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Komprimierungsverfahren MPEG

2.1 Einleitung
Schon 1988 wurde ein Komitee gegründet, das sich mit verschiedenen Komprimierungstechniken von digitalen Audio- und Videosignalen befassen und sie zu einer Normierung führen sollte: Die „Motion Picture Expert Group„. Die von ihr verabschiedeten Komprimierungsverfahren tragen den gleichen Namen: MPEG. Inzwischen ist aus den Anstrengungen dieser „Expertengruppe für bewegte Bilder„ eine ganze Familie an Kompressionsstandards für Bild und Ton hervorgegangen. Alle arbeiten mit einer sogenannten asymmetrischen Kodierung, was bedeutet, dass die Komprimierung des Datenstroms erheblich mehr Rechenaufwand erfordert als das Lesen.

Das erste MPEG-Format, MPEG-1, wurde 1991 vorgestellt. Es macht sich spezielle Eigenschaften des Fernsehbildes und unseres Sehvermögens zu Nutze und erreicht so Kompressionsraten von bis zu 200:1. Entwickelt wurde dieser Standard vor allem für interaktive Informations-, Lern- und Spielprogramme auf CD, die Video CD, sowie für die interaktive CD-i.

2.2 MPEG-2
Schon bei der Verabschiedung des MPEG-1 Standards hatte die analoge Videotechnik den Schritt zur „Highband„-Technik vollzogen. Die daraus resultierende höhere Bildqualität kann MPEG-1 nicht verarbeiten. Vor allem die Fernsehanstalten waren im Hinblick auf das digitale Fernsehen und Pay-TV an einem besseren Komprimierungsverfahren interessiert. Sie forderten ein qualitativ hochwertigeres Komprimierungsverfahren, das auch die Halbbildtechnik des Videosignals berücksichtigt. 1994 wurde MPEG-2 verabschiedet. Es basiert im Prinzip auf MPEG-1, vollzieht die Bildanalyse aber in wesentlich feineren Strukturen. Ausserdem eignet es sich auch für das beim Fernsehen übliche Zeilensprungverfahren. Des Weiteren sind verschiedene Bildformate und Qualitätsstufen möglich.

Parallel zu MPEG-2 wurde an MPEG-3 gearbeitet, das für das künftige hochauflösende Fernsehen HDTV bestimmt sein sollte. Im Laufe der Entwicklungsarbeit erkannte man jedoch, dass diese Aufgabe auch MPEG-2 übernehmen könnte und legte es entsprechend dafür aus. MPEG-3 wurde darauf hin als eigenständiges Kompressionsformat eingestellt.

2.3 MPEG zum Dritten: MPEG-4
Im Herbst 1993 wurde die Arbeit an einem weiteren MPEG-Standard aufgenommen. Er sollte gute Ergebnisse bei Raten unter 64 kBit/s ermöglichen, wie sie in der Bildtelefonie oder für Videoanwendungen im Internet interessant sind (z.B. Webcam, Streaming Video, Videokonferenzen), da hier die Leitungskapazitäten noch relativ gering sind. Doch schon während der Entwicklungsarbeit wurde der Anwendungsbereich auf Video- und Audioanwendungen ausgedehnt. Es verblüfft durch eine gute Bildqualität bei wesentlich geringerem Speicherbedarf als MPEG 1 und 2. MPEG-4 ist hinsichtlich der Kompressions-Effizienz (Kompressionsrate) und der so erreichbaren Übertragungsgeschwindigkeit (typischerweise 5 Kbit/s bis über 1 Gbit/s) allen bisherigen Video-Codecs überlegen. Auf dem MPEG-4-Codec basieren unter anderem folgende Formate: DivX, XviD, HDX4, 3ivx oder Nero Digital Video.

2.4 H.264 = MPEG-4/AVC
Auch H.264 ist ein Standard zur Videokompression. Der Standard ist im Ansatz vergleichbar mit MPEG. Er wurde zunächst von der ITU unter dem Namen H.26L entwickelt. Im Jahre 2001 schloss sich die ITU-Gruppe mit MPEG-Visual zusammen, da MPEG durch subjektive Tests herausgefunden hatte, dass H.26L im Vergleich zu H.263 (MPEG-4/ASP) etwa doppelt so effizient komprimierte. Im JVT (Joint Video Team) wurde der Standard gemeinsam zu Ende entwickelt. Dabei wurden speziell Erweiterungen für TV- und HD-Anwendungen mit hoher bis extrem hoher Qualität ergänzt. Im Jahr 2003 wurde der Standard endgültig verabschiedet. Die ITU-Bezeichnung lautet dabei H.264. Bei ISO-MPEG läuft der Standard unter der Bezeichnung MPEG-4/AVC (Advanced Video Coding) und ist der zehnte Teil des MPEG-4-Standards (MPEG-4/Part 10).

MPEG-4/AVC unterscheidet sich deutlich von MPEG-4/ASP und seinen Derivaten DivX und XviD. H.264 erreicht typischerweise eine etwa dreimal so hohe Codiereffizienz wie H.262 (MPEG-2) und ist für Auflösungen von bis zu 1.920 × 1.080 Pixel (= Auflösung von HDTV) ausgelegt. Das heisst, vergleichbare Qualität ist etwa bei einem Drittel der MPEG-2-Datenmenge zu erreichen. Allerdings ist der Rechenaufwand auch um den Faktor 2 bis 3 höher.

2.5 MPEG zum Letzten?
1998 wurde die Arbeit am vorläufig letzten MPEG-Standard aufgenommen. Allerdings handelt es sich hier nicht um ein Komprimierungsverfahren, sondern um eine Weiterentwicklung der Eigenschaften von MPEG 4 bezüglich der Objekterkennung. Deshalb wurde mit der 7 als Nummer auch ein gewisser Abstand zu den bisherigen Standards geschaffen. Die Versionen 5 und 6 gibt es derzeit nicht. Es ist auch nicht bekannt, ob die Lücke geschlossen werden soll.

2.6 MPEG-Formate
Folgend einige Komprimierungsformate welche die MPEG-Gruppe standardisiert hat. Sämtliche H.26x Standards sind ITU-Standards, aber sie gehören aufgrund der Zusammenarbeit mit MPEG dennoch dazu:

2.7 Wie funktioniert MPEG?
Ein erster Schritt ist die Komprimierung des Farbraums durch Umwandlung der Farbinformation und Aufteilung in sogenannte Macroblöcke, deren Farbinformation noch weiteren Analysen unterzogen wird.

Wer einmal mittels Einzelbildschaltung sein Video betrachtet, wird feststellen, dass die Unterschiede zwischen zwei Bildern relativ gering sind, ausser bei schnellen Bewegungen und beim Szenenwechsel. Genau hier setzt nun MPEG-1 an. Ein beliebiges Ausgangsbild wird mit nur geringer Kompression digitalisiert. Diese Referenz wird „I-Frame„ (Intra-Frame) genannt. Gewöhnlich ist bei MPEG-1 nur jedes 12. Oder 15. Bild (also alle halbe Sekunde bei PAL bzw. NTSC) ein I-Frame. Um die Änderungen zwischen beiden zu ermitteln, wird es in Macroblöcke zu 16 x 16 Pixel zerlegt. Durch diverse mathematische Verfahren werden die Änderungen in zeitlicher wie in räumlicher Ebene ermittelt. Damit liefert ein I-Frame die Ausgangsdaten für zwei weitere, nämlich die P- und B-Frames.

Ein P-Frame (Predicted-Frame) beinhaltet nur die Unterschiede zum vorhergehenden I-Frame oder einem anderen P-Frame, kann aber seinerseits wieder als Referenz für eine Änderung dienen, da es auch Informationen über das nächste Bild enthält. Deshalb darf die Kompressionsrate auch hier noch nicht zu hoch sein (etwa Faktor 3 gegenüber dem I-Frame). Eigentlich ist es bereits kein Bild mehr, sondern nur noch ein Datenblock, der in Bezug zum Ausgangsbild und den „B-Frames„ steht. Das B-Frame (Bidirectional-Frame) lässt sich am höchsten komprimieren, benötigt aber, wie der Name schon andeutet, Informationen des letzten, aber auch des nachfolgenden Bildes. Das kann ein I-, ein P- oder auch ein weiteres B-Frame sein. Allerdings darf man sich hier nicht mehr ein Bild im wörtlichen Sinne vorstellen, sondern nur ein Datenpaket, das einen Näherungswert aus dem letzten und dem folgenden „Bild„ enthält. Die Organisation der I-, B- und P-Frames wird in Gruppen, sogenannten GOP’s (Group Of Pictures) vorgenommen. Dabei ist nicht vorgeschrieben, dass alle Bildtypen vorhanden sein müssen. So kann die Codierung nur aus I-Frames bestehen, was qualitativ zwar das beste Ergebnis liefert, aber auch den meisten Speicherplatz benötigt. Ein guter Kompromiss ist eine I-P-Frame Codierung, wobei die P-Frames so gesetzt werden müssen, dass deren Abstände ein Vielfaches der I-Frames betragen, also z.B. jedes zweite oder vierte einer Gruppe ein P-Frame ist.

Die höchste Kompression wird mit B-Frames erzielt. Je mehr B-Frames innerhalb einer Bildgruppe erzeugt werden, umso geringer ist der Speicherbedarf, aber auch die Bildqualität. Gleichzeitig steigt der Rechenaufwand, da die Bilder erst aus den unterschiedlichen Datenblöcken rekonstruiert werden müssen.
Mit folgenden, teilweise sehr komplexen und rechenintensiven Verfahren wird beim MPEG-4-Standard die weitere Reduktion der Daten erreicht:

• Variable Längendekodierung (VLC)
• Inverses Abtasten
• Inverse DC- und AC-Prädiktion
• Inverse Quantisierung
• Inverse Diskrete Kosinustransformation (IDCT)

Die folgende Abbildung zeigt das Blockschaltbild eines MPEG-4 „advanced simple profile“ (ASP) Dekoders: