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Kompressionsstandards

Jeder, der bereits Bilder auf seinem PC gespeichert hat, kennt die möglichen Dateiarten und die damit verbundene Dateigröße. Wird z.B. ein Bild als Bitmap-Datei gespeichert, werden alle im Bild vorhandenen Bildpunkte (Pixel) gespeichert. Die Datenmenge ist entsprechend groß. So hat beispielsweise das rechtsstehende Bild mit den Originalabmessungen 140 x 90 mm und einer Auflösung von 150 dpi (dots per inch) einen Speicherbedarf von ca. 3 MB. Um die Dateimenge zu reduzieren, werden verschiedene Kompressionsarten angewandt. Zum prinzipiellen Verständnis wird stellvertretend auf das JPEG-Verfahren eingegangen.

JPEG-Kompression

Die wohl bekannteste Kompressionsart ist JPEG (Joint Photographic Experts Group). Bei JPEG wird das gesamte Bild bewertet und redundante (gleichartige) Pixel zu Blöcken zusammengefasst. Je höher die Kompressionsstufe ist, desto mehr Pixel werden zu einem Block zusammengefasst. Diese Blockbildung wirkt sich bei hoher Kompression auf die Bildqualität aus, da die Blöcke (Artefakte) im Bild deutlich zu erkennen sind. Da es sich bei der JPEG-Kompression um eine verlustbehaftete Kompression handelt, kann der Ausgangszustand des Bildes nicht mehr hergestellt werden.

Im Gesamtbild ist zunächst kaum eine Veränderung zu sehen. In der Ausschnittvergrößerung erkennt man jedoch deutlich die Artefakte. Entscheidend für die Wahl des Kompressionsgrades ist somit vor allem, in welcher Größe das Bild dargestellt bzw. gedruckt werden soll.

Bild nach geringer JPEG-Kompression mit hoher Qualität 440 KB.
Bild nach hoher JPEG-Kompression mit niedriger Qualität 26 KB.

 

Das JPEG-Kompressionsverfahren eignet sich für Einzelbilder, jedoch nicht für Videosequenzen. Eine Adaption der JPEG-Kompression für Videosequenzen findet sich in der MJPEG-Kompression. Besonders bei Videoaufzeichnungen ist eine Kompression der Daten unabdingbar. Ohne Kompression würde z.B. ein 90-minütiger Film in Realtime ca. 120 GB Speicherplatz benötigen.

 

 

MPEG-Kompression

MPEG steht für „Motion Pictures Expert Group“ und ist zwischenzeitlich in die Standards MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4 unterteilt. MPEG-3 wurde in den Standard MPEG-2 integriert und ist somit nicht mehr als eigener Standard zu sehen.

Im MPEG-Format wird im Gegensatz zu MJPEG nicht jedes Einzelbild komprimiert, sondern z.B. nur jedes 12. Einzelbild. Diese Einzelbilder werden als Intra-Frames (I-Frames) bezeichnet. Die Bilder zwischen diesen I-Frames werden nicht vollständig übertragen. Es werden nur die Änderungen zwischen den I-Frames übertragen (Differenzbildverfahren).

I-Frame 1
P-Frame 1
I-Frame 2

 

In diesem sehr vereinfachten Beispiel befindet sich zwischen zwei I-Frames ein Bild, in dem nur die Änderung zum vorhergehenden I-Frame 1 enthalten ist. Dieses stark reduzierte Bild wird als P-Frame bezeichnet. Das P steht für Predicted und bedeutet soviel wie „vorausschauend“. Mit nur einem P-Frame zwischen zwei I-Frames können jedoch starke Verzerrungen im Bildinhalt auftreten. Man legt deshalb zwischen I- und P-Frames noch sogenannte B-Frames. Diese B-Frames beziehen ihre Informationsinhalte durch Referenz mit Bildern, die sowohl vorher als auch nachher übertragen werden.

Die Reihenfolge von I-, P- und B-Frames wird als Bildgruppe (GOP = Group Of Pictures) bezeichnet.

 

 

 

Wavelet

Das Wavelet-Verfahren stellt eine grundlegende Methode zur Signalkompression dar und wurde über einen langen Zeitraum in immer neuen Varianten fortentwickelt. In der Videotechnologie wurde es schon früh zur Einzelbildkompression verwendet (z. B. bei den Dallmeier-Recordern der 2. und 3. Generation) und immer weiter verbessert.
Es stellt auch heute – trotz neuester Entwicklungen und modernster Kompressionsformate immer noch eine effiziente und schnelle Methode zur Kompression von Bildern dar. Seine Funktionen (Wavelet- Transformation) und Filter finden als integrierter Teil von topaktuellen Kompressionsverfahren weiterhin Verwendung, z. B. bei den aufeinander aufbauenden Verfahren JPEG, MPEG und H.264.

 

 

H.264

Wie in anderen Bereichen auch sind in der Videosicherheitstechnik die Ansprüche an standardisierte Verfahren zur Kompression von Bildern deutlich gestiegen. Das gilt für die Qualität der Bilder ebenso wie für die Flexibilität der Kompressionsverfahren selbst. Mit H.264 wurde ein neuer Standard zur Videokompression realisiert, der im Ansatz mit MPEG vergleichbar ist und diese hohen Ansprüche erfüllt.

H.264 ermöglicht eine enorme Reduktion der Bit-Rate bei gleichbleibender oder sogar besserer Bildqualität. Im Vergleich zu MPEG-4 wird mit H.264 eine Reduktion um 37% und im Vergleich zu MPEG-2 sogar eine Reduktion um 64% erreicht.

„H.264 liefert selbst dann einen besseren Signal-Rausch-Abstand bei gleicher Bit-Rate für TV-Auflösung als JPEG2000, wenn ein wahlfreier Zugriff auf einzelne Bilder möglich ist. H.264 kann also auch in Überwachungsanwendungen, bei denen jedes Einzelbild gespeichert werden muss, effizient eingesetzt werden.“
Dipl.-Ing. Carsten Reuter, Universität Hannover

Vorteile:

  • Erhebliche Kostenreduktion
  • Geringerer Festplattenbedarf
  • Weniger Netzwerkbelastung
  • Längere Aufzeichnungsdauer möglich