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Video im Web: Codecs und Komprimierung

Codecs und Komprimierungsverfahren sind enorm wichtig für die Übertragung von Video-Dateien im Internet. Sie entscheiden über Bildqualität und Dateigröße. Digitale Videos und große Datenmengen. Zwei Begriffe, die man immer zusammen hört. Bereits eine Sekunde…

von Dirk Metzmacher

Codecs und Komprimierungsverfahren sind enorm wichtig für die Übertragung von Video-Dateien im Internet. Sie entscheiden über Bildqualität und Dateigröße.

Digitale Videos und große Datenmengen. Zwei Begriffe, die man immer zusammen hört. Bereits eine Sekunde unkomprimiertes Video in Fernsehauflösung benötigt mehr als 20 MB Speicherplatz. Eine Stunde würde mehr als 75 GB verschlingen. Ein Benutzer, der mit seinem Modem dieses Video betrachten möchte, verfügt über weniger als 1/3000 der Datenrate. Beim Herunterladen müsste er also für jede Sekunde Spieldauer etwa eine Stunde Wartezeit in Kauf nehmen.

Kompression
Große Videodateien müssen kräftig eingedampft werden, um sie durch das Nadelohr Internet zu bringen. Der Kompressionsvorgang macht aus großen Dateien kleinere. Das geschieht etwa durch Weglassen von redundanten Informationen, also verlustloser Kompression. Man kann die verlustfreie Kompression mit dem Prinzip eines Luftkompressors vergleichen: Nach der Luftverdichtung sind nach wie vor alle Luftmoleküle vorhanden, nur nehmen sie deutlich weniger Volumen ein. Ist eine stärkere Kompression beabsichtigt, wird von verlustbehafteter Kompression gesprochen.

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Kurzer Film, lange Ladezeiten

Die digitale Videoproduktion ist auf die verlustbehaftete Kompression angewiesen und erreicht Kompressionsfaktoren von 1:100 und mehr. Die einzelnen Kompressionsverfahren arbeiten mit verschiedenen Techniken. Eine davon ist die Methode der „räumlichen“ Kompression. Da wird jedes Bild auf Daten untersucht, die eliminiert werden können. Dabei bedienen sich diese Verfahren einiger Tricks, um die Qualitätsverluste zu minimieren. Oft werden Informationen, die das menschliche Auge nicht mehr erkennen kann, einfach unterschlagen.

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Eine Sekunde Film

Eine andere Technik ist die „zeitliche“ Kompression. Aufeinander folgende Bilder werden auf Veränderungen hin untersucht. Nur die sich unterscheidenen Bildelemente zwischen den einzelnen Sequenzen werden abgespeichert. Als Referenzbild für die Änderungen dient ein Keyframe, das die vollständige Bildinformation enthält. Durch diese Methode kann eine erhebliche Reduktion der Datenmenge erreicht werden. Beispielsweise kann ein Video, in dem ein Politiker vor einem festen Hintergrund spricht, durch die hohe zeitliche Redundanz (also der Bestand von inhaltsgleichen Elementen) stärker komprimiert werden als ein Video mit vielen heftigen Bewegungen. Für rasche Wechsel müssen dann speicherintensivere Keyframes verwendet werden.

Das Hauptziel der Videokompression bleibt die Verkleinerung der Dateigröße. Dabei soll die Bildqualität möglichst gut bleiben. Bei digitalen Videos hängen die einzelnen Parameter Bildgröße, Datenrate, Häufigkeit der Keyframes und Anzahl des Bilder pro Sekunde stark voneinander ab.

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Das Internet ist noch kein Heimkino

Ein Codec
Die Digitalisierung eines Videos verläuft über ein Codec, der für die Kompression verantwortlich ist. Der Begriff Codec setzt sich aus EnCOden und DECoden zusammen. Beim Encoden wird die Bildsequenz komprimiert und beim Abspielen nach einem Decodierprozess wiedergegeben.

Bei Kompressionsverfahren, die verlustfrei arbeiten wie etwa Winzip, müssen die Daten für das weitere Bearbeiten wieder dekomprimiert und in die ursprüngliche Datei zurückverwandelt werden. Das Kompressionsformat dient ausschließlich der Verringerung der Datenmenge.

Das Gegenteil ist bei digitalen Videos der Fall, denn da sind die mit Hilfe von Codecs komprimierten Dateien auch diejenigen, die letztendlich betrachtet werden. Diese haben durch die Komprimierung Verluste erlitten. Die Dekompression erfolgt in Echtzeit auf dem Rechner des Betrachters. Daraus folgt, dass die beim Komprimieren genutzten Codecs auch auf dem Rechner der Nutzer installiert sein müssen. Für Videos, die über das Internet gesendet werden, existieren verschiedene Codecs, die alle auf Softwarebasis arbeiten und hohe Kompressionsraten anbieten.

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Film muss komprimiert werden

MPEG
Die meisten Codecs basieren auf einen der MPEG-Formate. Hier eine Übersicht:

MPEG-1
MPEG-1 wurde für die flüssige Wiedergabe entworfen. Dazu sind aber hohe Kompressionsraten notwendig. Die MPEG-1-Komprimierung war ursprünglich ein hardwareabhängiges Verfahren. Mittlerweile ist auch das Softwaredekomprimieren möglich.

Die Spezifikationen:

  • 25 Frames
  • Keine Information zwischen den Halbbildern
  • Auflösung von 352 x 288 (SIF-Auflösung)
  • 1,2 bis 3 MBits/s (1,2 MBits/s bei einer Video CD)

MPEG-2
MPEG-2 kann perfekt mit dem Zeilensprungverfahren Interlace umgehen, das bei TV-Übertragungen verwendet wird. MPEG-2 bietet Kompression auf höchster Qualitätsstufe, so dass Filmmaterial nahezu 1 zu 1 in Studioqualität bearbeitet und editiert werden kann. Konsequenterweise etablierte sich MPEG-2 so zu einem Broadcaststandard.

Die Spezifikationen:

  • 50 Fields / 25 Frames
  • High-Auflösung 1920 x 1152 bis zu 80 MBits/s (High Definition TV – HDTV)
  • High-Auflösung 1440 x 1440 bis zu 60 MBits/s (HDTV)
  • Main-Auflösung 720 x 576 bis zu 15 MBits/s (digitales TV und DVD-Video)
  • Low-Auflösung 352 x 288 bis zu 4 MBits/s (S-VHS, SIF)

MPEG-3
Der Teil des MPEG-3-Standard, der für High Definition TV-Qualität (HDTV) vorgesehen war, wurde mittlerweile in den MPEG-2-Standard übernommen.

MPEG-4
MPEG-4 ist die Weiterentwicklung des MPEG-2-Formats. Ursprünglich sollte es ein Codierungsstandard für audiovisuelle Daten mit sehr niedriger Bitrate sein. MPEG-4 stellt aber effiziente Instrumente zur Komprimierung und Verteilung von Medieninhalten bereit. Außerdem verfügt MPEG-4 über 3D-Potentiale, um künstliche Intelligenzen zu visualisieren oder Avatare darzustellen – zum Beispiel im Rahmen von Videokonferenzen. Dies geschieht übrigens mit einer VRML-ähnlichen Skriptsprache. Und zur Abrundung gibt es eine Java-Schnittstelle zur Ansteuerung externer Hardware.

Die Kompressionsrate an sich ist bei MPEG-4 nicht höher als bei MPEG-2, aber „Sprites“; also vom Hintergund unabhängige Objekte, können besser komprimiert werden. Dem Codier-Mechanismus wird einfach wesentlich mehr Zeit zur Verfügung gestellt. Die Skriptsprache ermöglicht es, mit wenigen Bytes Befehle wie „verschieben“ wesentlich schneller durchzuführen, als es die digitalisierte komprimierte Form der gleichen Operation ermöglichen würde.

Microsofts erste Implementierung von MPEG-4 ist seit Windows 98 auf jedem Windows-PC installiert. Das Unternehmen beschränkte die maximale Datenrate auf 256 Kilobit pro Sekunde. Für ein ruckelfreies Video in ansprechender Qualität ist das zu wenig. Durch den DivX-Hack wurde die Bitrate erhöht.

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Die Qual der Wahl – die wichtigsten Player

Die Wahl des Codecs ist eine Wahl des Geschmacks, da die meisten Player bei Bedarf weitere Codecs automatisch nachladen. Exoten sollte man nicht verwenden, da die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass der Kunde den Codec zum Decodieren weder besitzt, noch das er automatisch gefunden wird. Somit wird der Film auch nicht abgespielt. Wichtig ist auch die genutzte Videosoftware, die im dritten Teil vorgestellt werden soll.

Erstveröffentlichung 22.1.2005

Von Dirk Metzmacher

Dirk Metzmacher ist der Herausgegeber des Photoshop-Weblogs, sowie Fachjournalist und Photoshop-Profi, dessen Tutorials seit über 12 Jahren Leser von Fachpublikationen wie Galileo Press, DigitalPhoto, Dr.Web, Print24, PSD-Tutorials oder Noupe von den Grundlagen zum Thema Photoshop bis hin zu professionellen Arbeitsweisen begleitet haben. Sein Twitter-Account und seine Facebookseite.

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