kompressionsverfahren - startseite tu ilmenau · yuv used in pal ... encoder decoder video in...

© H.-D. Wuttke 2012

Kompressionsverfahren

Quelle: Steinmetz, Ralf: Multimedia-Technologie: Einführung und Grundlagen, Springer, Verlag

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Adaptive Huffman - Kodierung

Nach 17 Zeichen: A(1),B(2),C(2),D(2),E(10) Kodierung A: 000

0

0

1

00

1

1 1

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Adaptive Huffman - Kodierung

Nach 2 weiteren A: A(3),B(2),C(2),D(2),E(10) Kodierung A: 011

0

0

1

00

1

1 1

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Adaptive Huffman - Kodierung

Nach zwei weiteren A: A(5),B(2),C(2),D(2),E(10) Kodierung A:10

0

0

1

1

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Arithmetische Kodierung

0,1

0,5

0,7

k

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Kompressionsverfahren

Quelle: Steinmetz, Ralf: Multimedia-Technologie: Einführung und Grundlagen, Springer, Verlag

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Verlustbehaftete Kompressionsalgorithmen

• Wo treten Verluste auf?

• Warum kann man sie in Kauf nehmen?

• Welche Nebeneffekte entstehen?

• Welche Vorteile bringen Transformationen?

• Was sind unsymmetrische Algorithmen?

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DPCM

• Differential Pulse Code Modulation

• Prädiktionskodierung

• Hohe Kompressionsraten bei optimaler Berücksichtigung der Quelleneigenschaften

• Speziell für Klasse von Informationen (Audio, Video, Bild)

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DPCM

• Quelleneigenschaft: • geringe Differenzen zwischen Nachbarn

• Prediction (Vorhersage)

• Annahme: nächstes Feld gleich

• Differenzbildung, Übertragung der Differenz

• 195 – 204 Diff 9: statt 8 Bit nur 4 Bit

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DPCM

• Beispiel

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Kompressionsverfahren

Quelle: Steinmetz, Ralf: Multimedia-Technologie: Einführung und Grundlagen, Springer, Verlag

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FFT <> DCT

streichen streichen

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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JPEG: Senkrechte Linie

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JPEG: Waagerechte Linie

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JPEG: Ecke

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Kompressionsverfahren

Quelle: Steinmetz, Ralf: Multimedia-Technologie: Einführung und Grundlagen, Springer, Verlag

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JPEG

Farbraum Konvertierung RGB => Y Cb Cr

DCT (Discrete Cosine Transformation)

Quantisierung

Zick-zack Scan

DPCM für DC Komponente, RLE für AC Komponenten

Entropy Kodierung

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Transformation RGB => YCbCr

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = (B – Y) Cb = (B - Y) / 1.772 + 0.5

V = (R – Y) Cr = (R - Y) / 1.402 + 0.5

YUV used in PAL (depends on implementation)

CbCr used in JPEG and MPEG

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Digitalisierung

Y

U V

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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Diskrete Cosinustransformation

DCT

DC Wert 0,0

AC Werte

Zeilen 0-7

Spalten 0-7

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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DCT

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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DCT

Factorized Discrete Cosine Transform (DCT):

Inverse Discrete Cosine Transform (IDCT):

source: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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Diskrete Cosinus Transformation (DCT)

Basisfunktionen für jeden 8x8 Block

Durch-schnitts-

wert (DC)

1/2 vertikale Cosinusperiode

7/2 vertikale Cosinusperioden

1/2 horizontale Cosinusperiode

source: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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Vorteil der Transformation

DCT (Discrete Cosine Transformation)

8x8 Matrix enthält nach DCT sortierte Werte:

tiefe Frequenzen links oben hohe rechts unten

Frequenz = senkrechte/ waagerechte Linien

Quantisierung im Frequenzbereich möglich

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JPEG: Senkrechte Linie

Quelle: http://www.spemaus.de/studium/visjpeg/

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JPEG: Waagerechte Linie

Quelle: http://www.spemaus.de/studium/visjpeg/

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JPEG: Ecke

Quelle: http://www.spemaus.de/studium/visjpeg/

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DCT

Faktorisierung wagerecht und senkrecht separat berechnen

Detailinformationen links unten

Division der Werte => Informationsverlust

Quantisierung

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Quantisierung

Division der Werte durch Konstante durch Quantisierungsmatrix

Quantisierung bestimmt die Qualität und den Grad der Komprimierung

Hauptverlustquelle

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Quantization

Luminanz Quantisierungstabelle q(u, v) Chrominanz Quantisierungstabelle q(u, v)

-------------------------------------- ----------------------------------16 11 10 16 24 40 51 61 17 18 24 47 99 99 99 9912 12 14 19 26 58 60 55 18 21 26 66 99 99 99 9914 13 16 24 40 57 69 56 24 26 56 99 99 99 99 9914 17 22 29 51 87 80 62 47 66 99 99 99 99 99 9918 22 37 56 68 109 103 77 99 99 99 99 99 99 99 9924 35 55 64 81 104 113 92 99 99 99 99 99 99 99 9949 64 78 87 103 121 120 101 99 99 99 99 99 99 99 9972 92 95 98 112 100 103 99 99 99 99 99 99 99 99 99---------------------------------------- -----------------------------------

Skalierbar für unterschiedliche Qualitätsstufen und Kompressionsraten

source: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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Zick Zack Scan

Erzeugen eines Vektors

Wichtigste Elemente zuerst im Vektor

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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DCPM und RLC

DPCM für DC - Komponenten

RLCfür AC - Komponenten

Danach Huffman Kodierung des Ergebnisvektors

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Übersicht JPEG

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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Dateiformat JPEG

Quelle: Ze-Nian Li : Script Multimedia Systems, Simon Fraser University, Canada

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JPEG Varianten

Sequential Mode bisher behandelter Modus

Lossless Mode verlustfrei mit Differenzkodierung

Progressive Modevon grob nach fein (DC+10AC…)

Hierarchical ModeMehrfach Kodierung und Dekodierung mit unterschiedlichen Bildgrößen

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Video compression algorithm

Pre knowledge (digital video, JPEG)

Properties

Frame sequence encoding

Video cut

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Formats / number of Pixel

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Digital Video HDTV

PAL 720p 1080i

Vertical resolution

576 lines 720 lines 1080 lines

Horizontal resolution

720 lines 1280 lines 1920 lines

Pixel (max.) 414.720 921.600 2.073.600

frames interlaced progressive interlaced

format 4:3 (1,33:1) 16:9 (1,78:1) 16:9 (1,78:1)

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MPEG

H.261 as Standard for p*64kBit/s (p=1... 30)

Sub sampling 4:1:1 (Y Cb Cr)CIF Common Intermediate Format (352 x 288 pixel)QCIF (176 x 144 pixel) 30fpsMacro blocks 4Y (8*8) + 1Cb(8*8) + 1Cr(8*8)Picture => Group of Macro blocks (12 GOBs = CIF)Macro blocks => Blocks => Pixel => YCC

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MPEG 1

MPEG: Motion Picture Expert Group

Audio/Video with 1.5 Mbit/s (~ Data rate Audio-CD)Based on H.261 and JPEG

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MPEG

MPEG: Frame-Types

I-Frames: Intra-coded-frames, JPEGP-Frames: Predictive coded frames,

Difference frame + motion vectorReference to previous I or P- Frame

B-Frames: Bi-directional predictive coded framesReference to previous and next frameInterpolation

D-Frame: DC-coefficients for search (>>, <<)

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MPEG

Decoding:1. I - Frame2. P- Frame3. B- Frame

=> other Frame-sequence in file

Sequence of frames: I B B P B B P B B I B B P B…Sequence in file: I P B B ...

.

.

.

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Bewegungsvorhersage (1)

16x16 oder 8x8 Macroblöcke

Auffinden der Macroblöcke im Vorgängerbild -> Übertragung des Bewegungsvektors

Abschließende Entropiecodierung der Bewegungsvektoren

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Motion prediction (2)

Suchbereich

Bewegungsvektor

Macroblock desNachfolgbildes

Block mit besterÜbereinstimmung

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DCT + Q

IDCT

MCP

ME

IDCT

MCP

-

+

+

Encoder Decoder

Video In

Bewegungsvektoren

Video OutPrädiktionsfehler-

Signal

Motion prediction

MCP Motion Compensated Prediction

ME Motion Estimationcompare actual picture

with reproduced previous picture (Reference)

Differential picture

Motion vector

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DCT + Q

IDCT

MCP

ME

IDCT

MCP

-

+

+

Encoder Decoder

Video In

Bewegungsvektoren

Video OutPrädiktionsfehler-

Signal

DCT + Q Ddiskrete Cosinus Transformation mit QuantisierungIDCT Inverse DCTMCT Bewegungskompensierte Prädiktion ( )ME Bewegungsschätzung ( Motion Estimation )

Prinzip der Bewegungserkennung

MCP

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MPEG Schnitt (I-Frame)

Originalübernehmen

Framefolge: I B B P B B P B B I B B P B…neu: I B B P B B P ...

.

.

.

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MPEG Schnitt (P - Frame)

Algorithmus:Neuberechnung:P => I

Rest = Original

Framefolge alt: P B B P B B I B B P B…Neu: I B B P B B I B B P

.

.

.

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MPEG Schnitt (B - Frame)

Algorithmus:Neuberechnung:B => IP => IRest übernehmen

Framefolge alt: B B P B B I B B P B…neu: I I I I I I B B P B ...

.

.

.

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Technique of DivX;-)

Video compression algorithm based on MPEG 1 and 2

Hybrid encodinglossy reduction of irrelevant partslossless reduction of Redundancies

Improved Motion prediction as in MPEG 1and 2

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Video compressions

Data ratein MBit/s

resolution Bit rateconst/var

year

MPEG 1 1,4 ( bis 4 )

352x288(CIF)

constant 1992

MPEG 2 2 – 15( typ. 5 )

720 x 576Variabel

Variabel 1994

MPEG 4 0,08 - 4 720x576 Variabel

Variabel 1998

DivX;-) 0.2 - 6 640x358Variabel

Variabel 1999