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Mathematische Grundlagen der Video – Kompression von Christian Müller GIS und Multimedia.

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Präsentation zum Thema: "Mathematische Grundlagen der Video – Kompression von Christian Müller GIS und Multimedia."—  Präsentation transkript:

1 Mathematische Grundlagen der Video – Kompression von Christian Müller GIS und Multimedia

2 Allgemeines Einsatz von Videos im geodätischen Arbeitsbereich: Städtebauliche Planung Zeigen von Ist – Zuständen Photorealistische Visualisierung geplanter Bauobjekte Virtuelle Realität Routenplanung Wege als Videos zeigen Lehre Aufnahme von Vorlesungen und Vorträgen Animationen Was hat das Thema mit dem Studium zu tun?

3 Allgemeines Ein Film besteht aus einer Reihe von aufeinanderfolgenden Bildern Jedes Bild für sich kann man als Bitmap – Vollbild betrachten Problem: große Datenmenge Woraus besteht ein Film?

4 Allgemeines PAL – Standard: 720 x 576 Pixel = Pixel Pixel x 3 (RGB Werte pro Pixel) = Byte Byte x 25 Bilder/s = Byte 1 Sekunde Film = 30 MByte Rechenbeispiel 90 Minuten Film = 156 GByte

5 Allgemeines Man unterscheidet: Verlustfreie Kompression: Nach der Dekompression kann das ursprüngliche Signal wieder vollständig hergestellt werden Verlustbehaftete Kompression: Das Signal wird nur annähernd wiederhergestellt Datenkompression Verfahren, um die Anzahl der Bits eines Signals herabzu – zusetzen

6 MPEG – Format MPEG 1 Findet Anwendung bei sog. VideoCD VHS ähnliche Qualität MPEG 2 Kompatibel zu MPEG 1 Anwendung in der DVD – Technologie und im digitalen Fernsehen (Premiere World) MPEG 4 DivX, Echtzeitkommunikation, Mobile Multimedia UMTS MPEG – Familie

7 MPEG – Format Viele Informationen bleiben gleich, z.B.: der Hintergrund Idee: überflüssige Informationen nicht mehrmals speichern redundante Informationen auslassen Unterschied zwischen zwei Bilder wird gespeichert Bild um die Unterschiede zum vorhergehenden Bild ergänzen Vergleichen von Bildern

8 MPEG – Format Es werden drei verschiedene Bildtypen benutzt: I – Frame (intra – frame): Ein komplettes Vollbild, welches alle Informationen enthält P – Frame (predictet – frame): Einzelbild, welches lediglich die Differenz zum vorhergegangenem Bild enthält B – Frame (bidirctional – frame): werden ausgehend von einem vorhergehenden und nachfolgenden Bild berechnet Verschiedene Bildtypen

9 MPEG – Format jede GOP enthält eine I – Frame als erstes Bild dazu mehrere P – Frames die B – Frames werden aus früheren und späteren P – und I – Frames abgeleitet Verschiedene Bildtypen Ein MPEG – Datenstrom besteht in erster Linie aus einer Sequenz von groups-of-pictures (GOP).

10 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I Startbild ist das I – Frame als Vollbild zum Einstieg

11 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I Startbild ist das I – Frame als Vollbild zum Einstieg Zwischenbilder aus vorherigen I – und P – Frames

12 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I Startbild ist das I – Frame als Vollbild zum Einstieg Zwischenbilder aus vorherigen I – und P – Frames Zwischenbilder aus vorigen und folgenden I – und P - Frames

13 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I

14 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I

15 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I

16 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I

17 P B MPEG – Format Veranschaulichung: Group of Pictures B P B B I

18 MPEG – Format B – Frames werden vom Decoder nur dann entschlüsselt, wenn er den nachfolgenden P – Frame kennt: Bildein – / ausgabe

19 MPEG – Format B – Frames werden vom Decoder nur dann entschlüsselt, wenn er den nachfolgenden P – Frame kennt: Bilder werden in einer anderen Reihenfolge abgespeichert, als man sie hinterher zu sehen bekommt Bildein – / ausgabe

20 MPEG – Format Beispiel: Bildein – / ausgabe B1B1 IB2B2 P1P1 B3B3 B4B4 P2P2 Betrachtungsreihenfolge

21 MPEG – Format Beispiel: Bildein – / ausgabe B1B1 IB2B2 P1P1 B3B3 B4B4 P2P2 P1P1 IB1B1 B2B2 P2P2 B3B3 B4B4 Betrachtungsreihenfolge Übertragungsreihenfolge

22 Codierung von I – Frames Bild wird in 8x8 große Pixelblöcke aufgetrennt Blöcke werden einzeln bearbeitet Jeder Block durchläuft die DCT Umwandlung bis auf Rundungsfehler verlustfrei Verwandt mit der Fouriertransformation Discrete Cosinustransformation II Umwandlung räumlicher Information und Helligkeitswerte in eine Frequenzdarstellung

23 Codierung von I – Frames Das menschliche Auge ist für hohe Frequenzen weniger empfindlich. Discrete Cosinustransformation II

24 Codierung von I – Frames Das menschliche Auge ist für hohe Frequenzen weniger empfindlich. je nach gewünschtem Kompressionsfaktor Vernachlässigung dieser Anteile Discrete Cosinustransformation II Wie geschieht dieses Weglassen von Hochfrequenzanteilen?

25 Codierung von I – Frames sogenannter Quantisierer sorgt für die Verringerung der DCT – Koeffizienten Koeffizienten nahe Null werden gleich Null gesetzt Dieser ganze Vorgang wird Quantisierung genannt. Quantisierung II

26 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation Bild II

27 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation 8x8 Pixelblock II

28 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation ursprüngliche Werte II

29 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation ursprüngliche Werte Transformierung DCT – Koeffizienten II

30 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation ursprüngliche Werte II Farbwerte des Pixel der x-ten Matrixzeile und y-ten Matrixspalte

31 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation DCT – Koeffizienten II Transformierte Werte in der u – ten Zeile und v – ten Spalte

32 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation ursprüngliche Werte 4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 Transformierung DCT – Koeffizienten II

33 Codierung von I – Frames Beispiel: Discrete Cosinustransformation ursprüngliche Werte 4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 Transformierung DCT – Koeffizienten DC – Komponente bzw. Gleichanteil f = 0 II

34 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression 4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 DCT – Koeffizienten II

35 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression 4050,2-0,21,3 30-0,40,7-3,2 -0,8-0,5-0,3-0,6 -2,02,2-0,5-1,6 DCT – Koeffizienten Quantisierung Ergebnismatrix II

36 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Ergebnismatrix II

37 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Ergebnismatrix II

38 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Ergebnismatrix Zickzack II

39 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Wertefolge nach Zickzack – Auslesung Lauflängen – Codierung II

40 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Wertefolge nach Zickzack – Auslesung Lauflängen – Codierung II

41 Codierung von I – Frames Beispiel: Quantisierung und Kompression Wertefolge nach Zickzack – Auslesung Lauflängen – Codierung II

42 Codierung von P – & B – Frames Motion Compensation Idee: Bildteile werden gesucht, die sich von Frame zu Frame nur verschieben, wie z.B.: sich bewegende Objekte An diese Bilder wird dann ein Bewegungsvektor weitergegeben PB Die Voraussage von P – und B – Frames geschieht mit der sog. Motion Compensation, d.h. bewegungskompensiert.

43 Codierung von P – & B – Frames Einteilung jedes Bildes in Makroblöcke aus 16x16 Pixeln makroblockweise Abtastung, in welche Richtung sich der Inhalt eines Blocks verschiebt Blöcke werden gemäß des Vektors verschoben und auf das Restbild addiert Aufteilung in Makroblöcke PB

44 Codierung von P – & B – Frames Beispiel PB

45 Codierung von P – & B – Frames Beispiel PB

46 Codierung von P – & B – Frames Beispiel PB

47 Codierung von P – & B – Frames Werden allerdings keine übereinstimmenden Vektoren gefunden, wird dieses Bild als I – Frame mittels DCT codiert. I – Frame oder P – / B – Frame PB Strebt die Differenz zwischen zwei Makroblöcken gegen Null, so wird hier der Bewegungsvektor berechnet und die Motion Compensation benutzt, um ein P – bzw. B – Frame zu codieren.

48 Codierung von P – & B – Frames Abtastverfahren PB

49 Codierung von P – & B – Frames Abtastverfahren PB

50 Schluss Vergleich von Kompressionsraten DCT + Motion Compensation: Datenrate 4 MBit/s Zum Vergleich: unkomprimierter Film mit 30 MByte/s Kompression von 60:1 ohne starken Verlust möglich: 100:1

51 Noch Fragen, Kienzle?


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