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Was ist eine Codec ?
Reine Audio- und Videodaten in unkomprimierter Form sind äußerst
speicherplatzaufwendig, d.h. die Bandbreite um diese Daten zu übertragen
muss sehr hoch sein. Insbesondere bei der Darstellung von Videos
wären enorme Datenmengen zu verarbeiten und eine direkte Bearbeitung
(in Realzeit) dieser Daten ist mit den heutigen Computer- und Netzwerksystemen
und deren Kapazitäten kaum möglich.
Es mussten daher Verfahren entwickelt werden um das Audio- und Videomaterial
erheblich zu reduzieren und damit eine bessere Ausnutzung der vorhandenen
Bandbreiten zu erreichen.
Die entstandenen Algorithmen um Daten zu komprimieren bzw. dekomprimieren
werden als Codecs (engl. „Compressor/Decompressor“,
oft auch nur „Coder/Decoder“) bezeichnet. Diese werden
über spezielle Hard- oder Software umgesetzt.
Funktionsweise eines Codecs
Ein Codec übernimmt die Aufgabe, die Video- (oder Audio) Rohdaten
in das entsprechende Videoformat zu komprimieren. Gleichzeitig sorgt
ein Codec auch wieder für die Bildschirmausgabe eines Streams.
Alle durch Codecs vorgenommenen audiovisuellen Kompressionsverfahren
orientieren sich an dieser maximalen Wahrnehmungsfähigkeit
des Menschen. Nicht relevante Daten werden so gefiltert, dass man
subjektiv keine qualitative Beeinträchtigung der Sinneswahrnehmung
empfindet.
Man unterscheidet zwischen verlustfreien und verlustbehafteten Kompressions-
und Dekompressionstechniken. Bei verlustfreier Kompression können
die Video- bzw. Audidaten nach dem Codierungsvorgang vollständig
rekonstruiert werden. Die verlustbehaftete Kompression hingegen
entfernt Informationen aus dem Signal, die für die menschliche
Wahrnehmung irrelevant oder weniger wichtig ist. Der Vorteil, die
hohe Kompressionsrate, geht mit einem Nachteil einher: Der unwiederbringliche
Verlust bestimmter Daten. Welche Informationen des Video- und Audiomaterials
letztendlich irrelevant sind, hängt von der Art ihrer Anwendung
ab und variiert zwischen und auch innerhalb der verschiedenen Codecs.
Der große Vorteil von Codecs ist ihre standardisierte Schnittstelle
unter Windows. Jedes Windows-Programm, das die Codec - Schnittstelle
unterstützt, kann auf die Kompressions- und Dekompressionsfunktionen
des jeweiligen Codecs zugreifen.
Was sind Encoder und Decoder ?
Im Gegensatz dazu stehen die separaten Encoder und Decoder. Hier
ist die Kompression und Dekompression in separate Programme aufgeteilt.
So gibt es z.B.MPEG-1 und 2 Encoder die nur dazu verwendet werden
können, MPEG-1 und -2 Videos zu erzeugen.
Ein Codec kann entweder als separate Hardware erworben werden (z.B.
in Form einer PCI-Karte) oder er liegt als so genannter Soft - Codec
(Software - Codec) vor.
Ein oft anzutreffender Anwenderfehler liegt darin, Dateiformate
mit Codecs zu verwechseln. Ein AVI-File sagt beispielsweise noch
nichts über die verwendete Kompression aus, sondern allenfalls
etwas über die verwendete Multimedia-Architektur.
Standardmäßig werden inzwischen mit jedem Betriebssystem
die gängigsten Audio- und Videocodecs mitgeliefert oder man
kann sie meist kostenlos aus dem Internet herunterladen. Sie stammen
von unterschiedlichen Herstellern und sind auch für recht verschiedene
Verwendungszwecke gedacht.
- Video - Codecs und - Encoder
Grundsätzlich ist zu sagen, dass nur wenige der Codec - Formate
in eigenen Videoformaten zu finden sind. Lediglich MPEG-1 und
-2 sind in der Regel als separate Videodatei zu finden (meist
Endung: mpg). Normalerweise wird das komprimierte Video in einer
Art Containerformat untergebracht. Dort finden sich dann neben
den Videos, die in diversen Formaten (DivX, Indeo, aber auch MPEG)
kodiert sein können, auch Audiodaten in den unterschiedlichsten
Ausformungen (MP2, MP3, WAV). Die beiden am häufigsten benutzen
Containerformate sind zurzeit Quicktime und AVI (Audio Video Interleave)
von Windows. Zwischen den Codecs der beiden Containerformate gibt
es immer wieder Überschneidungen. So kann im AVI-Format ein
in MPEG-4 kodierter Film gespeichert werden, ebenso in Quicktime.
Leider sind AVI und Quicktime aber nicht kompatibel, weshalb für
beide Formate unterschiedliche Abspielsoftware (Player) benötigt
werden.
1. MPEG
1.1. MPEG-1
1.2. MPEG-2
1.3. MPEG-4
1.4. MPEG-7
2. DivX, Open DivX
3. Cinepak & Indeo
4. Sorenson Video 3.1
5. Windows Media Video
6. Real Video 8
1. MPEG
Das MPEG-Verfahren (1992 von der Moving Pictures Expert Group vorgestellt)
eignet sich zur Kompression von Video-, aber auch Audiodaten. Alle
aktuellen MPEG-Standards verwenden dasselbe Kompressionsverfahren.
Die Videodaten liegen in Form von Einzelbildern (Frames) vor.
Um einen Film zu speichern, müssen nicht in jedem Frame die
vollständigen Bilddaten enthalten sein. Es genügt, über
einen gewissen Zeitraum, immer nur die Unterschiede zwischen den
Frames zu speichern. So ist nur etwa jedes 15. Frame ein Vollbild
(Intraframe). Über die Zwischenbilder (P- und B-Frames), die
sich zwischen den Intraframes befinden, kann der Decoder die Bewegungsrichtung
der bewegten Bildteile berechnen und darstellen.
MPEG wurde durch die Wahl der Codierung auf asymmetrische Anwendungen
(Fernseh- Technik, Multimedia-Mail, etc.) zugeschnitten, das heißt
die Herstellung des digitalen Datenstroms erfordert wesentlich mehr
Ressourcen als dessen Konsumierung.
MPEG ist nicht die optimale Videocodierung, allerdings ist sie der
einzig internationale Konsens in diesem Bereich und findet, auch
dank seiner Verwandtschaft mit den Telekommunikations-Standards
(H.261, S-VHS) sowie seiner Kompatibilität zu allen CD-ROM-Formaten
(CD-Interactive, CD-Video, ISO-9660) weltweite Verbreitung.
Prinzipiell kann derzeit zwischen fünf MPEG-Standards unterschieden
werden: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 und MPEG-7.
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1.1 MPEG-1
MPEG-1 wurde 1993 mit dem Ziel verabschiedet, für Medien mit
geringer Datenrate (1 MBit/s bis 1,5 MBit/s) die Übertragung
von bewegten Bildern mit zugehörigem Audiosignal bei akzeptabler
Bildwiederholfrequenz und möglichst guter Bildqualität
zu erreichen. Das Entwurfsziel bei MPEG-1 ist der wahlfreie Zugriff
auf eine Sequenz innerhalb einer halben Sekunde, ohne das dabei
merkliche Qualitätsverluste auftreten dürfen. Die Auflösung
ist mit 352x288x25 relativ gering, aber für die meisten Heimanwendungen
(Digitalisierung von Urlaubsvideos) sowie für den Businessbereich
(Image-Videos, Dokumentation) ausreichend. Der Encode-Vorgang ist
auch mittels geeigneter Hardwarekomponenten möglich.
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1.2 MPEG-2
1995 wurde MPEG-2 entwickelt und ist heute das am häufigsten
angewandte MPEG-Verfahren. Dieser Standard stimmt in seiner Grundstruktur
mit dem MPEG-1-Format überein.
Er kommt bei digitalem Fernsehen, Videofilmen auf DVD, SuperVideoCD
und in professionellen Videostudios zum Einsatz
Durch die Skalierbarkeit der Auflösung und Datenrate in weiten
Bereichen (z.B. Datenrate 2...80MBit/s) deckt MPEG-2 alle Qualitäts-
und Auflösungsbereiche ab, weist jedoch einen relativ hohen
Speicherplatzbedarf auf.
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1.3 MPEG-4
Dieser MPEG-Standard wurde 1999 verabschiedet. Entwicklungsziel
war es, eine möglichst hohe Videoqualität bei niedrigen
Datenraten im Bereich zwischen 10KBit/s und 1MBit/s zu erreichen
und somit die Vorteile von MPEG-1 (kleine Dateigröße)
und MPEG-2 (sehr gute Bildqualität) zu vereinen.
MPEG-4 gliedert den Bildinhalt in eigenständige Objekte, um
sie gezielt anzusprechen oder weiter zu verarbeiten. Der Standard
kommt beispielsweise bei der Videoübertragung über das
Internet zum Einsatz und weist eine sehr hohe Qualität der
Kompression auf.
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1.4 MPEG-7
MPEG-7 (formelle Bezeichnung: Multimedia Content Description Interface)
zählt zu den neuesten Verfahren und stellt einen Standard zur
Beschreibung von Multimedia-Daten dar, der unabhängig von den
anderen MPEG-Standards eingesetzt werden kann. Gespeichert werden
Metadaten zur Ergänzung anderer MPEG kodierter Quellen als
eigene Spur. MPEG-7 ist somit kein Kompressionsverfahren.
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2. DivX, Xvid
DivX ist ein Video–Codec für AVI–Videos und baut
auf MPEG-4 auf. Die Daten werden dabei stark komprimiert und die
Videodatei ist dadurch auch kaum mehr vom Original zu
unterscheiden. Die Bitrate ist skalierbar, um so den optimalen Bereich
zwischen Qualität und Speicherumfang zu finden. So lassen sich
MPEG2 – Dateien (z.B. DVD oder digitales Fernsehen) auf rund
10% der Originalgröße komprimieren, VHS –Videos
dagegen sogar auf bis zu 1% der Originalgröße.
DivX war bis einschließlich zur Version 4 leider nicht zum
MPEG-4 Standard kompatibel, jedoch basierte es darauf. Mit seiner
neuesten Weiterentwicklung Xvid steht ein weiterer sehr guter und
vor allem zu MPEG-4 kompatibler Codec zur Verfügung. Diese
Kompatibilität ist wichtig, um die mit DivX komprimierten Filme
auf MPEG-4 fähigen DVD-Playern abzuspielen.
Das Containerformat ist in der Regel AVI, aber auch das Quicktime-Format
kommt zum Einsatz.
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3. Cinepak & Indeo
CinePak ist ein Standardcodec für AVI-Dateien auf den Windows-Systemen,
der ursprünglich für QuickTime entwickelt wurde. Dieser
Codec komprimiert Videodaten, indem wenige vollständige Bilder
(Keyframes) einer Animation oder eines Videos in eine größere
Menge von Differenzbildern (Delta Frames) eingebunden werden.
Auch der Indeo-Codec ist im Containerformat AVI untergebracht. Er
wurde für Intel-Prozessoren entwickelt, aber arbeitet auch
als reine Softwarelösung sehr effizient.
Beide Codecs bieten gute Kompressionsqualität, erzeugen allerdings
relativ große Dateien.
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4. Sorenson Video 3.1
Dieser Codec ist integriert im Quicktime-Player von Apple und ist
somit nicht im Windows-Betriebssystem enthalten. Es ist leistungsstarker
Codec im Web-Video-Bereich, der eine ausreichende bis gute Qualität
der Kompression aufweist.
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5. Windows Media Video
Mit diesem Codec erstellte Dateien besitzen die Endung WMV und können
nur mit dem Windows Media Player betrachtet werden. Der Codec ist
sehr gut für Web-Videos geeignet, da er relativ hohe Kompressionsraten
erlaubt. Die Bitrate reicht bis ca. 2 Mbit/s und die Qualität
der (verlustbehafteten) Kompression kann als gut bis sehr gut eingeschätzt
werden.
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6. Real Video 8
Es handelt sich hierbei um ein proprietäres und nicht offengelegtes
Verfahren von Real Networks. RM (Realmedia) – Dateien können
als Standard im Web für (Live-) Streaming bezeichnet werden.
Die Empfangssoftware (Real Player) ist frei erhältlich und
für die meisten modernen Web-Browser bereits als Plugin integriert.
Das Verfahren ist sehr effizient und kann niedrige Video-Auflösungen
bereits mit Modem-Verbindungen von 14kBit/s übertragen.
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