 
Häufig verwendet: Linde–Buzo–Gray Algorithmus
 Berücksichtigung der Ähnlichkeit der notierten Blöcke
Dekoder muss über das gleiche Codebuch verfügen
Vorteile:
 Schnelle Decodierung
 Gute Kompression bei vielen ähnlichen Blöcken
Nachteile:
 Codierung aufwändig, da ähnliche Blöcke gesucht werden müssen
Praxis: Verwendung in Codecs: Indeo, Cinepak
Intra-Coding: Vektorquantisierung

26. Idee und Verfahrensweise:
 Trennung in Textur und Kontur
 Konturen beschreiben (z.B.) durch Bézier-Kurven
 Texturen kodieren (z.B. mit DCT)
Praxis: Verwendung ansatzweise in MPEG-4
Knackpunkt: Objekterkennung
Intra-Coding: Konturbasierte Codierung

27. Inter-coding

28. Bildnachweis: http://www.ipway.rs/h264/Doc/wp_h264_31669_en_0803_lo.pdf
t = 1 t = 2 t = 3
…Kompression…?

29. t = 1
Frame vollständig gespeichert
 I-Frame
t = 2
Aus dem vorhergehenden
Frame berechnetes Frame
 P-Frame
…Kompression!
t = 3
Aus dem vorhergehenden
Frame berechnetes Frame
 P-Frame
Bildnachweis: http://www.ipway.rs/h264/Doc/wp_h264_31669_en_0803_lo.pdf

30. Speichern der Differenzen zwischen Start- und
Folgeframe, z.B. pixelweise
Differenzcodierung
Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 180.

31. Intra- vs. Predicted- vs. Bidirectional Frames:
 Das Intra-Frame (I-Frame, auch: Key Frame / Schlüsselbild)
wird nur unter Berücksichtigung der eigenen Bildinformation
kodiert
 Predicted Frames (P-Frames) werden aus den
vorhergehenden I-Frames berechnet.
 Bidirectional Frames beziehen sich sowohl
 auf die vorhergehenden I- und P-Frames
als auch
 auf die folgenden I- und P-Frames.
Praxis
 MPEG-1 / -2: Ein I-Frame pro ½ Sek.
 MPEG-4: Ein I-Frame ~ alle 10 Sek.
Unterscheidung I: Frame-Typen (in MPEG)

32. Verfahrensweise
 Startframe und spätere I-Frames intracodiert
übertragen
 Unterschiede zum Folgeframe bestimmen, als Bild
interpretieren und dieses Bild komprimieren
Differenzcodierung
Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 180.

33. Verfahrensweise:
 Objektbewegungen zwischen Frames identifizieren
 Speicherung der Veränderungen als Bewegungsvektoren
(motion vector)
 Zu übertragen:
 Differenzbild
 Bewegungsvektoren
Bewegungskompensation (Motion Compensation)
Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 182.

35. Blockbasierte Bewegungskompensation
 Verwendung u.a. im MPEG-2 Standard
Grob:
 Jedes Frame des Videomaterials wird in n*m große
Pixelblöcke unterteilt
 Um die Bewegungskompensation zu leisten, werden
die Pixelblöcke von Frame zu Frame miteinander
verglichen
 Ähneln sich die Pixelblöcke (z.B. Kreuzkorrelation), so
wird nur der Verschiebungsvektor gespeichert, um
den sich der Block verschiebt
Bewegungskompensation

36. /