Video Kompression / MPEG

MPEG ist die Abkürzung für "Motion Picture Experts Group", die verantwortlich ist für die Festlegung der Standards.
Wichtigste Grundlage für den MPEG-Standard ist im Unterschied zur M-JPEG-Kompression das Interframe-Verfahren. Dabei werden nicht nur die einzelnen Bilder eines Videos komprimiert: Zur effizienteren Datenreduktion werden hier auch die aufeinanderfolgenden Bilder analysiert und miteinander verglichen, um nur jene Bereiche zu speichern, die sich im Ablauf verändern. Auch bei bewegten Bildelementen, die in sich unverändert bleiben, werden in der Bildfolge nur die Bewegungsvektoren gespeichert. Diesen Vorgang nennt man Motion Compensation.

So wird jeweils ein Einzelbild komplett gespeichert, diese Bilder werden als I-Frames bezeichnet, sind wie beim M-Jpeg-Verfahren intrakodiert - also unabhängig vom vorangegangenen oder nachfolgenden Bild - und bilden die Referenzbilder.
Bilder, die aus einem vorhergehenden I-Frame mit Hilfe der oben beschriebenen Techniken sozusagen vorhergesagt werden, bezeichnet man als Predicted-Frames, also P-Frames. Diese Frames enthalten neben den Bildinformationen über veränderte und unveränderte Bildbereiche auch die Vektordaten aus der Motion Compensation, die angeben, wohin sich einzelne Elemente vorausichtlich bewegen werden. P-Frames benötigen etwas mehr als die Hälfte der Speichermenge eines I-Frames. Bei stärkeren Kompressionen können sich P-Frames auch auf vorhergehende P-Frames beziehen, was natürlich auf Kosten der Bildqualität geschieht.
Zwischen den I- und den P-Frames lassen sich zur weiteren Datenreduktion Frames berrechnen, die sich sowohl auf vorhergehende I- bzw. P-Frames als auch auf nachfolgende I- bzw. P-Frames beziehen - also bidirectional. Diese Frames werden als B-Frames bezeichnet. B-Frames enthalten hauptsächlich Vektorinformationen und benötigen ungefähr ein Viertel des Speicherbedarfs eines I-Frames. Aus diesem Grund treten B-Frames bei starker Kompression am häufigsten auf. Die Steuerung der Stärke der Kompression erfolgt hauptsächlich über die Anzahl der eingesetzten B- und P-Frames. Je mehr dieser Frames zwischen den Referenzbildern, also den I-Frames, eingesetzt werden, desto höher ist die Datenreduktion und desto schlechter wird die Bildqualität.
Eine zusammenhängende Gruppe von I-, B- und P-Frames bezeichnet man als GOP - Group of Pictures.

Beispiel für eine GOP mit dem Format: IBBPBB

GOPs sind Gruppen von komprimierten Einzelbildern einer MPEG-Sequenz. Sie bestehen aus I-Frames, die intraframekodiert sind und als Referenzbilder für vorhergehende und nachfolgende B- und P-Frames dienen. B-Frames beziehen sich sowohl auf nachfolgende als auch auf vorangehende P- bzw. I-Frames. P-Frames beziehen sich ausschließlich auf vorhergehende I- und P-Frames.

Die weiteren Schritte der MPEG-Kompression sind dem M-Jpeg-Verfahren sehr ähnlich:

• Farbraumumwandlung nach YCrCb
  
• DCT
  
• adaptive Quantisierung - im Unterschied zur einfachen Quantisierung bei M-Jpeg wird hier die Quantisierungstabelle an jeden einzelnen 8x8-Block angepasst, was im Vergleich zum M-Jpeg-Verfahren eine erheblich höhere Datenreduktion einbringt.
  
• Huffmann-Algorithmus mit fester Codeworttabelle

MPEG eignet sich grundsätzlich nicht für den Einsatz in Schnittsystemen, da durch das Interframe-Verfahren nicht auf jeden einzelnen Frame zugegriffen werden kann. Beim Interframe-Verfahren stehen die komprimierten Einzelbilder in Abhängigkeit zueinander. Um z.B. einen einzelnen B-Frame zu öffnen bzw. zu editieren, benötigt man die Bildinformationen der angrenzenden I- bzw. P-Frames!
Als Ausnahme gilt das so genannte I-Frame Only Verfahren, das in zahlreichen Schnittsystemen eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden nur I-Frames erzeugt. Es handelt sich dabei also um ein Intraframe-Verfahren, bei dem jeder einzelne Frame unabhängig von den vorhergegehenden oder nachfolgenden Bildern editiert werden kann.