Stéphanie's Weblog: 2005-01-11

MPEG bedeutet Moving Picture Exerts Group. Diese Experten Gruppe gündete sich im Jahre 1998. Sie beschäftigt sich hauptsächlich mit der Standardisierung von Videokompression und den dazugehörenden Bereichen, wie z.B. Audiocompression oder Containerformaten. Seit ihrer Gründung 1998 hat sich die Gruppe auf ungefähr 360 Mitglieder von verschiedenen Firmen und Universitäten erweitert. Die offizielle Bezeichnung von MPEG jedoch ist ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 (International Organization for Standardization/International Elechtronical Commission, Joint Technical Comittee 1, SubCommittee 29, Working Group 11) (Quelle 1:Wikipedia)

2. MPEG-Formate

2.1 MPEG-1

MPEG-1 wurde für flüssige Video-Wiedergaben entworfen und weist daher die gröβte Kompressionsraten auf. Die MPEG-1-Komprimierung bzw. Dekomprimierung war ursprünglich ein Hardwareabhängiges Verfahren. Es ist allerdings mittlerweile, dank der schnellen Prozessoren, auch ein Softwaredekomprimieren möglich.

2.2 MPEG-2

MPEG-2 ist besser als MPEG-1, da es mit dem beim Fernsehen eingesetzten Zeilensprungverfahren (INTERLACE) umgehen kann. Das Geheimnis von MPEG-2 liegt in der Kompression auf höchster Qualitätsstufe, so dass Filmmaterial nahezu 1 zu 1 in Studioqualität bearbeitet und editiert werden kann.

2.3 MPEG-3

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

MPEG-3 ist jedoch nicht mit MP3 zu verwechseln.

2.4 MPEG-4

MPEG-4 ist eine Weiterentwicklung des MPEG-2 Formats und befindet sich seit 1996 in der Entwicklung. Obwohl MPEG-4 ursprünglich als ein Codierungsstandard für audiovisuelle Daten mit sehr niedriger Bitrate gedacht war, diente die Entwicklung weit mehr Zwecken als lediglich dem Streaming von linearen Medienraten bei Internet-und drahtlosen Anwendungen. MPEG-4 stellt z.B. effiziente Mechanismen zur Komprimierung und Distribution interaktiver
Medieninhalte bereit. Ausserdem verfügt MPEG-4 über 3D-Potentiale, um
künstliche Intelligenzen (artificial intelligence- AI) zu visualisieren oder Avatare darzustellen- z.B. im Rahmen von Videokonferenzen.

Die Kompressionsrate als solche ist bei MPEG-4 nicht höher als bei MPEG-2, aber "Sprites" können besser komprimiert werden, weil dem Codier-Mechanismus dafür wesentlich mehr Zeit zur Verfügung steht.

2.5 MPEG-7

MPEG-7 beschäftig sich damit, den Inhalt von Audio/Videosequenzen, Bildern und Graphiken in einer effizienten und zweckmäβigen Darstellung zu repräsentieren, so dass damit eine Informationssuche möglich wird.

Ein Gesamtsystem zur Informationssuche besteht prinzipiell aus drei Teilen:

- Analysewerkzeug

- Datenbank (enthält die Beschreibung)

- Suchwerkzeug

(Bild-Quelle 1)

MPEG-7 wird die bestehenden Standards MPEG-1,-2,-3 und -4 nicht ersetzen. Er soll den anderen Standards entgegengesetzte Funktionalität bieten: Präsentation von Informationen über den Inhalt, nicht den Inhalt selbst.

3. Qualitätsmerkmale

MPEG bezeichnet ein Verfahren um digitale Videodaten zu komprimieren, damit sie zum Beispiel auf einer VideoCD oder DVD gespeichert werden können. Bei dem MPEG-Verfahren wird jedoch nicht jeder einzelne Pixel eines Bildes des Films einzeln gespeichert. Das komplette Bild wird nur in den sogenannten Keyframes komplett gespeichert, zwischen zwei Keyframes wird nur die Veränderung zum vorangegangenen Bild/Keyframe gespeichert. Daher eignet sich dieses Verfahren besonders für ruhige Szenen ohne viel Bewegung.

MPEG ist als asymmetrisches Kodierungsverfahren konzipiert, d.h. die Kodierung ist um ein mehrfaches aufwendiges als die Dekodierung. Daher eignet es sich besonders zur Speicherung von schnell abrufbereitem Video auf digitalen Medien.

Das Entwicklungziel war ein "generischer" Coder, der vom Prinzip her alle Optionen bietet, aber erst durch weglassen von unnötigen Optionen und Parameterfestlegungen auf eine spezielle Anwendung getrimmt wird. MPEG schreibt nicht die einzelnen Kompressionsalogarithmen fest, sondern lediglich ein Dateiformat, das einen erlaubten Datenstrom beschreibt.

4. Kompressionsmethoden

4.1. Kompressionsansätze

Für MPEG gibt es 2 Kompressionsansätze. Der erste soll die Redudanzen reduzieren indem er versucht, sich wiederholende Informationen durch eine minimale Anzahlen von Informationen zu kodieren. Bei einer Videosequenz sind dies Informationen innerhalb eines Bildes und Informationen zwischen den einzelnen Bildern einer Sequenz. Hierbei wird versucht die Bewegung von Objekten zu erfassen und die Bewegung durch Vektoren zu beschreiben, statt das Bild erneut vollständig zu übermitteln. Diese Technik wird in MPEG Motion Compensation genannt.

Der zweite Ansatz ist das Entfernen von irrelevanten Informationen. Hierbei macht man sich die menschliche Physiologie des audio-visuellen Systems zu Nutze um Informationen wegzulassen, die der Mensch nicht wahrnimmt. Bei diesem Ansatz verwendet man verlustbehaftete Kompressionsmethoden im Gegensatz zum ersten Ansatz, der verlustfreie Methoden benutzt.

4.2. Videokompression

Digitale Videodaten sind sehr umfangreich und benötigen hohe Speicherkapazitäten und Datenübertragungsraten zum Aufnehmen, Archivieren und Abspielen der Dateien. Beim erstellen einer AVI (Audio Video Interleave) oder Quick Time werden darum die Daten komprimiert, um die Dateigrösse zu verringern und die Wiedergabe des Films dekomprimiert werden kann.

Es ist unbedingt darauf zu achten, dass ggfls. die bei der Video-Erstellung und Bearbeitung verwendeten Codecs auch auf den Systemen verfügbar sind (bzw. durch nachträgliche Installation sein könnten), auf denen die bearbeitete

Film-Datei abgespielt werden soll. Dies ist besonders wichtig bei CD-oder DVD-Projekten, jedoch nicht wenn der bearbeitete Film "nur" wieder auf Videoband gespielt wird.

Für die Videoverarbeitung mit dem Computer gibt es verschiedene Verhältnisse zwischen Kompression und Qualität. Man misst:

- wieviele megabyte an Videodaten pro Sekunde verarbeitet werden müssen

- bzw. wieviele Minuten Film auf einem Gigabyte (1 GB) gespeichert werden können

- Die Videoauflösung ist abhängig von der verwendeten Video/Fernsehnorm, denn das PAL-System hat eine Auflösung von 768 x 576 Bildpunkten, NTSC arbeitet mit 640 x 480 Bildpunkten

Kompressions- verhältnis	PAL (MB/s)	NTSC (MB/s)	Minuten pro GB (PAL / NTSC)	Bildqualität
1:1	21,2	17,6	00:48 / 00:58	Fernseh-Studiokamera direkt
2:1	10,6	8,8	01:36 / 01:56	Direktübertragung TV
3:1	7	5,9	02:26 / 02:54	Betacam Digital SP, sendereif
4:1	5,3	4,4	03:13 / 03:53	Betacam Digital SP (professionell)
5:1 5:1	4,2 3,5	3,5 2,9	04:04 / 04:53 05:16 / 06:14	Betacam (semi-professionell) Digital Video DV
7:1	3	2,5	05:41 / 05:50	Hi 8, S-VHS (professionell)
10:1	2,1	1,76	08:08 / 09:42	Hi 8, S-VHS (gute Amateurqualität)
15:1	1,4	1,2	12:11 / 14:13	VHS (Amateurqualität)

Tabelle

Für die Verwendung von "AVI" oder Quick Time-Filmen stehen einem normalerweise mehrere Komprimierungs-und Dekomprimierungs-Alogrithmen (Codecs) zur Verfügung. Der gewählte Alogrithmus beeinflusst ganz wesentlich die visuelle Qualität einer Video-Datei und die Geschwindigkeit, mit der sie am Monitor des Computers oder an einem TV-Bildschirm wiedergegeben wird.

Einige üblichen Software-Codecs unter Windows:

-Microsoft Video 1

-Microsoft RLE

-Cinepak

-INTEL Indeo Video R3.2

-INTEL Video Raw

-MPEG und DivX

Wie Videkompression funktionniert:

(Bild-Quelle 2)

4.3. Audiokompression

Audiokompression ist eine ArtDatenkompression, die darauf abgestimmt ist, digital gespeicherteAudio-Dateien effektiv in ihrer Größe zu reduzieren. Wie bei anderen spezialisierten Arten der Datenkomprimierung (v.a.:Video- und Bildkompression) gibt es "verlustfreie" und "verlustbehaftete"
Algorithmen, um den Verkleinerungseffekt zu erzielen.(Quelle 2:Wikipedia)Audiokompression ist ausserdem unverzichtbar für Film, Fernsehen und Multimedia.

4.3.1 Eigenschaften

In MPEG-Audio Standard existieren drei Level von Audiodaten (I,II und III), welche sich in der Komplexität des Kompressionsalgorithmus und im Grad der Kompression unterscheiden. MPEG-1 Level III, bekannt im Internet als MP-3 Format, ist dabei der effizienteste, da bei ihm zusätzlich eine Entropiekodierung laut Huffman vorgenommen wird.

MPEG-1 ist auf maximal 2 Audiokanäle (stereo) begrenzt, wogegen MPEG-2 mehrere Kanäle vozieht und damit Dolby-Surround Sound kodieren kann. Abgesehen davon unterscheiden sich die MPEG-1 und -2 Audio-Standards nur marginal.

Es gibt drei verschiedene Abtastraten: 32kHz, 44.1 kHz (CD-Qualität) und 48 kHz (Studioqualität).

4.3.2 Kompressionsverfahren

MPEG-Audio verwendet vor allem psychoakustische Ansätze zur Komprimierung der Klangdaten. Dies bedeutet, dass Eigenschaften des menschlichen Hörsinns ausgenutzt werden, um "unwichtige" Daten wegzulassen.

(Bild-Quelle 3)

Einer dieser Eigenschaften ist, dass ein lauter Ton einer gewissen Frequenz leisere Töne bei nahen Frequenzen auslöscht. Dieser Effekt wird Maskierung genannt. Um diesen Effekt auszunutzen, wird bei der Kodierung der Frequenzbereich zwischen 20Hz und 20 kHz in 32 Unterbänder zu je 625 Hz aufgeteilt.

Bei MPEG Level III (MP3) werden ca. 20 MIPS pro Kanal benötigt, was für eine Echtzeit-Kodierung einen schnellen Signalprozess erfordert. Das Decodieren benötigt aber wesentlich weniger Rechenleistung und kann auf schnellen Rechnern ohne Hardwareunterstützung durchgeführt werden.

5. Einsatzgebiete

5.1 MPEG-1

Der schon weit verbreitete MPEG-1 Standard mit einer Datenrate von meist 0,5 bis 1,5 MBit-s wird im Moment schon für folgende Aufgaben eingesetzt:

- CD-I (Computer Interaktiv) Spielkonsole von Philips

- Video-CD

- Computerspiele

- Elektronische Datenbanken

- Aus-/Fortbildung

5.2 MPEG-2

digitale Fernsehübertragung

- über Satellit

- über terrestrische Strecken

- über breitbandkabel ("one way")

- über Netze (ATM)

- Studio zu Studio Überspielung in Profiqualität

"Video on demand"

Interaktives Fernsehen

Videokonferenzen

5.3 MPEG-3

Durch das Verfahren MPEG-2 mitabgedeckt

5.4 MPEG-4

- absoluter Direktbetrieb von Videodaten möglich

MPEG-4 unterstützt drei Funktionalitäten:

Inhaltsbezogene Interaktivität

- schneller Zugriff auf audiovisuelle Daten

- Identifizierung, Laden, Löschen von Objekten

- Bereitstellung von Syntaxen und Kodierungsschemata

- Verknüpfung von natürlichen und künstlichen Szenen

Kompression

- Bessere Qualität bei gleicher Bitrate bestehender Standards

- Kodierung mehrerer Blickrichtungen oder Tonspuren

- Darstellung von 3-D-Objekten

Skalierbarkeit

- Räumliche und zeitliche Auflösung skalierbar

- bestimmte Objekte hervorhebbar

- Objekte können mit stärkerer Auflösung dargestellt werden

5.5 MPEG-7

Damit spezielle Informationen, Bilder und Inhalte von Audio-Videosequenzen besser wiedergefunden werden können, wie im World Wide Web wird das MPEG-4 Verfahren verwendet.

6. Software

Websites wo man MPEG-Programme downloaden kann:

http://dv.download.mpeg-editoren.slashcam.de/Software-Download-MPEG-Editoren.html

http://www.mpeg.org/MPEG/audio.html

http://www.ligos.com/gomotion.htm

http://www.burnworld.com/software/dvdburning/dvdauthoring.htm

http://www.share2.com/dvdtompeg/dvd_to_mpeg_converter.htm

http://mediasoftware.sonypictures.com/Products/ShowProduct.asp?PID=614

http://www.tomdownload.com/multimedia_design/video/dvd2mpeg.htm

http://www.envivio.com/products/4sight_se.html

7. Watermarking von Audiodaten

"Durch den stetigen Anstieg der Hardware- und Netzkapazitäten und Verbesserung der Software und Komprimierungsalgorithmen wie MPEG 1 Layer III entwickelt sich ein immer größer werdender Markt für den Austausch von Audiodaten. Die positiv einzuschätzenden Möglichkeiten wie der erleichterte Austausch von digitalen Daten geht einher mit dem zunehmenden Problem der Urheberrechtsverletzung durch das Kopieren und Weiterverteilen der Daten. Einfach zu bedienende

peer-to-peer(P2P) Dienste werden benutzt, um Audiodaten auszutauschen, die die angemeldeten Benutzer lokal bei sich zuhause gespeichert haben. Dies führt zu einem dramatischen Anstieg der unkontrollierten Weiterverteilung von digitalen Audiodaten. Watermarking von Audiodaten wirkt dem entgegen, in dem ein Wasserzeichen in die Daten eingebettet wird. Damit wird die technische Voraussetzung geschaffen, um illegale Kopien eindeutig identifizieren zu können."

7.1 Anwendungsbereiche

"Die Markierung digitaler Daten mit Hilfe von Wasserzeichen kann je nach Anwendung einem unterschiedlichen Zweck dienen. Das Wasserzeichen kann in sicherheitsrelevanten Anwendungsszenarien sowohl zur Identifikation der digitalen Daten, des Urhebers oder des Kunden benutzt werden. Des weiteren können Metadaten mit Hilfe digitaler Wasserzeichen in den Datenstrom eingebettet und übertragen werden."

7.2 AnnotationWatermarking

"In dieser Anwendung wird das Wasserzeichen als Informationskanal um Zusatzinformationen zu dem markierten Audiotitel zu übertragen."

8. Quellenverzeichnis

Gekennzeichnete Quellen:

Quelle 1:

http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG

Quelle 2:

http://de.wikipedia.org/wiki/Audiokompression

Bildquellen:

Bild-Quelle 1:

http://dmtp.ipsi.fraunhofer.de/website/images/mpeg7.jpg

Bild-Quelle 2: