MPEG und Audio

Short for Moving Picture Experts Group, and pronounced m-peg, a working group of ISO. The term also refers to the family of digital video compression standards and file formats developed by the group. MPEG generally produces better-quality video than competing formats, such as Video for Windows, Indeo and QuickTime. MPEG files can be decoded by special hardware or by software.

MPEG achieves high compression rate by storing only the changes from one frame to another, instead of each entire frame. The video information is then encoded using a technique called DCT. MPEG uses a type of lossy compression, since some data is removed. But the diminishment of data is generally imperceptible to the human eye.

There are two major MPEG standards: MPEG-1 and MPEG-2. The most common implementations of the MPEG-1 standard provide a video resolution of 352-by-240 at 30 frames per second (fps). This produces video quality slightly below the quality of conventional VCR videos.

A newer standard, MPEG-2, offers resolutions of 720x480 and 1280x720 at 60 fps, with full CD-quality audio. This is sufficient for all the major TV standards, including NTSC, and even HDTV. MPEG-2 is used by DVD-ROMs. MPEG-2 can compress a 2 hour video into a few gigabytes. While decompressing an MPEG-2 data stream requires only modest computing power, encoding video in MPEG-2 format requires significantly more processing power.

The ISO standards body is currently working on a new version of MPEG called MPEG-4 (there is no MPEG-3). MPEG-4 will be based on the QuickTime file format.

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Ein heißer Kandidat für das Web-Encoding von Audiodaten ist das vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen in Erlangen maßgeblich mitentwickelte MP3-Format. MP3, genauer: 'MPEG1 Layer 3', da MPEG3 im eigentlichen Sinne bislang nicht definiert ist, erreicht äußerst hohe Kompressionsraten von 1:12 bis 1:14 bei hoher Signalqualität.

Dies wurde nach Berücksichtigung audiophysikalischer und psychoakustischer Studien möglich, die es technisch erlauben, jene Klanginformationen zu eliminieren, die normalerweise nicht wahrgenommen werden. MP3 ist in vieler Hinsicht der 'State of the Art' der Audio-Kompression.

MPEG entstand als ISO-Norm aus der Arbeit der Motion Picture Experts Group (MPEG), die 1988 ursprünglich zusammengeruten worden war, um hochwertige Videckompressions-Standards zu entwickeln.

Das MP3-Format hat seinen Ursprung in Arbeiten zur perzeptionellen Audio-Kodierung, die 1987 im Rahmen des EUREKAProjekts EU147 zum Digitalen Rundfunk (DAB) geleistet wurden. In Zusammenarbeit mit Prof. Dieter Seitzer (Universität Erlangen) wurde dann jener Algorithmus entwickelt, der heute als ISO-MPEGAudio-Layer-3 standardisiert ist.

Momentan arbeitet man in Erlangen bereits an der nächsten MPEG-Generation:

MPEG4. Dieses Format ist als universelle Sprache für Broadcasting-, Film- und Multimedia-Applikationen konzipiert. Zu den Besonderheiten soll ein skalierbares Bitrating gehören, das besonders für Netzanwendungen von Interesse sein dürfte. Mit ersten Ergebnissen ist gegen Ende 1998 zu rechnen.

Weitere Informationen gibt es unter http://www.iis.fhg.de/amm/. Hier ist neuerdings auch ein MP3-Encoder für Linux und andere Unix-Varianten zu finden. Zum Abspielen läßt sich unter Linux der bekannte mpgl23-Player verwenden (http://mpg.123.org/), der unter anderem auch die Grundlage für das KDE-Tool kmpg bildet.

MPEG ist bislang lediglich eine Form der Datenkompression, aber anders als etwa RealAudio definiert es kein Ubertragungsprotokoll. Daran mag es liegen, daß MP3 zwar seine treue Anhängerschar im Netz hat, aber als Web-Streaming-Technologie kaum zum Einsatz kommt. Es wird momentan hauptsächlich zur Archivierung von größeren Mengen Soundfiles verwendet, da es wenig Platz erfordert, aber dabei die Qualität erhält. Ein erster MP3-Server ist im Kasten auf Seite 210 beschrieben.

Weitere Informationen zu MP3, Playern und MP3-kodierten Soundfiles finden sich unter: http://www.layer3.org/ sowie http://rara.com/mp3/.

Quelle: c't 1998, Heft 12 (Praxis: Internet-Radio), S. 213

Bewegte Bilder

MPEG fällt etwas aus dem Rahmen: Dieser internationale Standard definiert nur ein Dateiformat, sagt aber nichts darüber, mit welchen Programmschritten Kompression und Dekompression stattzufinden haben. Das läßt nicht nur Raum für erfinderische Programmierer, sondern hat auch zur Folge, daß das Ergebnis von MPEG-Kompression und -Dekompression verschieden ausfällt, je nachdem, welche Software man verwendet.

MPEG paßt weder in das Schema von Video für Windows noch ganz in das von QuickTime: Beide Systeme sind für Dateien ausgelegt, die eine ganz bestimmte innere Struktur aufweisen (AVI bzw. MOV) - eine andere Struktur als MPEG.

MPEG speichert typischerweise nur jedes fünfzehnte Bild komplett (`I-Frame´), und auch das bloß mit einer JPEG-ähnlichen Bildkompression. Der übrige Teil einer MPEG-Datei besteht aus P- und B-Frames, meist in der Abfolge

IBBPBBPBBPBBPBBIBB...

Etwa jedes dritte Bild ist ein `P-Frame´: Von ihm wird nur der Unterschied zum letzten I-Frame kodiert. Dafür genügt ein Drittel des Speicherplatzes eines I-Frames, denn MPEG erlaubt eine `Bewegungskompensation´ (Motion Compensation): Viele Bildteile bleiben von einem Bild zum nächsten fast gleich, nur ändert sich ihre Lage.

Der Rest - und damit der überwiegende Teil aller Bilder in einer MPEG-Datei - ist noch sparsamer abgelegt: Für `B-Frames´ wird nur der Unterschied zu den vorangehenden und nachfolgenden I- oder P-Frames gespeichert. B-Frames benötigen nur etwa ein Achtel des Speicherplatzes von I-Frames.

Wie alle anderen leistungsfähigen Kompressionsverfahren arbeitet auch MPEG verlustbehaftet: Nach Kompression durch den Encoder und Dekompression im Abspielprogramm entsteht nicht ganz das Original - sondern nur fast. Je stärker die Kompression ausfällt, um so mehr Details gehen verloren und um so mehr Macken (`Artefakte´) treten auf. Die Audiokompression bleibt meist ohne hörbare Folgen, die Bilder leiden schneller. Oft sieht man die Mosaiksteine, aus denen MPEG das Bild zusammensetzt: 8 × 8 Pixel für die Helligkeitsinformation, 16 × 16 Pixel für die Farbinformation. Wie stark Artefakte das Bild verunstalten, läßt sich bisher nicht sinnvoll messen, sondern nur per Augenmaß bewerten.

Die MPEG-typischen Datenraten von etwa 150 KByte pro Sekunde (1,2 MBit/s) erreicht kaum ein anderes Verfahren bei zufriedenstellender Bildqualität und -größe. Das gängige Cinepak liefert selbst bei 300 KByte/s nur Klötzchengrafiken. Sogar mit den besten MPEG-Encodern kann dagegen Version 5 von Intel Indeo konkurrieren - wenn man ihm eine Rechenzeit vom 50fachen der Spieldauer des Videos zugesteht (http://developer.intel.com/ial/indeo/. Für extrem starke Kompression ist ClearVideo interessant (http://www.iterated.com/nettech/clearvideo/). Ohne spezielle Hardware-Beschleunigung dauert der Kompressionsvorgang aber ewig: etwa das 1000fache der Spieldauer unseres Test-Clips.

P- und B-Frames erlauben die hohe Kompressionsleistung von MPEG. Zugleich erschweren sie aber auch das Schneiden von Videos: Sie enthalten Verweise auf benachbarte Bilder, die nach einem Schnitt fehlen. Für den Videoschnitt verwendet man deshalb meist Videoformate, in denen jedes Bild für sich gespeichert ist - zum Beispiel besondere MPEG-Dateien, die nur aus I-Frames bestehen, oder, was meist der Fall ist, Motion-JPEG-Dateien. Beide Formate bestehen im Prinzip aus nichts anderem als aneinandergereihten JPEG-komprimierten Bildern.

Gewinn und Verlust

MPEG sieht nicht nur eine Videokompression vor, sondern auch eine Audiokompression. Sie sichert CD-Stereo-Qualität, auch wenn die Audiodaten auf ein Fünftel ihrer ursprünglichen Menge schrumpfen. Das einfache Verfahren MPEG-1 Audio Layer 1 findet sich auch in Philips´ digitalen Kassettenrecordern. In Videos verwendet man meist Audio Layer 2. Für den Audiotransfer im Internet ist Audio Layer 3 beliebt, das auch bei Kompression um den Faktor 10 noch erstklassige Klangqualität sichert.

MPEG-1 abspielen

Die typischen 352 × 288 Pixel eines MPEG-1-Videos nehmen bei den gängigen Bildschirmauflösungen auf dem Monitor nicht einmal die Fläche einer Postkarte ein. Eine Abspielsoftware sollte deshalb in der Lage sein, das Video in doppelter Größe wiederzugeben - und das weiterhin samt Ton und mit allen 25 oder 30 Bildern pro Sekunde. Dafür genügt die Geschwindigkeit von 200-MHz-Rechnern ohne spezielle Hardware, ob Windows-PC oder Mac.
Dennoch besitzen alle modernen Windows-Grafikkarten Funktionen zur Videobeschleunigung: Konvertierung zwischen dem YUV-Farbraum von MPEG nach RGB und Skalierung der Videogröße, gegebenenfalls mit Glättung der Pixelkanten. Mit solcher Unterstützung lassen sich MPEG-Filme auch randfüllend auf einem 1024 × 786-Monitor wiedergeben.
Videos machen auf einem leuchtstarken TV-Bildschirm immer den besseren Eindruck. Viele aktuelle Grafikkarten besitzen einen Video-Ausgang, mit dem sich Fernseher oder Videorecordern ansteuern lassen.

Qual der Wahl

Was die Wahl des MPEG-Abspielprogramms angeht, haben Mac-Anwender keine Schwierigkeiten: Zur kostenlosen QuickTime MPEG Extension - sie erweitert Apples Movie Player - gibt es keine Alternative. Sie spielt Filme mit Stereoton und sträubt sich auch nicht gegen übergroße Bildformate (http://quicktime.apple.com).
Für Windows-Anwender ist die einfachste Wahl Microsoft ActiveMovie (jetzt DirectShow genannt), das sich auf aktuellen Windows-Installations-CDs findet und auch Teil des Internet Explorers ist (ftp://ftp.sunnet.se/pub/multimedia/video/mpeg/util/windows95/amov4ie.exe). ActiveMovie bietet einen MPEG-Player, der zum Beispiel über das Programm Medienwiedergabe erreichbar ist.

XingMPEG Player (http://www.xingtech.com) und Compcore SoftPEG (http://www.zoran.com) beherrschen Stereosound und unterstützen diverse Beschleunigerhardware. Der schnelle, aber recht absturzfreudige Player von Xing kann das Videofenster auf volle Bildschirmgröße bringen und sämtliche Windows-Bedienelemente ausblenden. Softpeg kommt anders als der Xing-Player mit MPEG-Dateien einer Originalauflösung von 640 × 480 Pixeln zurecht, wenn auch nicht in voller Geschwindigkeit.

Andere Player bieten Titel-Browser und die Verwaltung von Lieblingstiteln. ATIs Lösung integriert die MPEG-Wiedergabe in einen universellen Multimedia-Player, der auch Funktionen wie TV-Empfang abdeckt.

Manfred Bertuch/jl

MPEG-2 - Digital-TV selbstgemacht?

MPEG-2 ist der digitale Standard für Video in Fernsehauflösung, was nach CCIR-Norm 720 × 576 Bildpunkten entspricht. Im Prinzip läßt sich auch der alte MPEG-Standard mit diesen Abmessungen betreiben: viele Encoder und einige Abspielprogramme erlauben das. Für computerberechnete Animationen oder ursprünglich auf Celluloid gedrehte Filme mag das sinnvoll sein - nicht aber für gewöhnliche Fernsehbilder aus dem Äther oder vom Recorder. Denn die werden im Zeilensprungverfahren (`interlaced´) mit 50 Halbbildern pro Sekunde übertragen; in jedem Vollbild stecken also zwei, im Abstand von einer 50stel Sekunde geschossene Aufnahmen.

Mit Videobildern dieser Art geht MPEG-2 besser um als MPEG-1. Daneben beherrscht es wahlweise zum Beispiel eine genauere Farbwiedergabe. MPEG-2-Videos werden mit `Profiles´ darin klassifiziert, welche Fähigkeiten des Datenformats sie ausschöpfen. Hochwertige Profiles erlauben zum Beispiel, mehrere Videoströme parallel zu übertragen - etwa einen in niedriger Auflösung und einen in hoher. Die Auflösung von MPEG-2-Videos ist in `Levels´ eingeteilt. Zum `Main Level´ zählt die Studio-Fernsehauflösung mit 720 Pixeln pro Zeile. Digital-TV pendelt sich bei Main Profile und Main Level ein, kurz MP@ML genannt.

MP@ML bringt mit etwa 8 MBit/s das vielfache Datenvolumen typischer MPEG-1-Videos mit sich. Die Rechenleistung heutiger PCs genügt noch nicht, um diese Daten ohne spezielle Hardwareunterstützung zu dekodieren. Bei DVD und Digital-TV liegt zusätzlich noch eine Verschlüsselung über den MPEG-2-Daten.

Vier der getesteten Software-Encoder unterstützen bereits MPEG-2-Ausgabe. Die Ergebnisse mit der Betaversion einer Abspielsoftware an der Grafikkarte Xpert@Work zeigen aber noch einige Inkompatibilitäten: MegaPEG läßt nur grobe Mosaiksteinchen auf dem Monitor erscheinen, und das Video von MainActor bleibt stumm. LSX-MPEG Encoder faßt die komprimierten Audio- und MPEG-2-Videodaten nicht zusammen. Hier konnte aber der in der Demoversion von DVMPEG enthaltene Multiplexer aushelfen. Allein DVMPEG selbst lieferte ohne Umwege Resultate.

Hier und jetzt

Ein von DVMPEG erzeugter Clip mit 544 × 480 Pixeln bei 25 Bildern pro Sekunde mit einer Datenrate von 4 MBit/s erschien mit Mono-Sound auf einem MMX-Rechner mit 200 MHz relativ flüssig. Mit 720 × 480 Pixeln wurde das Stocken deutlicher - selbst bei einer verringerten Datenrate von 2 MBit/s, die mit arg blockigen Bildern einhergeht. Völlig ruckelfreie MPEG-2-Wiedergabe lieferte die PCI-Karte auch in einem Pentium-II-Rechner mit 266 MHz Taktfrequenz nicht.

`MPEG-2 für jedermann´ ist also keine Utopie mehr - die Technik muß aber noch reifen. Eine interessante Forschungsperspektive aus deutschen Landen: Ein MPEG-1/2-Encoder, der in Video für Windows läuft, ist an der TU München entstanden. Er läßt sich kostenlos über http://www.ldv.e-technik.tu-muenchen.de/multimedia/   beziehen. (Manfred Bertuch/jl)

Quelle: c't 14/97