Videocompressie - MediaNet Vlaanderen

MediaNet Vlaanderen 

Van studio tot tablet 

Van (veel) fotonen tot 

This work is protected under copyright. Third party images used with permission and marked as such. 

Wednesday 28 November 2012 

(weinig) bits 

Niels.Laukens@vrt.be 

1

Wat is videocompressie? 

• Video 


• Wikipedia: Video ("ik zie", afgeleid van het Latijnse 

videre, "zien") is een techniek om bewegende 

beelden als een elektronisch signaal weer te geven. 

2


• Compressie 

• Wikipedia: samendrukken of kleiner maken 

• Datacompressie is het representeren van digitale 

gegevens met minder bits dan de oorspronkelijke 

• 


representatie 

Beeldcompressie is een bewerking waarbij men 

afbeeldingen in grootte beperkt om opslagcapaciteit 

te besparen en datatransmissie te versnellen 

3



• Wat wij zien digitaal voorstellen met zo weinig 

mogelijk bits 

• MAAR met zo hoog mogelijke kwaliteit 

• Zo “realistisch mogelijk” 

4


• Definities 

Inhoud 

• “Analoge” compressie-technieken 

• “Digitale” compressie-technieken 

5


• Oog is gevoelig voor EMstraling 

• λ= 750nm – 390nm (400 – 

790THz) 

• piek rond 555nm (540THz) 

• Spectral Power Density geeft 

volledige informatie 

• Nachtzicht heeft een 

verschoven gevoeligheid naar 

blauw 

Wat is licht? 

Spectrale gevoeligheid ifv golflengte [nm] van het oog in scoptisch (staafjes, 

groen) en fotoptisch (kegeltjes, wit) zicht. 

Source: Wikipedia; Copyright: public domain 

6


• 3 type kegeltjes: korte (blauwe), 

medium (groen), lang (rood) 

• Reductie van ∞ veel λ naar 3 

mogelijk? 

• Ja: CIE XYZ curves 

SPD → RGB 

Relatieve gevoeligheid van de drie type kegeltjes ifv de golflengte 

(c) Wikipedia - Pieter Kuiper & Koenb 

CIE XYZ curves 

(c) Wikipedia - Acdx 

7


• XYZ kleurenruimte is niet bruikbaar 

in praktijk: 

• Opname: Onmogelijk om optische 

filters te maken met XYZ-curves 

• Weergave: Scherm zou moeten 

negatief licht geven 

• Omzetten naar andere kleurruimte 

• Rec. 709 (HD), EBU Tech. 3213 

(SD), LogC (Alexa) 

• Eenvoudige lineaire transformatie 

(matrix) 

SPD → RGB 

xy-chromaticity diagramma met D65 wit, Rec709 driehoek en 

EBU Tech. 3213 groen. Kleuren buiten de driehoek kunnen niet 

worden weergegeven op een monitor. 

Aangepast van (c) Wikipedia - Sakurambo 

8


Bemonsteren & 

• Van ∞ veel mogelijkheden naar een 

eindig aantal 

Discretiseren 

• Ruimte: 

• Diepte: één mogelijkheid / 2D 

• Breedte x hoogte: 176x144, 

720x576, 1280x720, 1920x1080, 

7680x4320 

• Tijd: 

• Beperkte framerate: 12, 25, 50, 

60 Hz 

• Amplitude: 

• Beperkte bit-diepte: 8, 10, 16bit 

Een continu signaal (in deze illustratie 1D) kan worden benaderd 

door te bemonsteren (informatie van tussenliggende punten gaat 

verloren) en te discretiseren (de exacte amplitude gaat verloren) 

(c) public domain 

9

• Methode om bandbreedte te 

halveren 

• 1/2 lijnen weglaten 

• Even / oneven raster (field) 

• Display moet interlaced 

materiaal kunnen weergeven 

• CRT kan dat 

• Andere: de-interlacen 


Interlacing 

10

Naamgeving 

rasterformaten 

• Zootje, vooral fieldrate vs framerate “1080i60”=? 

• EBU-notatie 

• aantal beeldlijnen 

• interlaced of progressief 

• / 

• Frames per seconde 

• 576i/25,1080i/25, 720p/50, 1080p/50 

• 480i/29.97 


11

• 

Tussenresultaat 

Video is 

• Een opeenvolging van frames, F frames per seconde 

• Van X bij Y pixels 

• Elke pixel heeft 3 waarden: rood, groen & blauw, elk 

voorgesteld met B bits 

• (impliciete) specificatie welk rood, groen, blauw en 

wit 

• Bitrate: 3·B · X·Y · F bits / seconde 

• HD: 3·16 · 1280·720 · 50 = 2.212 Gbps 


12


Perceptueel uniforme 

• Contrastgevoeligheid is ~1%, 

onafhankelijk van de lichtintensiteit 

• Ons oog is logaritmisch gevoelig 

voor licht 

• Best de discretisatie ook nietlineair 

doen, maar “perceptueel 

uniform” 

• Aangeduid met * of ’ na het 

symbool: L*a*b*, R’G’B’, Y’CbCr 

• 1-100 @ 0.01 lineair: 10000 (14 

bits) 

• 1-100 @ +1% expo: 463 (9 bits) 

codering 

Twee licht-gradienten. De bovenste is een lineaire gradient van zwart 

naar wit; de onderste is een niet-lineaire gradient. 

Twee egale vlakken met evenveel ruis: links 10 licht ±5 ruis; 

rechts 90 licht ±5 ruis 

13

Perceptueel uniforme codering 

• Camera doet omzetting van 

lineair licht naar perceptueel 

uniform waarden 

• Monitor doet omzetting van 

perceptueel uniforme waarden 

naar lineair licht 

• Toevallig heeft een CRT een 

heel gelijkaardige spanning → 

licht curve! 


Gamma curves 

(c) Wikipedia – Jurohi 

14

Gevoeligheid aan kleur en 


• Het oog is gevoeliger aan lichtdonker 

contrasten dan aan 

kleur-kleur contrasten 

• Zowel spatiaal 

• Als temporaal (15Hz) 

licht 

De rechter helft toont een zwart-wit ladder; de 

linker helft een rood-groen ladder. De zwart-wit 

ladder is nog duidelijk te zien; de rood-groen 

ladder lijkt geel. 

15

R’G’B’ → Y’CbCr 

• R’G’B’ omvormen naar Luma (bevat geen kleur-informatie) 

en Chroma (twee kleur parameters) 

• Historisch nodig voor compatibiliteit kleur & ZWtelevisie 

• Y’CbCr in de digitale wereld 

• Y’PbPr in de analoge wereld 

• Y’UV en Y’IQ zijn geschaalde versies gebruikt in PAL en 

NTSC 

• De parameters voor de omvorming moeten gekend zijn: 

• Rec. 601 (SD) of Rec. 709 (HD) 


16


Chroma subsampling 

• Het kleurensignaal een lagere 

resolutie geven dan het 

lichtsignaal 

• Analoge wereld: enkel 

horizontaal /2 

• Digitale wereld: kan ook 

vertikaal en zelf temporeel 

• Naamgeving is verwarrend 

Y’ 

Y’ 

Y’ 

Y’ 

Cb 

Cb 

Cb 

Cb 

Cr 

Cr 

Cr 

Cr 

4:4:4 

4:2:2 

4:1:1 

4:2:0 

17

• 


Video is 

• Een opeenvolging van frames, F frames per seconde 

• Van X bij Y pixels luma, X/Sh bij Y/Sv pixels chroma 

• Elke pixel heeft 3 waarden (mogelijk gedeeld met naburige 

pixels): luma & twee chroma’s, elk voorgesteld met B niet 

lineaire bits 

• (impliciete) specificatie van de gebruikte RGBW kleuren en de 

matrix voor Y’CbCr-omzetting 

• Bitrate: (1 + 1/(SvSh) + 1/(SvSh))·B · X·Y · F bits / seconde 

• HD-SDI: (1+.5+.5)·10 · 1280·720 · 50 = 0.9126 Gbps 

(+HBI+VBI) 


18


• Definities 

Inhoud 

• “Analoge” compressie-technieken 

• “Digitale” compressie-technieken 

19

Contrastgevoeligheid oog 

• “Naburige pixels zijn gelijkaardig” 

• De contrastgevoeligheid van ons oog is afhankelijk van de spatiale 

frequentie 

• Piek bij 5 à 10 c/º (0.5%) 

• Cut-off rond 50 à 60 c/º 

• Lage en vooral hoge spatiale frequenties kunnen minder nauwkeurig 

worden opgeslaan 


Sinusoidale contrastgevoeligheid: van 0c/lp tot 1c/lp (horizontaal) aan 0.3% tot 100% 

contrast (verticaal) 

20


Achterhalen spatiale 

• Fourier transformatie en familie 

• Ontbindt een signaal in een 

som van (co)sinussen 

• Vaak Discrete Cosinus 

Transformatie (DCT) gebruikt 

frequenties 

De ontbinding van een blokgolf in een som van sinussen. Deze 

figuur toont de som van 1, 2, 3 en 4 sinussen. 

(c) Public domain 

21

• Complexe formule 

• Vaak beperkt tot kleine 

blokken: 4x4 tot 64x64 pixels 

• DC coëfficiënt + AC 

coëfficiënten 

• Interlaced materiaal: op field of 

frame doen? 


2D DCT 

De DCT-patronen voor een 8x8 pixel blok 

(c) Public domain 

22


Quantization Matrix & 

• Minder “cijfers na de komma” 

voor HF 

• Elke coëfficiënt delen door 

getal, 

• dan afronden, dit bepaalt de 

compressie 

• Enkel hier gaat kwaliteit 

verloren! 

Parameter 

6 10 13 16 18 23 25 27 

10 11 16 18 23 25 27 29 

13 16 18 23 25 27 29 31 

16 18 23 25 27 29 31 33 

18 23 25 27 29 31 33 36 

23 25 27 29 31 33 36 38 

25 27 29 31 33 36 38 40 

27 29 31 33 36 38 40 42 

De quantisatie-matrix zoals gebruikt in h.264 

23


Voorbeeld h.264 Intra 

frame 

1 20 30 40 50 

24


• (M)JPEG 

• DCT 8x8 blokken (na chroma subsampling, meestal 4:2:0) 

• D10 / IMX / SMPTE 356M 

• DCT 8x8 blokken (na subsampling) 

• 4:2:2 chroma subsampling 

• DV25 

• DCT 8x8 blokken (na subsampling) 

• 4:2:0 subsampling; 4:1:1 voor 480i/29.97 


25

Inter frame codering 

• “Opeenvolgende frames zijn gelijkaardig” 

• Stukken van vorige frame(s) herbruiken, enkel verschillen 

doorsturen 

• Interlaced materiaal: Frame of field? 

• Frames zijn niet meer onafhankelijk 

• Group Of Pictures (GOP): 

• Eerste frame is intra-coded (onafhankelijk) 

• Volgende frames zijn inter-coded 

• Meestal eindige lengte: inzappen, error-containment 


26

Motion Vectors 

• SKIP blok: Behoud de pixels uit het vorige beeld 

• MV: Neem blok uit vorige beeld dat 2 pixels hoger 

en 4 pixels meer naar links stond 

• MPEG1 & 2: enkel vorige frame 

• h.264: tot 16 frames terug, ¼ pixel nauwkeurigheid 

• Residu: En doe er nog deze aanpassingen aan 

• Standaard intra-frame compressie 


27


Demo MVs 

• Decodeer-fouten blijven de hele GOP zichtbaar 

• Wat als de I-frame vervangen wordt door een 

andere I-frame? 

28

B-frames 

• Combinatie maken van twee frames 

• Vaak een “vorig” en een “volgend” frame 

• Twee Motion vectoren 

• Met gewichten (in h.264) 

• Decoding volgorde vs Display volgorde 


29


Entropie-coding 

• “ZIP-en” van het resultaat 

• Huffman coding 

• Vaak voorkomende symbolen korte codes geven 

• Context Adaptive Variable Length Coding (CAVLC) 

• symbool-code mapping wordt dynamisch aangepast 

• Context Adaptive Binary Arithmetic Coding 

(CABAC) 

30

• 

• 

• 

Levels & profiles 

Hele hoop mogelijkheden om video te comprimeren 

• 

• 


Profiles geven aan welke tools een decoder kan 

gebruiken 

e.g. h.264 baseline profile: geen CABAC, geen B- 

frames, … 

Levels geven aan in welke mate een decoder die tools 

kan gebruiken 

e.g. h264 Level 1: frame size


• Charles Poynton 

Digital Video and HDTV 

• Ian Richardson 

H.264 and MPEG-4 video 

compression 

Referenties 

32

Videocompressie - MediaNet Vlaanderen

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?