Video

Digitale Medien
9. Digital Video
Übersicht
2
 Begriff „Video“
 Fernseh‐ und Videostandards
 Video am Computer – Probleme
 Kenngrößen eines digitalen Videos im Detail
 Aufbau eines Video‐Frames
 Größenkalkulation
 Kompression
 Arten von digitalen Videodokumenten
 DVB
 Videoschnitt
Was ist Video?
3
 Video (lat. ich sehe)= Bewegte Bilder



Video umfasst die Aufzeichnung und Wieder‐
gabe von Bewegtbild auf elektronische Weise
Je nach Sichtweise gehören zu den bewegten Bildern weitere Daten, wie z.B. Ton oder Metadaten
Entwicklung von Video und Fernsehen hängen eng zusammen

Analoges Video entwickelt sich seit den 1930er Jahren

1970er ‐ Erste Magnetband‐Videoaufzeichnungsgeräte („MAZen“) kommen bei Fernsehanstalten zum Einsatz

ca. 1980 – Home‐Video wird populär: Videorecorder zum Mitschnitt von TV‐Programmen sowie Videokameras, die an jeden Fernseher angeschlossen werden konnten
Video im klassischen Sinne folgt immer Fernsehnormen
Aufbau des analogen Fernsehbildes
4
Zeile
Zeilenrücklauf
Vertikale
Austastlücke
Zweites
Halbbild
Erstes
Halbbild
Zeilensprungverfahren (Interlacing)
Analoge Fernsehnormen
5
 Legen den Aufbau und die Übertragung eines Fernsehbildes
fest, u.A.:




Art der Farbmodulation (PAL, NTSC oder SECAM)
Bildwiederholfrequenz (Bilder pro Sekunde)
Zeilenzahl des Bildes
Bildseitenverhältnis (16:9, 4:3)
 Stammen aus frühen Zeiten des Röhrenfernsehens


Für einfache Schaltungen in darstellenden TV‐Geräten entwickelt
Auf geringe Übertragungsbandbreite ausgelegt
Analoge Fernsehnormen
6
 Sind Kontinent‐ und Länderspezifisch


Westeuropa: PAL B/G, 625 Zeilen, 50 Halbbilder/Sekunde
USA: NTSC, 525 Zeilen, knapp 60 Halbbilder/Sekunde
 Von allen aktuellen Fernsehern unterstützt

Auch von HDTV‐Fernsehern
 Sind langsam auf dem Rückzug

Seit 2012 Abschaltung der analogen Fernsehübertragung
Führen zu Verkomplizierungen und Problemen der Thematik
“Video am Computer“


Keine einheitliche Übertragung der analogen Normen in digitale
Herstellerspezifische Lösungen bei der Umwandlung
Kenngrößen eines Digitalvideos
8
 Ein Video besteht aus n hintereinander wiedergegebenen
Einzelbildern: „Frames“  Daher werden die Eigenschaften eines Videos bestimmt durch:


Eigenschaften der Einzelbilder
Anzahl an Einzelbildern pro Sekunde
Auch „Framerate“ / „Frames per Seconds“ (fps)
 Ist in einem Video eine konstante Größe
 Ab ca. 20 fps entsteht der Eindruck
eines flüssigen Bildes
Verwendeter Kompressionsalgorithmus
Datenrate



Kenngrößen eines Digitalvideos
Eigenschaften der Einzelbilder
9
 Es gelten die Parameter für Bilder (vgl. Vorlesung 8)
 Breite, Höhe in Pixeln
 Farbtiefe (meist TrueColor)  Zusätzlich, u.A. um Fernsehstandards gerecht zu werden:



Bild‐Seitenverhältnis (DAR)
Pixel‐Seitenverhältnis (PAR)
Progressive‐ oder Interlaced‐Mode → später
Meist irrelevant: Auflösung in dpi
 Alle Einzelbilder in einem Video haben die gleichen o.g. Eigenschaften 
Auflösung: Breite, Höhe
10
 Höhe auch „Zeilenzahl“ genannt
 Ein primäres Qualitätskriterium
 Beispiel digitalisiertes PAL‐Video (abgeleitet aus
Fernsehnorm):
Breite 768, 720 oder 704 Pixel (je nach Hardware)
 Höhe 576 Pixel (625 Zeilen minus Austastlücke)
 ‐> SAR (Storage Aspect Ratio)

 Unterschiedliche Breiten, PAL aber immer 4:3!?
Pixel-Seitenverhältnis
(= Pixel Aspect Ratio, PAR)
11
 Computerbildschirme, Digitale Fotografie, Print: Pixel sind quadratisch
 Im Videobereich verbreitet: nicht‐quadratische, rechteckige Pixel (auch bezeichnet als anamorphes Video)
 Ziel: u.A. Zeilenzahl konstant halten bei unterschiedlichem Bild‐
Seitenverhältnis (Abwärtskompatibilität)
 Berechnung: PAR = Höhe:Breite eines Pixels (Höhe=1)
PAR = 1:0,9
(Standard bei 4:3)
PAR = 1:1,2
(z.B. 16:9 PAL‐DVD)
PAR = 1:1,5
(z.B. 4:3 PAL‐SVCD)
Bild-Seitenverhältnis
(= Display Aspect Ratio, DAR)
12
 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes
 Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe
 Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch)
4:3
(1,33:1)
16:9
(1,85:1)
Bild-Seitenverhältnis
(= Display Aspect Ratio, DAR)
13
 Ergibt sich aus PAR und Höhe/Breite (Pixel) des Videobildes
 Angegeben als ganzzahliges Verhältnis Breite:Höhe
 Generell immer größer 1 (Breiter als Hoch)
21:9
(2,35:1)
Progressive Mode
14
 „Fortschreitende“ („normale“) Speicherung der Frames
 Kennzeichen: p hinter der Zeilenzahl (z.B. 576p)
 Vorteile:



Ideale Darstellung auf Computermonitor und Kinoleinwand
Einfache Handhabung auf dem Computer (z.B. Screenshots)
Einzelbildauflösung entspricht Videoauflösung
 Nachteile:

Schlechtere zeitliche Auflösung bei gleicher Datenmenge wie Interlaced (= schnelle Bewegungen können Ruckeln)
Interlaced-Mode
15
 Kennzeichen: i hinter Zeilenzahl (z.B. 576i)
 Ergibt sich aus Aufbau Fernsehbildes


1 Frame aus 2 Halbbildern („Fields“)
Ungerade Bildzeilen – Halbbild A;
Gerade Bildzeilen – Halbbild B
Halbbild 1
Interlaced Frame
Halbbild 2
(wenige ms später aufgenommen)
Interlaced-Mode
16
 Flüssigere Bewegungen ohne Verdopplung des Speicherplatzes
 Probleme:
 Zeitlicher Versatz bei der Aufnahme

Einzelne Frames aus Sequenzen mit schneller Bewegung weisen Kammmuster auf


Volle Vertikale Auflösung von Einzelframes nur bei nichtbewegten Motiven, sonst halbiert sich die Höhe!
Deinterlacen nötig (z.B. Halbierung der Zeilenzahl, Interpolation)
17
18
Interlaced Frame,
Even Field First
Even Field
19
Odd Field
20
Datenrate (Bitrate)
21
 Wichtige Größe bei digitalem Video




Berechnung des zu erwartenden Platz‐
bedarfs eines Videos, wenn Datenrate
und Länge bekannt
Verifizierung, ob Hardwareanforderungen insb. der Festplatte oder bei Netzwerk‐
verbindungen ausreichen
Qualitätsmerkmal: Hohe Datenrate für hohe Qualität nötig (aber keine Garantie)
Zu hohe Datenrate beim Aufzeichnen / Wiedergeben: Dropped Frames
 Üblich: Angabe meist in Daten je Sekunde  Gebräuchliche Einheiten: Kbit/s, KB/s, MB/s, Mbit/s, ...
 Kann:
Im ganzen Video konstant sein (Constant Bit Rate)  Je nach Bildinhalt variieren (Variable Bit Rate)

Datenrate (Bitrate)
22
 Berechnung


(Größe eines einzelnen Frames) * (Frames pro Sekunde)
(Größe der Videodatei) / (Länge der Datei in Sekunden)
 Beispiel PAL‐Video



Breite 720 * Höhe 576 = 414.720 Pixel/Frame
3 Farben => 3 Byte => 414.720 * 3 = 1,24 MB/Frame
25 Frames/Sekunde => 1,24 MB * 25 = 31 MB/s!
Ein 2‐Stunden‐Spielfilm = 223 GB!? (entspricht der Kapazität von etwa 50 DVDs)
Kompression
23
 Einfachste Idee: Frames einzeln mit JPEG‐Algorithmus komprimieren

Heißt „MJPEG“ (Motion‐JPEG)  Vorteile:



Alle Vorteile der JPEG Kompression
Einfache Hardwarelösungen
Gut für Videoschnitt (framegenaue Bearbeitung)
 Nachteile:


Nicht standardisiert
Keine optimale Kompression (TV‐Qualität: ab ca. 3 MB/s – 10 GB/h)
 Anwendung:


Frühe/Preiswerte Schnittlösungen für den PC
Broadcast‐Bereich
MPEG
28
 Bisher: Frames einzeln komprimiert
 Aber: Aufeinanderfolgende Frames ähneln sich oft stark („zeitliche Redundanz“) ‐ ausnutzen!
Frame 1
Frame 2
Stehenlassen
Speichern
MPEG
29
 Noch besser:
 Bewegte Objekte erkennen
 Diese Objekte nur einmal, dafür mit Bewegungs‐
richtung und – Geschwindigkeit speichern
MPEG - Framearten
30
 In MPEG‐Videos gibt es unterschiedliche Arten von Frames:


I‐Frames

= Intra‐Coded‐Frames, auch genannt „Keyframes“


Vollständig gespeicherte Frames
Regelmäßig nötig
 Bei Szenenwechseln
 Zur Erhaltung der Darstellungsgenauigkeit
P‐ und B‐Frames
 = Predictive / Bidirectional Predictive‐Frames
 unvollständig gespeichert
 Enthalten nur Differenzinformationen zu vorhergehenden bzw. nachfolgenden Frames MPEG - GOPs
31
 Die Framearten sind in regelmäßigen, wiederkehrenden Gruppen
angeordnet



= GOP ‐ Group of Pictures
Beginnen immer mit einem I‐Frame
Sind in manchen MPEG‐Varianten (wie z.B. auf einer DVD) fest vorgegegeben
Beispiel:
I
P
P
P
I
P
P
P
P
I
...
Kompressionsartefakte
32
MPEG 4
 Bessere Kompressionsraten bei gleicher Qualität
 Auch für HDTV geeignet
 Etwa 3x höhere Kompressionsrate als MPEG‐2
 Verwendet bspw. für  mobile Endgeräte, H.264
 Blu‐Ray
 Digitale HD‐Videoübertragung über Satellit (DVB‐S2)
 Enthält Audiodaten in unterschiedlichen Formaten, bspw.:


Verlustfrei komprimiert: Audio Loosless Coding (ALS)
Verlustbehaftet komprimiert: Advanced Audio Coding (ACC)
MPEG 4 Codecs
 DivX
 Xvid
 HDX4
 3ivx
 H.264  x264 Open Source‐Encoder für H.264
 Nero Digital Video (ASP, H.264)
MPEG-Standards
35
Standard
Eigenschaften
Anwendung
MPEG 1
Ältester Standard, Auflösung 352*288, kein
Interlacing, einfache
Hardware(de)komprimierung, Geringe
Datenraten von 1,2 Mbit - 3 MBit
Video-CD
MPEG 2
Verbesserungen gegenüber MPEG 1 für
SVCD, DVD, DVB, HDTV
Fernsehbilder, Interlacing, unterschiedliche
(ursprünglich), professionelle
PAR, hohe Auflösungen (von 352 bis über 1000
Videoproduktion (nur IZeilen für HDTV)
Frames)
MPEG 4
Verbesserungen gegenüber MPEG 2 für
DivX, XviD, Handyvideos,
geringe Auflösungen; streamfähig, DRM,
versch. Audiokompressionen, verschiedene DVB, HDTV (H.264), Video on
Demand, ...
Sub-Standards zur Videokompression (H.263,
neuer: H.264)
MPEG-Zusammenfassung
36





Optimales Qualitäts‐Platz‐Verhältnis
Anpassbar für verschiedenste Anwendungen (MPEG1‐MPEG4)
Framegenaues Spulen/Schneiden beim Einsatz von P‐und B‐
Frames generell schwierig
MPEG‐Kompression ca. 25:1
Codieren und Dekodieren ‐> Videocodec
Dateiformate für MPEG-2 Video
 .mpg (kann auch MPEG‐1 oder MPEG‐4 sein)
 .mpeg (kann auch MPEG‐1 oder MPEG‐4 sein)
 .m2v (MPEG‐2 Elementary Video Stream)
 .m2a (MPEG‐2 Elementary Audio Stream)
 .m2s (MPEG‐2 Elementary Data Stream)
 .ts (MPEG‐2 Transport Stream)
 .ps (MPEG‐2 Program Stream)
 .vob (DVD Video Object)
Zusätzliche Informationen im Video
 Wiederholung Metadaten:
 Bilder: EXIF, IPTC, (XMP)
 Audio: ID3‐Tag
 Zusatzdaten Video:
 Analog: Austastlücke enthält Videotext
Infos zu Sendungen, Zeit
 NextView: Elektronische Programmzeitschrift für das analoge Fernsehen
 Wird auf den analogen Kanälen von Kabel 1 übertragen


Digital: umfangreiche Möglichkeiten der Datenübertragung


Beispiel: EPG – Electronic Program Guide, Softwareupdates
Metadaten in Videodokumenten bisher nicht einheitlich vorgesehen
MPEG Standards
 MPEG 7: kein Kompressionsstandard für Video
 Eigentlich: Multimedia Content Description Interface
 Standard zur Beschreibung von Multimedialen Inhalten (Metadaten)

Basis XML ‐ Extensible Markup Language
 Regelt:
 Beschreibung von Inhalten, strukturell und semantisch
 Organisation von Inhalten
 Zugriff auf Daten
http://www.chiariglione.org/mpeg/standards/mpeg‐7/mpeg‐7.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/MPEG‐7
Containerformate
40
 Sind selbst kein Kompressionssystem, sondern Kapseln Video‐
und Audio und ggf. weitere Daten  Populäres Beispiel: AVI
 Kann von unkomprimiertem Video über DV‐Video bis hin zu MPEG4 alles enthalten
 Codecs zum Abspielen nötig

„Treiber“ zur Kompression und Dekompression von Videomaterial
 Player‐Programme teilen sich unter Windows diese Treiber
 Separate Codecs für Video/Audio möglich
 Weitere Containerformate: Quicktime, ASF, MXF (Profiformat) HDTV
 High Definition TeleVision
 Fernsehnorm mit erhöhter Bildauflösung → Sammelbegriff:
 HDTV‐typisch sind:



1280×720 Pixel (HDTV 720p)
1920×1080 Pixel (HDTV 1080i)
→ 16:9
http://www.kilchenmann.ch/ue/loesungen_nach_themen/hochaufloesendes-fernsehen-hdtv/hdtv-erklaert
PAL vs. HDTV
http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_300-wood.pdf
http://board.gulli.com/thread/879652-hdtv-auf-pc-monitor/
3DTV
 Stereoskopische Darstellung von Videos
 Für jedes Auge getrennt
 Unterschiedliche Verfahren:
 Anaglyph: Halbbilder farblich getrennt und über‐
lagert dargestellt


Polarisationsverfahren:




Bild für linkes und rechtes Auge werden parallel über zwei Projektoren erzeugt, linkes und rechtes Bild sind Phasenverschoben (linear oder zirkulär)
Anzeige über Polfilterbrillen
Je nach Polarisationsart ist Kopfwackeln problematisch
Interferenzverfahren: bestimmte Wellenlängen werden herausgefiltert


Rot/Grün, Rot/Cyan, Bernstein/Blau
Filterung über Spezialbrille, Vorteil des Verfahrens: Kopfneigung problemlos
Zeitlich versetzt: Bild für linkes und rechtes Auge wird zeitversetzt übertragen

Anzeige über Schutterbrille
http://www.heise.de/ct/artikel/3D-2-0-291654.html
Shutterbrille
Bildquelle: Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/3D-Film)
Digitale Fernsehübertragung
46
 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 DVB – Digital Video Broadcasting
 Nicht auf Video beschränkt, digitale Hörfunkprogramme, interaktive Dienste ebenfalls möglich
 DVB – C(able)




Digitale Videoübertragung über Kabel (digitales Kabelfernsehen)
Meist MPEG2, MPEG4 auch möglich
Kabelreceiver notwendig
Rückkanal möglich – Internet über Kabelmodem
Digitale Fernsehübertragung
47
 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 DVB – Digital Video Broadcasting
 DVB – C(able)
 DVB – S(atellit)







Digitales Satellitenfernsehen
Großer Frequenzbereich
Übertragung mehrerer Programme auf einem Transponder
Je Satellit etwa 100 Transponder möglich
In Deutschland interessant Astra, Eutelsat
Datenrate ca. 7‐8MBit/s
MPEG 2
 DVB – S2: Weiterentwicklung HD‐Unterstützung, MPEG 4
Digitale Fernsehübertragung
48
 Was steckt hinter DVB‐C, DVB‐S und DVB‐T
 DVB – Digital Video Broadcasting
 DVB – C(able)
 DVB – S(atellit)
 DVB – T(errestrisch): erdgebundene Übertragung digitalen Videos



Ähnlich Rundfunkübertragung UKW, VHF
Effizienter: 4 Programme pro Kanal
Datenraten pro Kanal zwischen 12 und 20 Mbit/s, 



Zur Zeit Arbeit an DVB‐T2: ermöglicht unter anderem HDTV


Nordrhein‐Westphalen: 12.75Mbit/s, Berlin: 14.75Mbit/s, hängt von Senderdichte ab
‐> pro Programm ca. 3‐3.5 Mbit/s
Vergleich: PAL Qualität benötigt ungefähr 3‐5Mbit/s, DVD bis zu 9.8Mbit/s
bei HD reduziert sich die Zahl der Sender pro Transponder
Insgesamt Qualität gegenüber DVB‐S und C schlechter
Digitale Videoübertragung
 Programmstrom: für Medien mit geringer Fehlerhäufigkeit

DVD, Festplatte, Video‐CD
 Transportstrom: für eher fehleranfällige Medien
 DVB‐(T, S, C)
 paketorientiert
 Pakete verschiedener Sender in einem Transportstream
 Bei Aufnahme werden meist die Pakete des jeweiligen Senders aufgenommen

Für Videoschnitt ist Umwandlung notwendig Hybrid-TV
 Hybrid broadcast broadband TV (HbbTV), Smart‐TV
 Vermischung von Fernseh‐ und Internetinhalten
 Ablösung von Multimedia Home Plattform (MHP)
 Darstellung von Online‐Inhalten auf dem Fernsehgerät
 Verbesserte Navigation
 Zugriff auf Mediathek
 Verschmelzen von Webseiten und Fernsehbildern, bspw. Einbettung von Fernsehbild in eine Webseite
 Bessere Darstellung (Ablösung) von Teletext, bspw. angereichert mit Graphiken
http://www.hbbtv-infos.de/
http://de.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Broadcast_Broadband_TV
Digitaler Videoschnitt + DVD Authoring
einer aufgezeichneten Fernsehsendung
 Vorgehensweise (MPEG 2):
1.
Transportstream demuxen
2.
Video+Audio schneiden
3.
DVD erstellen
Demux
Transport‐
stream
Video+Audio
Pakete
Schnitt
DVD‐Authoring DVD‐Erstellung
Video
Vi
de
o
Audio
Au
di
o
Erstellen von
Kapiteln,
Wiedergabe‐
optionen
…
Zusammen
‐führen von Audio & Video
Software
 Transponderstream umwandeln:
 PVAStrumento
 ProjektX
 Multimediaplayer: VideoLAN
 VideoSchnitt:
 MPEG2Schnitt
 Cuttermaran
 DVD‐Authoring:  (GUI for) DVDAuthor
 DVDFlick
 Adobe Encore DVD (30 Tage Testversion)
Videoaufnahme
 Wichtiges Zubehör: Stativ, ev. Linsen, Beleuchtung, Akkus
 Grundsätzliches:  Ton, ev. Zusätzliches Mikrophon
 mehrere Kameras
 Beleuchtungstechnik
 Effekte bei der Aufnahme (sparsam und immer begründet einsetzen):



Kameraschwenk: wenn Motive zu groß sind und bei Totale zu klein wären, am besten in Leserichtung von links nach rechts
Zoom: möglichst vom Objekt weg ‐> Erst das wesentliche Detail, dann die Umgebung
Indexvektor: dem Blick einer Person folgen
http://www.christoph-moder.de/hobbies/fotografie/video.html#ct
Videoschnitt
 Vorgehen: Grobschnitt ‐> Feinschnitt
 Grobschnitt: Auswahl



der wichtigsten Szenen, die die Kernaussage des Films tragen des Füll‐ und Übergangsmaterials
Feinschnitt: nach der groben Ordnung der Szenen ‐> Anpassung der Schnitte
 Ein Film braucht eine Logik im Ablauf
 Überblendungen: sollten begründet eingesetzt werden, haben eine Wirkung!
 Vermeidung von Dingen, für die Hintergrundwissen notwendig ist
 Nicht mehrere Schwenks hintereinander. Dazwischen sollten ruhigere Aufnahmen stehen
 Ton: Hintergrundmusik sollte zum Film passen und nicht zu laut sein

Gesamtlautstärke: ‐12dB, entspricht der Lautstärke von Fernsehsendungen
 Bitte nicht in MPEG abspeichern! http://www.christoph-moder.de/hobbies/fotografie/video.html#ct, Original: c't-Special „Digital-Video“
Software für Videoschnitt
 Frei:





VirtualDub
AVIDemux
Pinnacle VideoSpin (Registrierung erforderlich)
Windows Movie Maker
Lightworks (Light‐Version kostenlos)
 Kostenpflichtig:



Adobe Premiere
Apple Final Cut Pro
Magix Video Pro
 Übersicht unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Videoschnittsoftware
Zusammenfassung
 Video: Bewegte Bilder (+ Ton)
 Digitales Video folgt analogen Fernsehnormen

Auflösung, Farbcodierung → außerdem länderspezifisch (NTSC, PAL)
 Digitales Video, Kenngrößen:




Abfolge von n Bildern pro Sekunde (Frames per second)
Bilder alle gleich groß
Bildseitenverhältnis (DAR) und Pixelseitenverhältnis (PAR)
 Pixel nicht quadra sch → Wahrung DAR
Interlaced vs. Progressive
 Formate: DV, MPEG1, MPEG2, MPEG4, AVI (Container)
 Digitale Videoübertragung: DVB‐(T, C, S)
 HDTV: Erhöhung der Bildgröße
Semesterprojekt: Webseite
 Erstellung des Medienprodukts Webseite (HTML):


ePortfolio in dem Sie sich vorstellen (Wer Sie sind, Welche Interessen Sie haben, Welche Projekte Sie gemacht haben: Hausarbeiten, andere Medienprojekte, Abschlussarbeiten, Vorträge → nur posi ve Aspekte )
Alternativen sind möglich
 Bedingungen:




3 Medien müssen verwendet werden (aus Text, Bild, Audio, Video)
Die Medien sollen zu Ihnen und Ihrem kommunikativen Ziel passen
 Farben, Schriftart, Schriftschnitt, Aufbau, etc.
Die Medien müssen von Ihnen stammen und von Ihnen bearbeitet worden sein
Kurze Begründung zum Medieneinsatz