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Video-Kompression

Videokomprimierung (Videokomprimierung) ist die Kunst, die maximal mögliche Datenmenge ohne merkliche Qualitätsverschlechterung zu entfernen.

Die meisten gängigen Komprimierungsmethoden sind verlustbehaftet (verlustbehaftet), dh das Entpackungsergebnis ist nicht identisch mit der ursprünglichen Quelle. Durch die Reduzierung von Auflösung, Farbtiefe und Bildrate wurde zunächst ein Video in Briefmarkengröße auf dem PC angezeigt. Anschließend wurden Möglichkeiten entwickelt, um Bilder besser zu rendern und das Datenvolumen zu reduzieren, ohne die Bilder zu beeinträchtigen. Abmessungen. Die Videokomprimierung wird durch sogenannte Codecs (Codec – von COmpression / DECompression) implementiert. Es wurden verschiedene Arten von Codecs entwickelt, die in Hardware, Software oder Hardware-Software implementiert sind und eine effiziente Videokomprimierung und -dekomprimierung ermöglichen.

Verlustbehaftete Komprimierungstechniken reduzieren die Datengröße (durch komplexe mathematische Transformationen und das selektive Entfernen visueller Informationen, die unsere Augen und unser Gehirn häufig ignorieren) und können zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen. Andererseits werden durch verlustfreie Komprimierung nur redundante Informationen entfernt. Codecs können in Hardware, Software oder Hardware / Software implementiert werden. Die Codec-Komprimierungsverhältnisse reichen von 2: 1 bis 100: 1, sodass große Mengen an Videodaten verarbeitet werden können. Je höher das Komprimierungsverhältnis ist, desto schlechter ist das resultierende Bild. Es zeigt verblasste Farben, Verzerrungen und Interferenzen, die Umrisse von Objekten werden schärfer und am Ende kann das Ergebnis unbrauchbar sein.

Ende der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts basierten die am häufigsten verwendeten Methoden auf einem dreistufigen diskreten Cosinustransformationsalgorithmus (Discrete Cosine Transform – DCT). Der DCT-Algorithmus nutzt die Tatsache aus, dass benachbarte Pixel in einem Bild (physisch nahe, räumlich oder zeitlich nahe aufeinanderfolgende Bilder) dieselbe Bedeutung haben können. Die mathematische Transformation (ähnlich der Fourier-Transformation) wird an 8×8-Pixel-Gittern durchgeführt. Dies erklärt die Blockverzerrungen (Artefakte) bei hohen Komprimierungsstufen. Es hat sich gezeigt, dass niederfrequente Komponenten in visuellen Systemen wichtiger sind als hochfrequente Komponenten. Folglich gewichtet der Quantisierungsprozess sie und entfernt diejenigen, die die geringsten visuellen Informationen enthalten, abhängig vom erforderlichen Komprimierungsgrad. Zum Beispiel kann das Löschen von 50% der konvertierten Daten zum Verlust von nur 5% der visuellen Informationen führen.

Die Komprimierung wurde ursprünglich in Software durchgeführt. Eine unzureichende Prozessorleistung begrenzte den Algorithmus, um seine Aufgabe in 1/25 Sekunde auszuführen, dh die Zeit, die benötigt wird, um einen Rahmen eines sich vollständig bewegenden (“Live”) Videos zu bilden. Avid Technology und andere Pioniere der nichtlinearen Bearbeitung (NLE) veröffentlichten jedoch Ende der 1980er Jahre PC-basierte Bearbeitungssysteme, die Softwarekomprimierung verwendeten. Obwohl das Video ein Viertel der Auflösung des hatte Fernsehen, Farbüberblendung und Blockverzerrung, das NLE-System revolutionierte den Produktionsprozess. Am Anfang wurden diese Systeme für die Offline-Bearbeitung verwendet, als das Material mit Software poliert wurde.

Obwohl die Videoqualität früherer PC-basierter NLE-Systeme der Qualität der Offline-Bearbeitung mit VHS-Videorecordern unterlegen war, hatten NLE-Systeme bestimmte Vorteile. Als Textverarbeitungsprogramm für Videos boten sie einen schnelleren und kreativeren Arbeitsstil. Der Benutzer kann Teile des Videos schnell ausschneiden und einfügen, verbessern und verschiedene für den Produktionsprozess typische Bearbeitungsaktionen ausführen. Außerdem war das Importieren der von NLE generierten Edit Decision List (EDE) auf eine Diskette auf einem Online-Computer viel bequemer als das Schreiben einer temporären Codeliste. Das NLE-System bot nicht nur eine bequemere Version, sondern auch ein Offline-Produkt in der Nähe der endgültigen Version.

NLE-Systeme verschwanden jedoch 1991 praktisch, als die Hardwarekomprimierung Videos in VHS-Qualität lieferte. Die erste Hardware-Videokomprimierung wurde als M-JPEG (Motion JPEG) bezeichnet. Es ist vom DCT-Standard für Standbilder namens JPEG abgeleitet. Dieser Standard wurde nie für die Videokomprimierung entwickelt, aber als C-Cube Anfang der neunziger Jahre einen Codec-Chip herausbrachte, der JPEG-Bilder mit bis zu 30 Standbildern pro Sekunde komprimieren konnte, konnten die Pioniere der NLE-Systeme nicht widerstehen lange Zeit. Durch 50-maliges Komprimieren von Daten konnten PCs digitale Videos verarbeiten.

In der Zwischenzeit wurden PCs schneller und der Speicher billiger, was niedrigere Komprimierungsraten bei besserer Kapazität ermöglichte.