H.264 ist ein Standard zur Videokompression, der im Ansatz mit MPEG vergleichbar ist. Er wurde zunächst von der ITU (Study Group 16, Videocoding Experts Group) unter dem Namen H.26L entwickelt. Im Jahre 2001 schloss sich die ITU-Gruppe mit MPEG-Visual zusammen, da MPEG durch subjektive Tests herausgefunden hatte, dass H.26L im Vergleich zu H.263 (MPEG-4/ASP) etwa doppelt so effizient komprimierte. Im JVT (Joint Video Team) wurde der Standard gemeinsam zu Ende entwickelt. Dabei wurden speziell Erweiterungen für TV- und HD-Anwendungen mit hoher bis extrem hoher Qualität ergänzt. Im Jahr 2003 wurde der Standard endgültig verabschiedet. Die ITU-Bezeichnung lautet dabei H.264. Bei ISO-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).

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 (z. B. mittels DVB-S2 bei Pro7 HD, Sat.1 HD und Premiere HD) verpflichtend.

Portable Video: Die konkurrierenden Mobilfernsehstandards DVB-H und DMB nutzen beide (unter anderem) H.264 für die Videokodierung für mobile Endgeräte, wie Mobiltelefone oder PDAs. Auch die PlayStation Portable und die 5. Generation des iPods 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 erstmalig Mehrfach-Videokonferenzen möglich.

Videokonferenztechnik: Seit 2005 stehen Anwendern Videokonferenzendsysteme mit H.264-Codecs zur Verfügung.

Verwandte Verfahren

Während der Entwicklung von H.264 spalteten sich zwei kommerzielle Entwicklungen ab, die mehr oder weniger direkt auf H.264 aufsetzen:

• Sorenson Video 3, ein im Umfeld von QuickTime sehr verbreiteter Codec, der nur in Details von H.264 abweicht.
• Microsoft Windows Media Video 9 (WMV9) ist ein proprietärer Videocodec der Firma Microsoft mit H.264 nachahmenden Eigenschaften.

Die Variante VC-1 (vormals VC-9 nach WMV9) ist ebenfalls einer der obligatorischen Codecs für die HD-DVD und BD-DVD.

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, der 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 "Fades" und Überblendungen sehr effizient kodieren.
• Deblocking-Filter: Während sich die bisherigen MPEG-Codecs ausschließlich auf optionales externes 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.

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.

Level

Wie schon in Mpeg-2 definiert H.264 verschiedene Level. Dieser ist umso höher, je größer die Bitrate des Videos ist.

Implementierung

• x264 ist ein unter der GPL lizenzierter H.264 Encoder.
• Die freie, LGPL-lizenzierte Bibliothek libavcodec beinhaltet einen H.264 Decoder.
• Apple hat H.264 in Mac OS X ab Version 10.4 (Tiger), und in QuickTime Version 7 integriert.
• Nero Digital, beinhaltet einen von der Nero AG und Ateme entwickelten H.264 Encoder.
• Sorenson bietet eine Implementierung von H.264 an.
• Main Concept bietet einen H.264 Encoder an.
• Lead Technologies hat einen H.264 Video Codec.
• Pixeltools Expert-H264

Patente

Viele der Verfahren, welche in H.264 zur Anwendung kommen, sind durch Patente geschützt. Wie schon bei MPEG-2 wird auch bei MPEG-4 von den Herstellern und Serviceanbietern, welche diesen Standard einsetzen wollen, ein Gebühr verlangt. Damit man nicht bei jedem Patentinhaber einzeln um die Erlaubnis bitten muss, geben diese Ihre Patente normalerweise einem Patent-Pool zur Verwaltung, welcher sich um die Aufschlüsselung der einzelnen Einnahmen kümmert. Da dies jedoch eine freiwillige Maßnahme ist, haben sich bei H.264 zwei Patentpools gebildet, dem sich auch nicht alle Patenthalter angeschlossen haben. Diese Rechtslage hat zu einigen Unsicherheiten bei der Adoption von H.264 geführt und wird vielleicht zur Entwicklung von weiteren alternativen Verfahren führen.

Weblinks

• Apples QuickTime 7 HD Galerie
• x264 – Ein freier H.264/AVC-Encoder (Download hier: http://x264.nl/)
• sklmp4 – Ein freier H.264 En- und Decoder welcher ebenso MPEG2 und MPEG4 unterstützt (mit VfW und DirectShow Interface unter Win32)
• Technische Beschreibung (englisch)

Videokompression | ITU-Empfehlung

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