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Eine Schlüsseltechnologie

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Eine Schlüsseltechnologie

Der Komprimierungsstandard H.264 ist eine Schlüsseltechnologie für die Übertragung von Videos über das Internet Protocol (IP) und wird mittlerweile in über 1,5 Milliarden mobilen und stationären Endgeräten weltweit angewendet. MPEG4-AVC (Advanced Video Coding) hat sich vor allem gegen Googles VP8-Verfahren durchgesetzt. Doch der Wettbewerb bleibt weiter spannend: Mit High Efficiency Video Coding (HEVC) steht bereits der Nachfolger für H.264 in den Startlöchern. Und auch der US Suchmaschinengigant hat das Rennen noch lange nicht aufgegeben: VP9 heiSSt der NEUE Video-Codec, der Google in die digitale Zukunft mit 3D-Fernsehen und Ultra High Definition führen soll.

Das Internet wandelt sich rasant zum Videonet: Bewegtbild hatte im Jahr 2012 einen Anteil von 57 Prozent des weltweit von Konsumenten ausgelösten Datenaufkommens über das Internet Protocol (IP). In 2017 werden die audiovisuellen Inhalte 69 Prozent ausmachen, so der jüngst erschienene Cisco Visual Networking Index 2012 – 2017. Dazu kommen Videos auf Basis von Peer-to-Peer (filesharing): Insgesamt wird Video (Fernsehen, Video-on-Demand, Internet und Filesharing) im Jahr 2017 etwa 80 bis 90 Prozent des Konsumenten-Netzverkehrs belegen. In jeder Sekunde wird dann fast eine Million Minuten Videoinhalt durch die Netze geleitet. Ein einzelner Mensch müsste fünf Millionen Jahre auf den Bildschirm gucken, um diese Menge anzuschauen.

Dabei fallen gigantische Datenmengen an: Eine PAL-Filmminute kann je nach Auflösung, Bildrate und Größe des Rahmens im unkomprimierten AVI-Format von Microsoft mehr als 17 Gigabyte haben. Für die Übertragung von Videos ist daher eine besonders effiziente Form der Videokompression nötig, die mittlerweile weltweit in über 1,5 Milliarden mobilen und stationären Endgeräten angewendet wird: der Standard H.264, bekannt auch als MPEG4-AVC (Advanced Video Coding). Durch das Verfahren wird der Erfolg neuer Video-Anwendungen wie HDTV, Blu-ray Disc, Internet- und Mobile-TV, Video-iPods und iPhones überhaupt erst möglich. Mit H.264 ist die benötigte Datenrate für ein Video halb so groß wie noch bei seinen Vorgängerstandards. Die Nutzer können damit deutlich schneller und in besserer Qualität Videos auf ihre Endgeräte übertragen. Entwickelt wurde die Videokompression unter anderem in Deutschland: Vor allem Prof. Dr. Thomas Wiegand und sein Team am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut in Berlin, aber auch Microsoft und Cisco legten nach der Jahrtausendwende die Grundlagen für den Video-Codec H.264. Der Meilenstein in der modernen Fernsehtechnik wurde vom Joint Video Team (JVT) und der Moving Picture Experts Group (MPEG) 2003 verabschiedet. Die Funktionsweise ist so simpel wie genial: Dank der Komprimierung werden nur Teile, die sich von Bild zu Bild verändern, neu gespeichert. Gleich bleibende Inhalte können aus dem vorhergehenden Bild sozusagen vorhergesagt werden. „Ein Beitrag von uns ist, dass wir zur Vorhersage nicht nur das direkt vorhergehende Bild, sondern mehrere vergangene Bilder verwenden“, so Wiegand. „Damit lässt sich ein Bildinhalt, der zuvor schon einmal sichtbar war und wieder auftaucht, effizient vorhersagen.“ Zudem steigerten die Vorschläge der Berliner Forscher die Genauigkeit der Vorhersage deutlich.

Die auf diese Weise stark komprimierten Bildinhalte durchlaufen schließlich eine neuartige Entropie-Kodierung, die von den Fraunhofer-Forschern entwickelt wurde. Ähnlich wie beim Morsealphabet werden dabei Bildinhalte, die häufig vorkommen, mit weniger Bits gespeichert als seltene Bildinhalte. Allerdings wird für die Komprimierung in H.264 eine größere Rechnerleistung als bei den Vorgänger-Codecs benötigt. Dem Siegeszug tut das im Zeitalter von stetig fallenden Speicherpreisen keinen Abbruch: Wiegand und die anderen Entwickler wurden mehrfach für die wegweisende Datenreduktion ausgezeichnet, darunter zweimal mit dem bedeutenden US-Fernsehpreis Emmy. Aus der Praxis der TV-Branche ist MPEG4-AVC nicht mehr weg zu denken. „H.264 hat einen enormen Schub für die schnelle Übertragung von Videos über das Internet Protocol IP erzeugt“, berichtet Michael Westphal, Geschäftsführer der TV1 GmbH in Unterföhring, die für einige Fernsehsender Dienstleistungen erbringt. „Der Codec wirkt wie ein Türöffner für die günstige Videoübertragung.“ Die Kundschaft erwartet schließlich eine immer bessere Übertragungsqualität bei sinkenden Kosten. „Daher ist es wichtig, die bestehenden Bandbreiten optimal zu nutzen und immer wieder eine bessere Codierung der Videosignale zu garantieren“, erläutert Westphal und fügt hinzu: „Für uns als Anbieter ist der Codec auch deshalb so interessant, weil er eine Diversifikation im Angebot ermöglichte.“ Die Komplexität, Videos für verschiedene Plattformen aufzubereiten, ist schließlich eine große Herausforderung. Westphal: „Der Boom in der Video-Übertragung auf mobile Endgeräte zum Bereich hat dazu beigetragen, dass die Nachfrage nach Encoding-Dienstleistungen gut ist.“

Allerdings warten bereits die nächsten Herausforderungen: Mit „Ultra High Definition” (UHD) und einer weiteren Erhöhung der Bildwiederholrate – „Der kleine Hobbit“ etwa wurde nicht mehr mit 24 Bildern pro Sekunde, sondern mit 48 auf die Leinwand gebracht – wachsen die Videogrößen an. Stereo/3D-Inhalte erhöhen zusätzlich den Bedarf an effizienter Datenkompression. Die Herausforderung: höhere Auflösung ohne höhere Datenraten. Seit 2006 wird daher am Nachfolgestandard für MPEG4-AVC gearbeitet.

Erste Ausblicke auf High Efficiency Video Coding (HEVC oder auch H.265) gab es zum Beispiel bei der diesjährigen NAB in den USA, wo erstmals Geräte mit dem neuen Verfahren gezeigt wurden. Der neue Codec soll nur noch die Hälfte der Bandbreite von H.264 benötigen. Bis er eingeführt wird, wird es wohl aber noch eine Weile dauern. „Ich erwarte, dass es noch mindestens ein bis zwei Jahre dauern wird, bis H.265 eine tiefe Marktdurchdringung hat“, meint auch Westphal. „Wichtig ist, welche Entwicklungen die führend Hersteller von mobilen Endgeräten verfolgen.“

In der Tat wird vor allem für die mobile Videoübertragung immer häufiger HD-Qualität nachgefragt, zumal auch die Bildschirme von Smartphones, Tablets und Notebooks immer größer werden und immer höher auflösen. Die Fachzeitschrift „c’t“ hat sich daher in Heft 14/2012 ausführlich mit High Efficiency Video Coding auseinander gesetzt. Das Fazit: Auch im Rahmen von 3D-Videotechnologien erreiche der neue Standard eine „hervorragende Kompression“. HEVC könne somit „eine entscheidende Rolle bei der Versorgung zukünftiger fortgeschrittener Stereo-Displays und brillenlos nutzbarer autostereoskopischer Displays spielen“. Für Westphal ist klar: „Daher müssen wir als Dienstleister die gesamte Wertschöpfungskette vom Komprimieren (Encoding) über das Umpacken (Transcoding) bis zum Entpacken (Decoding) beachten. Die Kernfrage dabei lautet: Wann setzen wir welche Technologie wie ein?“

Die Dienstleister müssen neben der Entwicklung von H.265 auch die Konkurrenzprodukte im Blick behalten. Vor allem Google treibt den Wettbewerb an: Kürzlich wurde mit VP9 die Weiterentwicklung des eigenen Videocodecs der Öffentlichkeit vorgestellt. VP9 soll mit bis zu 50 Prozent geringeren Bitraten auskommen als sein Vorgänger VP8. Im Unterschied zum Standard MPEG4-AVC, für dessen Nutzung Lizenzzahlungen anfallen, soll Googles Verfahren kostenfrei sein. Laut US-Fachdienst C-Net könnte VP9 Google dabei helfen, „lizenzfreies Videostreaming populärer zu machen.“

In der Praxis gibt es wegen der Zahlungen an den Patent-Pool MPEG LA jedoch kaum schlaflose Nächte. TV1-Chef Westphal macht sich vielmehr Sorgen um die Arbeitsabläufe hinter den Kameras: „Ein weiterer wichtiger Trend wird die Off-shore-Produktion von Live-Events werden“, beobachtet Westphal. „Denn es wird teilweise günstiger sein, Veranstaltungen nicht vor Ort zu mischen, sondern alle Kamerasignale zeitgleich in eine Regie zu übertragen.“ Diese Mischregie, ist der TV-Experte überzeugt, könne irgendwo auf der Welt stationiert sein. Die heutige Technik garantiere nämlich eine synchrone Laufzeit der Signale und eine immer sichere und stabile Übertragung zur Regie und wieder zurück zum Playout. Westphal: „Hier wird sich ein Discount-Markt entwickeln. Das Wimbledon Tennismatch mischen dann Zehn-Euro-Kräfte in Indien.“

Beim Grand Slam Turnier Roland Garros Anfang Juni 2013 in Paris präsentierte derweil das 2012 gegründete französische Konsortium 4EVER (for Enhanced Video ExpeRience) erstmals HEVC in einer kompletten Distributionskette im Live-Einsatz und in einer Multiscreen-Umgebung für TV, PCs und Tablets. Die Signale wurden in HD übertragen. Das Encoding und Decoding mit HEVC geschah dabei in Echtzeit. 4EVER arbeitet unter der Federführung von Orange Labs und wird unter anderem vom französischen Industrieministerium und dem Europäischen Regionalen Entwicklungsfund unterstützt.

Michael Stadik
(MB 09/13)

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