H.264 ist Magie (2016)

H.264 ist Magie

Was ist H.264?

• H.264 ist ein Standard für Video-Kompressions-Codecs.
• Es wird fast überall eingesetzt, etwa bei Internetvideos, Blu-ray, Mobiltelefonen, Überwachungskameras und Drohnen.
• Das Ziel, das Ergebnis von mehr als 30 Jahren Forschung, ist es, die für die Übertragung von Full-Motion-Video benötigte Bandbreite zu verringern.

Warum ist Kompression nötig?

• Unkomprimierte Videodateien enthalten enorme Datenmengen.
• Ein 1080p-Video mit 60 Hz erzeugt zum Beispiel etwa 370 MB Daten pro Sekunde.
• Eine 50-GB-Blu-ray-Disc kann nur etwa 2 Minuten Video speichern.
• Deshalb ist Kompression notwendig.

Warum H.264-Kompression?

• H.264 ist sehr effizient.
• Ein PNG-Screenshot der Apple-Website ist zum Beispiel 1015 KB groß, während ein 5 Sekunden langes H.264-Video desselben Bildschirms 175 KB groß ist.
• Ein H.264-Video ist 1500-mal effizienter als PNG.

Die wichtigsten Techniken von H.264

Gewichtsreduktion (Lossy Compression)

• H.264 verwendet verlustbehaftete Kompression, bei der unwichtige Bits verworfen und nur wichtige Bits beibehalten werden.
• PNG verwendet verlustfreie Kompression und behält alle Bits bei.

Informationsentropie

• Informationsentropie bezeichnet die minimale Anzahl an Bits, die zur Darstellung von Daten erforderlich ist.
• Sie ist eine Methode, Daten zu komprimieren und Redundanzen zu verringern.

Frequenzbereich (Frequency Domain)

• Daten werden in den Frequenzbereich umgewandelt, um hochfrequente Anteile (Details) zu entfernen.
• Dadurch gehen Bilddetails verloren, aber es wird Speicherplatz gespart.

Chroma Subsampling

• Das menschliche Auge erkennt Helligkeitsänderungen besser als Farbänderungen.
• Mit dem YCbCr-Farbmodell werden Farbinformationen reduziert, während Helligkeitsinformationen erhalten bleiben.
• Dadurch kann die Bandbreite halbiert werden.

Bewegungskompensation (Motion Compensation)

• Der größte Teil eines Videos ist statisch, und nur ein Teil bewegt sich.
• H.264 speichert statische Bilder und legt nur die bewegten Bereiche separat ab.
• Dadurch wird Platz gespart.

Entropy Coder

• Entfernt die nach der verlustbehafteten Kompression verbleibenden redundanten Informationen.
• Mit einem allgemeinen verlustfreien Encoder können alle Daten wiederhergestellt werden.

Meinung von GN⁺

• Effizienz von H.264: H.264 ist bei der Videokompression äußerst effizient und kann Bandbreite sowie Speicherplatz erheblich einsparen.
• Komplexität der Technik: Die verschiedenen technischen Elemente von H.264 können schwer zu verstehen sein, aber das Verständnis der Grundprinzipien hilft sehr.
• Vergleich mit anderen Codecs: Neuere Codecs wie H.265 bieten eine höhere Kompressionseffizienz als H.264. Dennoch ist H.264 weiterhin weit verbreitet.
• Praktische Anwendung: Der Einsatz von H.264 bei Video-Streaming, Speicherung und Übertragung ist sehr üblich und kann dadurch erhebliche Kosteneinsparungen bringen.
• Ausblick: Die Technologie der Videokompression entwickelt sich ständig weiter, und es ist gut möglich, dass noch effizientere Codecs erscheinen. Die Prinzipien von H.264 zu verstehen, hilft beim Erlernen neuer Technologien.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Vorteile von AV1: AV1 bietet magische Leistung bei besserer Lizenzierung.
• Einsatz bei Meta: Meta führt VP9- und AV1-Streams schrittweise für Video-Streaming ein.
• Microsoft Teams: Microsoft hat begonnen, AV1 in Teams zu verwenden, und bietet damit insbesondere für Bildschirmfreigaben nützliche Videocodierungs-Tools.
• YouTube-Videos: Die meisten Videos, die man heute auf YouTube sieht, sind in VP9 oder AV1 kodiert. Gelegentlich gibt es auch H.264-Videos.
• Die Zukunft von H.264: H.264 wird wohl noch lange genutzt werden, aber AV1 dürfte zum neuen Standard für Internetvideos werden.
• Ablauf der H.264-Patente: Viele Patente auf H.264 werden bald auslaufen. Die erste Version wurde 2003 veröffentlicht, und Patente gelten üblicherweise 20 Jahre.
• Frage zu H.265: H.265 bietet eine höhere Effizienz, wird aber weiterhin mit H.264 verglichen.
• Frühe Erfahrungen mit H.264: Als H.264 erstmals aufkam, versuchte man, Dateien mit mplayer abzuspielen, aber die frühen Versionen unterstützten es nicht. Später verbesserte sich die Leistung deutlich.
• Beispiel für Datenkompression: Das Konzept der Datenkompression wird anhand eines Münzwurf-Beispiels erklärt.
• Der Kern von Codecs: Der Kern verlustbehafteter Kompression ist die Kombination aus diskreter Kosinustransformation, Quantisierung, Zickzack-Scanning und Entropiekodierung.
• Effizienz von VVC: VVC ist 20–30 % effizienter als AV1 und wird bei Indiens MXPlayer bereits eingesetzt.
• Eine Geschichte zur Videokompression: Es wird von einem Interview mit einem Unternehmen berichtet, das 1999 einen neuen Videokompressionsalgorithmus entwickelt hatte. Das Unternehmen scheiterte letztlich, aber sein Ansatz war interessant.
• Begriff Informationsentropie: Die Verwendung des Begriffs „Informationsentropie“ wirkt etwas merkwürdig.