Team 4

Brillante Videos überall - effiziente Codierung mit internationalen Standards

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte und bewegte Bilder sprechen Bände. Tatsächlich verändern sich dramatisch Art und Geschwindigkeit, wie wir miteinander kommunizieren, wie Nachrichten um die Welt gehen oder wie wir Unterhaltendes und Bewegendes konsumieren. Beispielsweise haben die Protestbewegungen im arabischen Frühling eindrucksvoll gezeigt, wie Videobilder über mobile Endgeräte oder das Internet Einfluss auf das Weltgeschehen nehmen können.

Eine unmittelbare technologische Auswirkung dieser Veränderungen besteht darin, dass der Anteil von Videosignalen am gesamten Datenaufkommen im Internet auf deutlich mehr als 50 Prozent gestiegen ist. Eine Grundlage für diese Videorevolution ist durch wissenschaftlich-technische Innovationen in der Videocodierung gelegt worden, ohne die eine effiziente Übertragung von digitalen Videosignalen nicht möglich wäre.

Praktisch alle Anwendungen von digitalem Video – inklusive der klassischen Bereiche von Film und Fernsehen – benötigen eine effiziente und damit ressourcenschonende Übertragung der Videosignale. Diese ist jedoch nur durch eine Codierung der Rohdaten durchführbar. So beträgt die Rohdatenrate eines hochauflösenden Fernsehsignals (HDTV) etwa 600 Megabit/s, während für dessen Übertragung typischerweise Bitraten von 5-10 Megabit/s zur Verfügung stehen.

Ziel der Videocodierung ist es, die bestmögliche Bildqualität bei einer gegebenen Bitrate zu erreichen. Dafür werden Algorithmen verwendet, die auf mathematischen Methoden basieren und ihren Ursprung in der Informationstheorie haben. Da die Implementierung der Verfahren auf digitalen Rechnern oder spezieller Hardware erfolgt, müssen auch die zur Umsetzung erforderlichen Komplexitätsanforderungen erfüllt werden.

Videocodierung stellt somit eine Schlüsseltechnologie in unserem Informationszeitalter dar. Dabei erzeugt die ständig wachsende Menge und Auflösung der Videosignale einen stetig steigenden Bedarf an effizienter Kompression.

Internationale Standards
Für die Übertragung von Videos muss das am Sender erzeugte Format von den Empfängern verstanden werden können. Die Festlegung der Formate durch internationale Standards hat sich als verlässliche Basis für Investitionen und Massenanwendungen bewährt. In der Entwicklung eines Codierstandards werden die eingebrachten technischen Vorschläge einer strengen Evaluierung hinsichtlich ihrer Codiereffizienz und Komplexität unterzogen. Daher sind sämtliche Technologien in einem Standard in hohem Maße auf ihre Güte hin verifiziert. Die Standardisierungsteilnehmer gehen zusammen mit ihrem Vorschlag die Verpflichtung ein, dass die angenommenen Technologien unter fairen Bedingungen lizenziert werden können.

Das derzeit effizienteste und am stärksten verbreitete Format für die Videocodierung ist H.264/AVC mit seinen Erweiterungen, das sowohl von der Internationalen Telekommunikationsunion (ITU) als auch der Internationalen Standardisierungsorganisation (ISO) als weltweiter Standard verabschiedet wurde. Der Standard ist für alle gängigen Auflösungen, Qualitäten und Bitraten geeignet. Die Anwendungsgebiete schließen sowohl den Mobilfunk, HDTV, Videokonferenzen, 3-DTV, Blu-ray-Disc als auch Dienste wie Video on Demand, IPTV oder videobasierte Sicherheits- und Medizintechnik ein.

Ein großer Anteil der Bits im Internet ist mittlerweile mit H.264/AVC codiert; deutlich mehr als 1 Milliarde Endgeräte mit H.264/AVC sind weltweit im Einsatz. Ein wesentlicher Grund für diese breite Akzeptanz besteht darin, dass man mit H.264/AVC Videosignale mit weitaus höherer Effizienz als zuvor übertragen kann. Dadurch sind völlig neue Produkte möglich geworden, von denen auch die Anwender einen Vorteil haben. HDTV wäre ohne H.264/AVC in vielen Bereichen nicht möglich oder unökonomisch, wovon auch wiederum die Rundfunkanstalten und Firmen im Bereich IPTV, Satelliten- und Kabelfernsehen erheblich profitieren. Der Standard findet sich auch in der Telemedizin, dem E-Learning und der Sicherheitstechnik wieder. Videokonferenzen über das Internet und den Mobilfunk sind durch die skalierbare Codierung in H.264/AVC entscheidend vorangebracht worden. Dies ist nicht nur ökonomisch vorteilhaft, sondern hat auch ökologisch positive Auswirkungen.

Von den Grundlagen zur wirtschaftlichen Anwendung
Die wissenschaftlich-technischen Arbeiten von Prof. Wiegand, Dr. Marpe und Dr. Schwarz haben entscheidend zum Fortschritt auf dem Gebiet der Videocodierung und zur Entwicklung und Etablierung des internationalen Videocodierstandards H.264/AVC und dessen Erweiterungen beigetragen.

Eine der zentralen Methoden in der Videocodierung besteht darin, mit Hilfe bereits decodierter Bilder eine Vorhersage des aktuell zu codierenden Bildes vorzunehmen. Zum Beispiel können Bildinhalte, die sich nicht verändern, einfach kopiert werden. Tritt eine Bewegung von Bild-zu-Bild auf, wird die Bewegung kompensiert und nur der nicht vorhersagbare Teil muss noch übertragen werden. Eine Effizienzsteigerung dieser bewegungskompensierten Vorhersage wurde von Prof. Wiegand und dem Team erforscht. Beispielsweise wurde die Videocodierung um die Möglichkeit der Ausnutzung statistischer Langzeitabhängigkeiten erweitert. Einfacher gesagt: Wenn ein Bildinhalt nicht aus dem vorherigen Bild vorhergesagt werden kann, dann vielleicht aus einem Bild, das weiter zurückliegt.

Neben der Vorhersage von Bildinhalten ist auch die Entropiecodierung ein wichtiges Instrument zur effizienten Videokompression. Häufiger auftretende Daten werden durch weniger Bits als seltene Daten repräsentiert, wodurch die mittlere Bitrate reduziert wird. Durch Dr. Marpe und das Team wurde ein adaptives arithmetisches Entropiecodierverfahren erforscht und erfolgreich im Rahmen der Standardisierung zur Produktreife entwickelt. Das Verfahren ermöglicht es, sich auf die Daten zu adaptieren und statistische Bindungen höherer Ordnung auszunutzen. Mit den beiden genannten Innovationen und dem Vorschlag zur Lagrange-basierten Codierersteuerung sowie anderen Beiträgen des Teams konnte die Codiereffizienz von H.264/AVC deutlich gesteigert werden.

Darüber hinaus konnte das Team bei allen drei Erweiterungen des H.264/AVC-Standards das grundlegende Modell aufstellen. Für eine leistungsfähigere Codierung von HD-Videosignalen wurde durch das Team das Basismodell für die erste Erweiterung von H.264/AVC eingebracht, wobei teilweise auf Arbeiten aus der Gruppe von Prof. Jens-Rainer Ohm (RWTH Aachen) zurückgegriffen werden konnte. Das resultierende High Profile von H.264/AVC ist das Format für die meisten HDTV-Sender weltweit und findet zunehmend auch auf Smartphones und in Camcordern Anwendung.

Auch das Gebiet der skalierbaren Videocodierung, das die effiziente Übertragung von mehreren Auflösungen oder Qualitäten eines Signals in einem Bitstrom beschreibt, konnte von Dr. Schwarz und dem Team entscheidend beeinflusst werden. Mit der skalierbaren Erweiterung von H.264/AVC können Videokonferenzen über das Internet in HD auf Laptops oder mit Tablet-PCs durchgeführt werden. Die vom Team entwickelte skalierbare Videocodierung wurde als Basismodell für die Erweiterung von H.264/AVC angenommen. Dazu wurde eine Reihe neuer Algorithmen zur skalierbaren Codierung erforscht und für die Nutzung in Produkten weiterentwickelt.

Schließlich wurde der Vorschlag des Teams zur Erweiterung von H.264/AVC zur effizienten Codierung von 3-D-Videosignalen als Basismodell angenommen. Stereoskopisches Video ermöglicht die Darstellung räumlicher Tiefeneindrücke auf Flachbildschirmen mit Hilfe von 3-D-Brillen. Dabei werden zwei Videosignale übertragen, die die Szene aus benachbarten Ansichten zeigen. Hier kann eines der Videosignale aus dem anderen vorhergesagt werden. Diese Technologie ist heute in allen 3-D-fähigen Blu-ray-Playern implementiert.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass diese Innovationen in der Videocodierung und deren Umsetzung in der Standardisierung entscheidend dazu beigetragen haben, brillante Videos überall zu ermöglichen. Videosignale können mit weitaus höherer Effizienz als zuvor übertragen werden und erschließen somit völlig neue Anwendungen. H.264/AVC findet sich heute in einer riesigen Anzahl von Anwendungen wieder und das Team war mit substantiellen Beiträgen daran beteiligt. Weiterhin konnte das Team bei allen drei Erweiterungen von H.264/AVC jeweils das grundlegende Modell aufstellen. Zudem haben Prof. Wiegand in der Leitung der Standardisierungsgremien und Dr. Marpe und Dr. Schwarz in der Leitung von Standardisierungsuntergruppen sowie als Editoren des Standards den Prozess der internationalen Standardisierung signifikant unterstützt. Darüber hinaus hat das Team durch Vorschläge in der Anwendungsstandardisierung (DVB und 3GPP) und in vielen Industriekooperationen erheblich zur Umsetzung des H.264/AVC-Standards beigetragen.

Profil Fraunhofer HHI
Das Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik - Heinrich-Hertz-Institut - ist weltweit führend in der Forschung und Entwicklung von mobilen und festen Breitband-Kommunikationsnetzen und Multimedia-Systemen. Zusammen mit einem starken Netzwerk nationaler und internationaler Partner aus Forschung und Industrie wird unter anderem an Themen wie optischen Komponenten und Netzen, drahtloser Übertragung, Videoverarbeitung, -codierung und -übertragung, 3D-Displays, sowie Mensch-Maschine-Interaktion mit Gestensteuerung gearbeitet.

Profil TU Berlin
Die Technische Universität Berlin versteht sich als international renommierte Universität in der deutschen Hauptstadt, im Zentrum Europas. Eine scharfe Profilbildung, herausragende Leistungen in Forschung und Lehre, die Qualifikation von sehr guten Absolventinnen und Absolventen und eine moderne Verwaltung stehen im Mittelpunkt ihres Agierens. Forschung und Lehre werden von vielen sich ergänzenden Disziplinen bestimmt. Im Forschungsfeld Elektrotechnik und Informatik gehört sie in Deutschland zu den ersten Adressen und hat ein hohes internationales Ansehen.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Brillante Videos überall – effiziente Codierung mit internationalen Standards“ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft e.V. vorgeschlagen.