Vergleich von Videocodecs

Ein Videocodec ist eine Software oder ein Gerät, das die Kodierung und Dekodierung von digitalem Video ermöglicht und gegebenenfalls Videokomprimierung und/oder -dekomprimierung nutzt. Die meisten Codecs sind typischerweise Implementierungen von Videocodierungsformaten .

Die Komprimierung kann verlustbehaftete Datenkomprimierung nutzen , wodurch Qualitätsmessungen an Bedeutung gewinnen. Kurz nachdem die Compact Disc als digitale Alternative zu analogem Audio weit verbreitet war, wurde es möglich, auch Videos digital zu speichern und zu nutzen. Schnell entstanden verschiedene Technologien, um dies zu ermöglichen. Das Hauptziel der meisten Videokomprimierungsverfahren ist es, Videos zu erzeugen, die der Originalqualität möglichst nahekommen und gleichzeitig eine möglichst kleine Dateigröße aufweisen. Es gibt jedoch auch einige andere Faktoren, die als Vergleichsgrundlage dienen können.

Folgende Merkmale werden bei Videocodec- Vergleichen verglichen:

• Videoqualität pro Bitrate (oder Bitratenbereich ). Die Videoqualität gilt gemeinhin als Hauptmerkmal bei Codec - Vergleichen. Videoqualitätsvergleiche können subjektiv oder objektiv sein .
• Leistungsmerkmale wie Komprimierungs-/Dekomprimierungsgeschwindigkeit, unterstützte Profile/Optionen, unterstützte Auflösungen, unterstützte Ratensteuerungsstrategien usw.
• Allgemeine Softwareeigenschaften  – zum Beispiel:
  • Hersteller
  • Unterstützte Betriebssysteme ( Linux , macOS , Windows )
  • Versionsnummer
  • Veröffentlichungsdatum
  • Lizenztyp (kommerziell, kostenlos, Open Source )
  • Unterstützte Schnittstellen (VfW, DirectShow usw.)
  • Preis (Preis-Leistungs-Verhältnis, Mengenrabatte usw.)

Die Qualität, die ein Codec erreichen kann, hängt maßgeblich vom verwendeten Komprimierungsformat ab. Ein Codec ist kein Format, und es können mehrere Codecs dieselbe Komprimierungsspezifikation implementieren – beispielsweise erreichen MPEG-1-Codecs typischerweise kein vergleichbares Qualitäts-/Größenverhältnis wie Codecs, die die modernere H.264-Spezifikation implementieren. Aber auch das Qualitäts-/Größenverhältnis der von verschiedenen Implementierungen derselben Spezifikation erzeugten Ausgabedateien kann variieren.

Jede Komprimierungsspezifikation definiert verschiedene Mechanismen zur Reduzierung der Dateigröße von Rohvideo (im Wesentlichen eine Sequenz unkomprimierter Digitalbilder in voller Auflösung). Diese reichen von einfacher Bitkomprimierung (wie Lempel-Ziv-Welch ) bis hin zu psychovisueller und Bewegungsanalyse und legen fest, wie das Ergebnis als Bitstrom gespeichert wird. Solange die Encoder-Komponente des Codecs die Spezifikation einhält, kann sie beliebige Kombinationen dieser Methoden zur Verarbeitung verschiedener Inhaltsabschnitte nutzen. Die Decoder-Komponente eines ebenfalls spezifikationskonformen Codecs erkennt die verwendeten Mechanismen und interpretiert den komprimierten Datenstrom, um ihn zur Anzeige wieder in Rohvideo umzuwandeln (dieses ist jedoch nicht identisch mit dem Rohvideoeingang, es sei denn, die Komprimierung erfolgte verlustfrei). Jeder Encoder implementiert die Spezifikation mit eigenen Algorithmen und Parametern. Daher variiert die komprimierte Ausgabe verschiedener Codecs, was zu Unterschieden in Qualität und Effizienz führt.

Bevor man die Videoqualität verschiedener Codecs vergleicht, ist es wichtig zu verstehen, dass jeder Codec innerhalb einer Videosequenz eine unterschiedliche Qualität für eine bestimmte Anzahl von Einzelbildern liefern kann. Zahlreiche Faktoren tragen zu dieser Variabilität bei. Erstens verfügen alle Codecs über einen Bitratensteuerungsmechanismus , der die Bitrate und die Qualität für jedes einzelne Einzelbild festlegt. Der Unterschied zwischen variabler Bitrate (VBR) und konstanter Bitrate (CBR) führt zu einem Kompromiss zwischen einer gleichbleibenden Qualität über alle Einzelbilder hinweg einerseits und einer konstanteren Bitrate andererseits, die für manche Anwendungen erforderlich ist. Zweitens unterscheiden einige Codecs zwischen verschiedenen Bildtypen, wie z. B. Schlüsselbildern und Nicht-Schlüsselbildern, die sich in ihrer Bedeutung für die Gesamtbildqualität und im Ausmaß ihrer Komprimierbarkeit unterscheiden. Drittens hängt die Qualität von Vorfiltern ab, die in allen modernen Codecs enthalten sind. Weitere Faktoren können ebenfalls eine Rolle spielen.

Bei ausreichend langen Clips lassen sich Sequenzen auswählen, die kaum unter der Komprimierung gelitten haben, und solche, die stark beeinträchtigt wurden, insbesondere bei Verwendung von CBR . Hierbei kann die Qualität zwischen den einzelnen Frames aufgrund der unterschiedlichen Komprimierungsgrade, die zur Erzielung einer konstanten Bitrate erforderlich sind, stark variieren. Daher können in einem langen Clip, beispielsweise einem Spielfilm, zwei beliebige Codecs bei einer bestimmten Sequenz des Clips sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern, während die Codecs über einen längeren Sequenzabschnitt hinweg eine annähernd gleiche Qualität aufweisen können (oder umgekehrt). Pressemitteilungen und Amateurforen wählen in Rezensionen mitunter Sequenzen aus, die bekanntermaßen einen bestimmten Codec oder eine bestimmte Art der Bitratensteuerung bevorzugen.

Objektive Videobewertungsverfahren sind mathematische Modelle, die menschliche Beurteilungen der Bildqualität vorhersagen sollen, wie sie häufig in subjektiven Qualitätsbewertungsexperimenten veranschaulicht werden. Sie basieren auf Kriterien und Metriken, die objektiv gemessen und automatisch von einem Computerprogramm ausgewertet werden können. Objektive Methoden werden anhand der Verfügbarkeit eines originalen, unkomprimierten Videosignals klassifiziert, das als qualitativ hochwertig gilt. Daher lassen sie sich wie folgt einteilen:

• Vollständige Referenzmethoden (FR), bei denen das gesamte ursprüngliche Videosignal verfügbar ist
• Methoden mit reduzierter Referenz (RR), bei denen nur Teilinformationen des Originalvideos verfügbar sind, und
• Referenzlose Verfahren (NR), bei denen das Originalvideo überhaupt nicht verfügbar ist.

Hierbei geht es darum, wie ein Zuschauer ein Video wahrnimmt und wie er seine Meinung zu einer bestimmten Videosequenz äußert. Subjektive Videoqualitätstests sind hinsichtlich Zeitaufwand (Vorbereitung und Durchführung) und Personalaufwand recht kostspielig.

Es gibt viele Möglichkeiten, Experten Videosequenzen zu zeigen und ihre Meinungen aufzuzeichnen. Einige davon wurden standardisiert, hauptsächlich in der ITU-R-Empfehlung BT.500-13 und der ITU-T-Empfehlung P.910.

Der Grund für die Messung der subjektiven Videoqualität ist derselbe wie für die Messung der durchschnittlichen Bewertung von Audioaufnahmen. Expertenmeinungen können gemittelt und der Mittelwert mit einem Konfidenzintervall angegeben werden. Für die Mittelwertbildung können zusätzliche Verfahren angewendet werden. Beispielsweise können die Meinungen von Experten, deren Ansichten als instabil gelten (etwa wenn ihre Korrelation mit der durchschnittlichen Meinung gering ist), verworfen werden.

Bei Videocodecs ist dies eine sehr häufige Situation. Wenn Codecs mit ähnlichen objektiven Ergebnissen unterschiedliche subjektive Ergebnisse liefern, können die Hauptgründe dafür folgende sein:

• Vor- und Nachfilter werden in Codecs häufig eingesetzt. Codecs verwenden oft Vorfilter wie Rauschunterdrückung , Flimmerreduzierung und Bildstabilisierung. Rauschunterdrückung und Flimmerreduzierung erhalten normalerweise den PSNR- Wert und verbessern gleichzeitig die Bildqualität (die besten langsamen Rauschunterdrückungsfilter erhöhen den PSNR-Wert auch bei mittleren und hohen Bitraten). Bildstabilisierung verringert den PSNR-Wert deutlich, verbessert aber die Bildqualität. Nachfilter weisen ähnliche Eigenschaften auf: Blockentfernung und Rauschunterdrückung erhalten den PSNR-Wert, verbessern aber die Qualität; Körnung (vorgeschlagen in H.264 ) verbessert die Videoqualität deutlich, insbesondere auf großen Plasma-Bildschirmen, verringert aber den PSNR-Wert. Alle Filter verlängern die Komprimierungs-/Dekomprimierungszeit, verbessern somit die Bildqualität, verringern aber die Kodierungs- und Dekodierungsgeschwindigkeit.
• Die Suchstrategie für die Bewegungsschätzung (ME) kann bei gleichem PSNR-Wert zu unterschiedlicher Bildqualität führen. Die sogenannte echte Bewegungssuche erreicht in der Codec-ME üblicherweise nicht die minimalen SAD-Werte ( Summe der absoluten Differenzen ), kann aber eine bessere Bildqualität liefern. Solche Methoden benötigen zudem mehr Komprimierungszeit.
• Rate-Control-Strategie . VBR führt im Allgemeinen zu besseren visuellen Qualitätsmarkierungen als CBR bei gleichen durchschnittlichen PSNR-Werten für Sequenzen.

Für subjektive Tests eignen sich lange Sequenzen nur schwer. Üblicherweise werden drei oder vier zehnsekündige Sequenzen verwendet, während für objektive Messgrößen ganze Filme zum Einsatz kommen. Die Sequenzauswahl ist wichtig – Sequenzen, die denen ähneln, die Entwickler zur Optimierung ihrer Codecs verwenden, sind aussagekräftiger.

Die Anzahl der Bilder pro Sekunde ( FPS ) wird üblicherweise zur Messung der Kompressions-/Dekompressionsgeschwindigkeit verwendet.

Bei der Abschätzung wahrscheinlicher Codec-Leistungsunterschiede sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Gleichmäßigkeit der Dekompressions- (manchmal auch Kompressions-) Framezeit  – Große Unterschiede in diesem Wert können zu einer störend ruckeligen Wiedergabe führen.
• Die SIMD- Unterstützung variiert je nach Prozessor und Codec – z. B. MMX , SSE , SSE2 , die jeweils die CPU-Leistung bei bestimmten Aufgaben beeinflussen (oft auch bei solchen, die mit Codecs zusammenhängen).
• Die Unterstützung für Multithreading variiert erheblich je nach Prozessor (Anzahl der CPU-Kerne), und Codecs haben unterschiedliche Strategien für die Nutzung dieser Kerne – das Vorhandensein von Hyper-Threading beeinflusst die Codec-Geschwindigkeit, da es die Ressourcenzuweisung auf niedriger Ebene auf der CPU verändert.
• RAM- Geschwindigkeit  – im Allgemeinen wichtig für die meisten Codec-Implementierungen.
• Prozessor-Cache-Größe  – niedrige Werte können mitunter zu erheblichen Geschwindigkeitseinbußen führen, z. B. bei CPUs mit kleinem Cache wie einigen Modellen der Intel Celeron- Serie.
• GPU- Nutzung durch Codecs – einige Codecs können ihre Leistung durch die Nutzung von GPU-Ressourcen drastisch steigern.

So kann beispielsweise Codec A (der für die Speichernutzung optimiert ist – d. h. weniger Speicher benötigt) auf modernen Computern (die typischerweise nicht speicherbegrenzt sind) eine geringere Leistung erbringen als Codec B. Auf einem älteren Computer mit reduziertem Arbeitsspeicher (oder Cache) können die gleichen Codecs hingegen gegensätzliche Ergebnisse liefern.

Moderne Standards definieren ein breites Spektrum an Funktionen und erfordern für ihre Implementierung einen sehr hohen Aufwand an Software oder Hardware sowie entsprechende Ressourcen. In der Regel werden in einem bestimmten Produkt nur ausgewählte Profile eines Standards unterstützt. (Dies ist beispielsweise bei H.264-Implementierungen sehr üblich.)

Der H.264-Standard umfasst die folgenden sieben Fähigkeitssätze, die als Profile bezeichnet werden und auf bestimmte Anwendungsklassen abzielen:

• Baseline-Profil (BP) : Dieses Profil wird hauptsächlich für kostengünstige Anwendungen mit begrenzten Rechenressourcen verwendet und findet breite Anwendung in Videokonferenzen und mobilen Anwendungen.
• Main Profile (MP) : Ursprünglich als Mainstream-Verbraucherprofil für Rundfunk- und Speicheranwendungen gedacht, verlor dieses Profil an Bedeutung, als das High Profile (HiP) für diese Anwendungen entwickelt wurde.
• Erweitertes Profil (XP) : Dieses Profil ist als Streaming-Video-Profil gedacht und verfügt über eine relativ hohe Komprimierungsfähigkeit sowie einige zusätzliche Tricks zur Robustheit gegenüber Datenverlusten und Server-Stream-Wechseln.
• High Profile (HiP) : Das primäre Profil für Rundfunk- und Datenspeicheranwendungen, insbesondere für hochauflösende Fernsehanwendungen. (Dies ist beispielsweise das Profil, das bei HD DVD und Blu-ray Disc verwendet wird.)
• High 10 Profile (Hi10P) : Dieses Profil geht über die Fähigkeiten heutiger Mainstream-Konsumentenprodukte hinaus und baut auf dem High Profile auf, indem es die Unterstützung für bis zu 10 Bit pro Abtastwert der dekodierten Bildgenauigkeit hinzufügt.
• High 4:2:2 Profile (Hi422P) : Dieses Profil richtet sich in erster Linie an professionelle Anwendungen, die Interlaced-Video verwenden, und baut auf dem High 10 Profile auf. Es bietet Unterstützung für das 4:2:2-Chroma-Sampling-Format und nutzt dabei bis zu 10 Bit pro Sample an dekodierter Bildgenauigkeit.
• High 4:4:4 Predictive Profile (Hi444PP) : Dieses Profil baut auf dem High 4:2:2 Profile auf und unterstützt bis zu 4:4:4 Chroma-Sampling, bis zu 14 Bit pro Sample und zusätzlich eine effiziente verlustfreie Regionscodierung sowie die Codierung jedes Bildes als drei separate Farbebenen.
• Multiview High Profile : Dieses Profil unterstützt zwei oder mehr Ansichten unter Verwendung sowohl der Inter-Picture- (temporalen) als auch der MVC-Inter-View-Vorhersage, unterstützt jedoch keine Feldbilder und keine Makroblock-adaptive Frame-Field-Codierung.

Der Standard enthält außerdem vier zusätzliche All-Intra-Profile , die als einfache Teilmengen anderer entsprechender Profile definiert sind. Diese sind hauptsächlich für professionelle Anwendungen (z. B. Kamera- und Bearbeitungssysteme) gedacht:

• High 10 Intra-Profil : Das High 10-Profil ist ausschließlich für die Nutzung innerhalb von Intra-Bereichen vorgesehen.
• Hohes 4:2:2 Intra-Profil : Das hohe 4:2:2-Profil ist ausschließlich für die Intra-Nutzung vorgesehen.
• Hohes 4:4:4 Intra-Profil : Das hohe 4:4:4-Profil ist ausschließlich für die Intra-Nutzung vorgesehen.
• CAVLC 4:4:4 Intra-Profil : Das High 4:4:4-Profil ist auf die Verwendung von Intra-Daten und auf die CAVLC -Entropiekodierung beschränkt (d. h. es unterstützt kein CABAC ).

Darüber hinaus enthält der Standard nun auch drei Scalable Video Coding- Profile.

• Skalierbares Basisprofil : Eine skalierbare Erweiterung des Basisprofils.
• Scalable High Profile : Eine skalierbare Erweiterung des High Profile.
• Scalable High Intra Profile : Das Scalable High Profile ist ausschließlich für die Nutzung innerhalb von Intra-Bereichen vorgesehen.

Für einen genauen Vergleich von Codecs müssen die Profilvariationen innerhalb jedes Codecs berücksichtigt werden.

Siehe auch MPEG-2 Profile und Levels .

Die Ratensteuerungsstrategien von Videocodecs lassen sich wie folgt klassifizieren:

• Variable Bitrate ( VBR ) und
• Konstante Bitrate ( CBR ).

Variable Bitrate (VBR) ist eine Strategie zur Maximierung der visuellen Videoqualität bei minimaler Bitrate. Bei schnellen Bewegungen benötigt eine variable Bitrate mehr Bits als bei Zeitlupen ähnlicher Dauer, erzielt aber dennoch eine gleichbleibende Bildqualität. Für Echtzeit- und ungepuffertes Videostreaming mit fester Bandbreite – z. B. bei Videokonferenzen über Kanäle mit fester Bandbreite – muss eine konstante Bitrate (CBR) verwendet werden.

CBR wird häufig für Videokonferenzen sowie Satelliten- und Kabelfernsehen verwendet. VBR wird häufig für die Erstellung von Video-CDs/DVDs und für Video-Einspielungen in Programmen eingesetzt.

Die Bitratensteuerung eignet sich für Videostreaming. Für die Offline-Speicherung und -Wiedergabe ist es in der Regel vorzuziehen, mit konstanter Qualität (üblicherweise durch Quantisierung definiert ) zu kodieren, anstatt die Bitratensteuerung zu verwenden. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

• Die Xiph.Org Foundation hat eine unwiderrufliche, kostenlose Lizenz für Theora und andere von VP3 abgeleitete Codecs für jedermann und jeden Zweck ausgehandelt. ^{[ 39 ]}

• DivX Plus ist auch als DivX 8 bekannt. Die aktuellste stabile Version für Mac ist DivX 7 für Mac.

Beachten Sie, dass die Unterstützung durch ein Betriebssystem nicht bedeutet, ob mit dem Codec codierte Videos auf dem jeweiligen Betriebssystem wiedergegeben werden können – beispielsweise sind mit dem DivX-Codec codierte Videos auf Unix-ähnlichen Systemen mit kostenlosen MPEG-4 ASP-Decodern (FFmpeg MPEG-4 oder Xvid) abspielbar, der DivX-Codec (ein Softwareprodukt) ist jedoch nur für Windows und macOS verfügbar.

• Theora-Streams mit unterschiedlichen Bildraten können in derselben Datei verkettet werden, aber jeder Stream hat eine feste Bildrate. ^{[ 42 ]}

Liste frei verfügbarer Vergleiche und deren Inhaltsbeschreibung:

• Vergleich der Videoplayer-Software
• Liste der Codecs
  • Liste der Open-Source-Codecs
• Strukturelle Ähnlichkeit
• FILM-Index
• Vergleich von Audiocodierungsformaten
• Vergleich der Videocontainerformate
• Vergleich von Videobearbeitungssoftware

• Labor für Bild- und Videotechnik (LIVE)
• Subjektiver Vergleich moderner Videocodecs an der MSU