MPEG Kompression

 

MPEG ist ein von der „Motion Picture Experts Group“ festgelegter Standard. Es handelt sich um ein Interframe Verfahren. MPEG beruht auf einer hybriden DC-Transformation, das heißt es werden sowohl DCT als auch DPCM genutzt. Auch für bewegte Bildelemente, die in sich unverändert bleiben, werden Bewegungsvektoren errechnet (Motion Compensation). Die Tabellen zur Quantisierung sind standardmäßig festgelegt worden und müssen nicht immer mit übertragen werden. Es handelt sich um ein unsymmetrisches Codierverfahren, da das Decodieren weniger Rechenaufwand benötigt als das Encodieren, vor allem die Bewegungsschätzung fällt weg. Die Decoder im Heimanwenderbereich (nur Empfänger) können vereinfacht werden.

 

Je stärker die Kompressionsrate, desto mehr B-Frames, die vor allem Vektorinformation enthalten, sind im Datenstrom enthalten. Zur Decodierung müssen jedoch als Referenzbilder auch P- und I-Frames vorhanden sein. B-, P- und I-Frames werden periodisch wiederholt. Eine zusammenhängende sich wiederholende Gruppe nennt man GOP (Group of Pictures). Meist wird mit einer GOP-Struktur von einem I-, drei P- und viermal zwei B-Frames gearbeitet (GOP 12).

 

Da MPEG ein bildübergreifendes Verfahren ist eignet es sich nicht für Produktionsprozesse sondern ausschließlich für Videoarbeiten, die nicht weiter bearbeitet werden sollen (Video DVDs, Archivierung, Webanwendungen etc.).

 

 

 

MPEG-1:

Dieses erste Format wurde vor allem für Video-CDs entwickelt, mit kleinen Datenraten bis zu 1,5 MBit/s. Zur Verminderung der Datenrate werden die horizontalen und vertikalen Abtastwerte verringert (für das PAL-Format auf 352x288 Pixel), der Bildaufbau ist progressiv. Bei der Wiedergabe wird durch Interpolation die Originalgröße wieder hergestellt. Die Bitrate ist konstant. Auf einer CD-Rom mit 700 MB Speicherkapazität lassen sich Videodaten mit einer Dauer von ca. 80 min aufzeichnen. Audio wird mit 44100 Hz verarbeitet.

 

Teil des Standards sind auch drei Audiocodierungsverfahren, in ansteigender Komplexität und Qualität. Der Audio Layer 1 wurde von Philips als Low-Complexity-Variante des Audio Layer 2 in den Standard eingebracht. Der Audio Layer 2 – auch bekannt als MP2 – war der etablierte Standard im Radiowesen. Nahezu alle professionellen digitalen Zuspielgeräte verwendeten MPEG-1 Audio Layer 2 in der Kompression von 256 KBit/s. Der Audio Layer 3 – besser bekannt als MP3 – wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft und anderen entwickelt und ist, wie auch Layer 1 und Layer 2, nicht lizenzfrei. Das heißt, Hersteller, die einen Encoder für mp3 entwickeln und verkaufen möchten, müssen dafür Lizenzgebühren entrichten.

 

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG-1

 

 

 

MPEG-2

ist der für die Produktion von DVDs meist verbreitete Standard, er erlaubt verschiedene Qualitätsstufen und sowohl einen progressiven Modus als auch die Verarbeitung von Halbbildern. Fünf Profile und vier Stufen der Bildauflösung werden in einer Matrix angeordnet. Die breiteste Anwendung findet das Main Profile at Main Level mit einer Auflösung von 720 x 576 Pixel und einer maximalen Datenrate von 15 MBit/s, und einem 4:2:0 Abtastverhältnis.

 

Profil @ Level

 

Auflösung Sampling Bitrate (MBit/s)
Simple Profile @ Low Level (SP@LL)
176 x 144 4:2:0 0.096
Simple Profile @ Main Level (SP@ML)
352 x 288 4:2:0 0.384
Main Profile @ Low Level (MP@LL)
352 x 288 4:2:0 4
Main Profile @ Main Level (MP@ML)
720 x 576 4:2:0 15
Main Profile @ High-1440 Level (MP@H-14)
1440 x 1152 4:2:0 60
Main Profile @ High Level (MP@HL)
1920 x 1152 4:2:0 80
Profess. Profile @ Main Level (PP@ML)
720 x 576 4:2:2 50
High Profile @ Main Level (HP@ML)
720 x 576 4:2:2/4:2:0 20
High Profile @ High-1440 Level (HP@H-14)
1440 x 1152 4:2:2/4:2:0 80
High Profile @ High Level (HP@HL) 1920 x 1152 4:2:2 100

 

 

Zwischen Main und und High Profile gibt es skalierbare Profile, die für den Broadcasting-Bereich entwickelt wurden. In Abhängigkeit vom Empfänger können aus nur einem Datenstrom verschiedene Qualitätsstufen abgeleitet werden: LDTV (Low Definition), SDTV (Standard Definition), EDTV (Enhanced Definition) und HDTV (High Definition). Auch der Signal-Rauschabstand ist skalierbar, das bewirkt dass die Bildqualität fließender ab- und zunimmt (Graceful Degradation).

 

Die Professional Profiles sind Erweiterungen für Studioanwendungen. Es wird eine 4:2:2 Abtastung unterstützt und die Zeilen der vertikalen Austastlücke können genutzt werden. Für Produktionsprozesse unabdingbar ist die Editierbarkeit der einzelnen Bilder, daher wird mit der I-Frame-Only- oder der I-B-I-B-Codierung mit Datenraten bis zu 50 MBit/s gearbeitet.

Auch bei professionellen Kameras wird MPEG-2 verwendet. So arbeiten Betacam SX, Betacam IMX und XDCAM bereits mit MPEG2-Kompression und erreichen eine sehr hohe Qualität.

 

Auf der Audioseite ist eine Erweiterung aller drei Layer zu niedrigeren Datenraten sowie auf mehr Kanäle (5.1 oder 7.1) enthalten. Es gibt zwei Varianten der Multikanalcodierung: die rückwärtskompatible, bei der MPEG-1 Decoder den erzeugten Bitstrom sinnvoll nutzen können, und eine nicht rückwärtskompatible Variante (non backward compatible – NBC). Die NBC-Variante steht im Teil 7 des MPEG-2-Standards unter dem Namen AAC (Advanced Audio Coding).

 

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG-2

 

 

 

MPEG-4:

Durch verbesserte Codiereffizienz werden hier wesentlich geringere Datenraten als bei MPEG2 erzielt. Eine objekt- und inhaltsbasierte Codierung erlaubt es, interaktiv mit seperaten Audio- und Video-Objekten (AOs und VOs) umzugehen. Szenen werden mit Hilfe von Masken in inhaltsbezogene Bildbestandteile zerlegt und auf verschiedene Ebenen (VOPs: Video Object Planes) verteilt, die dann getrennt codiert und übertragen werden. So können einzelne Objekte direkt angesprochen und verändert werden.

 

Der eingesetzte Codieralgorithmus nennt sich Shape-Adaptive DCT, die hybride DCT ist hier um eine formangepasste Transformation erweitert, bei der sich die Bewegungskompensation auf die Video Object Planes bezieht. Wie bei MPEG-2 werden auch hier verschiedene Profile und Levels bereitgestellt, damit nicht in allen Endgeräten die vollen Funktionalitäten des Standards implementiert werden muss.

 

Eingesetzt und ständig weiterentwickelt wird der MPEG4-Codec bei Kompressionsprogrammen, wie DivX und Xvid.

 

 

 

MPEG-7:

MPEG-7 ist kein Kompressionsstandard für Video und Audio sondern bietet die Möglichkeiten Metadaten (Daten über Daten) zu speichern, die ein verbessertes Content Management ermöglichen. MPEG-7 standardisiert Daten für Profile, Archivierungszwecke, Schlagwortsuche, digitale Rechte, Bild- oder Szenenbeschreibungen, Bewegungsvektoren, und vieles mehr.

 

 

 

Dolby Digital:

Dieses Mehrkanal-Tonsystem gewinnt, aus dem Filmbereich kommend, zunehmend auch im Consumer-Sektor an Bedeutung. Das verwendete Codierungsverfahren heißt AC-3, es erlaubt Bitraten zwischen 32 und 640 KBit/s und ist verlustbehaftet. Dolby Digital umfasst bis zu sechs diskrete Kanäle, die für ein Surroundsignal verwendet werden. Dolby Digital 5.1 unterstützt alle sechs Kanäle und ist das häufigstes Format für die Haupttonspuren einer DVD.