SPECIAL: Standards der digitalen AV-Kompression - Formate, Codecs & Container

19. April 2010 (phk)

Einführung

Die Blu-ray ist ein digitales optisches Speichermedium mit Kapazitäten von 25 GB bis hin zu theoretischen 10 TeraByte. Ein 405 nm blauvioletter Laser sorgt für diese riesigen Speichergrößen und öffnet dem High-Definition Content Tür und Tor in unsere Heimkinos. Neben der Blu-ray und natürlich der viel zu kurzlebigen HD DVD gibt und vor allem gab es bereits vorher einige Ansätze das hochauflösende Material zum Endkonsumenten zu bringen. Die in den USA bekannten DTheater-Tapes waren schon 2002 mit HD-Inhalt bespielt und glänzten teilweise mit DTS-Sound. Welcher Datentrager auch verwendet wurde, alle unterstützen eine oder mehrere Formen der Video- und Audiokompression. Ein HD-Video in Rohform ist in seiner Größe auf optischen Medien sonst gar nicht erfassbar, die riesige Datenmenge muss durch hoffentlich geringe Abstriche in puncto AV-Qualität in ihrer Größe so reduziert werden, dass sie auf die durchschnittlich 50 GB Speicher überhaupt passt. Für diese Methode stehen verschiedene "Codecs" zur Verfügung, dieser Codec komprimiert den gewünschten Inhalt in der Regel verlustbehaftet (lossy data compression). Wichtig ist nun, diesen entstandenen Verlust möglichst klein zu halten um eine maximale Repräsentation des ursprünglich aufgezeichneten Materials zu erhalten. In diesem Bericht möchten wir einen kleinen Einblick in die verschiedenen Kompressionsmöglichkeiten und ihre Eigenschaften geben. Vorher noch ein ganz kurzer Blick zurück.

HD vor der Blu-ray Disc

Wie in der Einführung erwähnt gab es auch schon vor der Scheibe mit dem blauen Laser High-Definition Inhalt für Konsumenten. Nachdem um ~1998 und vorher besonders in den USA durch den Start des öffentlichen HD-Fernsehen das HDTV immer verbreiteter wurde, gab es natürlich auch Nachfrage bezüglich HD-Material für den Heimanwender. DTheater, hierzulande kaum bekannt, war der Brandname von vorgefertigten Film-Kassetten des ursprünglichen D-VHS Mediums. Entwickelt von JVC, Hitachi, Panasonic und Philips benutzt dieses Format dieselben physischen Dimensionen wie VHS, kann aber im Gegenzug sowohl SD- und HD-Material aufzeichnen. DTheater-Kassetten verfügen über 720p- oder 1080i Content und mindestens einem Dolby Digital Audiotrack, später aber auch DTS-Spuren. Die DTheater Kassetten waren auch mit einem Region Coding versehen, allerdings sind außerhalb der USA nirgends Discs erschienen. Aufgrund der Übernahme des Marktes durch die DVD und dem HDD-Recording ist DTheater nie über einen Nischenstatus hinausgekommen. Der letzte, auf DTheater erhältiche Film war FOXs "I, Robot."

Ein weiteres, nicht allzu bekanntes Format ist HDCAM. Die hochauflösende Variante der "Digital Betacam" in ähnlicher physischer Dimension ist eigentlich ein professionelles Aufnahmeformat, das in verschiedenen Produktreihen aus Sony's CineAlta Reihe Anwendung findet. Beispielsweise wurde die zweite Star Wars-Episode mit der Sony HDW-F900 komplett digital abgedreht. Im Consumer-Bereich fand HDCAM bzw. das etwas neuere HDCAM SR keinen Fuß. Trotzdem ist das Format nicht gerade unwichtig auch für Otto-Normalverbraucher, oft wird HDCAM SR von TV-Stationen als Master-Medium verwendet. Master im Sinne von der 1. Kopie des ursprünglichen Materials und als Vorlage für den eigenen internen Encodiervorgang in HD oder SD. Das Studio schickt die Kassetten nach Fertigstellung direkt an die Broadcast Stations und verteilt so ihren HD-Content an sie und uns.

Blu-ray

Viel interessanter nach den eher unbekannten, teilweise veralteten Technologien wollen wir uns das neue optische Medium, die Blu-ray Disc und vor allem ihren eigentlichen Inhalt ansehen. Dank der Fortschritte im PC-Bereich und der DVD können wir die Blu-ray etwas genauer unter die Lupe nehmen als beispielsweise noch eine D-VHS. Im Großen und Ganzen kann man sich eine Blu-ray ähnlich einer DVD-Iso mit besonderer Datenstruktur vorstellen, sie besteht aus drei Teilen!

  • Videospur (*.h264, *.mpg)

  • Audiospur (*.dtshd, *.truehd, *.dts, *.ac3)

  • Untertitel (PGS, *.sup)

Selbstverständlich gibt es nicht nur den Hauptfilm auf einer Blu-ray, sondern auch Menü, Extras und vielleicht sogar Bild-in-Bild Features auf der Disc. Das heißt es befinden sich natürlich mehrere Video- und Tonspuren angeordnet in der speziellen Blu-ray Datenstruktur. Alle Film-und Extradateien (auch Menü etc.) findet man im "STREAM"-Ordner, direkt abgeleitet von ihren Containerdateien "M2TS" = BDAV Transport Stream. In diesen Containerdateien liegen die oben angesprochenen AV- und Untertitelspuren in ihren entsprechen Kompressionsformaten vor. Die Videodaten in MPEG2, VC1 oder H.264/AVC, Audio in TrueHD, DTS-HD, DD und DTS und letztendlich die Untertitel in PGS. Die Untertitel liegen also in Bildern, nicht als Text, vor. Alle eben genannten Abkürzungen sind Codecs bzw. Kompressionsstandards, viele haben Vor- und manche haben Nachteile. Alle führen aber zu einer mehr oder weniger effizienten Größenreduzierung der ursprünglichen AV-Daten und werden in der Blu-ray Spezifikation erwähnt und unterstützt, sie machen eine Speicherung auf Blu-ray von hochauflösendem Material erst möglich.

Codecs

Während Audiocodecs wie Dolby TrueHD und DTS-HD Master verlustfrei, also völlig ohne Eingreifen der Kompression auf die Qualität, arbeiten müssen wir uns im Videobereich noch mit verlustbehafteten Optionen begnügen. Die zu überwindenden Datenmengen sind einfach noch zu groß um absolut frei von Verlusten bleiben zu können. Jedoch ist bezüglich der benötigten Datenrate in Relation zur erreichten Qualität ein großer Fortschritt gemacht worden. Wir wollen und können hier nicht die genaue Funktionsweise von Kompressionsverfahren beschreiben oder gar genau vergleichen, sondern Ansatzpunkte liefern und Vergleichsansätze wagen.

MPEG-2

MPEG-2 ist der hier älteste Codec den wir vorstellen. In Zeiten der DVD war dieser Kompressions-Standard unangefochten die Nummer 1 und im TV-Bereich findet MPEG-2 auch heute noch sehr viel Anwendung, während die HDTV-Sender in Europa größtenteils in h.264 senden, wird in Amerika noch mit einer deutlichen Mehrheit auch in HD in MPEG-2 gesendet. Klar, dass die modernsten Errungenschaften bei dieser Form der Kompression noch am wenigsten ausgeprägt sind. Es muss nicht grundsätzlich der Fall sein, dass ein in AVC oder VC-1 codiertes Videofile generell besser aussieht als ein in MPEG-2 codiertes. Man kann aber durchaus sagen, dass die nötige Bitrate (Datenrate x mb/s) bei gleichbleibender Qualität im MPEG-2 Format deutlich höher ausfallen wird, als beispielsweise bei AVC. Ein weiterer Minuspunkt auf dem Konto MPEG-2 ist das etwas erhöhte Bildrauschen im Gegensatz zu den anderen Formaten. Auch wenn, wie eben erwähnt, eine MPEG-2 codierte Videospur sehr gut aussehen kann, so sind wir klar gegen weitere und vor allem neue Discs mit diesem Codec. VC-1 und AVC bieten die deutlich höhere Effizienz und lassen so mehr Platz auf der Disc für konstante Audio-Bitraten oder Extras. Viele der ersten Blu-rays wurden noch in MPEG-2 encodiert, noch dazu auf kleinen BD-25 Discs, so dass der höhere Speicherplatz gegenüber einer HD DVD überhaupt nicht ausgenutzt werden konnte. Marketing wurde aber nach dem Motto "Bigger is better" betrieben, dies führte noch zu Beginn des nun schon beinahe vergessenen Formatkrieges zu Unstimmigkeiten im BD-Lager.

VC-1

VC-1 ist den meisten bekannt als von Microsoft entwickelter Videokompressionsstandard. Unterstützt von noch etwa 15 anderen Unternehmen wird VC-1 mittlerweile als Videostandard für Blu-ray, WMV9 und Microsofts SilverLight verwendet. Der Kompressionsstandard ist ähnlich effizient wie der h.264/AVC-Standard und wird mittlerweile von vielen Studios angewandt. Unter privaten Videophile-Foren wird AVC immer noch, größtenteils begründet aus der besseren Erhaltung der Filmkörnung, bevorzugt aber einen sauberen A/B-Vergleich haben wir noch nicht entdeckt. Die ursprüngliche Zurückhaltung bezüglich der Verwendung des Codecs der BDA ist wohl auf Lizenzkosten zurückzuführen.

H.264/AVC

oder auch MPEG-4 Part 10 ist der wohl am meisten genutzte und somit erfolgreichste Videocodec bezüglich des HD-Standards. Ob Blu-ray, DVB, Youtube oder iTunes - alles ist h.264. Der Codec scheint die Maximen erreicht zu haben, wofür er entwickelt wurde. Ein Video-Standard mit guter Qualität, hoher Flexibilität aber keine problematische Komplexität. Bis zu 50% weniger Datenrate im Vergleich zu MPEG-2 Broadcasts wurde angepeilt und verwirklicht. Zur Vereinfachung ist der H.264 Standard nochmals in "Profile" unterteilt, das sind voreingestellte Presets für bestimmte Ziele: Das Baseline Profile beispielsweise ist vorgefertigt für Mobile Anwendungen, hier ist nicht die Qualität sondern die Robustheit der Daten wichtig. Ganz anders das "High Profile", dass spezifisch für Blu-ray Discs bzw. Broadcast Applikationen definiert wurde. Innerhalb der h.264 Spezifikationen gibt es verschiedene Varianten, die unterschiedliche Ausprägungen aber gleiche Grundsteine haben. So ist beispielweise AVCHD, ein von Sony und Panasonic genutztes Aufnahmeformat dass konform zu h.264 aber mit gewissen Einschränkungen arbeitet, Mitglied dieser Standard-Familie. Wie im oberen Absatz erwähnt gilt AVC meist als der beste der drei in der Blu-ray Spezifikation definierten Videokompressions-Standards, auch wir glauben dass AVC wahrscheinlich das größte Potenzial in sich birgt. x264, ein freier Encodierungsstandard schöpft hier beispielsweise schon aus dem Vollen. Trotzdem bedeutet ein ordentlicher Codec nicht gleich eine super Bildqualität, geht das Studio mit Digital Noise Reduction und Edge Enhancement usw. zu radikal an das Master hilft auch der beste Videocodec nichts.

Fazit

Mittlerweile werden wir erfreulicherweise fast komplett mit schlecht umgesetzten Blu-ray Discs verschont. Die Zeiten, in denen auf Blu-ray MPEG-2 Video erscheint sind zweifelsohne vorbei, auch wenn bestimmte Vertriebe wie Alliance Canada uns ab und an immer noch mit solch Glanzleistungen beglücken. Trotzdem ist mit der Wahl des richtigen Codes nicht automatisch eine Top Qualität gegeben, wir haben schon MPEG-2 HDTV Aufnahmen gesehen, die stellenweise nicht unbedingt schwächer waren als ihr Blu-ray Äquivalent in AVC. Dank der fortschrittlichen Technik ist also meist die Aufwendung von Zeit und Geld durch das jeweilige Studio für die Digitalisierung eines Filmes ausschlaggebender als die Form der Datenkompression. Abgesehen vom Technik-Freak wird den Filmfreund es ohnehin nicht interessieren in welchem Kompressionsstandard sein Videomaterial encodiert ist, wir hoffen trotzdem etwas Interesse geweckt zu haben und wollen das Special bei Bedarf noch auf kompatible Audioformate ausweiten.


Text: Philipp Kind
19. April 2010