Analyse und Bewertung verschiedener wichtiger Videoformate

Diplomarbeit von Konstantin Koll

Einleitung:

Das digitale Speichern und Übermitteln von zeitsynchronen Bilddaten, also Videos, wird immer wichtiger. Vor etwa zehn Jahren, als die beiden Multimedia-Plattformen „Microsoft Video for Windows“ und „Apple QuickTime“ auf den Markt kamen, war die Wiedergabe von Videos in Briefmarkengröße und schlechter Bildqualität Stand der Technik; heute haben digitale Medien analoge Videodatenträger fast völlig verdrängt. Kinofilme werden nicht mehr nur auf analogen VHS-Kaufkassetten, sondern auch auf DVDs veröffentlicht; DVD-Player sind bei Neuanschaffungen beliebter als herkömmliche Abspielgeräte. Zur Aufnahme von Fernsehsendungen bieten sich digitale Videorecorder mit eingebauter Festplatte an. Filme stehen oft auch zum kostenpflichtigen oder illegalen Download im Internet bereit; diese Dateien werden dann zumeist über anonyme Tauschbörsen verbreitet. Zum Filmen von eigenem Videomaterial stehen auch Laien kostengünstige digitale Camcorder zur Verfügung, deren Aufnahmen in bisher unbekannter Qualität geschnitten und nachträglich mit Effekten versehen werden können.

Im Zuge dieser Entwicklung wurden verschiedenste Algorithmen und Dateiformate zur Speicherung von Videodaten entwickelt. Digitales Videomaterial ist so umfangreich, dass es in der Regel komprimiert werden muss, um überhaupt Videos in sinnvoller Länge und Qualität auf gängigen Speichermedien zu sichern. Im Laufe der Zeit wurden mehrere Ansätze zur Komprimierung entwickelt; diese Verfahren sind fast immer verlustbehaftet. Das bedeutet, dass zu Gunsten einer besseren Kompression die Bildqualität verschlechtert wird. Wünschenswert ist ein möglichst geringer Unterschied zwischen Original und komprimiertem Video, zumindest sollte einem menschlichen Betrachter der Unterschied möglichst nicht auffallen. Deshalb machen sich viele Verfahren besondere physiologische Eigenschaften des menschlichen Auges zu Nutze.

Ziel dieser Arbeit ist es, viele bedeutende Formate bezüglich verschiedener Teilgebiete zu vergleichen. Zu diesem Zweck wurden acht Testvideos erstellt und in alle zu testenden Videoformate konvertiert. Diese Videos wurden so ausgewählt, dass jeweils bestimmte Aspekte von durchschnittlichem Filmmaterial vorkommen (z.B. schnelle Bewegungen), um zu testen, wie die einzelnen Formate mit diesen Szenen umgehen. Wenn ein Format unterschiedliche Qualitätseinstellungen bietet, wurden die Videos im jeweiligen Format mehrfach mit jeweils anderen Einstellungen komprimiert.

Die erste untersuchte Eigenschaft ist der Kompressionsfaktor, den die einzelnen Formate bieten. Die erreichbare Kompression allein ist aber nur ein schlechter Indikator für die Güte eines Konstantin Koll Videoformats, denn das Erzeugen einer möglichst kleinen Datei ist nicht das eigentliche Ziel. Es geht vielmehr um die Erzeugung eines Videos in möglichst guter Qualität mit möglichst wenig Speicherplatz; hier ist also ein Tradeoff gegeben. Natürlich kann ein Video auch nur in Richtung Kompression oder nur in Hinblick auf die Bildqualität codiert werden; man kann also nicht von „dem idealen Format“ oder „dem idealen Algorithmus“ schlechthin sprechen.

Da der Kompressionsfaktor allein wenig aussagekräftig ist, wurde in einem zweiten Schritt die Bildqualität untersucht; dabei wurde sowohl die objektive als auch die subjektive Bildqualität getestet. Die objektive Bildqualität kann durch den Vergleich von Original und komprimiertem Video gemessen werden. Dieser Vergleich wurde mit Hilfe eines eigens erstellten Programms automatisiert, welches jeweils zwei Einzelbilder aus zwei Bildfolgen vergleicht und ein Histogramm der Abweichung erstellt. Nachdem alle Bearbeitungsschritte abgeschlossen sind, kommt es nicht mehr auf den Erhalt der objektiven Bildqualität an. Soll ein Film verbreitet und nur noch zur Vorführung benutzt werden, spielt einzig die subjektiv empfundene Bildqualität eine Rolle. Die subjektive Bildqualität kann nicht mehr automatisch, sondern nur durch Versuchspersonen ermittelt werden, weshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Umfrage durchgeführt wurde.

Abschließend wurden alle drei Tests in Verbindung gesetzt, um als Fazit deutliche Empfehlungen hinsichtlich der Verwendung von Videoformaten und bestimmten Kompressionsalgorithmen bezüglich verschiedener Einsatzzwecke zu geben. Vergleichstests zwischen verschiedenen Videoformaten wurden, ähnlich wie oben beschrieben, schon oft durchgeführt. Leider genügt das Niveau solcher Tests oftmals nicht wissenschaftlichen Ansprüchen, oder es handelt sich nur um einen Vergleich zwischen einigen wenigen Videoformaten. Oftmals sind auch die reinen Messergebnisse nicht zugänglich, sondern es werden nur Schlussfolgerungen veröffentlicht ohne dass eine Herleitung ersichtlich wäre.

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