Kompression und Datenformate 1 - mherzog.com · Übersicht Analoges Video Seite 7 Interlaced Raster Zeilensprungverfahren Videosignal-Aufbau Austastlücken Synchronimpuls Fernseh-Dialekte:

14 01.04.09 1 Kompression und Datenformate 1



17 22.04.09 4 Videotechnik 1

18 29.04.09 5 Videotechnik 2

19 06.05.09 6 Farbe

20 13.05.09 7 Medienarchitekturen 1

21 20.05.09 8 Medienarchitekturen 2

22 27.05.09 9 Authoring 1

23 03.06.09 10 Authoring 2

24 10.06.09 11 Audio

25 17.06.09 12 Mediendesign

26 24.06.09 13 Multimedia XML 1

27 01.07.09 14 Multimedia XML 2

28 08.07.09 15 Mobile Multimedia

29 15.07.09 16 Fazit, Konsultationen

Seite 2

14 01.04.09 Bildbearbeitung 115 08.04.09 PS

16 15.04.09 Bildbearbeitung 217 22.04.09 PS

18 29.04.09 Videobearbeitung 119 06.05.09 FCP

20 13.05.09 Videobearbeitung 221 20.05.09 FCP

22 27.05.09 Virtual Reality23 03.06.09 QTVR-Authoring

24 10.06.09 Authoring 125 17.06.09 Flash

26 24.06.09 Authoring 227 01.07.09 Flash

28 08.07.09 Multimedia XML29 15.07.09 RSS, Podcast, SMIL

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Seite AGENDA 6

Analoges Video- Videosignal- Fernsehstandards und Dialekte- Composite-, Y/C-, YUV und RGB-Signale- VHS, S-VHS, Video8, Hi8, Betacam SP

Digitales Video – Normen und Formate- Digitalisierungsverfahren- D1..D6, BetaCam, Digital Betacam, - DV & Co.- MPEG2 basierte Formate- HDCAM, HDV

Digitale Video-Signalübertragung- SDI, SDTI, HD-SDI- HDMI, DVB, IPTV

Seite Übersicht Analoges Video 7

Interlaced RasterZeilensprungverfahrenVideosignal-AufbauAustastlückenSynchronimpulsFernseh-Dialekte: NTSC, PAL, SECAM & Co.Farbvideo-Signale: Composite-, Y/C-, YUV und RGBVideoformate: VHS, S-VHS, Video8, Hi8, Betacam SP

Seite Analoges Video • Interlaced 8

Ein Interlaced-Raster-System besteht aus zwei ineinander-greifenden Einzelbildern. Diese Methode, auch Zeilensprung-Verfahren genannt, wurde eingeführt, um die Videobandbreite bzw. die Bildwiederholrate möglichst klein zu halten.

Ein Bild das nur 30-mal pro Sekunde neu geschrieben wird, fängt an vor dem menschlichen Auge zu zittern (Flicker). Beim Interlaced-Verfahren ist die Vollbild-Wiederholrate nur 25Hz (bzw. 30Hz).

Durch den Aufbau der ineinander verzahnten Halbbilder mit der doppelten Frequenz wird das Auge jedoch getäuscht.


Das erste Halbbild beginnt mit den Zeilen 1, 3, 5 usw.. das zweite Halbbild füllt die Zeilen 2, 4, 6 usw.

Heute bestehen die Bandbreite-Probleme nicht mehr, zudem möchte man die zeitliche Verzerrung der Einzelbilder vermeiden, weshalb das Interlaced-Verfahren bei neueren Anzeige-Standards nicht mehr angewendet wird.


Setzt man Halbbilder zu Vollbildern zusammen, entstehen unansehnliche Strukturen. Wer Halbbilder auf Computerbildschirmen darstellen will, muss mit Qualitätseinbußen rechnen.


Qualitätsverluste:- Grafikhardware setzt einfach die Halbbilder zu Vollbildern zusammen- Interpolation 25Hz/50Hz des Videos auf 75Hz des Computerbildes

Zur Beurteilung von Videomaterial: Video- bzw. TV-Monitor unerläßlich!

Seite Analoges Video • Zeilensprungverfahren

Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000

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Seite Analoges Video • Videosignal


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Seite Analoges Video • Austastung 14

25 Bilder/s (Europa)= Bilddauer 40ms (vertikale Periodendauer TV)

625 Zeilen, d.h. Zeilendauer (horizontale Periodendauer) TH=64μs, entspricht 15,625 kHz- Austastlücken: Abschaltung (Austastung) des Kathodenstrahls

für den Rücksprung- 12μs horizontaler Zeilenrücksprung- 1,6ms vertikaler Zeilenrücksprung

Seite Analoges Video • Austastung


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Seite Analoges Video • Austastung


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25 Zeilen pro Halb-bild ist der Strahl ausgeschaltet, d.h. von 625 Zeilen sind nur 575 nutzbar.

Seite Analoges Video • Synchronimpuls


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Gleichlauf bei der Übertragung wird durch negative Synchronimpulse in der Austastlücke realisiert.

Seite Analoges Video • Fernseh-Dialekte 18

NTSC (National Television System Commitee, 1953)- Zwei Farbinformationen als Modulation eines Trägersignals

innerhalb des Frequenzbandes für die Helligkeitsinformation - 525 Zeilen- 29,97 Frames per second (fps, Vollbilder) - 59,94 Fields per second (60 Hz, Halbbilder)


PAL (Phase Alternation Line, 1967)- Modifikation von NTSC:

Zeilenweise Phasenänderung der Farbträgersignale,dadurch störungsärmer

- 625 (576) Zeilen- 25 Frames per second (fps, Vollbilder) - 50 Fields per second (50 Hz, Halbbilder)


SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire)- PAL sehr ähnlich:

Farbsignal wird anders auf das Luminanzsignal aufmoduliert. Sequentielle Übertragung der Farbsignale.

- s/w -Darstellung mit PAL-Empfänger- 768 x 625 (576) Pixel (Breite x Höhe)- 25 Frames per second (fps, Vollbilder)- 50 Fields per second (50 Hz, Halbbilder)

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Format Zeilen Frequenzin Hz

SubcarrierFrequenz inMHz

Land Bemerkung

NTSC-M 525 60 3,58 USA, etc.NTSC-Japan 525 60 3,58 JapanPAL-B 625 50 4,43 vielePAL-D 625 50 4,43 ChinaPAL-G 625 50 4,43 vielePAL-H 625 50 4,43 BelgienPAL-I 625 50 4,43 GroßbritannienPAL-M 525 60 3,58 BrasilienPAL-N 625 50 4,43 Paraguay, UruguayPAL-Ncombination

625 50 3,58 Argentinien

PAL-60 525 60 4,43 China CD-VideoplayerNTSC (4.43) 525 60 4,43 Spezial-AnwendungenSECAM 625 50 4,406/4,25 Osteuropa, Frankreich

Analoges Video • Fernseh-Dialekte 21

Seite Analoges Video • Farbvideo-Signale 22

Anforderung an analoges Farbvideosignal: - kompatibel zum analogen s/w Videosignal - keine größere Bandbreite

Deshalb: - keine direkte RGB-Codierung.- Teilung in Helligkeits- (Luminanz Y )

und Farbdifferenzsignal (Chrominanz C).- Chrominanzsignale werden auf die

Farbhilfsträgerfrequenz (4,4 MHz bei PAL) aufmoduliert.

Effekt: Wegfall der Chrominanz ergibt s/w-Signal.


Der wesentliche Unterschied ist die Anzahl der verwendeten Leitungen und die damit einhergehende Codierung der Videosignalbestandteile, Farb-, Helligkeits- und Synchron-Signal.

Das Compositesignal vereinigt alle Signale auf einer abgeschirmten Leitung, es wird auch FBAS- (Farb-Bild-Austast-Synchron-) Signal genannt.

Zur Kontaktierung des Composite-Signals wird die robuste BNC-Verbindung oder der gelb eingefärbte Cinch-Stecker verwendet.


Das Y/C-Signal (auch S-Video oder Komponentensignal) kennt zwei Leitungen,eine ( Y ) transportiert die Helligkeitsinformation und das Synchronsignal, die andere (C) überträgt die Farbinformation, wie sie auch im FBAS-Signal enthalten ist.

Durch die Trennung der Farbe (Chrominance) von der Helligkeit (Y = Luminance) werden Interferenzen zwischen beiden Signalen vermieden. Die Auflösung, die Bildschärfe und auch die Farbwiedergabe ist besser im Vergleich zum Composite-Signal.

Neben dem abgebildeten Y/C-Steckverbinder werden vor allem RCA-(Cinch-)Steckverbinder für Y/C-Signale verwendet.


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Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B

Analoges Video • Farbvideo-Signale 26

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(G - Y) = - 0,51 (R - Y) - 0,19 (B - Y)

Analoges Video • Farbvideo-Signale 27


Die beste Übertragungsqualität wird beim Transport der Bildinformation mit drei Leitungen RGB erreicht.

Hier überträgt jede Leitung eine der drei Grundfarben (Farbkomponenten). Ein Farbhilfsträger wird nicht benötigt, daher ist die Decodierung unkritisch, die Bildschärfe und Farbwiedergabe ist am Besten.

Zur Vermeidung einer vierten Leitung wird meist das Synchronsignal in die Grünkomponente integriert.

Zur Kontaktierung am TV-Monitor wird oft die Scartbuchse verwendet.


Seite Analoges Video • Videoformate 30

VHS: - Entwicklung von JVC, 1976 vorgestellt- 1/2“ Kassetten bis 240min- FBAS mit verlegtem Chrominanzsignal (Colour Under Aufzeichnung)- 240 Linien Vertikalauflösung

S-VHS: - Verbesserte Qualität durch höhere Luminanz-Bandbreite.- Dadurch bessere Kopierqualität, auch über mehrere Generationen.- Getrennte Führung von Y/C-Signal aber FBAS-Aufzeichnung!

Wegen ihrer enormen Verbreitung wohl noch einige Jahre in Verwendung


Video8: - Amateur-Format von vielen Herstellern entwickelt- Ähnlich wie VHS, vor allem für Camcorder- 1984 vorgestellt- 8mm-Bandbreite

Hi-8:- höhere Qualität durch separate Führung des Farbsignals wie bei

S-VHS (Luminanz noch besser als S-VHS)- Camcorder-Bandformat mit der größten Verbreitung


1988 vorgestellt (Sony, Ampex, Thomson, BTS)Weltweit dominierendes professionelles Analog-FormatKomponentenaufzeichnung (Farbqualität!)Timecode-Unterstützung1/2“ Bandbreite, 2 Kassettengrößen (L/S mit 32min/108min Spielzeit)Volle PAL-Auflösung mit 500 Linien vertikalVier Audiospuren (50Hz ... 15kHz) digital (!)Unterstützung für Dolby C, PCMIn den 90er Jahren wurden mit der Einführung von Betacam SP (oder dem Konkurrenzformat Panasonic MII) viele Studios für Komponentensignalverarbeitung umgestellt(3-fach Verkabelung BNC).

Seite Übersicht Digitales Video 33

Seite Digitales Video • CCIR601 34

CCIR: International Radio Consultative Committee. wurde durch ITU abgelöst. CCIR601 heißt heute ITU-R BT.601 behandelt die Konvertierung der YUV Signale in ein digitales Format über die Definition der Abtastraten der analogen Signale.Y-(Helligkeits-) Werte werden mit doppelt so hoher Frequenz wie U/V- (Farb-) Signale abgetastet. - 4:2:2 Abtastung bei einer Grundfrequenz von 3,375 MHz,

d.h. 13,5 MHz Luminanz- und jeweils 6,75 MHz Chrominanzabtastung).

D1 Aufzeichnung auf 19mm(3/4“)-Metalloxyd-Band.

Seite Digitales Video • D1 35

752 x 576 rechteckige Pixel; 4:2:2 Abtastung, ~ 21,6 MB/s für Videodaten.Abtastrate Audio 48KHz bei 16 bis 20 Bit Oversampling.Gesamt-Datenrate rund 27 MB/s.


Doppelt so viele Luminanzabtastungen (Samples) wie Chrominanzabtastungen je Zeile.Daher resultiert die Bezeichnung 4:2:2. Zu je 2 Chrominanzsamples gibt es 4 Luminanzsamples.In der PAL Standardisierung bei 13,5 MHz 4:2:2 wird eine Zeile genau 864 mal auf Luminanzwerte abgetastet und 432 mal auf Chrominanz (siehe nächste Folie).Bei PAL (wie auch bei NTSC) existieren aber nur 720 aktive Luminanz- und 360 aktive Chrominanz-Samples pro Zeile.Der Rest wird für andere Informationen verwendet (Digitale Austastlücke).

Seite Digitales Video • CCIR601


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Voriges Beispiel: Abtastung mit 13,5 MHz, 4:2:2 an einer PAL-Zeile (720 bzw. 864 Samples).

Das ganze wird nun für jede der 625 PAL-Zeilen ausgeführt. Die daraus resultierende Datenmenge beträgt ungefähr:

(864 + 2 * 432)* 8Bit * 625 ~ 8,24 MBit je Bild.


System 18MHz 4:2:2 18MHz 4:4:4 13,5MHz 4:2:2 13,5MHz 4:4:4 PAL 1152/576 1152/1152 864/432 864/864 NTSC 1144/572 1144/1144 858/429 858/858

* 18 MHz für HDTV Anwendungen mit höherer horizontaler Auflösung* 13,5 MHz für normale TV Anwendungen* 4:2:2 bei normaler Farbauflösung* 4:4:4 bei erhöhter Farbauflösung

Seite Digitales Video • D2 und D3 40

D2 setzt FBAS (Composite-Signal) digital um- 3/4“-MP-(Metallpartikel-)Band - Von Ampex entwickelt, von Sony übernommen - Bandgeschwindigkeit bei D2 niedriger als bei D1- Dadurch längere Aufzeichnungskapazitäten pro Band- Datenrate bei etwa 19 MB/s

D3 als Konkurrenzstandard von Panasonic- Weitgehend ähnlich zu D2- 1/2“-MP-Band (Kleinere Kassettengröße)

(D3-Cassetten können auch auf D5-Maschinen abgespielt werden)

! Bei D2 und D3 wird das analoge Signal nicht in Luminanz und Chrominanz umgewandelt und dann digitalisiert, sondert direkt das FBAS-Signal digitalisiert.

Nachteil: Es ist qualitativ etwas schlechter als D1.

Seite Digitales Video • D5, DigiBeta 41

Digital Betacam als Sony-Folgeentwicklung- Komponentensignal wie bei D1 (CCIR 601)- Abwärtskompatibel zu Betacam SP, 608 Zeilen- Datenkompression 2:1 mit DCT (108,9 Mbit/s)

D5 als Konkurrenzformat von Panasonic- 1/2-Zoll-MP-(Metallpartikel-) Band. - Das System arbeitet ohne Daten-Kompression- Abwärtskompatibel zu D3

Seite Digitales Video • DV 42

Gilt als Amateurverfahren mit professionellem AnspruchErheblich bessere Bildqualität als S-VHS oder Hi-8CCIR601 KomponentensignalFarb- und Datenreduktion- 4:2:0 (PAL): Jede zweite Chrominanz-Zeile unberücksichtigt- 4:1:1 (NTSC): Nur 1/4 horizontale Chrominanzauflösung- Datenrate bei nur 3,2 MB/s

Ton mit 48 kHz/44 KHz bei 16 Bit oder 32 KHz bei 12bit576 Zeilen aufgezeichnet

Seite Digitales Video • DV 43

DCT 5-fach Datenkompression- 25 Mbit/s statt 125 Mbit/s- + Zusatzdaten, Fehlerredundanz, Audio

= 42 MBit/s Gesamtdatenrate

DV Kompression basiert auf Einzelbildern (!)(nicht wie bei MPEG-2 »I/B/P-Frame«)Von EBU standardisiert; mehr als 60 HerstellerDurch IEEE1394 (FireWire, iLink) Verbreitung unterstützt- verbindet Videogeräte und Computerwelt mit 400 Mbit/s- Video-, Ton- und Steuerinformationen auf einem bidirektionalen Kabel

(4 Datenleitungen) (näheres in der 2. Video-Vorlesung)

Varianten: DVCAM, miniDV, Digital8, DVCPRO, Digital Betacam

Seite Digitales Video • MPEG2-Formate 44

Betacam SX (D7)- I/B/P-Frames codiert (Bearbeitung problematisch)- Abwärtskompatibel zu Betacam SP (1/2“ 184/90/60min) - 10:1 Kompression / 18 Mbit/s

IMX (D10)- Ausschließlich in i-Frames codiert (Bearbeitungsmöglichkeiten!)- Abwärtskompatibel zu Betacam SP (1/2“ 220/72min) - 3,3:1 Kompression / 50 MBit/s

MicroMV- Consumerformat mit extrem kleinen Kassetten- I/B/P-Frames codiert (Bearbeitung problematisch)- 10:1 Kompression / 12 Mbit/s

Seite

Format D1 D2 D3 D5 D6

Hersteller Sony Ampex Panasonic Panasonic Sony

Betriebsart Komponenten FBAS FBAS Komponenten Komponenten

Abtastprinzip 4:2:2 - - 4:2:2 4:2:2

Zeilen/Halbbild 300 304 304 304 > 1.150

Quantisierung 8Bit 8Bit 8Bit 10/8Bit 8Bit

Datenkompr - - - DCT ~2-fach -

Videodatenrate 173 Mbit/s 115 Mbit/s 110 Mbit/s 207 Mbit/s 860 Mbit/s

Band-geschwindigkeit

~ 28 cm/s ~ 13 cm/s ~ 8 cm/s ~ 17 cm/s ~ 50 cm/s

Bandbreite 3/4“ (19mm) 3/4“ (19mm) 1/2“ (12,7mm) 1/2“ (12,7mm) 3/4“ (19mm)

Digitales Video • Formatübersichten 45

Seite Digitales Video • Formatübersichten 46

Seite

Format miniDV DVCAM DVCPRO DVCPRO 50

Digital Betacam

MicroMV

Hersteller Sony Sony Panasonic Panasonic Sony Sony

Betriebsart Komponenten

Abtastprinzip 4:2:0 4:2:0 4:1:1 4:2:2 4:2:2 4:2:0

Zeilen/Halbbild 288 288 288 288 304 288

Quantisierung 8bit 8bit 8bit 8bit 10Bit 8bit

Videodatenrate 25Mbit/s 25Mbit/s 25Mbit/s 50Mbit/s 108 Mbit/s 12Mbit/s

Datenkompr. 5:1 (DCT) 5:1 (DCT) 5:1 (DCT) 3,3:1 (DCT) 2:1 (DCT) 10:1 (MPEG2)

Bandge-schwindigkeit

~2cm/s ~3cm/s ~3cm/s ~7cm/s ~ 1 cm/s ~7cm/s

Bandgröße 1/4“ (6,3mm)

1/4“ (6,3mm)

1/4“ (6,3mm)

1/4“ (6,3mm)

1/2“ (12,7mm)

~5mm


Seite

Format Betacam SX (D7) Digital 8 (D8) Digital S (D9) IMX (D10)

Hersteller Sony Sony JVC Sony

Betriebsart Komponnenten

Abtastprinzip 4:2:2 4:2:0 4:2:2 4:2:2

Zeilen/Halbbild 304 288 288 304

Quantisierung 8bit 8bit 8bit 8bit

Videodatenrate 18Mbit/s 25Mbit/s 50Mbit/s 50Mbit/s

Datenkompression 10:1 (MPEG2) 5:1 (DCT) 3,3:1 (DCT) 3,3:1 (MPEG2)

Bandgeschwindigkeit ~6cm/s ~3cm/s ~6cm/s ?

Bandgröße 1/2“ (12,7mm) 8mm 1/2“ (12,7mm) 1/2“ (12,7mm)


Seite 49

Seite Digitales Video • HDCAM 50

High Definition mit höherer Auflösung

1/2“ Bänder, abwärtskompatibel

1.440 x 1.080 HDTV-Auflösung, 16:9 (nichtquadratische Pixel)

Varianten- 24P: 24 fps, progressive (ehemals NTSC),

ITU-compliant! 4% schneller bei PAL-Wiedergabe.- 60i: 60 fps, interlaced (ehemals NTSC)- 50i: 50 fps, interlaced (ehemals PAL)

4:1 Kompression, 140 Mbit/s

AES/EBU 8-Kanal, Dolby-E und Dolby AC-3 Audio

Geräte seit 2001 am Markt (Sony)

Seite Digitales Video • HDCAM SR 51

2003 eingeführt (HDCAM »superior resolution« »cine alta«)Bänder mit höherer Datendichte440 Mbit/s (statt 140 Mbit/s)4:4:4 RGB Aufzeichnung (statt 4:2:2 YUV )MPEG4 Kompression (statt 4:1 JPEG/DV )12 Spuren Audio (statt 4)1920 x 1080 Pixel (statt 1440 x 1080)1080p oder 1080i mit voller HDTV-Auflösung und RGB-Farbspektrum

Seite Digitales Video • HDCAM SR 52

Seite Digitales Video • HDV 53

Von Canon, Sharp, Sony, JVC entwickeltes HD-Format für Consumer

HD-Video auf DV-Tapes mit max. 25 Mbit/s

MPEG2 Datenstrom

1080i (1.440 x 1.080 Pixel interlaced), 50/60 Fps

720p (1.280 x 720 Pixel progressive) 60/50/30/25 Vollbilder pro Sekunde

48 kHz 16 bit MPEG-1 Audio Layer II 384 kbit/s

Gleiche Mechanik wie DV-Laufwerke

Seite

Format HDCAM HDCAM SR HDV

Hersteller Sony Sony Sony, JVC, Canon, Sharp

Betriebsart Komponenten

Abtastprinzip 4:2:2 YUV 4:4:4 RGB 4:2:0 YUV

Zeilen 1080 1080 1080

Spalten 1.440 1.920 1.440

Quantisierung 10Bit 10Bit 8Bit

Datenkompression 4:1 4,2:1 MPEG4 (SP) MPEG2 (MP@HL14)

Videodatenrate 140 Mbit/s 440 Mbit/s 19...25 Mbit/s

Bandgeschwindigkeit ~ 0,77 cm/s ~ 0,94 cm/s ~2 cm/s

Bandbreite 3/4“ (19mm) 3/4“ (19mm) 1/4“ (6,3mm)

Digitales Video • Überblick HD 54

Seite Analoges/digitales Video • Zusammenfassung 55

Documents

Kompression und Datenformate 1 - mherzog.com · Übersicht Analoges Video Seite 7 Interlaced Raster Zeilensprungverfahren Videosignal-Aufbau Austastlücken Synchronimpuls Fernseh-Dialekte: