Version 1.6 | Datum 06/10/2009
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Der Dirk
Dirk Hüsch

 

 

Desktopmovies



Seit die ersten bewegten Bilder auf dem Computer-Monitor erschienen sind, hat sich die Technologie unaufhaltsam weiter entwickelt. Neue hochwertige Codecs stehen zur Verfügung, Rechnergeschwindigkeiten und Übertragungsraten der Netze sind enorm gestiegen. Welche Rolle spielen hier Codecs, was ist schon bei der Aufnahme zu Beachten, was bedeuted capturen, welche Kompressionssoftware steht zur Verfügung und wie arbeiten diese?

Am Anfang war QuickTime

QuickTime begann seine Existenz im Jahr 1989. Ziel war die qualitativ akzeptable Wiedergabe von Video- und Audiodaten auf den damals üblichen Macintosh – Computern ohne zusätzliche Hardware.1991 wurde Version 1.0 von QuickTime von Apple Computer das erste Mal öffentlich vorgestellt. Bis zu diesem Zeitpunkt war es nicht möglich, Video ohne aufwändige und teure Hardware am Computer anzuzeigen. Zu dieser Hardware gehörte unter anderem ein Laserdisc– Spieler, eine Frame Grabber–Karte und eine spezielle Software, die das Video von der Laserdisc an einer bestimmten Stelle am Bildschirm anzeigte. Da neben dem Video zusätzliche Informationen angezeigt werden sollten, musste das Video auf der Laserdisc für die jeweilige Anwendung speziell vorbereitet werden. Dieser Aufwand war mit QuickTime nun nicht mehr nötig. QuickTime bot auf Produzentenseite den damaligen Rechnergeschwindigkeiten angemessene Codecs für eine so starke Kompression des Rohmaterials, das die Filme nicht die Kapazitäten der damals üblichen Speichermedien sprengten, und sorgte auf der Anwenderseite dafür, das die Filme in akzeptabler Qualität betrachtet werden konnten [Kastenholz/Vogt]. Seit 1991 hat sich die Technologie unaufhaltsam weiter entwickelt. Neue hochwertige Codecs stehen zur Verfügung, Rechnergeschwindigkeiten und Übertragungsraten im Internet sind enorm gestiegen.

Warum Codecs

Unkomprimiertes DV–Material mit einer Datenrate von 3,6 Mbyte pro Sekunde füllt eine CD–ROM mit einem Datenerfassungsvermögen von 650 Mbyte gerade mal mit drei Minuten Videomaterial. Daher werden Codecs zur Reduzierung des Datenaufkommens für die Weiterverarbeitung von Video und Audiodaten eingesetzt. Der Begriff Codec ist die Abkürzung von Compressor– Decompressor. Der Codec hat zwei Aufgaben: Zum einen soll er große Datenmengen in handliche Größen überführen (komprimieren), zum anderen muss er beim abspielen dieser Daten dafür sorgen, das die Bilder flüssig und in guter Qualität abgespielt werden. Das Maß für die Stärke der Kompression ist der Kompressionsgrad. Er ist das Verhältnis der ursprünglichen Datenmenge zur komprimierten Datenmenge.[Kastenholz/Vogt]

Kompressionsverfahren können mit Verlusten behaftet sein oder verlustfrei arbeiten. Die verlustbehaftete Codierung nimmt in Kauf, das Informationen verloren gehen. Die Kunst der Programmierung ist hier, dies den Betrachter möglichst nicht merken zu lassen. Ein Beispiel hierfür ist das JPEG–Format. Die Kompressionsverfahren in der digitalen Videobearbeitung sind in der Regel solche verlustbehafteten Verfahren. Eine verlustfreie Bildkompression liefert das GIF–Format. Der Algorithmus fasst zeilenweise Bereiche gleicher Farbe zusammen. D.h. wenn zehn rote Pixel nebeneinander stehen, wird nicht die Information für jedes Pixel gespeichert, sondern die zusammenfassende Information, zehn rote Pixel. Diese Form der Dateneinsparung wird auch Huffman–Codierung genannt.



Ein weiteres, in Videokompressionsverfahren verwendetes Prinzip ist die Zusammenfassung einzelner Komponenten in 8 X 8 große Pixelblöcke. Diese Blöcke werden mittels der Diskreten Cosinus Transformation DCT in ihre spektralen Anteile überführt. Die dadurch entstehenden Zahlenwerte werden nach Regeln gerundet, die, vereinfacht ausgedrückt, die menschlichen Sehgewohnheiten berücksichtigen. Schließlich können die gerundeten Werte nach dem Prinzip der Huffman Codierung weiter gerundet werden. Diese Kompressionsverfahren nutzen also die Ähnlichkeit zwischen benachbarten Bildpunkten. In diesem Zusammenhang wird von spatialer Kompression gesprochen. Codecs, die nur mit Methoden der spatialen Kompression verfahren, benachbarte Bilder einer Film–Spur jedoch unberücksichtigt lassen, werden auch Intraframe–Verfahren genannt. Videosequenzen zeichnen sich oft dadurch aus, das aufeinander folgende Bilder nur geringe Unterschiede aufweisen. Diesen Umstand machen sich Codecs zunutze, indem sie, ausgehend von einem Basisbild (Keyframe), das vollständig gespeichert wird, die Unterschiede zwischen aufeinander folgenden Bildern speichern. Im Prinzip werden in diesem Interframe Verfahren mehrere aufeinander folgende Bilder vom Codec zusammengefasst. Ein weiteres Verfahren zur Bildkompression arbeitet mit der Wavelet– Technologie. Wavelet Bilder setzen sich aus einer Serie von Bildern zusammen, die mit einem kleinen Bild beginnen und sich dann fortlaufend in den Seitenlängen verdoppeln. Diese zunehmend detaillierten Bilder werden Bänder genannt. Die Platzeinsparungen kommen dadurch zustande, dass jedes Band aus dem vorangegangenen vorberechnet wird.Dadurch müssen in einem Band nur diejenigen Informationen codiert werden, die Unterschiede zum Vorgängerband darstellen.[Kastenholz/Vogt]



Desweiteren wird zwischen Kompressionsverfahren, welche mit konstanten Bitraten (CBR), hier wird jedes Bild mit der gleichen Größe abgespeichert, und solchen, welche mit variablen Bitraten (VBR), hier wird zuerst der Film nach den Bildinhalten analysiert, unterschieden. Bei der VBR Technik werden detailreiche Bilder mit größerer Datenrate gespeichert als monotone Bilder. Vertreter dieser Technik sind der MPEG 2, MPEG 4 und der Sorensen Codec. Einen Schritt weiter gehen modernen Codierungsverfahren, welche mehrere Bilder zu einer Gruppe zusammenfassen(GOP, Group of Pictures). Diese Gruppen beginnen mit einem vollständig gespeicherten Einzelbild, dem I–Frame. Beim Codierungsprozess werden einige Bilder übersprungen und ein sogenanntes P–Frame erzeugt. Die dazwischen liegenden Bilder können aus den Informationen des I und P–Frames errechnet werden. Dieses Verfahren wird auch als Motion Detection bezeichnet. [Kastenholz/Vogt]

The video codec you select determines how the video will be encoded. Choosing the right codec depends heavily on what format and data rate you are producing. Generally, codecs are optimized for Web, CD-ROM or DVD. [Discreet]

Einige der existierenden Codecs wirken sicher antiquiert und überflüssig und werden mit hoher Wahrscheinlichkeit eher selten eingesetzt. Da diese Codecs trotzdem im Angebot diverser Kompressionsverfahren stehen, ist eine Abwärtskompatibilität zu Mediendaten aus der Anfangszeit des Desktopmovies gewährleistet.

Für die Wiedergabe von Video auf anderen Medien als DV – Bandmaterial, wie CD-ROM oder das Internet, sind verschieden Codecs besonders geeignet. Eine Schnittstelle zwischen Computer und der Aufnahme mit der DV – Kamera bildet der zu den Video-Codecs gehörende DV-Codec. Die Bildqualität des DV-Codec ist herrvorragend, er eignet sich also optimal als Lieferant für Rohdaten zur weiteren Bearbeitung. Dieser Codec wurde primär für die Aufnahme und Wiedergabe von Fernsehbildern entwickelt. Der Cinepak-Codec wurde im Jahre 1990 entwickelt um kleine Filme mit ein- oder zweifach CD-ROM Laufwerken abzuspielen. Cinepak-Filme lassen sich quasi auf jedem Rechner flüssig abspielen, da der Codec nur geringe Anforderungen an die Rechenleistung stellt. Gegen den Einsatz dieses Codecs spricht eine schlechte Qualität. Bei niedrigen Datenraten, beispielsweise für das Internet, wird die Wiedergabequalität indiskutabel schlecht. Seit geraumer Zeit hat sich dagegen der Sorenson Video-Codec zum Standard für Videokompression entwickelt. Der Codec ist sowohl zur Produktion von Filmen mit sehr niedrigen Datenraten für das Web als auch für solche mit höheren Datenraten zum Abspielen von CD-ROM geeignet. Eine wichtige Neuerung ist der nunmehr verfügbare MPEG-4-Codec. Hierbei handelt es sich nicht um ein reines Videoformat, sondern es geht als Standard für die Verwaltung und Behandlung digitaler Medien sehr weit darüber hinaus. MPEG-4 definiert die Standarts der Wiedergabe audiovisueller Medien. Neben Vorgaben über Codierung von Video und Audio werden Verhaltensweisen von Objekten, z.B. anklickbare Schaltflächen, sowie Richtlinien für die Wiedergabe über verschiedene Medien wie CD-ROM etc. definiert. Ein älterer Vertreter der Videocodierung ist der Component-Video-Codec. Dieser arbeitet verlustfrei nach dem Intraframe-Prinzip, hat jedoch nur eine sehr niedrige Kompressionsrate von 2:1. Component-Video verarbeitet die für die Kompression einkommenden Signale sehr schnell und ist daher als symmetrischer Codec zu beachten, d.h. die Dauer von Kommpression und Dekompression ist hier annähernd gleich. Motion JPEG A / Motion JPEG B sind Codecs, welche im Intraframe-Verfahren jedes Filmbild nach dem Algorithmus des Photo-JPEG-Codecs einzeln komprimieren. Sie erzeugen eine hohe Bildqualität, die Datenrate steigt bzw. sinkt also bei der Verwendung dieser Codecs proportional zur Bildrate. H.261 wurde speziell für Video-Konferenzsysteme entwickelt und war der erste, der nach dem Prinzip der diskreten-Cosinus-Transformation arbeitete. Er ist für Motive mit bewegten Inhalten bei niedrigen Datenraten optimiert. H.263 ist der Nachfolger von H.261. Dieser Codec ist zudem für niedrigere Datenraten optimiert und erzeugt eine bessere Bildqualität als sein Vorgänger. Die Intel-Video-Codecs liefern eine sehr gute Bildqualität, benötigen aber für eine flüssige Wiedergabe einen schnellen Prozessor. [Kastenholz/Vogt]

Codecs sind also für verschieden Zwecke erhältlich. Zum einen dienen sie der Übertragung auf hohen Bandbreiten wie die Produktion oder das Kopieren von DVD´s, zum andern gewährleisten sie die Übertragung auf extrem niedrigen Bandbreiten wie bei den durchschnittlichen Internetverbindungn..

Aufnahme

“The overall goal in producing video that encodes well is to create the highest–quality video signal with the least amount of noise, camera movement and fine detail. In order to create a good video source, you should use a high – quality camera, light the subjects well, and stabilize the camera with a tripod when possible.“[discreet]

Das Videosignal hat beträchtlichen Einfluss auf den Kodierungsvorgang. Ein sauberes Signal von einer professionellen Kamera kann dem entsprechend mit einer höheren Qualität kodiert werden, als ein grobes Signal, welches von einer minderwertigen Kamera stammt. Eine ohne Stativ aufgenommene, verwackelte Aufnahme stellt durch die unvermeidlich großen Unterschiede zwischen den Folgebildern sehr viel höhere Ansprüche an das verwendete Kompressionsverfahren als eine Kamera vor ruhigem Hintergrund. Unterbelichtete Aufnahmen schlagen sich im komprimierten Film als starkes Rauschen und Flimmern nieder, hohe Farbkontraste werden häufig im Kompressionsvorgang noch einmal verstärkt. Gerade für besonders stark zu komprimierende Filme, beispielsweise für Internet – Streaming bei niedrigen Bandbreiten, wird besonders hochwertiges Ausgangsmaterial benötigt. Die für diese Bedingungen vorhandenen Codecs reagieren sehr empfindlich auf Hintergrundrauschen und feine Unterschiede zwischen Folgebildern im Rohmaterial. Nur bei unverwackelten, rauschfreien Aufnahmen kann eine optimale Qualität bei niedrigen Datenraten erreicht werden. Des Weiteren kann bei geeigneter Motivwahl die Effizienz der Kompression deutlich erhöht werden. Motivärmere Hintergründe mit mittleren Kontrastwerten können aufgrund der geringen Bildinhalte und der Arbeitsweisen der Codecs hochwertiger bearbeitet werden als detailreiche Aufnahmen.

Nun kann es vorkommen, das sich mancher Filmer nach diesen Vorgaben in seiner Freiheit als Gestalter von Bewegtbildern eingeschränkt sieht. Um einen Übergang zwischen dieser „neuen“ Technik und der Ästhetik möglichst reibungslos und erkenntnisreich vollziehen zu können, empfiehlt sich das Buch „Digitales Filmen“ von Friedhelm Büchele.

Capturen

Grundsätzlich kann das für den Dektop zu bearbeitende Material eine beliebige Herkunft haben, sei es aus einer Bildbearbeitungssoftware stammende Animation in Form einer Bildfolge oder ein Video im VHS-, Betacam-, S-VHS-, Hi8-, DV- oder anderem Videoformat. Liegt das Material als Video vor, so muss es unter Einsatz spezieller Hardware digitalisiert werden, es sei denn, es liegt im DV–Format (digital video) vor. Die Digitalisierung analogen Materials kann durch Wandlung mit einem so genannten Media Converter erfolgen. Media Converter sind Geräte, die verschiedene Video- und serielle Anschlüsse aufweisen. Der vermutlich einfachste Weg jedoch ist das Überspielen auf ein DV - Band. Das DV codierte Video kann über die bei DV – Kameras mittlerweile zur Standardausstattung gehörenden FireWire Schnittstelle, auch iLink oder IEEE 1394, auf den Computer, welcher ebenfalls mit dieser Schnittstelle ausgestattet ist, überspielt werden. DV codiertes Video hat eine definierte Datenrate von 3,6 MB/s. Eine Minute DV – Material benötigt daher 216 MB Speicherplatz, eine Stunde fast 13 GB.[Kastenholz/Vogt]

Kompressionsprogramme

Ein Basiswerkzeug für Kompression und Export stellt QuickTime dar. Hierbei handelt es sich um eine Plattform für jegliche Form von Bearbeitung digitaler Medien am Computer. Der QuickTime Player stellt das mit Abstand einfachste Werkzeug, um im Rahmen eines Produktionsprozesses verschiedene Export- und Kompressionsparameter auszuprobieren, dar. Oft reichen die Ergebnisse für den weiteren Einsatz in Multimedia- und/oder Web – Produktionen aus. Bei anspruchsvolleren Produktionen fallen jedoch Erfordernisse an, für die QuickTime nicht konzipiert worden ist. Eine für den professionellen Einsatz hergestellte Software ist der Cleaner von Discreet. Er stellt das derzeit wichtigste und vielseitigste Programm für den Import und Export von Mediendaten dar, ist allerdings nicht billig. Sind jedoch viele Mediendaten für die Wiedergabe über Web und CD aufzubereiten ist der Erwerb des Cleaners unumgänglich. Sehr viel preiswerter, aber auch eingeschränkter, ist Squeeze aus dem Hause Sorensen. Die Vorzüge liegen in der sehr einfachen Bedienbarkeit. Squeeze ist eine preiswerte Alternative zum Cleaner für alle diejenigen, welche absehen können, das sich ihre Arbeiten mit Desktopvideos auf QuicktTime beschränken werden. In Bezug auf die Fülle der bearbeitbaren Medienformate stellt der Procoder von Canopus eine dem Cleaner vergleichbare Software dar. ProCoder richtet sich stärker als die anderen hier vorgestellten Programme an Videoproduzenten, die schnell, bequem und in hoher Qualität ihre Produktionen auch auf elektronischen Medien verfügbar machen wollen. Ein weiteres Kompressionswerkzeug bietet die Software HipFlics von der Firma TotallyHip. Es ist das preiswerteste Programm, aber auch das in seinem Funktionsumfang eingeschränkteste. [Kastenholz/Vogt] Im folgenden werden einige für die Kompression wichtige Funktionen, welche insbesondere der Cleaner von Discreet anbietet, näher betrachtet.

The best way to get high-quality results is to carefully analyze the source media and apply the appropriate pre-processing and encoding filters based on the specifics of the material. It is important to keep in mind when processing video for desktop delivery that a computer screen is not a television set or movie theater. Create and process the video with the characteristics of your delivery medium in mind. Use filters and adjustments, to optimize the video for encoding. [discreet]

Cropping: Cropping removes edges from the source material. It is used for eliminating the black edges and garbled edge pixels of some captured video.[discreet]

Image Size: Control the final size of output with this feature.[discreet]

Aspect Correction: Some formats do not have square pixels and must be corrected to look normal on a computer screen.[discreet]

Deinterlacing Video: Each NTSC or PAL video frame consists of alternating bottom and top fields. Interlacing creates two unique fields for each final frame, quickly moving areas in the video often become separated into alternating lines that look like the teeth on a comb when displayed on a computer monitor. To obtain the best results for desktop playback, you should deinterlace full-screen video prior to encoding. This removes the interlacing effect which makes it look and encode better.[discreet]

Shift Fields: You can change the dominant field for interlaced output formats.[discreet]

Telecine: If you have material that is 24 fps, such as that shot on film, and want to change the frame rate up to 29.97 fps for NTSC or 25 fps for pal, the telecine filter can perform this conversion by adding pulldown frames.[discreet]

Blur: Applying a mild blur to a noisy source video used to be a common practice in digital video production to remove the noise and enhance encoding.[discreet]

Sharpen: Sharpening the video does not usually improve encoding per se, but sometimes improves the subjective image quality of video that has been scaled up by making it look more in focus.[discreet]

Adaptive Noise Reduction: The Adaptive Noise Reduction filter often improves the encoding of video. This filter reduces the fine detail and noise of an image while leaving the edges of objects in the picture sharp, so that the resulting file encodes better but does not look blurry.[discreet]

Static Mask: The Static Mask filter uses a mask to define static zones in the video and then composites the first frame of the movie into every frame of the movie in these areas. This eliminates video noise in areas that should not change and improves encoding. [discreet]

Gamma: Changing the value of the gamma affects middle tones while leaving the white and black of the image unaltered. Gamma adjustment is commonly used to compensate for differences between Macintosh and Windows displays.[discreet]

Brightness: The Brightness slider makes the image lighter or darker in a linear fashion.[discreet]

Boosting Contrast: NTSC and PAL video often appear low contrast and somewhat grey when shown on computer monitors. This is due to different black levels and gamma curves. Video to be played on a computer often looks better if you slightly increase the contrast to compensate for this.[discreet]

Black Restore and White Restore: The Black Restore and White Restore filters let you set the level at which all pixels become completely black or white, as well as control the smoothness of transition between the restored and unmodified areas. Using this adjustment may improve encoding, but generally this feature is used to improve the subjective quality of NTSC and PAL video to be displayed on a computer monitor.[discreet]

Hue: Changing the hue alters the overall color balance of the image and is often used to compensate for slight color shifts introduced during the capture process.[discreet]

Saturation: This filter changes the intensity of the color in your image.[discreet]

QuickTime Effects:QuickTime Effects, such as Emboss, General Convolution and Film Noise. These filters can be applied to any output format or architecture when they are used as simple video filters. For example, use the Colorize effect to produce a RealSystem or Windows Media movie.[discreet]

Weitere Einstellungsmöglichkeiten zur Optimierung des Movies:

Flatten, Cross-Platform, Fast Start: When you flatten a QuickTime movie, all the movie data is moved into its correct order and edits and references to other movies are removed.[discreet]

Compress Movie Header: QuickTime allows you to compress the information stored at the beginning of a movie, called the header. Compressing this information may slightly reduce the total size of the file and improve performance when viewed online. Very long files often benefit the most from header compression.[discreet]

Bit Depth: The Bit Depth is the number of colors in the final movie. The options available depend on the codec you select, but most streaming codecs only support millions of colors.[discreet]

Frame Rate: Frame rate is the number of frames per second of the final, encoded movie. Choosing an appropriate frame rate for your movie has a dramatic effect on video quality. Higher frame rates at a given data rate produce smoother motion with lower image quality. Lower frame rates produce sharper images with jerkier motion.[discreet]

Choosing the Data Rate: One of the most important decisions you must make when preparing movies is choosing the data rate. More than any other factor, the data rate affects the final image and sound quality of your movie. It also affects the size of the final file, as well as the playback method for effectively delivering the movie.[discreet]

Warum das alles

Die hier dargestellten Inhalte sollen einen Überblick, oder vielmehr eine Einführung in die Thematik "Desktopmovie" und die damit zusammenhängenden Faktoren, Codecs, Aufnahme, Capturen und Kompressionssoftware, gewährleisten. Der Autor orientiert sich stark an die Vorlagen von Frank Kastenholz und Michael Vogt, QuickTime 6, sowie dem UserGuide des Cleaner 6 von Discreet. Für ausführliche Einblicke sind intensive Studien dieser Werke unumgänglich. Des weiteren verweist der Autor auf das Werke QuickTime for the Web, welche sich ebenfalls mit der Thematik befasst.

Nach 1989 hat sich viel getan in der Wissenschaft rund um den Film im Computer. Ganze Industriezweige sind durch die Darstellung von bewegten Bildern in digitaler Weise entstanden. Mittlerweile besteht die Möglichkeit, nahezu uneingeschränkt, detailreiche und farbenfrohe Bildinhalte hoch-qualitativ zu komprimieren. Auch die Netze werden immer schneller, Codecs besser, denn die Technik schreitet fort. Die hier genannten Inhalte gehören morgen schon der Vergangenheit an, bleiben jedoch eine Fundament in der digitalen Medientechnik.


Literaturliste

[discreet]: Discreet; Cleaner 6 - The essential video encoder- user guide; 2002

[Kastenholz/Vogt]: Kastenholz, Frank/Vogt, Michael; QuickTime 6; 2003

Liste externer Links

http://www.apple.com.
http://www.sorenson.com
http://www.divx.com
http://www.discreet.com