Digitale Medien

19.01.2012
Übersicht
2
Digitale Medien
 Begriff „Video“
 Fernseh‐ und Videostandards
9. Digital Video
 Video am Computer – Probleme
 Kenngrößen eines digitalen Videos im Detail
 Aufbau eines Video‐Frames
 Größenkalkulation
 Kompression
 Arten von digitalen Videodokumenten
 DVB
 Videoschnitt
Aufbau des analogen Fernsehbildes
Was ist Video?
3
4
Zeile
 Video (lat. ich sehe)= Bewegte Bilder



Video umfasst die Aufzeichnung und Wieder‐
gabe von Bewegtbild auf elektronische Weise
Je nach Sichtweise gehören zu den bewegten Bildern weitere Daten, wie z.B. Ton oder Metadaten
Entwicklung von Video und Fernsehen hängen eng zusammen

1970er ‐ Erste Magnetband‐Videoaufzeichnungsgeräte („MAZen“) kommen bei Fernsehanstalten zum Einsatz

ca. 1980 – Home‐Video wird populär: Videorecorder zum Mitschnitt von TV‐Programmen sowie Videokameras, die an jeden Fernseher angeschlossen werden konnten
Zeilenrücklauf
Vertikale
Austastlücke
Zweites
Halbbild
Erstes
Halbbild
Video im klassischen Sinne folgt immer Fernsehnormen
Zeilensprungverfahren (Interlacing)
Analoge Fernsehnormen
Analoge Fernsehnormen
5
6
 Legen den Aufbau und die Übertragung eines Fernsehbildes
fest, u.A.:




Art der Farbmodulation (PAL, NTSC oder SECAM)
Bildwiederholfrequenz (Bilder pro Sekunde)
Zeilenzahl des Bildes
Bildseitenverhältnis (16:9, 4:3)
 Stammen aus frühen Zeiten des Röhrenfernsehens


Für einfache Schaltungen in darstellenden TV‐Geräten entwickelt
Auf geringe Übertragungsbandbreite ausgelegt
 Sind Kontinent‐ und Länderspezifisch


Westeuropa: PAL B/G, 625 Zeilen, 50 Halbbilder/Sekunde
USA: NTSC, 525 Zeilen, knapp 60 Halbbilder/Sekunde
 Von allen aktuellen Fernsehern unterstützt

Auch von HDTV‐Fernsehern
 Sind langsam auf dem Rückzug

Ab 2012 Abschaltung der analogen Fernsehübertragung
Führen zu Verkomplizierungen und Problemen der Thematik
“Video am Computer“


Keine einheitliche Übertragung der analogen Normen in digitale
Herstellerspezifische Lösungen bei der Umwandlung
1
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Kenngrößen eines Digitalvideos
Kenngrößen eines Digitalvideos
Eigenschaften der Einzelbilder
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 Ein Video besteht aus n hintereinander wiedergegebenen
Einzelbildern: „Frames“  Daher werden die Eigenschaften eines Videos bestimmt durch:


Eigenschaften der Einzelbilder
Anzahl an Einzelbildern pro Sekunde
 Es gelten die Parameter für Bilder (vgl. Vorlesung 8)
 Breite, Höhe in Pixeln
 Farbtiefe (meist TrueColor)  Zusätzlich, u.A. um Fernsehstandards gerecht zu werden:

Auch „Framerate“ / „Frames per Seconds“ (fps)
 Ist in einem Video eine konstante Größe
 Ab ca. 20 fps entsteht der Eindruck
eines flüssigen Bildes
Verwendeter Kompressionsalgorithmus
Datenrate





Bild‐Seitenverhältnis (DAR)
Pixel‐Seitenverhältnis (PAR)
Progressive‐ oder Interlaced‐Mode → später
Meist irrelevant: Auflösung in dpi
 Alle Einzelbilder in einem Video haben die gleichen o.g. Eigenschaften 
Pixel-Seitenverhältnis
Auflösung: Breite, Höhe
(= Pixel Aspect Ratio, PAR)
10
11
 Höhe auch „Zeilenzahl“ genannt
 Ein primäres Qualitätskriterium
 Computerbildschirme, Digitale Fotografie, Print: Pixel sind quadratisch
 Im Videobereich verbreitet: nicht‐quadratische, rechteckige Pixel (auch  Beispiel digitalisiertes PAL‐Video (abgeleitet aus
 Ziel: u.A. Zeilenzahl konstant halten bei unterschiedlichem Bild‐
bezeichnet als anamorphes Video)
Fernsehnorm):
Breite 768, 720 oder 704 Pixel (je nach Hardware)
 Höhe 576 Pixel (625 Zeilen minus Austastlücke)

Seitenverhältnis (Abwärtskompatibilität)
 Berechnung: PAR = Höhe:Breite eines Pixels (Höhe=1)
 Unterschiedliche Breiten, PAL aber immer 4:3!?
PAR = 1:0,9
(Standard bei 4:3)
Bild-Seitenverhältnis
PAR = 1:1,2
(z.B. 16:9 PAL‐DVD)
(= Display Aspect Ratio, DAR)
Progressive Mode
12
13
 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes
 Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe
 Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch)
PAR = 1:1,5
(z.B. 4:3 PAL‐SVCD)
 „Fortschreitende“ („normale“) Speicherung der Frames
 Kennzeichen: p hinter der Zeilenzahl (z.B. 576p)
 Vorteile:



Ideale Darstellung auf Computermonitor und Kinoleinwand
Einfache Handhabung auf dem Computer (z.B. Screenshots)
Einzelbildauflösung entspricht Videoauflösung
 Nachteile:

4:3
Schlechtere zeitliche Auflösung bei gleicher Datenmenge wie Interlaced (=schnelle Bewegungen können Ruckeln)
16:9
2
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Interlaced-Mode
Interlaced-Mode
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 Kennzeichen: i hinter Zeilenzahl (z.B. 576i)
 Ergibt sich aus Aufbau Fernsehbildes


1 Frame aus 2 Halbbildern („Fields“)
Ungerade Bildzeilen – Halbbild A;
Gerade Bildzeilen – Halbbild B
 Flüssigere Bewegungen ohne Verdopplung des Speicherplatzes
 Probleme:
 Zeitlicher Versatz bei der Aufnahme

Halbbild 1
Einzelne Frames aus Sequenzen mit schneller Bewegung weisen Kammmuster auf


Volle Vertikale Auflösung von Einzelframes nur bei nichtbewegten Motiven, sonst halbiert sich die Höhe!
Deinterlacen nötig (z.B. Halbierung der Zeilenzahl, Interpolation)
Interlaced Frame
Halbbild 2
(wenige ms später aufgenommen)
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Interlaced Frame,
Even Field First
Even Field
Odd Field
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19
3
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Datenrate (Bitrate)
Datenrate (Bitrate)
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 Wichtige Größe bei digitalem Video




Berechnung des zu erwartenden Platz‐
bedarfs eines Videos, wenn Datenrate
und Länge bekannt
Verifizierung, ob Hardwareanforderungen insb. der Festplatte oder bei Netzwerk‐
verbindungen ausreichen
Qualitätsmerkmal: Hohe Datenrate für hohe Qualität nötig (aber keine Garantie)
Zu hohe Datenrate beim Aufzeichnen / Wiedergeben: Dropped Frames
 Berechnung


(Größe eines einzelnen Frames) * (Frames pro Sekunde)
(Größe der Videodatei) / (Länge der Datei in Sekunden)
 Beispiel PAL‐Video



Breite 720 * Höhe 576 = 414.720 Pixel/Frame
3 Farben => 3 Byte => 414.720 * 3 = 1,24 MB/Frame
25 Frames/Sekunde => 1,24 MB * 25 = 31 MB/s!
 Üblich: Angabe meist in Daten je Sekunde  Gebräuchliche Einheiten: Kbit/s, KB/s, MB/s, Mbit/s, ...
 Kann:
Ein 2‐Stunden‐Spielfilm = 223 GB!? (entspricht der Kapazität von etwa 50 DVDs)
Im ganzen Video konstant sein (Constant Bit Rate)  Je nach Bildinhalt variieren (Variable Bit Rate)

Kompression
MPEG
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 Einfachste Idee: Frames einzeln mit JPEG‐Algorithmus komprimieren
 Heißt „MJPEG“ (Motion‐JPEG)  Vorteile:



 Bisher: Frames einzeln komprimiert
 Aber: Aufeinanderfolgende Frames ähneln sich oft stark („zeitliche Redundanz“) ‐ ausnutzen!
Alle Vorteile der JPEG Kompression
Einfache Hardwarelösungen
Gut für Videoschnitt (framegenaue Bearbeitung)
 Nachteile:


Nicht standardisiert
Keine optimale Kompression (TV‐Qualität: ab ca. 3 MB/s – 10 GB/h)
 Anwendung:


Frühe/Preiswerte Schnittlösungen für den PC
Broadcast‐Bereich
Frame 1
Frame 2
Stehenlassen
MPEG
MPEG - Framearten
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 Noch besser:
 Bewegte Objekte erkennen
 Diese Objekte nur einmal, dafür mit Bewegungs‐
richtung und – Geschwindigkeit speichern
Speichern
 In MPEG‐Videos gibt es unterschiedliche Arten von Frames:


I‐Frames

= Intra‐Coded‐Frames, auch genannt „Keyframes“


Vollständig gespeicherte Frames
Regelmäßig nötig
 Bei Szenenwechseln
 Zur Erhaltung der Darstellungsgenauigkeit
P‐ und B‐Frames
 = Predictive / Bidirectional Predictive‐Frames
 unvollständig gespeichert
 Enthalten nur Differenzinformationen zu vorhergehenden bzw. nachfolgenden Frames 4
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MPEG - GOPs
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 Die Framearten sind in regelmäßigen, wiederkehrenden Gruppen
angeordnet



= GOP ‐ Group of Pictures
Beginnen immer mit einem I‐Frame
Sind in manchen MPEG‐Varianten (wie z.B. auf einer DVD) fest vorgegegeben
Beispiel:
I
P
P
P
I
P
P
P
P
I
...
Kompressionsartefakte
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MPEG-Standards
MPEG 4
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 Bessere Kompressionsraten bei gleicher Qualität
Standard
Eigenschaften
Anwendung
MPEG 1
Ältester Standard, Auflösung 352*288, kein
Interlacing, einfache
Hardware(de)komprimierung, Geringe
Datenraten von 1,2 Mbit - 3 MBit
Video-CD
 Auch für HDTV geeignet
 Verwendet bspw. für  mobile Endgeräte, H.264
 Blu‐Ray
 Digitale HD‐Videoübertragung über Satellit (DVB‐S2)
MPEG-Zusammenfassung
MPEG 2
Verbesserungen gegenüber MPEG 1 für
SVCD, DVD, DVB, HDTV
Fernsehbilder, Interlacing, unterschiedliche
(ursprünglich), professionelle
PAR, hohe Auflösungen (von 352 bis über 1000
Videoproduktion (nur IZeilen für HDTV)
Frames)
MPEG 4
Verbesserungen gegenüber MPEG 2 für
DivX, XviD, Handyvideos,
geringe Auflösungen; streamfähig, DRM,
versch. Audiokompressionen, verschiedene DVB, HDTV (H.264), Video on
Demand, ...
Sub-Standards zur Videokompression (H.263,
neuer: H.264)
Dateiformate für MPEG-2 Video
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 .mpg (kann auch MPEG‐1 oder MPEG‐4 sein)





Optimales Qualitäts‐Platz‐Verhältnis
Anpassbar für verschiedenste Anwendungen (MPEG1‐MPEG4)
Framegenaues Spulen/Schneiden beim Einsatz von P‐und B‐
Frames generell schwierig
MPEG‐Kompression ca. 25:1
Codieren und Dekodieren ‐> Videocodec
 .mpeg (kann auch MPEG‐1 oder MPEG‐4 sein)
 .m2v (MPEG‐2 Elementary Video Stream)
 .m2a (MPEG‐2 Elementary Audio Stream)
 .m2s (MPEG‐2 Elementary Data Stream)
 .ts (MPEG‐2 Transport Stream)
 .ps (MPEG‐2 Program Stream)
 .vob (DVD Video Object)
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Zusätzliche Informationen im Video
 Wiederholung Metadaten:
 Bilder: EXIF, IPTC, (XMP)
 Audio: ID3‐Tag
 Zusatzdaten Video:
 Analog: Austastlücke enthält Videotext
Infos zu Sendungen, Zeit
 NextView: Elektronische Programmzeitschrift für das analoge Fernsehen
 Wird auf den analogen Kanälen von Kabel 1 übertragen


Digital: umfangreiche Möglichkeiten der Datenübertragung


Beispiel: EPG – Electronic Program Guide, MHP – Multimedia Home Platform, Softwareupdates
MPEG Standards
 MPEG 7: kein Kompressionsstandard für Video
 Eigentlich: Multimedia Content Description Interface
 Standard zur Beschreibung von Multimedialen Inhalten (Metadaten)

Basis XML ‐ Extensible Markup Language
 Regelt:
 Beschreibung von Inhalten, strukturell und semantisch
 Organisation von Inhalten
 Zugriff auf Daten
Metadaten in Videodokumenten bisher nicht einheitlich vorgesehen
http://www.chiariglione.org/mpeg/standards/mpeg‐7/mpeg‐7.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG‐7
Containerformate
HDTV
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 Sind selbst kein Kompressionssystem, sondern Kapseln Video‐
und Audio und ggf. weitere Daten Sammelbegriff:
 Populäres Beispiel: AVI
Kann von unkomprimiertem Video über DV‐Video bis hin zu MPEG4 alles enthalten
 Codecs zum Abspielen nötig


 High Definition TeleVision
 Fernsehnorm mit erhöhter Bildauflösung →  HDTV‐typisch sind:
 1280×720 Pixel (HDTV 720p)
 1920×1080 Pixel (HDTV 1080i)
 → 16:9
„Treiber“ zur Kompression und Dekompression von Videomaterial
 Player‐Programme teilen sich unter Windows diese Treiber
 Separate Codecs für Video/Audio möglich
 Weitere Containerformate: Quicktime, ASF, MXF (Profiformat) http://www.kilchenmann.ch/ue/loesungen_nach_themen/hochaufloesendes-fernsehen-hdtv/hdtv-erklaert
PAL vs. HDTV
http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_300-wood.pdf
http://board.gulli.com/thread/879652-hdtv-auf-pc-monitor/
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3DTV
Shutterbrille
 Stereoskopische Darstellung von Videos
 Für jedes Auge getrennt
 Unterschiedliche Verfahren:
 Anaglyph: Halbbilder farblich getrennt und über‐
lagert dargestellt


Rot/Grün, Rot/Cyan, Bernstein/Blau
Polarisationsverfahren:



Bild für linkes und rechtes Auge werden parallel über zwei Projektoren erzeugt, linkes und rechtes Bild sind Phasenverschoben (linear oder zirkulär)
Anzeige über Polfilterbrillen
Je nach Polarisationsart ist Kopfwackeln problematisch

Interferenzverfahren: bestimmte Wellenlängen werden herausgefiltert

Zeitlich versetzt: Bild für linkes und rechtes Auge wird zeitversetzt übertragen


Filterung über Spezialbrille, Vorteil des Verfahrens: Kopfneigung problemlos
Anzeige über Schutterbrille
Bildquelle: Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/3D-Film)
http://www.heise.de/ct/artikel/3D-2-0-291654.html
Digitale Fernsehübertragung
Digitale Fernsehübertragung
44
45
 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 DVB – Digital Video Broadcasting
 DVB – Digital Video Broadcasting
 Nicht auf Video beschränkt, digitale Hörfunkprogramme, interaktive  DVB – C(able)
Dienste ebenfalls möglich
 DVB – C(able)
 DVB – S(atellit)





Digitale Videoübertragung über Kabel (digitales Kabelfernsehen)
Meist MPEG2, MPEG4 auch möglich
Kabelreceiver notwendig
Rückkanal möglich – Internet über Kabelmodem






Digitales Satellitenfernsehen
Großer Frequenzbereich
Übertragung mehrerer Programme auf einem Transponder
Je Satellit etwa 100 Transponder möglich
In Deutschland interessant Astra, Eutelsat
Datenrate ca. 7‐8MBit/s
MPEG 2
 DVB – S2: Weiterentwicklung HD‐Unterstützung, MPEG 4
Digitale Fernsehübertragung
Digitale Videoübertragung
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 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 DVB – Digital Video Broadcasting
 DVB – C(able)
 DVB – S(atellit)
 DVB – T(errestrisch): erdgebundene Übertragung digitalen Videos



Ähnlich Rundfunkübertragung UKW, VHF
Effizienter: 4 Programme pro Kanal
Datenraten pro Kanal zwischen 12 und 20 Mbit/s, 



Nordrhein‐Westphalen: 12.75Mbit/s, Berlin: 14.75Mbit/s, hängt von Senderdichte ab
‐> pro Programm ca. 3‐3.5 Mbit/s
Vergleich: PAL Qualität benötigt ungefähr 3‐5Mbit/s, DVD bis zu 9.8Mbit/s
Zur Zeit Arbeit an DVB‐T2: ermöglicht unter Anderem HDTV – soll angeblich Ende 2009 verfügbar sein
 Programmstrom: für Medien mit geringer Fehlerhäufigkeit

DVD, Festplatte, Video‐CD
 Transportstrom: für eher fehleranfällige Medien
 DVB‐(T, S, C)
 paketorientiert
 Pakete verschiedener Sender in einem Transportstream
 Bei Aufnahme werden meist die Pakete des jeweiligen Senders aufgenommen

Für Videoschnitt ist Umwandlung notwendig 7
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Digitaler Videoschnitt + DVD Authoring
einer aufgezeichneten Fernsehsendung
 Vorgehensweise (MPEG 2):
1.
Transportstream demuxen
2.
Video+Audio schneiden
3.
DVD erstellen
Demux
Transport‐
stream
Video+Audio
Pakete
DVD‐Authoring DVD‐Erstellung
Schnitt
Video
Vi
de
o
Audio
Au
di
o
Erstellen von
Kapiteln,
Wiedergabe‐
optionen
…
Zusammen
‐führen von Audio & Video
Software
 Transponderstream umwandeln:
 PVAStrumento
 ProjektX
 Multimediaplayer: VideoLAN
 VideoSchnitt:
 MPEG2Schnitt
 Cuttermaran
 DVD‐Authoring:  (GUI for) DVDAuthor
 DVDFlick
 Adobe Encore DVD (30 Tage Testversion)
Zusammenfassung
 Video: Bewegte Bilder (+ Ton)
 Digitales Video folgt analogen Fernsehnormen

Auflösung, Farbcodierung → außerdem länderspezifisch (NTSC, PAL)
 Digitales Video, Kenngrößen:




Abfolge von n Bildern pro Sekunde (Frames per second)
Bilder alle gleich groß
Bildseitenverhältnis (DAR) und Pixelseitenverhältnis (PAR)
 Pixel nicht quadra sch → Wahrung DAR
Interlaced vs. Progressive
 Formate: DV, MPEG1, MPEG2, MPEG4, AVI (Container)
 Digitale Videoübertragung: DVB‐(T, C, S)
 HDTV: Erhöhung der Bildgröße
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