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Last Modified: | Tuesday, 2015-05-05 - 08:09:06 |
Printed: | Thursday, 2024-05-02 - 06:33:43 |
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.
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Learning Unit ID: 05_33
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.
Bild wird durch zwei Halbbilder dargestellt:
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.
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:
Die Technik, ein Bild als zwei Halbbilder darzustellen, bezeichnet man als Zeilsprungverfahren.
Die Grafik zeigt den Aufbau eines Fernsehbildes mit Hilfe der beiden Halbbilder.
Die Grafik zeigt den Aufbau eines Fernsehbildes mit Hilfe der beiden Halbbilder.
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.
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.
Folgende Animation demonstriert Bildaufbau nach dem Zeilsprungverfahren, wie es in der PAL Fernsehtechnik zum Einsatz kommt.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
Das Objekt, das aufgenommen werden soll, bewegt sich translatorisch zur Kameraposition.
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.
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 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.
Im MPEG-2 interlaced Modus bearbeitet der MPEG-Encoder zwei unterschiedliche Bildtypen
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
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.
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.
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.
Welches Halbbild als Referenz bei der Kodierung benutzt wird, hängt von der Art des Videos ab. Im Allgemeinen gilt:
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.
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.