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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK MPEG-Standards. Vergleichsdaten
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien Die Komprimierung digitaler Videosignale (man sagt auch Bilder) wird schon seit geraumer Zeit und in großem Umfang eingesetzt. Beispielsweise wird für die Übertragung hochwertiger Fernsehprogramme über Satellitenkanäle des digitalen Fernsehens überwiegend eine Kodierung nach dem MPEG-2-Standard verwendet. Weitere Standards zur Verarbeitung (Komprimierung) von Video- und Audiosignalen und deren Implementierung werden im veröffentlichten Material beschrieben. Die relativ geringe Bandbreite terrestrischer Fernsehkanäle und der relativ geringe Speicherplatz digitaler Signalträger führen zu erheblichen Einschränkungen bei der Verbreitung hochwertiger Videoinformationen. Um dieses Problem zu lösen, wird die „Komprimierung“ von Videosignalen verwendet – eine spezielle Kodierung, die die Menge an digitalen Informationen reduziert, ohne dass sich die Qualität der wiedergegebenen Bilder merklich verschlechtert. Die Kodierungsstandards mit der allgemeinen Bezeichnung MPEG sind derzeit die am weitesten verbreiteten. Die angewandte Methode zur effizienten Kodierung digitaler Videosignale besteht darin, die den Videobildern innewohnende räumliche und zeitliche Redundanz zu beseitigen und dadurch die von Videosignalen eingenommene Lautstärke zu reduzieren. Hinter einer leicht wissenschaftlichen Definition des Konzepts der „Komprimierung“ von Videosignalen (Bildern) verbirgt sich ein auf den ersten Blick relativ einfacher Vorgang: sich wiederholende Fragmente und redundante Informationen in einem Videosignal zu identifizieren und sie entsprechend zu verarbeiten. Das einfachste Beispiel. Ändert sich das Videosignal über einen bestimmten Zeitraum nicht, reicht es aus, es nur einmal zu übertragen oder aufzuzeichnen, also ein Bild aufzunehmen und es mit einer kleinen Erklärung zu ergänzen: „Merken Sie sich das Bild und wiederholen Sie es so oft.“ ." Die Einsparungen beim Umfang der aufgezeichneten oder übertragenen digitalen Informationen liegen auf der Hand. Der nächste Schritt ist die Verarbeitung der sich ändernden Bilder. Hier ist die Aufgabe schwieriger, aber auch lösbar. Zwei (zeitlich) benachbarte Bilder (Frames von Videosignalen) können verglichen werden und anstelle des zweiten kann nicht das gesamte Frame übertragen werden, sondern nur das, was sich darin im Vergleich zum ersten geändert hat. Es ist offensichtlich, dass Informationen über Änderungen im Bild (Videosignal) einen geringeren Umfang einnehmen als Informationen über ein Vollbild. Bei sich nicht sehr schnell ändernden Bildern ist der Effekt deutlich spürbar. Und solche Handlungsstränge sind in den meisten Videofilmen vorherrschend: Radikale Veränderungen in benachbarten Bildern treten nur dann auf, wenn sich die Handlung ändert. Hinzu kommt die Möglichkeit, Frames mit Zwischenzuständen der Handlung zu synthetisieren (aus dem Bereich der Computergrafik), was die Möglichkeiten der Videosignalkomprimierung weiter erweitert. Natürlich ist hier die Einfachheit offensichtlich. Die praktische Umsetzung der Videosignalkomprimierung erfordert die komplexeste Mathematik, spezialisierte ultragroße integrierte Schaltkreise usw. Dies betrifft jedoch die Benutzer nicht – sie ernten nur die Früchte langjähriger harter Arbeit von Spezialisten aus vielen Ländern der Welt. Der Name MPEG stammt von der Moving Pictures Experts Group, einer Arbeitsgruppe, die von der International Standards Organization in Zusammenarbeit mit der International Electrotechnical Commission gegründet wurde, um Videokomprimierungsstandards zu entwickeln. Bevor der erste von dieser Gruppe entwickelte Standard – MPEG-1 – in der internationalen Praxis aufkam, wurden die Standards H.261 und JPEG zur Komprimierung von Videosignalen verwendet. Der erste wurde für Telekommunikationssysteme entwickelt und wird hauptsächlich für Bildtelefone, Telefonkonferenzen usw. verwendet. Der JPEG-Standard wurde von einer anderen Arbeitsgruppe benannt – der Joint Photographic Experts Group („Joint Photographic Experts Group“). Obwohl sich dieser Standard auf die Kodierung von Standbildern bezieht, waren die darin verwendeten Lösungen für die Entwicklung des MPEG-1-Standards sehr wichtig, da sie Möglichkeiten aufzeigten, redundante räumliche Informationen ohne merklichen Qualitätsverlust aus einem Videosignal zu entfernen. Der JPEG-Standard wird häufig in Computern, Digitalkameras und Farbfaxen verwendet und wird auch im Internet verwendet. Der MPEG-1-Standard wurde entwickelt, um 74 Minuten Video (mit begleitendem Audio) auf CDs mit Bitraten von bis zu 1,5 Mbit/s aufzuzeichnen. In diesem Standard werden zehn benachbarte Frames gleichzeitig verarbeitet, um Redundanz zu beseitigen. Der MPEG-1-Standard ermöglicht eine 100- bis 150-fache Komprimierung digitaler Videoinformationen. Das nächste Produkt der MPEG-Gruppe war der MPEG-2-Standard, der bereits für den universellen Einsatz geschaffen wurde – für die Telekommunikation, den Rundfunk und die Speicherung von Informationen auf verschiedenen Medien. Es unterstützt Übertragungsraten bis zu 4 Mbit/s. Die Qualität des wiedergegebenen Bildes, die dieser Standard bietet, ermöglicht die Verwendung sogar im hochauflösenden Fernsehen. Der MPEG-2-Standard wurde bereits für digitale Fernsehübertragungen (DVB – Digital Video Broadcasting) und universelle Video-Discs (DVD – Digital Versatile Disc) übernommen. Eines der Merkmale dieses Standards ist eine dynamische Änderung der Geschwindigkeit der Informationsübertragung. Dies ermöglicht eine gleichbleibend hohe Bildqualität bei einer relativ niedrigen durchschnittlichen Datenrate. Bei konstanter Übertragungsrate muss diese entweder übermäßig erhöht werden und dadurch die Komprimierungseffizienz sinken, oder nicht sehr hoch gewählt werden und bei schnellen Handlungswechseln ein Qualitätsverlust in Kauf genommen werden. Derzeit ist die MPEG-Gruppe damit beschäftigt, den MP EG-4-Standard zu entwickeln, der als „intelligente Informationskomprimierung“ definiert ist und für den Einsatz in Telekommunikationssystemen (hauptsächlich in Mobil- und Wearables) gedacht ist. Es unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 64 kb/s. Obwohl die Hauptaufgaben von MPEG im Bereich der Videokomprimierung liegen, legen Entwickler auch großen Wert auf die Audiokomprimierung. Und das ist selbstverständlich, denn in den meisten Fällen sind Bild und Ton untrennbar miteinander verbunden. Beispielsweise werden die Standards MPEG-1 Audio und MPEG-2 Audio für die Aufnahme von Videofilmen auf DVDs akzeptiert, die CDs ersetzen. Der MPEG-1-Audiostandard wurde fast zeitgleich mit MPEG-2 entwickelt und ermöglicht das „Anhängen“ von Stereo-Audioinformationen an Videodaten. Gleichzeitig liegt ihre Übertragungsgeschwindigkeit im Bereich von 128 ... 384 kb/s (2 Kanäle). Dieser Standard wird häufig für die Aufnahme von Videofilmen auf CDs sowie für die digitale Audioübertragung in Europa und Kanada verwendet. Der MPEG-2-Audiostandard ist ein „Begleiter“ des MPEG-2-Standards. Es ist mit MPEG-1 Audio kompatibel, verfügt jedoch über eine Reihe funktionaler Ergänzungen, die für hochwertige Audioübertragungen und hochauflösendes Fernsehen erforderlich sind. Ein weiterer von der MPEG-Gruppe entwickelter Standard ist MPEG-2 Digital Surround. Es funktioniert mit 5.1 Digital Surround Audio, das über drei vordere Kanäle, zwei vollständige hintere Kanäle und einen „Subwoofer“ (genannt „0.1-Kanal“, daher die 5.1-Bezeichnung) verfügt.
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