Text of Mathematische Grundlagen der Video – Kompression von Christian Müller GIS und Multimedia
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Mathematische Grundlagen der Video Kompression von Christian
Mller GIS und Multimedia
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Allgemeines Einsatz von Videos im geodtischen Arbeitsbereich:
Stdtebauliche Planung Zeigen von Ist Zustnden Photorealistische
Visualisierung geplanter Bauobjekte Virtuelle Realitt Routenplanung
Wege als Videos zeigen Lehre Aufnahme von Vorlesungen und Vortrgen
Animationen Was hat das Thema mit dem Studium zu tun?
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Allgemeines Ein Film besteht aus einer Reihe von
aufeinanderfolgenden Bildern Jedes Bild fr sich kann man als Bitmap
Vollbild betrachten Problem: groe Datenmenge Woraus besteht ein
Film?
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Allgemeines PAL Standard: 720 x 576 Pixel = 414.720 Pixel
414.720 Pixel x 3 (RGB Werte pro Pixel) = 1.244.160 Byte 1.244.160
Byte x 25 Bilder/s = 31.104.000 Byte 1 Sekunde Film = 30 MByte
Rechenbeispiel 90 Minuten Film = 156 GByte
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Allgemeines Man unterscheidet: Verlustfreie Kompression: Nach
der Dekompression kann das ursprngliche Signal wieder vollstndig
hergestellt werden Verlustbehaftete Kompression: Das Signal wird
nur annhernd wiederhergestellt Datenkompression Verfahren, um die
Anzahl der Bits eines Signals herabzu zusetzen
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MPEG Format MPEG 1 Findet Anwendung bei sog. VideoCD VHS
hnliche Qualitt MPEG 2 Kompatibel zu MPEG 1 Anwendung in der DVD
Technologie und im digitalen Fernsehen (Premiere World) MPEG 4
DivX, Echtzeitkommunikation, Mobile Multimedia UMTS MPEG
Familie
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MPEG Format Viele Informationen bleiben gleich, z.B.: der
Hintergrund Idee: berflssige Informationen nicht mehrmals speichern
redundante Informationen auslassen Unterschied zwischen zwei Bilder
wird gespeichert Bild um die Unterschiede zum vorhergehenden Bild
ergnzen Vergleichen von Bildern
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MPEG Format Es werden drei verschiedene Bildtypen benutzt: I
Frame (intra frame): Ein komplettes Vollbild, welches alle
Informationen enthlt P Frame (predictet frame): Einzelbild, welches
lediglich die Differenz zum vorhergegangenem Bild enthlt B Frame
(bidirctional frame): werden ausgehend von einem vorhergehenden und
nachfolgenden Bild berechnet Verschiedene Bildtypen
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MPEG Format jede GOP enthlt eine I Frame als erstes Bild dazu
mehrere P Frames die B Frames werden aus frheren und spteren P und
I Frames abgeleitet Verschiedene Bildtypen Ein MPEG Datenstrom
besteht in erster Linie aus einer Sequenz von groups-of-pictures
(GOP).
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I
Startbild ist das I Frame als Vollbild zum Einstieg
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I
Startbild ist das I Frame als Vollbild zum Einstieg Zwischenbilder
aus vorherigen I und P Frames
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I
Startbild ist das I Frame als Vollbild zum Einstieg Zwischenbilder
aus vorherigen I und P Frames Zwischenbilder aus vorigen und
folgenden I und P - Frames
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B
I
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B
I
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B
I
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B
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P B MPEG Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B
I
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MPEG Format B Frames werden vom Decoder nur dann entschlsselt,
wenn er den nachfolgenden P Frame kennt: Bildein / ausgabe
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MPEG Format B Frames werden vom Decoder nur dann entschlsselt,
wenn er den nachfolgenden P Frame kennt: Bilder werden in einer
anderen Reihenfolge abgespeichert, als man sie hinterher zu sehen
bekommt Bildein / ausgabe
Codierung von I Frames Bild wird in 8x8 groe Pixelblcke
aufgetrennt Blcke werden einzeln bearbeitet Jeder Block durchluft
die DCT Umwandlung bis auf Rundungsfehler verlustfrei Verwandt mit
der Fouriertransformation Discrete Cosinustransformation II
Umwandlung rumlicher Information und Helligkeitswerte in eine
Frequenzdarstellung
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Codierung von I Frames Das menschliche Auge ist fr hohe
Frequenzen weniger empfindlich. Discrete Cosinustransformation
II
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Codierung von I Frames Das menschliche Auge ist fr hohe
Frequenzen weniger empfindlich. je nach gewnschtem
Kompressionsfaktor Vernachlssigung dieser Anteile Discrete
Cosinustransformation II Wie geschieht dieses Weglassen von
Hochfrequenzanteilen?
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Codierung von I Frames sogenannter Quantisierer sorgt fr die
Verringerung der DCT Koeffizienten Koeffizienten nahe Null werden
gleich Null gesetzt Dieser ganze Vorgang wird Quantisierung
genannt. Quantisierung II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
Bild II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
8x8 Pixelblock II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
ursprngliche Werte 103101102105 3456109107 3028105106 101104106103
II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
103101102105 3456109107 3028105106 101104106103 ursprngliche Werte
Transformierung DCT Koeffizienten II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
103101102105 3456109107 3028105106 101104106103 ursprngliche Werte
II Farbwerte des Pixel der x-ten Matrixzeile und y-ten
Matrixspalte
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
DCT Koeffizienten II Transformierte Werte in der u ten Zeile und v
ten Spalte
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
103101102105 3456109107 3028105106 101104106103 ursprngliche Werte
4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6
Transformierung DCT Koeffizienten II
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Codierung von I Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation
103101102105 3456109107 3028105106 101104106103 ursprngliche Werte
4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6
Transformierung DCT Koeffizienten DC Komponente bzw. Gleichanteil f
= 0 II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 DCT
Koeffizienten II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 DCT
Koeffizienten 405001 30003 0000 -2200 Quantisierung Ergebnismatrix
II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405001 30003 0000 -2200 Ergebnismatrix II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405001 30003 0000 -2200 Ergebnismatrix II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405001 30003 0000 -2200 Ergebnismatrix Zickzack 405 0 30 0 0 0 1 0
0 -2 2 0 -3 0 0 0 II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405030000100-220-3000 Wertefolge nach Zickzack Auslesung
405130312-221-33 Lauflngen Codierung II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405030000100-220-3000 Wertefolge nach Zickzack Auslesung 13231
405130312-221-33 Lauflngen Codierung II
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Codierung von I Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression
405030000100-220-3000 Wertefolge nach Zickzack Auslesung 13231
405130312-221-33 Lauflngen Codierung II
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Codierung von P & B Frames Motion Compensation Idee:
Bildteile werden gesucht, die sich von Frame zu Frame nur
verschieben, wie z.B.: sich bewegende Objekte An diese Bilder wird
dann ein Bewegungsvektor weitergegeben PB Die Voraussage von P und
B Frames geschieht mit der sog. Motion Compensation, d.h.
bewegungskompensiert.
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Codierung von P & B Frames Einteilung jedes Bildes in
Makroblcke aus 16x16 Pixeln makroblockweise Abtastung, in welche
Richtung sich der Inhalt eines Blocks verschiebt Blcke werden gem
des Vektors verschoben und auf das Restbild addiert Aufteilung in
Makroblcke PB
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Codierung von P & B Frames Beispiel PB
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Codierung von P & B Frames Beispiel PB
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Codierung von P & B Frames Beispiel PB
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Codierung von P & B Frames Werden allerdings keine
bereinstimmenden Vektoren gefunden, wird dieses Bild als I Frame
mittels DCT codiert. I Frame oder P / B Frame PB Strebt die
Differenz zwischen zwei Makroblcken gegen Null, so wird hier der
Bewegungsvektor berechnet und die Motion Compensation benutzt, um
ein P bzw. B Frame zu codieren.
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Codierung von P & B Frames Abtastverfahren PB
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Codierung von P & B Frames Abtastverfahren PB
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Schluss Vergleich von Kompressionsraten DCT + Motion
Compensation: Datenrate 4 MBit/s Zum Vergleich: unkomprimierter
Film mit 30 MByte/s Kompression von 60:1 ohne starken Verlust
mglich: 100:1