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Komprimierung von Audio- und Videomaterial

Will man Audio- oder Videomaterial im Internet bereit stellen, dann muss man die Daten vorher entsprechend aufbereiten. Diese Aufbereitung bedeutet die Umwandlung in ein Format, das die Empfänger möglichst problemlos verarbeiten, das heißt abspielen können, aber insbesondere eine erhebliche Komprimierung. Erst dadurch können die Daten bei den heute üblichen Verbindungsgeschwindigkeiten in akzeptabler Zeit übertragen werden.

Inhalt

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Problematik

Um Audio- und Video im Internet bereitstellen zu können, muss das Ausgangsmaterial erheblich komprimiert werden. Jeder kennt das am Beispiel des verbreiteten MP3-Formats für Musikstücke, bei dem die Datenmengen im Vergleich zur Musik-CD auf weniger als 1/10 reduziert werden. Am Beispiel MP3 sieht man, dass das nicht unbedingt spürbare Einbußen an der Wiedergabequalität bedeuten muss.

Dies gilt für Material, das man zum Download anbieten möchte, damit die notwendigen Übertragungszeiten erträglich bleiben. In noch stärkerem Maße gilt dies für Material, das man am Streaming Server anbieten will. Hier müssen die Daten in Echtzeit übertragen werden, damit die Wiedergabe störungs- und unterbrechungsfrei laufen kann.

Bei Videodaten ist die Notwendigkeit zur Komprimierung noch deutlicher als bei reinen Audio-Daten. Zum einen enthalten Videos im Allgemeinen auch Audio-Daten, zum anderen sind die Datenmengen bei Video erheblich größer als bei Audio. Die folgenden Angaben zu den Datenraten mögen die Situation veranschaulichen:

unkomprimiertes digitales Video
270 Mbit/s
(Megabit pro Sekunde)
DV-Video, miniDV
25 Mbit/s
DVD Video
10 MBit/s
LAN, Hochschulnetz (*)
0,1-1 MBit/s
Dual-ISDN 0,128 MBit/s
Modem 56k 0,056 MBit/s

(*) Innerhalb des Münchner Hochschulnetzes sind an vielen Standorten durchaus wesentlich höhere Datenraten erzielbar. Die Angaben hier stellen einen Kompromiss dar und berücksichtigen auch schlechter angeschlossene Bereiche.

Das Ausgangsmaterial, das als Video im Internet bereitgestellt werden soll, liegt im Allgemeinen auf VHS/S-VHS oder DV-Band vor. Dieses wird dann normalerweise bearbeitet, also an einem Videoschnittplatz geschnitten, mit anderen Quellen gemischt, mit zusätzlichen Textelementen versehen oder nachvertont. Das Ergebnis wird anschließend entweder auf Band zurück gespielt oder direkt in einem Komprimierungsprogramm geöffnet.

Die verschiedenen Arbeitsschritte in schematischer Darstellung:

  • Importieren des Videos vom DV-Band
  • Schnitt und Bearbeitung im Videoschnittprogramm (iMovie oder Final Cut Pro)
  • Exportieren als QuickTime-Film in möglichst hoher Qualität (DV-Codec)
  • Öffnen des QuickTime-Film im Komprimierungsprogramm (QuickTime Pro oder Cleaner)
  • Geeignete Einstellungen vornehmen
  • Exportieren als QuickTime-Film mit Steuerspuren

Tipps für die Aufnahme

Um gute Ergebnisse zu erzielen, sollte schon bei der Aufnahme das Ausgangsmaterials auf die Eignung für gute Komprimierung geachtet werden:

  • Großflächige feine, sich ändernde Strukturen verschlechtern das Kompressionsergebnis. Beispiele dafür sind eine Baumkulisse im Wind, aber auch ein feingestreiftes Hemd des Vortragenden.
  • Ruhige Kameraführung: verwenden Sie soweit wie möglich ein Stativ bei den Aufnahmen.
  • Kameraschwenks und Zooms sollten sparsam eingesetzt werden.
  • Gute Ausleuchtung bei der Aufnahme: ein verrauschtes Bildsignal ist guter Komprimierung ebenso abträglich wie etwa Blätterrauschen.

Komprimierungsparameter

Für die Komprimierung von Audio- und Videodaten können eine Reihe von Parametern gewählt werden:

  • Bildgröße des Wiedergabefensters, Auflösung
  • Bildwiederholrate, Bilder pro Sekunde
  • Video-Codec (Kodier/Decodierverfahren)
  • Audio-Codec
  • Mono/Stereo, Samplingrate

Nicht jede Kombination von Werten ist sinnvoll. Entscheidend ist stets die gewünschte bzw. zur Verfügung stehende Datenrate, mit der das Material schließlich abgespielt oder gesendet werden soll. Wird zum Beispiel für eine bestimmte Datenrate ein zu großes Videofenster gewählt, so führt das zwangsläfig entweder zu niedrigen Bildraten oder zu schlechter Bildqualität.

Generell gilt:

  • Einfache Codecs (wie Cinepak oder H.263) erfordern geringe Rechenleistung, bieten aber gute Bildqualitäten erst bei großen Datenraten.
  • Aufwändige Codecs (wie Sorenson) erforden hohe Rechenleistung bei der Komprimierung und auch moderate Rechenleistung bei der Wiedergabe. Allerdings sind die erzielbaren Bildqualitäten schon bei geringen Datenraten erheblich besser.
  • Bildraten von 15 Bildern pro Sekunde reichen meist aus, um eine flüssige, weitgehend ruckfreie Wiedergabe zu erhalten.
  • Auf Stereoton kann in den meisten Fällen verzichtet werden.

Fast alle der in diesem Zusammenhang verwendeten Codecs sind stark asymmetrisch, das heißt, die Kodierung (Encoding) ist wesentlich aufwändiger als die Dekodierung (Decoding) bei der Wiedergabe. Auch auf leistungsfähigen Rechnern verläuft die Kodierung selten in Echtzeit. Das ist an sich kein Problem, da die Kodierung nur einmal bei der Aufbereitung des Materials anfällt. Allerdings muss der dafür benötigte reale Zeitaufwand bei der Planung des Projektes berücksichtigt werden.

Damit ein Film in Streaming-Technik gesendet werden kann, muss das komprimierte Material noch mit Steuerspuren für die Ablaufsynchronisation versehen werden.

Programme

Im Multimedialabor des LRZ stehen Ihnen Arbeitsplätze zur Aufbereitung des Videomaterials zur Verfügung. Sie können dort mit den Videoschnittprogrammen iMovie und Final Cut Pro direkt einen Film als Streaming-Video exportieren, oder mit den Programmen QuickTime Pro und Cleaner bereits vorliegendes Material in eine für Streaming geeignete Form bringen.

QuickTime Pro

Die Pro-Version von QuickTime erweitert den kostenlosen QuickTime Player um die Exportmöglichkeiten. Außerdem stehen damit in gewissem Umfang Editierfunktionen bereit, wie Trimmen oder Kopieren/Einsetzen von Audio- und Videospuren zwischen Filmen.

So erstellen Sie einen Film, der für Streaming geeignet ist:

  • Öffnen Sie einen QuickTime-Film im QuickTime Player
  • Wählen Sie im Menü Ablage -> Exportieren...
  • im Pop-Up Menü wählen Sie Film -> Film mit Steuerspur
  • unter Optionen... markieren Sie Steuerspur für Server optimieren

Cleaner

Das Programm Cleaner bietet gegenüber QuickTime Pro eine Fülle detaillierter Einstellmöglichkeiten, um alle Aspekte der Audio- und Videokomprimierung zu beeinflussen. Außerdem enthält Cleaner optimerte Versionen wichtiger Codecs, Sorenson Video Developer Edition und QDesign Music Encoder Pro, und ermöglich auch den Export in MPEG-Formaten.

In Cleaner sind für alle gängigen Verbindungsgeschwindigkeiten vernünftige Sätze von Voreinstellungen eingebaut, sodass man im Allgemeinen nur das Ziel vorzuwählen braucht, etwa "Film für LAN-Verbindungen", und die Komprimierung startet.

Empfehlungen

Hier finden Sie Richtwerte, die Ihnen bei der Wahl der Parameter für die Komprimierung eines Films für eine bestimmte Datenrate helfen sollen. Diese Angaben können allerdings nur Anhaltspunkte sein. Abhängig vom Inhalt des Films - überwiegend statische Szenen oder viel Bewegung - oder davon, ob die Flüssigkeit der Bewegungen wichtiger ist oder die Qualität der einzelnen Bilder, müssen diese Werte gegebenfalls nach oben oder unten variiert werden.

Verbindung Datenrate
kbit/s 		Bildgröße
 Pixel		 Bildrate
fps 		Video Codec Audio Codec
LAN
300
320x240
15
Sorenson
QDesign 44 kHz
ISDN 128k
100
240x180
10
Sorenson
QDesign 22 kHz
Modem 56k
40
160x120
7
Sorenson
Qualcomm 8kHz

Für noch kleinere Verbindungsgeschwindigkeiten, etwa 28.8k-Modem, wird im Allgemeinen kein brauchbares Resultat erreicht werden. Hier mag es sinnvoll sein, auf das Videobild zu verzichten und einen "Film" vorzubereiten, der lediglich eine Tonspur enthält.

Für LAN-Verbindungen kann, wie weiter oben bereits erwähnt, durchaus eine deutlich höhere Datenrate gewählt werden, als hier angegeben, wenn der Kreis der Empfänger über eine gute Netzanbindung verfügt.

Referenz-Film

Um eine möglichst breite Zielgruppe erreichen zu können, sollten Sie Filme für unterschiedliche Datenraten vorbereiten, zum Beipiel für 56k-Modem und für LAN-Verbindungen. Anschließend können Sie einen sogenannten Referenz-Film (Reference Movie) erstellen, der automatisch auf den für die Verbindung passenden Film verzweigt.

Sehr einfach lässt sich ein Referenz-Film mit dem Programm XMLtoRefMovie erstellen. Dazu spezifizieren Sie in einer Textdatei mit XML-Anweisungen, unter welchen Bedingungen welcher Film ausgewählt werden soll. Das wesentliche Merkmal wird dabei die Verbindungsgeschwindigkeit sein. Sie können aber eine Reihe weiterer Parameter abfragen und berücksichtigen, etwa die installierte QuickTime-Version.

Eine Eingabedatei für XMLtoRefMovie sieht etwa folgendermaßen aus:

<qtrefmovie>

<refmovie src="rtsp://stream.lrz-muenchen.de/film_56k.mov" data-rate="56k modem" />

<refmovie src="rtsp://stream.lrz-muenchen.de/film_100k.mov" data-rate="dual isdn" />

<refmovie src="rtsp://stream.lrz-muenchen.de/film_300k.mov" data-rate="intranet" />

</qtrefmovie>

Der Referenz-Film wird schließlich erstellt, indem Sie die XML-Datei mit Drag&Drop auf auf das Programm ziehen.

Die Original-Dokumentation (engl.) zu dem Programm XMLtoRefMovie finden Sie hier. Sie enthält unter anderem weitere nützliche Beispiele und beschreibt detailliert das Format der zu erstellenden Eingabedatei.