Video-Codecs und Dateiformate

Gut verpackt

von Martin Loschwitz und Hans-Georg Eßer

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Moderne DVD-Player spielen nicht nur Film-DVDs ab, sondern beherrschen meist auch weitere Video-Formate, zum Beispiel DivX, AVI und MPEG-2. Wir erklären, was es mit Video-Codecs, TV-Formaten und "Containern" auf sich hat.

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Wer kennt sie nicht: schillernde Werbeprospekte, in denen DVD-Player der "neuesten Generation" beworben werden. Die können natürlich nicht nur DVDs abspielen, sondern unterstützen neben Audio- und MP3-CDs auch Kodaks PhotoCD sowie diverse Video-Dateiformate. SVCD, VCD und DivX sind die am häufigsten gelesenen Abkürzungen. Noch größer ist die Auswahl der Formate, die Video-Player für den PC wie MPlayer und Xine beherrschen.

Viele große Platten

Eine halbe Stunde Fernsehen im PAL-Format mit 768x576 Pixeln belegt bei digitaler Speicherung mit 16 Bit Farbtiefe stolze 37 GByte: Ein Einzelbild benötigt (unkomprimiert) 864 KByte (768x576x2; 2 Byte für 16 Bit pro Pixel), eine Sekunde mit 25 Vollbildern also ca. 21 MByte [1]; bei 24 Bit Farbtiefe vergrößert sich der Speicherbedarf um 50 %. Dazu kommt noch der Ton, die obige Rechnung berücksichtigt nur die Bilder.

Solche Datenmengen sind selbst bei den heute üblichen Festplatten im 200-GByte-Bereich viel zu viel für die Archivierung längerer Video-Sequenzen: Es passen nur knapp drei Stunden, also gerade mal zwei Spielfilme in unkomprimierter Form auf solche Platten.

Um weniger Platz zu verbrauchen, muss man das Ausgangsmaterial verkleinern -- das kann man auf verschiedene Weisen erledigen.

• Eine Reduzierung der Anzahl der Bilder pro Sekunde ist theoretisch möglich, führt aber schnell zu ruckeligen Bewegungen.
• Verkleinert man die Pixelzahl der Einzelbilder, spart man Platz, verliert aber spürbar an Qualität. Video-CDs (VCD) arbeiten zum Beispiel mit der niedrigeren Auflösung 352x288 [3].
• Der beste Weg ist die Verwendung eines Video-Kompressionsverfahrens. Diese rechnen Video-Dateien in kleinere Dateien mit gleicher Auflösung (Pixelzahl) um, nehmen dabei aber Qualitätsverluste in Kauf -- ähnlich wie ein JPEG-Bild sehr klein ist aber im Vergleich zu einer PNG-Datei Bildfehler aufweist.

Codecs

Kompressionsalgorithmen gibt es viele; ein Programm, das Videos verkleinern und auch wieder "auspacken" kann, heißt Codec (Compressor / Decompressor) [4]. Codecs verwenden moderne mathematische Methoden aus der Informationstheorie, darunter Bildkompression und Bewegungskompensation [6]. Letztere nutzt die Tatsache aus, dass sich aufeinander folgende Bilder in einer Video-Datei nur in Details unterscheiden -- ein Großteil des Folgebilds ist also redundant.

Bewegt sich beispielsweise vor einem unveränderlichen Hintergrund ein kleines Objekt über den Bildschirm, speichert man nur die Ausgangsposition und die Bewegung des Objekts. Mit der Kombination aus Vorgängerbild, Ausgangsort und Bewegungsvektor kann man dann das neue Bild wieder berechnen.

Wichtig für Anwender ist das Wissen, dass es verschiedene Codecs gibt und kein Video-Player "beliebige" Videos abspielen kann, sondern stets den Codec unterstützen muss, mit dem die Video-Datei komprimiert wurde.

Container-Formate

Neben der Komprimierung gibt es auch beim Aufbau einer Video-Datei verschiedene Ansätze. Am Dateityp kann man oft erkennen, welche Struktur eine Video-Datei verwendet: Auch damit muss ein Wiedergabeprogramm umgehen können. Ein typisches Container-Format ist AVI ("Audio Video Interleave", Microsoft): Aus der Dateiendung .avi kann man nicht ablesen, welcher Codec verwendet wurde, sondern weiß nur, dass Audio- und (komprimierte) Video-Informationen einer Microsoft-Spezifikation [7] folgend zu einer Datei zusammengebaut wurden.

Vielfalt und Patentomanie

Einige Video-Codecs und Container-Formate sind patentiert, darum gibt es bei großen Herstellern einen Hang dazu, ein eigenes Video-Format zu schaffen und auf dem Markt durchzusetzen -- dann ist man unabhängig von eventuellen Patenten anderer Anbieter. Ein Beispiel dafür ist ASF (Advanced Systems Format), ein von Microsoft patentiertes [8] Container-Format, das unter anderem WMV-Dateien (Windows Media Video) verwenden.

Ein weiterer Faktor, der zur Entwicklung sehr vieler Video-Codecs geführt hat, ist die Tatsache, dass im Rahmen der Forschung und Weiterentwicklung immer bessere Video-Qualität bei niedrigerem Speicherbedarf erreicht wird. Das erklärt auch, warum viele aktuelle Codecs nicht grundlegend neu erschaffen wurden, sondern "Nachkommen" älterer Codecs sind.

MPEG-2

MPEG-2 erlangte in kürzester Zeit sehr große Beliebtheit und Verbreitung -- nicht zuletzt, weil zum Beispiel DVDs dieses Format verwenden. MPEG-2 erreicht bei vergleichsweise guter Komprimierrate ausgezeichnete Resultate -- und das bei einer hohen Auflösung. Video-DVDs haben oft zwei Schichten, also eine Größe von ungefähr 9,4 GByte; schon einschichtige DVDs speichern über zwei Stunden Video-Material. Auch beim Digitalfernsehen (DVB) strahlen die Sender MPEG-2-kodierte Programme aus.

DivX-AVIs

Großer Bekanntheit erfreut sich auch der DivX-Codec, weil er viel stärker komprimiert als MPEG-2 und dabei noch eine gute Qualität erreicht. Im Billigsegment der DVD-Player unterstützt heute fast jedes Gerät DivX.

DivX-Videos verstecken sich zumeist in AVI-Containern, und Nutzer müssen zum Abspielen ein spezielles Codec-Paket aus dem Netz auf den Rechner laden. Wer Videos selbst ins DivX-Format konvertieren will, benötigt einen schnellen Rechner: Während ein Video auf einem aktuellen Rechner noch recht schnell in MPEG-2 umgewandelt wird, dauert die Kodierung eines zweistündigen Films ins DivX-Format bis zu zwölf Stunden.

QuickTime, Real, WMV ...

Neben MPEG-2 und DivX, den bekanntesten Video-Codecs, ist die Flut der Codecs, die mal im AVI-Container und mal ohne auftreten, kaum noch zu überblicken. Die meisten Codecs sind solche, die der Hersteller als Standard durchsetzen will. Ein gutes Beispiel ist Apples QuickTime-Format, das außerhalb der Apple-Welt nicht weit verbreitet ist -- im Internet stößt man eher selten auf QuickTime-Filme.

Aus der Windows-Welt ist das WMV-Format bekannt, das fast alle Windows-Programme einsetzen. Es ist das einzige Format, das der Windows Media Player ohne Hilfsmittel abspielt. Hat man kein Windows, ist man auf den entsprechenden Codec von Microsoft angewiesen -- Linux zeigt WMV-Videos nur nach Umgehen einiger Hürden an.

WMV wird oft für Video-Streams genutzt, die Tagesschau bietet zum Beispiel die Möglichkeit, die jeweils letzte Sendung als WMV-Stream anzuschauen -- oder als Real-Stream. Das Real-Format von RealNetworks [9] wurde von Anfang an für Video-Streaming (beispielsweise von Live-Übertragungen) entwickelt. Auch für Real-Videos benötigt man einen Codec vom Hersteller; RealNetworks bietet einen aktuellen Real-Player für Linux an.

MPlayer [10] spielt unter Linux die meisten Video-Codecs ab. Es gilt nur, dem Player die passenden Dateien als Video-Codec zur Verfügung zu stellen. Hinweise dazu finden Sie im MPlayer-Artikel ab Seite 18 in dieser Ausgabe.

Abb. 1: MPlayer bringt man mit passenden Codecs dazu, die gängigen Video-Formate abzuspielen. Das Bild zeigt die Liste der Codec-Bibliotheken für Formate wie WMV, QuickTime und Real.

VCD und SVCD

Zusammen mit MPEG, AVI und DivX finden man auf den Verpackungen der Abspielgeräte oft auch die Kürzel VCD und SVCD. Das sind keine weiteren Video-Formate, sondern Standards, die das Speichern von Video-Material auf CD beschreiben.

Im Wesentlichen geht es also um ein Datenträgerformat, das es den Nutzern erlaubt, Videos auf eine CD zu brennen und anschließend auf jedem Gerät abzuspielen, das dieses Format unterstützt. VCD ist das ältere der beiden und nutzt als Format MPEG-1, den Vorgänger von MPEG-2. SVCD verwendet die neuere Variante. Auflösung, Zahl der Bilder pro Sekunde und Tonqualität sind strikt festgelegt und können nicht verändert werden.

PAL und NTSC

Schließlich noch ein Wort zu den Auflösungen, die in Verbindung mit dem Thema Videobearbeitung immer wieder angesprochen werden: PAL und NTSC [11] haben mit Videoformaten wie MPEG-2 oder Datenträgerstandards wie VCD und SVCD nichts zu tun; die beiden Standards sind Fernsehnormen, die beschreiben, in welchem Format Fernsehprogramme ausgestrahlt werden. PAL ist eine Standard-Fernsehnorm in Europa, NTSC ist das in US-amerikanische System. Bilder und damit Videos, die im NTSC-Format vorliegen, lassen sich auf einem PAL-Fernseher nur unzureichend darstellen; die Proportionen stimmen zum Beispiel nicht. Die Fernsehnorm legt verschiedene Parameter eines Bildes fest, so zum Beispiel die Auflösung und die Bildwiederholrate: Die Unterschiede liegen zum Teil an den verschiedenen Frequenzen im europäischen Stromnetz (50 Hz) und in den USA (60 Hz). (hge)

Infos

[1] Michael Köck: Einführung in die Videobearbeitung, Kath. Univ. Eichstätt/Ingolstadt, http://www.ku-eichstaett.de/ (lange URL; Google-Suche nach "Köck" und "Videobearbeitung") [2] Videoschnitt-Seite der Universität Köln, http://www.uni-koeln.de/rrzk/multimedia/dokumentation/video/video.html [3] Videoformat-Vergleichstabelle, http://www.videohelp.com/comparison.htm [4] Englischer Wikipedia-Artikel zu Video-Codecs: http://en.wikipedia.org/wiki/Video_codec [5] Deutsche Wikipedia zu Videokompression: http://de.wikipedia.org/wiki/Videokompression [6] Englischer Wikipedia-Artikel zu "motion compensation": http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_compensation [7] AVI-Format, Microsoft: http://www.microsoft.com/whdc/archive/dvavi.mspx [8] Microsoft-ASF-Patent: http://www.patentstorm.us/patents/6041345.html [9] Real Player: http://www.real.com/ [10] MPlayer: http://www.mplayerhq.hu/homepage/design7/dload.html [11] Informationen zu PAL und NTSC: http://www.dvd-tipps-tricks.de/main/info-bildformate.php

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