MPEG-Komprimierung

MPEG

In den meisten Videosequenzen handelt sich bei den meisten Szenen um fixe Szenen oder mit weniger Veränderung, man nennt dies temporale Redundanz.

Wenn sich lediglich die Lippen des Schauspielers bewegen, verändern sich fast nur die Pixel des Mundes von einem Bild zum nächsten, es reicht also aus, die Veränderung von einem Bild zum nächsten zu beschreiben. Dies stellt den wichtigsten Unterschied zwischen MPEG (Moving Pictures Experts Group) M-JPEG dar. Diese Methode hat jedoch viel weniger Wirkung auf eine Szene mit Aktion.

Die MPEG -Gruppe wurde 1988 mit dem Ziel erstellt, internationale Standarde der Komprimierung, Dekomprimierung, Bearbeitung und Kodierung von animierten Bildern und Audiodaten zu entwickeln.

Es gibt mehrere MPEG-Standarde :

• Bei MPEG-1, das 1988 entwickelt wurde, handelt es sich um einen Komprimierungsstandard von Videodaten und damit verbundenen Sprechkanälen (bis zu 2 Kanälen für einen Stereo-Hörempfang). Dies ermöglicht die Speicherung von Videos bei einer Übertragungsrate von 1.5Mbps in einer Qualität, die sich der von VHS-Kassetten auf einem CD-Träger nähert, den man VCD (CD-Video) nennt.
• Bei MPEG-2 handelt es sich um einen Standard, der ursprünglich dem digitalen Fernsehen gewidmet war (HDTV). Er bietet einen hohe Qualität bei einer Übertragungsrate von bis zu 40 Mbps, und 5 Surround-Audiokanäle. Das MPEG-2 ermöglicht weiterhin eine Identifizierung und einen Schutz gegen widerrechtliches Kopieren. Es handelt sich um ein von DVD-Videos angewandtes Format.
• Bei MPEG-4 handelt es sich um einen Standard, der zur Kodierung von Multimedia-Daten in Form von digitalen Objekten bestimmt ist, um so eine größere Interaktivität zu erreichen. Dies führt zu einer angemesseren Benutzung im Internet und bei mobilen Peripheriegeräten.
• Bei MPEG-7 handelt es sich um einen Standard, der darauf abzielt, eine Standarddarstellung der Audio- und visuellen Daten zu liefern, um die Informations-suche in solchen Datenflüssen zu ermöglichen. Diesen Standard nennt man auch Multimedia Content Description Interface.
• Bei MPEG-21 handelt es sich um einen Standard, der noch in der Entwicklung ist. Sein Ziel ist es, einen Arbeitsrahmen (auf Englisch framework) für alle Darsteller der digitalen Welt bereitzustellen (Hersteller, Verbraucher, ...), um die Verwaltung dieser Inhalte, die Zugangsrechte, Urheberrechte, ... zu vereinheitlichen

MPEG-1

Der MPEG-1-Standard stellt jedes Bild wie eine Anzahl von 16 x 16-Blöcken dar. Mit ihm erhält man eine Auflösung von :

• 352x240 bei 30 Bildern pro Sekunde in NTSC
• 352x288 bei 25 Bildern pro Sekunde in PAL/SECAM

MPEG-1 ermöglicht Übertragungsraten von 1.2 Mbps (benutzbar auf einem CD-ROM-Laufwerk).

MPEG-1 ermöglicht die Kodierung eines Videos dank mehrerer Methoden :

• Intra coded frames (Frames I, was einer internen Kodierung ) entspricht: die Bilder sind separat kodiert, ohne sich auf die vorherigen Bilder zu beziehen
• Predictive coded frames (frames P oder prädiktive Kodierung): die Bilder werden je nach Unterschied in Bezug auf die vorherigen Bilder beschrieben
• Bidirectionally predictive coded frames (Frames B): die Bilder werden je nach Unterschied in Bezug auf das vorangegangene und das folgende Bild beschrieben
• DC Coded frames: die Bilder werden dekodiert durch Berechnen der Durchschnitte pro Block

I-Rahmen

Diese Bilder werden nur durch eine JPEG-Kodierung kodiert, ohne sich um die Bilder zu kümmern, die sich um sie herum befinden. Solche Bilder sind in einem MPEG-Video erforderlich, da gerade diese die Kohäsion des Bildes sicherstellen (da die anderen im Vergleich zu den Bildern beschrieben werden, die sie umgeben); sie sind insbesondere für die Videoflüsse nützlich, die unterwegs aufgenommen werden (Fernsehen), und unverzichtbar bei Fehlern beim Empfang, es gibt davon also eines oder zwei pro Sekunde in einem MPEG-Video.

P-Rahmen

Diese Bilder werden je nach Unterschied zum vorangegangen Bild definiert. Der Kodierer sucht nach Unterschieden zu vorangegangenen Bild und definiert die Blöcke, die man Makroblöcke nennt (16x16 Pixel) und die sich auf dem vorangegangenen Bild übereinanderlegen.

Der Algorithmus vergleicht die beiden Bilder Block für Block und ab einer bestimmt Anzahl von Unterschieden betrachtet er den Block des vorangegangenen Bildes als verschieden im Vergleich zu dem im laufenden Bild und führt eine JPEGKomprimierung durch.

Die Suche nach Makroblöcken bestimmt die Geschwindigkeit der Kodierung, denn je mehr der Algorithmus nach "guten" Blöcken sucht, desto mehr Zeit verliert er...
Im Vergleich zu den I-Rahmen (direkte Komprimierung), fordern die P-Rahmen immer das vorangegangene Bild im Speicher.

B-Rahmen

So wie bein den P-Rahmen werden die B-Rahmen je nach Unterschieden zu einem Referenzbild bearbeitet, außer wenn sich dieser Unterschied bei B-Rahmen entweder auf das vorangehende (wie bei den P-Rahmen) oder auf das folgende Bild bezieht, was eine bessere Komprimierung ergibt, allerdings zu einer Verspätung führt (da man das folgende Bild kennen muss) und dazu, drei Bilder im Speicher zu behalten (das vorangegangene, das laufende und das folgende).

D-Rahmen

Diese Bilder haben eine Auflösung von sehr geringer Qualität, ermöglichen aber eine sehr schnelle Dekomprimierung. Dies ist vor allem bei einer schnellen Anzeige im Voraus nützlich, da die "normale" Dekodierung zu viele Prozessor-Ressourcen erfordern würde.

In der Praxis …

Zur Optimierung der MPEG-Kodierung werden die Bildsequenzen in der Praxis nach einer Bildfolge I, B, und P (D als schnelle Vorausschau) kodiert, deren Reihenfolge experimentell bestimmt wurde. Die Modellsequenz, die GOP (Group Of Pictures oder auf Deutsch Bildgruppe genannt) ist wie folgt :

IBBPBBPBBPBBI