Fachhochschule Wiesbaden
University of Applied Sciences
Fachbereich ... 03
Elektrotechnik
Studiengang
Fernsehtechnik und
elektronische Medien

Beurteilung der Codiereffizienz von
neuen Codierverfahren

vorgelegt von: Milovan Kristo
vorgelegt am: 18.10.2005

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 1

2. Grundprinzipien der Bildcodierung ... 4

2.1 Codierung von digitalen Bildern ... 4

2.2 Entropiecodierung ... 9
2.2.1 Lauflängencodierung ... 10
2.2.2 Huffmancodierung ... 10
2.2.3 Arithmetische Codierungen ... 11

2.3 Quellencodierung ... 13
2.3.1 Differentielle Pulsecodemodulation und Prädiktion ... 14
2.3.2 Transformationscodierung ... 15
2.3.2.1 Prinzip der Transformationscodierung ... 15
2.3.2.2 Fourier-Transformation (FT) ... 17
2.3.2.3 Wavelet-Transformation ... 19
2.3.2.3.1 Wavelets ... 20
2.3.2.3.2 Kontinuierliche Wavelet-Transformation ... 23
2.3.2.3.3 Diskrete Wavelet-Transformation (DWT) ... 25
2.3.2.3.4 Orthogonalität ... 27
2.3.2.3.5 Mehrfachauflösung ... 27
2.3.2.4 Diskrete Cosinus Transformation (DCT) ... 29
2.3.3 Layered Coding ... 36
2.3.3.1 Subsampling ... 36
2.3.3.2 Subbandcodierung ... 38
2.3.4 Quantisierung ... 40
2.3.4.1 Vektorquantisierung ... 40
2.3.4.2 Skalarquantisierung ... 42
2.3.5 Farbmodelle ... 43

2.4 Hybridcodierung ... 45

3. JPEG2000 ... 46

3.1 Einleitung ... 46

3.2 Eigenschaften ... 48

3.3 Implementationen ... 49
3.3.1 Verlustfreie und verlustbehaftete Kompression ... 49
3.3.2 Wahlfreier Zugriff ... 49
3.3.3 Progressive Bilddarstellung – Progressionsarten ... 50
3.3.4 ROI-Codierung ... 51
3.3.5 Transparenz- und Alphakanäle ... 51
3.3.6 Metadaten ... 52
3.3.7 Bildschutz ... 52
3.3.8 Fehlerrobustheit ... 52

3.4 JPEG2000 vs. JPEG ... 53

3.5 Aufbau des Codierverfahrens ... 55

3.6 Encoder ... 58
3.6.1 Bildvorbereitung ... 58
3.6.1.1 Bildoffset („Tiling“) ... 58
3.6.1.2 DC-Level-Shifting ... 60
3.6.1.3 Farbtransformation ... 60
3.6.2 Bildverarbeitung ... 63
3.6.2.1 Diskrete Wavelet-Transformation ... 63
3.6.2.2 Quantisierung ... 67
3.6.3 Entropiecodierung ... 70
3.6.3.1 Ebene 1 (Tier1-Codierung) ... 71
3.6.3.2 Ebene 2 (Tier2–Codierung) ... 75

3.7 Decoder ... 78

4. H.264 ... 79

4.1 Einleitung ... 79

4.2 Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten ... 80

4.3 Eigenschaften ... 80
4.3.1 Profiles und Levels ... 80

4.4 NAL und VCL ... 82

4.5 Makroblöcke ... 83

4.6 Intra-Frame-Prädiktion ... 84

4.7 Langzeitprädiktion ... 86

4.8 Bewegungskompensation ... 87

4.9 Transformation, Skalierung, Quantisierung ... 88

4.10 Entropiecodierung ... 90
4.10.1 Variable Length Coding ... 90
4.10.2 Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding ... 92

4.11 Deblocking-Filter (Loop-Filter) ... 93

4.12 Aufbau von H.264/AVC ... 95

5. Bildformate ... 97

5.1 High- und Standard-Definition ... 98
5.2 BMP ... 100
5.3 PPM ... 101
5.4 RGB ... 103
5.5 YUV ... 103
5.3 DPX ... 104
5.4 RAW ... 106
5.5 VIX ... 107
5.6 Motion JPEG2000 ... 109

6. Bewertungskriterien ... 111

6.1 Kompressionsfaktor ... 111
6.2 Bildsignalqualität ... 112
6.3 Subjektive Bewertungsmodelle ... 112
6.4 Objektive Bewertungsmodelle ... 113

7. Testumgebung ... 115

7.1 Testsequenzen ... 115
7.1.1 Testbild Barcelona ... 115
7.1.2 Testbild Orient ... 116

7.2 Werkzeuge ... 117
7.2.1 Hardware ... 117
7.2.2 Software ... 118
7.2.2.1 XnView ... 118
7.2.2.2 Nconvert ... 119
7.2.2.3 ImageMagick ... 120
7.2.2.4 YUVpsnr ... 121
7.2.2.5 Objective Image Assessment (O.I.A) ... 123
7.2.2.6 Kakadu ... 124
7.2.2.7 JasPer ... 125
7.2.2.8 BMP2Vix ... 126
7.2.2.9 Morgan M-JPEG2000 V3 ... 127
7.2.2.10 OpenJPEG ... 128
7.2.2.11 Motion JPEG2000 Extractor ... 129
7.2.2.12 DPXJ2K JPEG2000 Referenz Software ... 130
7.2.2.13 H.264/AVC Referenz-Software ... 131
7.2.2.14 Hexviewer XVI32 ... 132

8. SHD ImageTools V1.0 ... 133

8.1 SHD ImageTools Part1 ... 137
8.2 SHD ImageTools Part2 ... 139
8.3 SHD ImageTools Part3 ... 141

9. Quick HD V1.0 ... 149

9.1 Quick HD Part1 ... 151
9.2 Quick HD Part2 ... 153

10.Testdurchführung und Bewertung ... 155

10.1 Analyse des Generationsverhaltens ... 156
10.1.1 JPEG2000 auf SD-Basis ... 156
10.1.1.1 Testablauf ... 157
10.1.1.2 Anwendungsebene mit Codierparameter ... 158
10.1.1.3 Messung ... 160
10.1.1.4 Testergebnisse ... 162
10.1.1.4.1 JPEG2000 Messreihe Barcelona 5/3-Filter ... 162
10.1.1.4.1.1 Diagrammanalyse ... 164
10.1.1.4.2 JPEG2000 Messreihe Barcelona 9/7-Filter ... 165
10.1.1.4.2.1 Diagrammanalyse ... 166
10.1.1.4.3 Generationsverhalten JPEG2000 (SD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter im direkten Vergleich ... 168
10.1.2 JPEG2000 auf HD-Basis ... 169
10.1.2.1 Testablauf ... 170
10.1.2.2. Anwendungsebene mit Codierparameter ... 171
10.1.2.3. Messung ... 173
10.1.2.4 Testergebnisse ... 175
10.1.2.4.1 JPEG2000 Messreihe Orient 5/3-Filter ... 175
10.1.2.4.1.1 Diagrammanalyse ... 177
10.1.2.4.2 JPEG2000 Messreihe Orient 9/7-Filter ... 178
10.1.2.4.2.1 Diagrammanalyse ... 179
10.1.2.4.3 Generationsverhalten JPEG2000 (HD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter im direkten Vergleich ... 181
10.1.3 H.264 auf HD-Basis ... 182
10.1.3.1 Testablauf ... 182
10.1.3.2 Anwendungsebene mit Codierparameter ... 183
10.1.3.3 Messung ... 188
10.1.3.4. Testergebnisse ... 189
10.1.3.4.1 H.264 Messreihe Orient Loop-Filter ... 189
10.1.3.4.1.1 Diagrammanalyse ... 191
10.1.3.4.2 H.264 Messreihe Orient NoLoop-Filter ... 192
10.1.3.4.2.1 Diagrammanalyse ... 193
10.1.3.4.3 Generationsverhalten H264 (HD) Messreihe Orient Loop-Filter vs. NoLoop-Filter im direkten Vergleich ... 195

10.2 Analyse der Kompressionsverfahren ... 198
10.2.1 JPEG2000 auf SD-Basis ... 198
10.2.1.1 Testablauf ... 199
10.2.1.2 Anwendungsebene mit Codierparametern ... 200
10.2.1.3 Messung ... 202
10.2.1.4 Testergebnisse ... 204
10.2.1.4.1 JPEG2000 Messreihe Barcelona 5/3-Filter ... 204
10.2.1.4.1.1 Diagrammanalyse ... 205
10.2.1.4.2 JPEG2000 Messreihe Barcelona 9/7-Filter ... 206
10.2.1.4.2.1 Diagrammanalyse ... 207
10.2.1.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von JPEG2000 (SD) Messreihe Barcelona 5/3-Filter vs. 9/7-Filter ... 208
10.2.2. JPEG2000 auf HD-Basis ... 209
10.2.2.1 Testablauf ... 209
10.2.2.2 Anwendungsebene mit Codierparametern ... 210
10.2.2.3 Messung ... 212
10.2.2.4 Testergebnisse ... 214
10.2.2.4.1 JPEG2000 Messreihe Orient 5/3-Filter ... 214
10.2.2.4.1.1 Diagrammanalyse ... 215
10.2.2.4.2 JPEG2000 Messreihe Orient 9/7-Filter ... 216
10.2.2.4.2.1 Diagrammanalyse ... 217
10.2.2.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von JPEG2000 (HD) Messreihe Orient 5/3-Filter vs. 9/7-Filter ... 218
10.2.3 H.264 auf HD-Basis ... 220
10.2.3.1. Testablauf ... 220
10.2.3.2 Anwendungsebene mit Codierparametern ... 221
10.2.3.3 Messung ... 226
10.2.3.4. Testergebnisse ... 228
10.2.3.4.1 H264 Messreihe Orient Loop-Filter ... 228
10.2.3.4.1.1 Diagrammanalyse ... 229
10.2.3.4.2 H264 Messreihe Orient NoLoop-Filter ... 230
10.2.3.4.2.1 Diagrammanalyse ... 231
10.2.3.4.3 Direkter Vergleich über den Kompressionsfaktor von H.264(HD) Messreihe Orient Loop-Filter vs. NoLoop-Filter ... 232

10.3 Analyse der Qualitätverluste bei einer Bearbeitung ... 234
10.3.1 Testablauf ... 235
10.3.1.1 Horizontale Spiegelung auf HD-Basis ... 236
10.3.1.2 Farbtausch der RGB-Farbkomponenten auf HD-Basis ... 237
10.3.1.3 Adaptive Farben auf SD-Basis ... 239
10.3.1.4 Gerasterte Farben auf SD-Basis ... 241

10.4 Analyse der Qualitätsverluste bei einer wavelettransformierten und einer normierten Skalierung ... 244
10.4.1 Testablauf bei Skalierung auf DWT-Basis ... 244
10.4.2 Testablauf bei normierten Skalierungsgrößen ... 247
10.4.3 Messung ... 249
10.4.4Testergebnisse und Diagrammanalyse ... 250

11. Fazit ... 252

Anhang ... 254

A1: Literatur- und Quellenverzeichnis ... 254
A2: Abkürzungsverzeichnis ... 260
A3: Quellcode ... 262
A4: Konfigurationsdateien ... 266
A5: Batch-Programme ... 268
A6: Diagramme ... 277

I. Abbildungsverzeichnis ... 285

II. Diagrammverzeichnis ... 289

III. Tabellenverzeichnis ... 290

IV. Gleichungsverzeichnis ... 291

1. Einleitung

Der Ausspruch „Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“ ist die beste Umschreibung der Bedeutsamkeit des Mediums der Bildkommunikation. Dieses Medium besitzt wie kein anderes einen nachhaltigen Einfluß auf Meinungsbildung, geistige Entwicklung und Erziehung. Die heutigen revolutionären Errungenschaften auf dem Gebiet der Kino- und Fernsehunterhaltung zeichnen sich durch die Möglichkeiten der neuen Digitaltechnik ab. Durch das Zusammenführen der Fernseh- und Computertechnik entstehen völlig neue Kommunikationsformen.

Die bisherigen Kommunikationsformen in der digitalen Fernsehtechnik waren mit einem sehr großen Aufwand an Datentransfer verbunden. Die rasante Entwicklung von Speicher- und Übertragungsmedien stößt in der praktischen Anwendung oft an Leistungsgrenzen. Die Technologien zur effizienten Datenkompression werden immer wichtiger. Neben den technischen Aspekt spielt der enorme Datentransfer im Betrieb und in der Unterhaltung einen nicht gerade unerheblichen Kostenfaktor. Das ständige Bestreben der Kostenminimierung führt dazu, dass es sehr viele hoch entwickelte Bildverarbeitungstechniken gibt, die zu einer sehr effektiven Codierung der Bild- und Videodaten führen. Das grundlegende und gemeinsame Ziel der Bildverarbeitungstechniken ist neben der Skalierbarkeit und Fehlerkorrektur die Datenkompression. Durch die Reduktion der Datenmenge können weniger leistungsfähige Rechenumgebungen und Übertragungswege in die Netzwerke der Bildübertragung integriert werden. Die stetig wachsende Rechenleistung der modernen Computertechnik ermöglicht den Einsatz dieser Algorithmen auch in Echtzeitanwendungen. Bei vielen Anwendungen, in denen Bild- und Videobearbeitungsverfahren zum Einsatz kommen, ist eine strenge Standardisierung der verwendeten Methoden und Formate erforderlich. Diese einheitlichen Standards werden sowohl in der Fernsehtechnik, als auch zur Übertragung von Videoströmen in Computernetzwerken benötigt.

Leider gibt es in der digitalen Fernsehtechnik in Bezug auf die Produktion und

Bearbeitung von Bild- und Videosequenzen keinen definierten Standard für die Codierung.

Es ist nur der Codierstandard zur senderseitigen Übertragung des Bild- und Videosignals definiert. Bei diesem Codierstandard zur Übertragung eines Bild- oder Videosignals wurde eine Komprimierung mit dem Codierverfahren MPEG2 vorgesehen. Die Übertragung dieses Signals erfolgt mit der Standardauflösung von 720 x 576. Diese Standardauflösung ist für SD-Formate (Standard Definition) ausreichend. Aber was ist mit HD-Formaten (High Definition)?

In naher Zukunft müssen bei der Übertragung sowohl auf der Senderseite als auch bei der Empfängerseite Änderungen vorgenommen werden. Diese Änderungen sind aufgrund der hochauflösenden HD-Formate, die an Bedeutung immer mehr gewinnen, notwendig. Dadurch wird dem Fernsehkonsument das Empfangen des qualitativ hochwertigen HDTV (High Definition Television) ermöglicht. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, ist eine Investition in neue Hardware auf der Sender- und Empfängerseite erforderlich. Weitere Investitionen entstehen durch die enormen Datenmengen, die in der HDTV erzeugt werden. Neue Kompressionsverfahren und höhere Datenraten in der Übertragung müssen eingesetzt werden. Diese Anforderungen entlasten die knappen Kapazitäten der Satelliten. Die Qualität der übertragenen Fernsehprogramme steigt und durch die kleineren Bandbreiten werden weitere Kanäle geschaffen. Von diesen Vorteilen profitieren nicht nur die Fernsehsender sondern auch die Fernsehkonsumenten. Aufgrund der hohen Anzahl an Nachbarländern und vieler Regionalsender existiert beispielsweise in Deutschland eine enorme Auslastung der bestehenden Sendefrequenzen. Die Übertragung von HDTV-Inhalten belegt bei herkömmlichem MPEG-2-Codierverfahren gleich fünf normale Kanäle. Nicht nur die Bilddatenübertragung sondern auch die Bilddatenspeicherung im HDTV-Format hat ihren Nutzen am neuen Standard.

Die Speicherung ist nicht mehr allein von der Neuentwicklung von DVDs mit hoher Speicherkapazität abhängig. Hierfür eignet sich das H.264/AVC als Kompressionsverfahren.

Wie bereits erwähnt ist die Datenreduktion das grundlegende und gemeinsame Ziel der Bildverarbeitungstechniken. Da die Hersteller von Technik für den Studiobereich nicht einen einheitlichen Standard zur Datenreduktion verwenden, läßt sich der gleichzeitige Einsatz unterschiedlicher Kompressionsverfahren innerhalb eines Studiobereichs nicht vermeiden. Eine solche Kaskadierung von Datenreduktionsverfahren ist nicht nur beim Wechsel auf ein anderes Kompressionsverfahren gegeben sondern auch bei mehreren Wiederholungen des Encodier- und Decodiervorgangs innerhalb eines Verfahrens. Diese Kaskadierungsart entsteht bei der Erzeugung von mehreren Generationen. Die Generationenzahl entspricht der Anzahl der kaskadierten Codecs. Diese Art der Bearbeitung ist stark an das Videoband gebunden und wird heutzutage für Magazin- und Nachrichtensendungen verwendet. Die Eingangssignale werden aufgezeichnnet und anschließend kopiert. Es werden Arbeitskopien, das Sendeband und Archivkopien für das Archiv erzeugt. Diese Kopiervorgänge verschlechtern die Bild- und Tonqualität des aufgezeichneten Beitrages.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Kaskadierung von verschiedenen Kompressionsverfahren und das Generationsverhalten bei variierenden Kompressionsfaktoren hinsichtlich der Bildqualität und der Qualitätsverluste bei den Kompressionsverfahren analysiert werden. Die Analyse der Codiereffizienz von neuen Codierverfahren erfolgt mit verschiedenen Testsequenzen für SD- und HD-Formate. Bei allen Codierverfahren soll das codierte Ausgangsbild mit dem Eingangsbild verglichen. Der Vergleich wird mit der Messung des Signalrauschabstands durchgeführt. Anhand des Signalrauschabstands lassen sich die entstehenden Qualitätsverluste objektiv beurteilen. In dieser Arbeit werden die Qualitätsuntersuchungen der Codierverfahren JPEG2000 und H.264/AVC durchgeführt.

2. Grundprinzipien der Bildcodierung

Dieses Kapitel gibt eine Einführung in die Repräsentation und die Grundprinzipien der Codierung von digitalen Bildern. Es werden alle die in dieser Diplomarbeit verwendeten Verfahren zur Datenreduktion und Datenkompression beschrieben. Eine umfassende Einführung in die digitale Bildverarbeitung und die Codierungstheorie ist im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht möglich. Hierzu sei auf die Fachliteratur von Jens-Rainer Ohm, Digitale Bildcodierung verwiesen.

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