Hintergrund • HEVC-Codec erklärt

Videodaten komprimieren extrem

 erstellt am 24.06.2014 von Thomas Riegler
Die Anforderungen an die Datenkomprimierung steigen ständig: Neben der effizienten Speicherung geht es vor allem um die Möglichkeit, Daten frequenzökonomisch und vor allem preiswert über alle erdenklichen Wege zu verbreiten. Im Fokus der Datenreduktion stehen besonders speicherintensive Videos, allen voran Inhalte im superhochauflösenden Ultra-HD-Format.
 
 

Die Datenkomprimierung hat zum Ziel, überflüssige bzw. sich wiederholende Informationen aus einem Video herauszufiltern. Die MPEG-Komprimierung beruht auf der Tatsache, dass bis zu 95 Prozent der digitalen Daten eines Videobildes aus Wiederholungen bestehen. Sie lassen sich ohne nennenswerte Qualitätseinbußen komprimieren. MPEG setzt dabei auf die ähnlichen Inhalte aufeinanderfolgender Einzelbilder (Frames). Weiter berücksichtigt die Komprimierung, dass Bilder primär aus Flächen und Linien bestehen und die Helligkeitsverteilung über mehrere Frames meist vergleichbar ausfällt. Diese Fakten erlauben es, nicht mehr alle Einzelbilder (24 Bilder bei Film, bis zu 60 Bilder bei Video) in ihrer Gesamtheit zu speichern, sondern nur noch wenige: pro Sekunde etwa zwei. Zwischen den Einzelbildern werden die in ihnen auftretenden Unterschiede erfasst und nur diese gespeichert.
 
Stellen Sie sich dazu eine Landschaft bei Sonnenschein vor, die ohne Kameraschwenk aufgenommen wurde und durch die ein Auto fährt. Die Landschaft bleibt in dieser Szene Bild für Bild stets die gleiche, weshalb die Bilddaten nur einmal gespeichert werden müssen. Was sich ändert, ist die Position des Autos und nur dessen Bewegung wird Einzelbild für Einzelbild neu erfasst. Im Detail wird dabei jedes Bild in kleine Segmente, sogenannte Coding Tree Units (CTU), in der Größe von vier mal vier bis 16 mal 16 Pixeln zerlegt. Gleichzeitig wird nach weiteren Kästchen mit gleichen oder ähnlichen Inhalten gesucht. Die Datenreduktion ergibt sich, indem nur die Unterschiede der sich ähnelnden Kästchen gespeichert werden. Damit reduziert sich das Datenaufkommen auf wenige Prozent im Vergleich zur unkomprimierten Speicherung.
 
Auch bei den sich ändernden Inhalten ist man bestrebt, den dafür erforderlichen Datenaufwand so weit als möglich zu reduzieren. Was von einem digitalen Video übrig bleibt, sind so nur noch geringe Datenfragmente und im Gegensatz zu einem analogen Film, bei dem jedes Einzelbild wie bei einem Daumenkino verwendbar wäre, würden Sie bei digitalen Daten oft nur noch Fragmente in Einzelbildern erkennen. Da die Wiedergabequelle allerdings genau weiß, wie sie den digitalen Datenstrom wieder zusammensetzen muss, sehen Sie auch im digitalen Zeitalter vollständige Bilder meist ohne erkennbaren Qualitätsverlust.

Verlustbehaftete Komprimierung

Die Grafik veranschaulicht, wie stark die Auflösung von SD zu Ultra HD ansteigt. Damit die Datenraten infolge der Pixelexplosion nicht zu stark anwachsen, sind effiziente Komprimierungsstandards gefordert
Bild: Auerbach Verlag

Bei ihr nimmt man bewusst in Kauf, dass komprimierte und anschließend wieder dekomprimierte Bilder in ihrer Qualität nicht mehr ganz an das Original heranreichen. Dabei achtet man darauf, welche Informationen entbehrlich sind. Als Grundlage dient dabei die Wahrnehmung des menschlichen Auges. Es löst Farben weniger stark auf als Helligkeitsunterschiede, weshalb die Farbauflösung meist auf ein Viertel der Schwarz-Weiß-Bildauflösung reduziert wird. Die bekanntesten Komprimierungsverfahren sind MPEG-2, MPEG-4 bzw. H.264 (AVC). MPEG-2 ist der ältere Standard und kommt heute noch beim digitalen Antennenfernsehen DVB-T, dem digitalen Kabel-TV und dem digitalen Satellitenfernsehen in Standardauflösung zum Einsatz.
 
Erste HDTV-Privatsender zum Start des hochauflösenden Fernsehens 2005 wurden über Satellit ebenfalls in MPEG-2 ausgestrahlt, was sogleich in einer Datenratenexplosion mündete, sodass nur maximal zwei Programme auf einem Transponder Platz fanden. Ähnliche Probleme ergaben sich bei der Einführung der Blu-ray Disc: Auch dort setzte man zu Beginn auf MPEG-2 und Filme in Full-HD-Qualität sprengten die vorhandene Speicherkapazität der ersten Discs, was zu Qualitätseinbußen bei der Bildqualität führte. Erst mit der Einführung von MPEG-4 konnte die Effizienz der Datenreduktion etwa verdoppelt werden, sodass aufseiten der Satellitenübertragung vier HD-Sender auf einem Transponder untergebracht und im Bereich der Blu-ray Disc Filme ohne Qualitätskompromisse gespeichert werden konnten (AVC-Codec).

H.265 für Ultra HD

Mit der Einführung neuer Komprimierungsstandards wird die Effizienz im Vergleich zur jeweiligen Vorgängergeneration in etwa verdoppelt. H.265 (HEVC) arbeitet damit rund viermal so effektiv wie MPEG-2
Bild: Auerbach Verlag

Ultra HD ist mit 3840 x 2160 Bildpunkten viermal so detailreich, wie Full HD mit seinen 1920 x 1080 Pixeln. Damit benötigt das neue extrascharfe Fernsehen auch viermal mehr übertragungskapazität als normales HD. Um diese Datenflut beherrschen zu können, braucht es abermals einen neuen Komprimierungsstandard, nämlich HEVC, auch als H.265 bekannt. High Efficiency Video Coding ist eine Entwicklung des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts und wird als Nachfolger von H.264 gehandelt. Es ist in der Lage, Videos mit einer Auflösung von bis zu 7680 × 4320 Pixeln (vierfache Ultra-HD-Auflösung) zu verarbeiten. Im Vergleich zu MPEG-4 wird das Videosignal bei HEVC um den Faktor 2 stärker komprimiert, was bei gleicher Bildqualität einer Halbierung des Datenvolumens entspricht.
 
Grundsätzlich kommen bei H.265 die gleichen Komprimierungstechniken wie bei den älteren Verfahren zum Einsatz, sie werden allerdings flexibler eingesetzt. CTUs verfügen über eine variable Größe zwischen 16x16 bis 64x64 Pixel, wobei die großen Segmente beispielsweise für einheitliche Farbflächen zum Einsatz kommen und die kleinen zur exakten Umrechnung feiner Details. Im HEVC-Standard sind derzeit drei Profile standardisiert. Das Main-Profil arbeitet mit einer Bittiefe von 8 Bit je Farbkomponente und mit 4:2:0-Farbunterabtastung. Mit dem Main-10-Profil wird eine Farbtiefe von 10 Bit je Farbkomponente erreicht. Zumindest bei der Einführung einer Blu-ray- Disc 2.0 soll von größeren Farbräumen und besserer Farbaufl ösung Gebrauch gemacht werden, allerdings lassen diese Faktoren, trotz HEVC-Einsatz, die Datenraten wieder sprunghaft ansteigen.

Die Informationen in diesem Artikel basieren auf sorgfältiger Recherche und geben den Sachstand zum Zeitpunkt der Erstveröffentlichung wieder. Spätere Entwicklungen oder Updates sind aus diesem Grund unter Umständen nicht berücksichtigt. Für Hinweise auf möglicherweise überholte Informationen sind wir dankbar.
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