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H.264

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H.264/MPEG-4 AVC ist ein hocheffizienter Standard zur Videokompression. Er wurde zunächst von der ITU (Study Group 16, Video Coding Experts Group) unter dem Namen H.26L entwickelt. Im Jahre 2001 schloss sich die ITU-Gruppe mit MPEG-Visual zusammen und führte die Entwicklung gemeinschaftlich im Joint Video Team (JVT) fort. Ziel des Projektes war es, ein Kompressionsverfahren zu entwerfen, das im Vergleich zu bisherigen Standards sowohl für mobile Anwendungen als auch im TV- und HD-Bereich die benötigte Datenrate bei gleicher Qualität mindestens um die Hälfte reduziert. Im Jahr 2003 wurde der Standard in beiden Organisationen im identischen Wortlaut verabschiedet. Die ITU-Bezeichnung lautet dabei H.264. Bei ISO/IEC MPEG läuft der Standard unter der Bezeichnung MPEG-4/AVC (Advanced Video Coding) und ist der zehnte Teil des MPEG-4-Standards (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10).

MPEG-4/AVC unterscheidet sich deutlich von MPEG-4/ASP und seinen Derivaten DivX und XviD. H.264 erreicht typischerweise eine etwa dreimal so hohe Codiereffizienz wie H.262 (MPEG-2) und ist auch für hoch aufgelöste Bilddaten (z. B. HDTV) ausgelegt. Das heißt, vergleichbare Qualität ist etwa bei einem Drittel der MPEG-2-Datenmenge zu erreichen. Allerdings ist der Rechenaufwand auch um den Faktor 2 bis 3 höher.

Einsatzgebiete

H.264 wurde nicht auf einen spezifischen Verwendungszweck zugeschnitten, sondern entfaltet seine Leistung in einem recht breiten Spektrum an Anwendungen. Daher sind die momentan aussichtsreichsten Einsatzgebiete auch von sehr verschiedener Gestalt:

HDTV: H.264 ist eines der obligatorischen Videokompressionsverfahren der HD-DVD und Blu-ray Disc-Standards, sowie für die hochauflösende Fernsehübertragung mittels DVB-S2 (z. B. bei Pro7 HD, Sat.1 HD und Premiere HD) verpflichtend.
Portable Video: Die konkurrierenden Mobilfernsehstandards DVB-H und DMB verwenden beide (unter anderem) H.264 für die Videokodierung für mobile Endgeräte, wie Mobiltelefone oder PDAs. Auch die PlayStation Portable, die 5. Generation des iPods und der nur in Amerika erhältliche Zune-Player können H.264-Videos abspielen.
Multimedia: Apple liefert sein Multimedia-Framework QuickTime ab Version 7 mit einem H.264-Codec aus. So sind beispielsweise in iChat AV 3.x erstmalig Mehrfach-Videokonferenzen möglich.
Videokonferenztechnik: Seit 2005 stehen Anwendern Videokonferenzendsysteme mit H.264-Codecs zur Verfügung.

Technische Details

H.264 baut weitestgehend auf seinen Vorgängern MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 und der H.261-Familie auf, weist jedoch deutliche Veränderungen und Erweiterungen auf:

Anstelle einer Diskreten Kosinustransformation (DCT) auf 8 × 8 Pixel großen Blöcken wird eine von der DCT abgeleitete Integertransformation auf 4 × 4-Pixel-Blöcken verwendet. Die Berechnung dieser Transformation kommt lediglich mit Additionen, Subtraktionen und binären Verschiebeoperationen aus, was eine Hardwareimplementation deutlich vereinfacht. Durch die geringere Blockgröße werden außerdem Ringing-Artefakte reduziert.
Die Entropiekodierung wurde an die veränderte Transformation angepasst. H.264 unterstützt dabei neben den herkömmlichen Huffman-artigen VLC-Codes (CAVLC, Context Adaptive Variable Length Coding) auch eine leistungsfähigere arithmetische Kodierung (CABAC, Context Adaptive Binary Arithmetic Coding).
Macroblock Partitioning: Die Makroblöcke von der Größe 16 × 16 Pixel können in Unterblöcke bis hinunter zu einer Größe von 4 × 4 Pixeln unterteilt werden. Da für jeden Block ein eigener Bewegungsvektor gespeichert wird, können somit räumlich scharf abgegrenzte und vor allem komplexe Bewegungen besser kodiert werden.
Die Bewegungskompensation ist immer auf ¼ Pixel genau (bei H.263, d.h. MPEG-4/ASP, war dies eine Option). Dabei wird zur Generierung der Zwischenpixel nicht mehr eine einfache bilineare Filterung eingesetzt, sondern es wird ein FIR-Filter verwendet, das die Bildschärfe besser erhält.
Intra Prediction: Auch innerhalb von I-Frames kommt eine Form der Bildvorhersage (prediction) zum Einsatz. Dabei werden die Pixelwerte eines Blocks aus den umliegenden, bereits dekodierten Pixeln abgeschätzt und dann lediglich die Differenz zum tatsächlichen Bildinhalt kodiert. Bei kleineren Bildformaten ist diese Methode im allgemeinen effizienter als JPEG2000.
Long-Term Prediction: P- und B-Frames können nicht nur Referenzen auf den jeweils letzten I- oder P-Frame enthalten, sondern auch zu theoretisch beliebig vielen vorhergehenden, um eine effizientere Kodierung von periodischen Bewegungen zu ermöglichen. In den Profiles und Levels ist die Anzahl von Referenzbildern allerdings auf maximal fünf begrenzt.
Weighted Prediction: Werden Bildinhalte aus mehreren Referenz-Frames gemischt, können die Quellen beliebig gewichtet in die Mischung eingehen. So lassen sich Aus- und Überblendungen sehr effizient kodieren.
Deblocking-Filter: Während sich die bisherigen MPEG-Codecs ausschließlich auf eine optionale, externe Nachbearbeitung/Filterung (engl. "postprocessing") verlassen, ist ein Deblocking-Filter integraler Bestandteil von H.264 (wie auch schon bei H.263). Referenzen auf bereits dekodierte Frames beziehen sich ebenfalls auf die bereits gefilterten Bilder. Damit erreicht man eine sehr hohe wahrgenommene Bildqualität. Besonders im Zusammenwirken mit der verkleinerten Transformationsgröße von 4 × 4 ergeben sich große subjektive (und in geringerem Maße auch objektive) Verbesserungen.
Switching Slices: ermöglichen den nahtlosen Übergang zwischen verschiedenen Videoströmen, ohne dabei "teure" (weil große) I-Frames einsetzen zu müssen.
Flexible Macroblock Ordering: Die Makroblöcke innerhalb eines Frames bzw. Slices können in relativ freier Reihenfolge angegeben werden. Dies lässt sich z. B. zur Fehlerverdeckung bei Kanalverlusten (Mobil-Video) einsetzen.

Siehe auch: Prädiktive Kodierung

Profile

Profile und Level sollen die Zusammenarbeit der verschiedenen Implementierungen der Hersteller unterstützen. Die Profile fassen bestimmte Merkmale zusammen, die unterstützt werden müssen. Ein Level setzt Beschränkungen auf die Variablen eines Datenstroms, wie etwa die maximale Auflösung oder Bitrate.

Baseline

Extended

Main

High

High 10

High 4:2:2

High 4:4:4

I and P Slices