Einleitung

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• Frühere Fernsehkameras produzierten ausschließlich interlaced Videomaterial
• Interlaced Video nur schlecht mit herkömmlichem MPEG komprimierbar
• MPEG-2
  • beschreibt eigenen Interlaced Kodierungsmodus
  • Interlaced Videomaterial somit auch digital in voller Qualität verfügbar

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AUTO

Auf Grund historischer Entwicklungen der Fernsehtechnik handelt es sich bei Videomaterial, das von elektronischen Fernsehkameras aufgezeichnet worden ist, um interlaced Video. Interlaced Videos weisen besondere Eigenschaften auf, die eine qualitativ hoch stehende MPEG Kodierung nicht zulassen. Der MPEG-2 Standard bietet nun einen speziellen Kodierungsmodus, der eine effektive MPEG Kodierung ermöglicht. So kann auch interlaced Videomaterial in voller Qualität in digitalen Medien verwendet werden.

Was bedeutet Interlaced Video?

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Zeilensprungverfahren

Bild wird durch zwei Halbbilder dargestellt:

• Oberes Halbbild - beinhaltet alle ungeraden Zeilen
• Unteres Halbbild - beinhaltet alle geraden Zeilen

Aufbau eines Fernsehbildes durch zwei Halbbilder PC

Aufbau eines Fernsehbildes durch zwei Halbbilder PDA_Phone

Zeilsprungverfahren appletinter

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Das englische Wort „interlaced“ kann man mit dem deutschen Wort „verwoben“ oder „verflochten“ übersetzen. word2004 Es beschreibt die Tatsache, dass in der klassischen Fernsehtechnik die einzelnen Bilder einer Videosequenz nicht ganze Bilder sind, sondern jedes einzelne Bild aus zwei Halbbildern besteht. Diese beiden Halbbilder sind ineinander verflochten.

Benennung der Halbbilder

Die beiden Halbbilder werden als oberes und unteres Halbbild bezeichnet. Diese beiden Begriffe spielen bei der MPEG-2 Kodierung eine große Rolle, werden dort allerdings meist unter ihrer englischen Bezeichnung verwendet:

• Oberes Halbbild = Topfield
• Unteres Halbbild = Bottomfield

Zeilensprungverfahren

AUTO

Die Technik, ein Bild als zwei Halbbilder darzustellen, bezeichnet man als Zeilsprungverfahren.

Aufbau eines Fernsehbildes PC

Die Grafik zeigt den Aufbau eines Fernsehbildes mit Hilfe der beiden Halbbilder.

Aufbau eines Fernsehbildes PDA_Phone

Die Grafik zeigt den Aufbau eines Fernsehbildes mit Hilfe der beiden Halbbilder.

Aufbau eines Fernsehbildes

Oberes Halbbild

Ein Fernsehbild wird am oberen linken Rand beginnend aufgebaut. Der Elektronenstrahl (siehe Lerneinheit Video- und Fernsehnormen) bewegt sich zuerst entlang der ersten Zeile. Ist er am rechten Rand der ersten Bildzeile gelangt, springt er zum linken Rand der dritten Zeile und baut von hier beginnend die dritte Bildzeile auf. .Dies wird für alle ungeraden Bildzeilen wiederholt. Ist er am unteren Rand des Bildschirms angelangt, ist das gesamte obere Halbbild sichtbar.

Unteres Halbbild

Nachdem das obere Halbbild fertig ist, springt der Elektronenstrahl auf das linke Ende der zweiten Zeile. Von hier aus beginnend werden alle geraden Zeilen auf dieselbe Art und Weise aufgebaut wie die des oberen Halbbildes.

Zeilsprungverfahren appletinter

Beschreibung

Folgende Animation demonstriert Bildaufbau nach dem Zeilsprungverfahren, wie es in der PAL Fernsehtechnik zum Einsatz kommt.

Motivation für Zeilensprungverfahren

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Flimmern der Braunschen Röhre

• je geringer Bildwiederholungsfrequenz, desto höher Flimmern
• Bildwiederholungsfrequenz für PAL ist 25 Hz - Flimmern noch deutlich wahrnehmbar

Flimmerreduzierung durch Zeilsprungverfahren

• Halbbilder werden zeitversetzt zueinander dargestellt
• Bildwiederholungsfrequenz dadurch auf 50 Hz erhöht
• deutliche Reduktion des Bildschirmflimmerns

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Flimmern der Braunschen Röhre

Die momentan umständlich erscheinende Technik des Zeilsprungverfahrens hat ihren historischen Grund. Die Braunsche Röhre (siehe Lerneinheit Video- und Fernsehnormen) weist bei der Darstellung von Bildersequenzen ein sehr großes Flimmern auf. Dieses Flimmern wird allerdings umso geringer, je höher die Bildwiederholungsfrequenz ist, also je öfter der Elektronenstrahl den Bildschirm abtastet. Eine hohe Bildwiederholungsfrequenz fördert also eine flimmerfreie Bildwiedergabe. Aus technischen Gründen kann und konnte man die Bildwiederholungsfrequenz aber nicht beliebig hoch wählen.

25 Hz Technologie

Unter Berücksichtigung aller Anforderungen (maximal übertragbare Bandbreite eines Fernsehsignals und somit maximale Bildwiederholungsfrequenz, geeignete Frequenzen zur Bildsynchronisierung etc) legte man für das PAL Fernsehsystem (siehe Lerneinheit Video- und Fernsehnormen) eine Bildwiederholungsfrequenz von 25Hz fest. Das entspricht 25 Bildern in der Sekunde. Bei 25 Hz ist aber das Flimmern der Braunschen Röhre noch deutlich bemerkbar.

Flimmerreduzierung durch Zeilensprungverfahren

Dadurch, dass beim Zeilensprungverfahren jedes Bild einer Videosequenz durch seine beiden Halbbilder, die ja zeitversetzt sind, dargestellt wird, tastet der Elektronenstrahl statt 25x den Bildschirm 50x in der Sekunde ab. Das heißt, obwohl man eine Videosequenz mit 25 Bildern pro Sekunde wiedergibt, entspricht das Flimmern der Braunschen Röhre einer Bildwiederholungsfrequenz von 50 Hz. Bei 50 Hz Bildwiederholungsfrequenz ist das Flimmern nicht mehr störend sichtbar.

Zeitversatz durch Zeilensprungverfahren

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Zeilsprungverfahren bei Aufnahmegerät (interlaced)

• Bild durch Kameraoptik auf Bildsensor projiziert
• Halbbilder zeitlich versetzt abgetastet

Kammeffekte

• PC Displays und ähnliche können nur Vollbilder darstellen
• Vollbild setzt sich aus den beiden zeitversetzten Halbbildern zusammen
• Bei interlaced Videomaterial werden störende Kammeffekte sichtbar

Wiedergabe auf TV Gerät

• Halbbilder ebenfalls zeitversetzt dargestellt
• Artefakte-freie Wiedergabe

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Zeilensprungverfahren bei Aufnahmegeräte

Das Zeilensprungverfahren kommt nicht nur bei der Wiedergabe am Fernsehschirm zum Einsatz, sondern auch oft bei der Aufnahme mittels Kamera, besonders bei älteren Fernsehkameras und heute gängigen Amateurvideokameras. Hier wird das Bild, welches durch die Kameraoptik auf den Lichtsensor projiziert wird, nicht als Vollbild abgespeichert, sondern im Zeilensprungverfahren abgetastet. Da die so entstandenen Halbbilder aber zeitversetzt sind, stellt das untere Halbbild einen um eine fünfzigstel Sekunde versetzten Zeitpunkt der aufgenommenen Szene dar.

Kammeffekte

Videos werden heute neben dem klassischen Fernsehschirmen auf verschiedenen Displaytypen (Computerbildschirm, Hand Held Display..) wiedergegeben. Diese verwenden andere Techniken der Bilddarstellung als die Fernsehröhre und benötigen zur Wiedergabe eines Videos Vollbildersequenzen. Handelt es sich um ein interlaced Video, werden die Vollbilder dadurch erzeugt, dass oberes und unteres Halbbild zu einem Vollbild zusammengesetzt werden. Durch den zeitlichen Versatz der beiden Bilder kommt es vor allem bei translatorischen Bewegungen zu kammartigen Artefakte

Wiedergabe auf TV Gerät

Bei der Wiedergabe auf einem TV Gerät ist der Kammeffekt nicht beobachtbar, da die aufeinander folgenden Halbbilder mit dem gleichen Zeitversatz wie bei der Aufnahme wiedergegeben werden, und unser Auge einen natürlichen Bewegungsablauf empfindet.

Bildbeispiel für Kammeffekt

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Kammeffekt an Hand eines Beispiels

Bewegung des Objekts während der Aufnahme PC

Bewegung des Objekts während der Aufnahme PDA_Phone

Oberes Halbbild PC

beres Halbbild PDA_Phone

Unteres Halbbild PC

Unteres Halbbild PDA_Phone

Vollbild, zusammengesetzt aus den beiden Halbbildern PC

Vollbild, zusammengesetzt aus den beiden Halbbildern PDA_Phone

Kammeffekt applet-m4_05_33_01

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Kammeffekt an Hand eines Beispiels

Im Folgenden soll Anhand eines Beispieles die Entstehung des Kammeffektes bei einem interlaced Video veranschaulicht werden.Zuerst wird dessen Entstehung an Hand eines Bildbeispieles erklärt, ein Flashapplet gibt dann die Möglichkeit, den Effekt interraktiv zu erfassen.

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Das Objekt, das aufgenommen werden soll, bewegt sich translatorisch zur Kameraposition.

• Die erste Abbildung zeigt das Objekt am Beginn der Aufnahme und dessen Bewegungsrichtung.
• Die erste Abbildung zeigt das abgetastete Bild für das obere Halbbild.
• Die erste Abbildung zeigt das abgetastete Bild des unteren Halbbildes.
• In der letzten Abbildung sind die beiden Halbbilder zu einem Vollbild zusammengefügt worden. Es sind die starken, kammartigen Artefakte sichtbar.

Bewegung des Objekts während der Aufnahme PC

Bewegung des Objekts während der Aufnahme PDA_Phone

Oberes Halbbild PC

beres Halbbild PDA_Phone

Unteres Halbbild PC

Unteres Halbbild PDA_Phone

Vollbild, zusammengesetzt aus den beiden Halbbildern PC

Vollbild, zusammengesetzt aus den beiden Halbbildern PDA_Phone

Kammeffekt applet-m4_05_33_01

Beschreibung

Das Applet zeigt zwei Ansichten ein und des selben Objektes: Einmal in der Objektebene und einmal das nach dem Zeilensprungverfahren abgetastete (=interlaced) Abbild am Bildsensor einer Fernsehkamera. Es kann nun das Objekt mittels Maus im Originalbereich bewegt werden, für das Bild am Kamerasensor können die Ansichten 1. Halbbild, 2. Halbbild und ganzes Bild gewählt werden.

Instruktionen

• Klicke mit der Maus auf das Objekt in der Originalebene.
  • Wähle einmal 1., einmal 2. Halbbild
    • Was unterscheidet diese beiden Ansichten?
    • Erkläre, woraus sich dieser Unterschied ergibt.
  • Wähle ganzes Bild
    • Warum entstehen diese Artefakte?
    • Wann sind die Artefakte besonders ausgeprägt, wann sind sie nicht sichtbar?

MPEG Kodierung von interlaced Videomaterial

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MPEG-1

• aus Halbbilder wird ein Volbild generiert
• Kammeffekte verschlechtern Kompressionseigenschaften
• Abhilfe
  • Deinterlace - durch geeignetes Filter werden die Kammeffekte vor eigentlicher Kompression durch Approximation entfernt
  • Filterung mindert allerdings deutlich Bildqualität

MPEG-2

• eigener interlaced Kodierungsmodus
• zusätzliche Frames - Halbbilder Frames
• zusätzliche Regeln zur Reihenfolge der Kodierung von aufeinanderfolgenden Frames
• MPEG-2 liefert lupenreines interlaced Video -keine Qualitätseinbuße durch MPEG Kodierung

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MPEG-1

MPEG-1 kann nur mit Vollbilder arbeiten. Aus einem interlaced Videomaterial werden die Vollbilder aus den beiden Halbbildern zusammengesetzt. Die in diesen Vollbildern enthaltenen Kammeffekte unterlaufen die Effektivität der Bewegungskompensation und verschlechtern wesentlich die Komprimierungseigenschaften von MPEG. Als Abhilfe kann man vor der eigentlichen Kompression mit Hilfe geeigneter Filter die Kammeffekte entfernen. Dies geschieht durch Approximationsalgorithmen, die allerdings ebenfalls eine Qualitätsminderung verursachen.

MPEG-2

MPEG-2 hat für interlaced Videomaterial einen eigenen Kodierungsmodus entwickelt. In diesem Modus verwendet MPEG-2 zusätzlich definierte Frames. In diesem Modus kann die Qualität der MPEG Komprimierungseigenschaften auch für interlaced Videomaterial voll erhalten bleiben.

MPEG-2 interlaced Kodierungsmodus siko1997 stru2002, 199

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Frames im interlaced Kodierungsmodus

• 2 Typen von Frames
  • Halbbilder - jedes Halbbild selbstständiges Frame
  • Vollbilder - Frame zusammengesetzt aus 2 Halbildern
• Beide Typen können I, P oder B Frames sein

Wahl des geeigneten Bildtyps

• Innerhalb eines Datenstroms kann beliebig zwischen Halbbild- und Vollbildkodierung gewechselt werden
• es wird der Modus gewählt, der bessere Kompression bringt

Richtlinien zur Wahl des Bildtyps

• Vollbildkodierung - bei wenig Bewegung vorteilhaft
• Halbbildkodierung - bei viel Bewegung vorteilhaft

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Frames im interlaced Kodierungsmodus

Im MPEG-2 interlaced Modus bearbeitet der MPEG-Encoder zwei unterschiedliche Bildtypen

• Halbbilder –Im Halbbild Modus wird jedes Halbbild als eigenständiges Bild bearbeitet. Halbbilder können als I, P und B Frames (siehe Lerneinheit Frames in MPEG Video) kodiert werden.
• Vollbilder – Hier arbeitet der Encoder im progressiven Modus. Es werden Vollbilder, die sich aus zwei Halbbildern zusammensetzen, bearbeitet. Auch Vollbilder können als I, P oder B Frames (siehe Lerneinheit Frames in MPEG Video) kodiert werden.

Wahl des geeigneten Bildtyps

Das besondere des MPEG-2 interlaced Modus ist, dass innerhalb desselben MPEG-2 Streams beide Bildtypen, also Halbbilder und Vollbilder, verwendet werden können.

Erklärung. Während des Kodierungsprozesses kann im Encoder für jedes einzelne Bild einer Videosequenz individuell entschiedenen werden, ob es im progressiven oder Halbbildmodus bearbeitet werden soll. Es wird jener Bildtyp kodiert, der eine bessere Komprimierung des Bildes erlaubt. Welcher Bildtyp zur Kodierung genommen wird. muss natürlich auch im MPEG Datenstrom angegeben werden

Generell gilt bei der Wahl des Bildtyps

• Sind im Bild nur wenige oder gar keine Bewegungen, wird der progressive Modus bessere Ergebnisse bringen.
• Sind im Bild starke Bewegungen, wird der Halbbild Modus bessere Ergebnisse bringen.

Kodierung von Halbbildern

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Abbildung: Verschiedener Möglichkeiten für die Kodierung von Halbbildern siko1997 PC

Abbildung: Verschiedener Möglichkeiten für die Kodierung von Halbbildern siko1997 PDA_Phone

Richtlinie zur Wahl des Referenzbildes

• Bei Sequenzen mit wenig Bewegung ist das Referenzieren „oberes Halbbild auf vorhergegangenes oberes Halbbild (bzw. unteres Halbbild auf vorhergegangenes unteres Halbbild)“ vorteilhafter.
• Bei Sequenzen mit viel Bewegung ist das Referenzieren „oberes Halbbild auf vorhergegangenes unteres Halbbild (bzw. unteres Halbbild auf oberes vorhergegangenes Halbbild)“ vorteilhafter.

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Um Halbbilder als B oder P Frame zu kodieren, brauchen sie als Referenzbilder ebenfalls Halbbilder. Als Referenzbild kann sowohl ein unteres wie auch oberes Halbbild dienen, unabhängig davon, um welchen Halbbildtyp es sich bei den zu kodierenden Bildern handelt. Auch hier kann de Encoder für jedes Bild individuell entscheiden, welches Referenzbild das besser geeignete ist.

Abbildung: Verschiedener Möglichkeiten für die Kodierung von Halbbildern siko1997 PC

Die Grafik zeigt, wie ein oberes Halbbild als P Frame kodiert werden kann. Als Referenzbild kann entweder das vorhergehende untere Halbbild oder das vorhergehende obere Halbbild genommen werden.

Abbildung: Verschiedener Möglichkeiten für die Kodierung von Halbbildern siko1997 PDA_Phone

Die Grafik zeigt, wie ein oberes Halbbild als P Frame kodiert werden kann. Als Referenzbild kann entweder das vorhergehende untere Halbbild oder das vorhergehende obere Halbbild genommen werden.

Richtlinie zur Wahl des Referenzbildes

Welches Halbbild als Referenz bei der Kodierung benutzt wird, hängt von der Art des Videos ab. Im Allgemeinen gilt:

• Bei Sequenzen mit wenig Bewegung ist das Referenzieren „oberes Halbbild auf vorhergegangenes oberes Halbbild (bzw. unteres Halbbild auf vorhergegangenes unteres Halbbild)“ vorteilhafter.
• Bei Sequenzen mit viel Bewegung ist das Referenzieren „oberes Halbbild auf vorhergegangenes unteres Halbbild (bzw. unteres Halbbild auf oberes vorhergegangenes Halbbild)“ vorteilhafter.

Progressive Zick-Zack Abtastung stru2002, 201

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Abbildung: Progressive Zick-Zackabtastung PC

Abbildung: Progressive Zick-Zackabtastung PDA_Phone

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AUTO

Werden Bilder im Vollbild Modus bearbeitet, weisen sie an den Bildstellen, wo translatorische Bewegung stattfindet, Kammeffekte auf. Durch die Kammstruktur sind an diesen Stellen hohe vertikale Frequenzkomponenten vorhanden. Im MPEG-2 Standard ist dafür eine modifizierte Form der Zick-Zack Abtastung definiert.

Alternative Zick-Zack Abtastung

Aufgrund der hohen vertikalen Frequenzkomponenten sind diese Werte auch nach der Quantisierung nicht Null. Zur Verbesserung der Effektivität der Lauflängenkodierung wird die DCT Matrix auf eine Weise abgetastet, sodass die vertikalen hohen Frequenzkomponenten früher einsortiert werden.

Abbildung: Progressive Zick-Zackabtastung PC

Abbildung: Progressive Zick-Zackabtastung PDA_Phone