Komprimierung

Viele Komprimierungsstandards zur Auswahl

Die Bild- und Videokomprimierung kann mit oder ohne Qualitätseinbußen erfolgen. Bei der verlustfreien Komprimierung wird jedes Pixel unverändert beibehalten, so dass das Bild bei der Dekomprimierung originalgetreu wiederhergestellt wird. Allerdings ist das Komprimierungsverhältnis dabei sehr klein; die Datenreduzierung ist beschränkt. Ein bekannter verlustfreier Komprimierungsstandard ist das GIF-Format. Da das Komprimierungsverhältnis klein ist, sind solche Formate für Netzwerk-Videolösungen kaum geeignet, bei denen große Bildmengen gespeichert und übertragen werden müssen. Daher wurden mehrere verlustreiche Komprimierungsverfahren und -standards entwickelt. Die grundlegende Idee besteht in der Reduzierung von Elementen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Dadurch lässt sich das Komprimierungsverhältnis erheblich erhöhen.

Bei der Komprimierung gibt es zudem zwei verschiedene Ansätze: die Komprimierung von Einzelbildern und die Video-Komprimierung.

Komprimierungsstandards für Einzelbilder

Alle Komprimierungsstandards für Einzelbilder konzentrieren sich auf nur ein Bild zur gleichen Zeit. Der bekannteste und meistgenutzte Standard ist JPEG.

JPEG

JPEG wurde zunächst Mitte der 80-er Jahre von der Joint Photographic Experts Group standardisiert. JPEG-Bilder können in einem Standard-Browser dekomprimiert und angezeigt werden.

Die JPEG-Komprimierung kann auf mehreren Stufen erfolgen, die vom Benutzer ausgewählt werden und bestimmen, wie stark ein Bild komprimiert wird. Die gewählte Komprimierungsstufe wirkt sich direkt auf die gewünschte Bildqualität aus. 

Neben der Komprimierungsstufe hängt die Höhe des Komprimierungsverhältnisses auch vom Bild selbst ab. Zum Beispiel kann aus einer weißen Wand eine relativ kleine Bilddatei (mit entsprechend hohem Komprimierungsverhältnis) erzeugt werden, während dieselbe Komprimierungsstufe bei einem komplexen, gemusterten Motiv eine größere Datei (geringeres Komprimierungsverhältnis) erzeugt.

Nachfolgend sind Beispiele von JPEG-Bildern mit unterschiedlichen Detailniveaus zu sehen. Die Zweige der Bäume bestehen aus einer Vielzahl von Details, welche dadurch auch eine große Datenmenge verursachen.
Wenig Details, Datengröße 20 KB	Viele Details , Datengröße 50 KB
Nachfolgend sind JPEG-Bilder mit unterschiedlichen Kompressionsraten zu sehen
Geringe Kompression, Datengröße 45 KB	Hohe Kompression, Datengröße 14 KB

JPEG2000

Ein weiterer Komprimierungsstandard für Einzelbilder ist JPEG2000. Auch dieser Standard wurde von der Joint Photographic Experts Group entwickelt. Er wurde vor Allem für medizinische Anwendungen und die Einzelbild-Fotografie entwickelt. Bei einem niedrigen Komprimierungsverhältnis führt er zu ähnlichen Ergebnissen wie JPEG; bei relativ hoher Komprimierung schneidet er etwas besser ab. JPEG2000 wird bisher jedoch nur von wenigen Browsern, Viewern und Bildverarbeitungsprogrammen unterstützt.

Video-Komprimierungsstandards

Motion JPEG

Motion JPEG ist der gängigste Standard für Netzwerk-Videosysteme. Netzwerk-Kameras erfassen, wie digitale Einzelbildkameras, einzelne Bilder und komprimieren sie in das JPEG-Format. Die Netzwerk-Kamera kann zum Beispiel 30 solcher Einzelbilder (30 fps = 30 Bilder pro Sekunde) erfassen und komprimieren und sie später wieder als fortlaufenden Bildfluss über ein Netzwerk an ein Anzeigegerät weiterleiten. Bei einer Bildrate von mindestens 16 fps empfindet der Betrachter die Bildfolge als vollständig bewegte Bilder. Diese Methode wird als Motion JPEG oder M-JPEG bezeichnet. Da jedes Einzelbild ein vollständiges JPEG-komprimiertes Bild ist, ist die Qualität bei allen Bildern gleich und wird von der Komprimierungsstufe bestimmt, die für die Netzwerk-Kamera oder den Videoserver gewählt wurde.

Beispiel für eine Sequenz aus drei vollständigen JPEG-Bildern

H.263

Das Komprimierungsverfahren H.263 zielt auf eine Video-Übertragung mit fester Bitrate. Ihr Nachteil besteht in einer geminderten Bildqualität bei bewegten Objekten. H.263 wurde ursprünglich für Videokonferenzen und nicht für Überwachungsaufgaben entwickelt, bei denen die Detailtreue wichtiger als die Bitrate ist.

Wenn man H.263 Kompression verwendet, wird das Bild einer sich bewegenden Person wie ein Mosaik dargestellt. Der normalerweise unwichtige Hintergrund wird aber seine gute und klare Bildqualität behalten.

MPEG

Eines der bekanntesten Audio- und Videostromverfahren ist MPEG (Ende der 80-er Jahre von der Motion Picture Experts Group entwickelt). Dieser Abschnitt konzentriert sich auf den Teil der MPEG Videostandards, der sich direkt auf Video bezieht.

Das Grundprinzip von MPEG besteht in dem Vergleich von zwei komprimierten Bildern, die über das Netzwerk übertragen werden. Das erste komprimierte Bild wird als Bezugsgröße genutzt. Nur die Bestandteile der folgenden Bilder, die sich von diesem Bezugsbild unterscheiden, werden gesendet. Das Netzwerk-Anzeigegerät rekonstruiert dann alle Bilder aus dem Bezugsbild und den Differenzdaten.

Obwohl die Videokomprimierung mit MPEG komplexer ist, führt sie zu einem niedrigeren Datenaufkommen im Netzwerk als unter Motion JPEG. Dies ist auf der folgenden Seite zu erkennen, wo nur die Daten für die Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Bild übertragen werden.

Natürlich ist MPEG noch weitaus komplexer als oben beschrieben; oft werden zusätzlich Techniken oder Tools für Parameter wie die Antizipierung von Bewegungen in einer Szene und die Identifizierung von Objekten genutzt. Es gibt eine Reihe verschiedener MPEG-Standards:

• MPEG-1 wurde 1993 zum Speichern von digitalem Video auf CDs veröffentlicht. Daher sind die meisten MPEG-1-Encoder auf eine Ziel-Bitrate von ca. 1,5 Mbit/s bei CIF-Auflösung ausgelegt. Bei MPEG-1 liegt der Schwerpunkt darauf, die Bit-Rate auf Kosten einer schwankenden Bildqualität relativ konstant zu halten. Die Bildqualität ist meist mit VHS-Video zu vergleichen. Die Bildrate ist bei MPEG-1 auf 25 (PAL)/30 (NTSC) fps festgelegt.

• MPEG-2 wurde 1994 als Standard bestätigt und ist für hochwertiges digitales Video (DVD), hochauflösendes Fernsehen (HDTV), interaktive Speichermedien (ISM), DBV (digitales Rundsendeverfahren) und Kabelfernsehen (CATV) gedacht. Das MPEG-2-Projekt zielte darauf ab, die MPEG-1-Komprimierung auf größere Bilder und eine höhere Bildqualität auszudehnen und dafür eine niedrigere Komprimierungsrate und eine höhere Bitrate in Kauf zu nehmen. Ebenso wie bei MPEG-1 ist die Bildrate fest auf 25 (PAL) bzw. 30 (NTSC) fps eingestellt. 

• MPEG-4 wurde als Weiterentwicklung von MPEG-2 umfassend neu strukturiert. MPEG-4 umfasst zahlreiche neue Tools zum Senken der Bitrate, mit denen eine bestimmte Bildqualität für eine bestimmte Anwendung oder Bildszene erzielt werden kann. Außerdem ist die Bildrate nicht mehr starr auf 25 bzw. 30 fps festgelegt. Allerdings sind die meisten Tools zum Senken der Bitrate bisher für Echtzeit-Anwendungen irrelevant. Einige Tools erfordern so viel Rechenleistung, dass sie die Gesamtzeit zum Kodieren und Dekodieren (also die Wartezeit) stark erhöhen. Daher sind sie nur für Anwendungen wie die Kodierung von Studiofilmen oder animierten Filmen interessant. Tatsächlich standen die meisten Tools, die unter MPEG-4 für Echtzeit-Anwendungen geeignet sind, bereits unter MPEG-1 und MPEG-2 zur Verfügung. 

Der Grundgedanke besteht darin, dass man sich für einen Video-Komprimierungsstandard entscheiden sollte, der weit verbreitet ist und eine hohe Bildqualität gewährleistet, wie M-JPEG oder MPEG-4.

H.264

Der neueste Komprimierungsstandard H.264 wird sich nach den Erwartungen von Experten in den nächsten Jahren als Videostandard der Wahl durchsetzen. Bewährt hat er sich bereits in Geräten wie Handys und digitalen Videoplayern. Der Videoüberwachungsbranche bietet H.264 neue Möglichkeiten zur Speicherkostenreduzierung und zu einer Verbesserung der Gesamteffizienz.

H.264 (auch als MPEG-4 Part 10/AVC bezeichnet) ist ein offener, lizenzierter Standard, der die meisten heute üblichen, wirksamen Videokomprimierungsverfahren unterstützt. Ohne Einbußen bei der Bildqualität erreicht der H.264-Encoder bei digitalen Videodateien im Vergleich zu Motion JPEG eine 80 % höhere Komprimierung. Gegenüber dem herkömmlichen Standard MPGE-4 Part 2 wird eine um 50 % höhere Komprimierung erzielt. Diese Zahlen machen H.264 für die Videoüberwachung äußerst interessant.

Bitratenvergleich verschiedener Videostandards für einen Videostream von 115 Sekunden Länge bei gleicher Bildqualität Der H.264-Encoder erwies sich als mindestens dreimal so effizient wie ein MPEG-4-Encoder ohne Bewegungsausgleich und mindestens sechsmal so effizient wie Motion JPEG.

Geringere Kosten für Speicher und Bandbreite
Ein unmittelbarer Vorteil der deutlich reduzierten Dateigröße liegt in den resultierenden Anforderungen für Speicher und Bandbreite. Für dieselbe Menge an Videodaten reduziert ein Videoüberwachungssystem mit H.264-Komprimierung bei gleicher Bildqualität im Vergleich zu herkömmlichen Komprimierungsverfahren die Kosten für Speicher und Bandbreitennutzung um mindestens 50 %. Mit dem Wachstum der Systeme und steigenden Anforderungen an hochauflösende Bilder in Kombination mit hohen Bildfrequenzen, kommt H.264 eine entscheidende Position bei der Konkurrenz verschiedener Systemlösungen zu.

Höhere Auflösung und Bildfrequenz
Je nach den Anforderungen der Anwendung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, von der eindrucksvollen Komprimierung des H.264-Standards zu profitieren. Bisher wurden üblicherweise niedrige Bildfrequenzen oder Auflösungen gewählt, um die gegebenen Speicheranforderungen einer Anwendung einzuhalten. Dies wirkt sich nachteilig auf Videobilder aus, die entweder an Schärfe oder an Detailliertheit verlieren. Durch die Einführung von Videoüberwachungsgeräten mit H.264-Komprimierung, werden mehrere Kombinationen aus höheren Bildfrequenzen und Bildauflösungen möglich, die für eine höhere Bildqualität sorgen.

Schnellere Akzeptanz von Megapixel-Kameras
Es wird erwartet, dass H.264 die Akzeptanz von Megapixel-Kameras in der Überwachungsbranche beschleunigt. Bisher gelten bei Megapixel-Kameras die hohen Datenmengen von Videoaufzeichnungen als Nachteil. Wie vorstehend erwähnt, reduziert H.264 diese Dateigrößen ohne Einbußen bei der Bildqualität. Es ist wahrscheinlich, dass sich das hocheffiziente Komprimierungsverfahren zunächst in Anwendungen mit hohen Ansprüchen an Auflösung und Bildfrequenzen durchsetzt, wie bei der Überwachung von Flughäfen, Einzelhandelsgeschäften, Banken und Spielhallen.

Ausblicke
H.264 ist in der Videokomprimierung ein großer Schritt nach vorn. Mit der Unterstützung vieler Branchen und Anwendungen für den Kunden- und Profibedarf wie QuickTime, Flash, YouTube, iPod und PlayStation 3, wird H.264 nach Meinung von Experten an die Stelle von heute üblichen Komprimierungsstandards und -verfahren treten. Durch die wachsende Verfügbarkeit des Formats in Videoüberwachungsgeräten müssen Systemdesigner und -integratoren bei der Auswahl von Produkten und Anbietern vermehrt auf eine Unterstützung dieses neuen offenen Standards achten.

Ursprung von H.264
H.264 ist aus einem gemeinsamen Projekt der ITU-Videocodierungsgruppe (VCEG) und der ISO/IEC MPEG-Gruppe (Moving Picture Experts Group) hervorgegangen. ISO ist das Kürzel der “International Organization for Standardization“ (Internationale Organisation für Normung). Die IEC (Internationale elektrotechnische Kommission) ist ein Normierungsgremium für die Bereiche Elektrotechnik und Elektronik. Die Bezeichnung “H.264“ wird von der ITU-T genutzt, während ISO/IEC den Standard als “MPEG-4 Part 10/AVC“ bezeichnen, da sie ihn als neuen Bestandteil der MPEG-4-Normenreihe führt. Aufgrund der gemeinsamen Norm der internationalen Normierungsgremien für Telekommunikation und IT wird erwartet, dass H.264 eine weitere Verbreitung als die früheren Normen und Standards findet.

Unterstützung von Motion JPEG, MPEG-4 oder H.264 durch Axis

Zahlreiche Axis Videoprodukte bieten modernstes Echtzeit- Video-Encoding, das Video-Streaming in Motion JPEG und MPEG-4 oder H.264 ermöglicht. Hierdurch können Benutzer auf flexible Weise die Bildqualität für die Aufzeichnung erhöhen und die für die Live-Bildwiedergabe erforderlichen Bandbreiten reduzieren und anpassen.
 
Das Axis MPEG-4 (MPEG-4 Part 2) entspricht der ISO/ IEC-Norm 14496-2 und bietet ein Simple Profile 1-5 und ein Advanced Simple Profile (ASP) mit Level 1-5. Durch die vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten lassen sich die Streams für Bandbreite und Qualität optimieren.
 
Axis H.264 (auch als MPEG-4 Part 10/ AVC bezeichnet) entspricht der ISO/IEC-Norm 14496-10 und bietet weitere Möglichkeiten zur Senkung von Speicherkapazitäten und Kosten durch Erhöhung der Gesamteffizienz. Ohne Einbußen bei der Bildqualität können H.264-Encoder die Größe digitaler Videodateien im Vergleich zu Motion-JPEG um 80% und im Vergleich zur bisher üblichen MPEG-4 Part 2-Norm um durchschnittlich 50 % reduzieren.
 
Die Axis Media Control (AMC) enthält sowohl einen MPEG-4- als auch einen H.264-Decoder und erleichtert daher die Darstellung von Streams und die Integration in Anwendungen.
 
Außerdem lässt die Multicast-Unterstützung von Axis eine unbegrenzte Anzahl von Betrachtern zu, ohne die Leistung des Netzwerksystems herabzusetzen. Read more about multicasting.

 
Ausführliche Informationen zu digitalen Video-Komprimierungsverfahren finden Sie im
Axis’ white papers.