Video-Kompression Grundlagen

Was ist Video-Kompression?

**Video-Kompression** ist der Prozess der Reduzierung der Dateigröße eines Videos durch Entfernung redundanter oder unnötiger Daten, während versucht wird, die visuelle Qualität zu erhalten. Dies ist essentiell, da unkomprimierte Video-Dateien enorm groß und unpraktisch für Speicherung oder Übertragung sind.

Raw Video Realität

• 1080p @ 30fps = ~3GB pro Minute
• 4K @ 30fps = ~12GB pro Minute
• Unmöglich zu streamen oder einfach zu teilen
• Erfordert massive Speicherkapazität

Komprimierte Video Vorteile

• 1080p @ 30fps = ~50MB pro Minute
• 90-95% Größenreduktion möglich
• Geeignet für Streaming und Teilen
• Erhält akzeptable visuelle Qualität

Wie Video-Kompression funktioniert

Kompressionsarten

🔄 Verlustfreie Kompression

• **Perfekte Qualität:** Kein Datenverlust
• **Moderate Kompression:** ~50% Größenreduktion
• **Anwendungsfälle:** Professionelle Bearbeitung, Archivierung
• **Beispiele:** FFV1, ProRes, DNxHD

📉 Verlustbehaftete Kompression

• **Qualitäts-Kompromiss:** Einige Daten permanent verloren
• **Hohe Kompression:** 80-95% Größenreduktion
• **Anwendungsfälle:** Streaming, Web, soziale Medien
• **Beispiele:** H.264, H.265, VP9, AV1

Kompressionstechniken

🖼️ Räumliche Kompression (Intraframe)

Reduziert Redundanz innerhalb einzelner Frames, ähnlich der JPEG-Kompression für Bilder.

• Entfernt hochfrequente Details, die für das menschliche Auge weniger sichtbar sind
• Verwendet mathematische Transformationen (DCT - Diskrete Kosinus-Transformation)
• Quantisiert Farb- und Helligkeitsinformationen
• Jeder Frame wird unabhängig komprimiert

⏱️ Zeitliche Kompression (Interframe)

Nutzt Ähnlichkeiten zwischen aufeinanderfolgenden Frames für höhere Kompression.

• **I-Frames:** Vollständige Frames (Keyframes)
• **P-Frames:** Vorhergesagte Frames (referenzieren vorherige Frames)
• **B-Frames:** Bidirektionale Frames (referenzieren Vergangenheit und Zukunft)
• Bewegungsvektoren verfolgen Objektbewegungen zwischen Frames

Video-Codecs verstehen

Ein **Codec** (Coder-Decoder) ist der Algorithmus, der die Kompression und Dekompression durchführt. Die Wahl des Codecs beeinflusst maßgeblich Dateigröße, Qualität und Kompatibilität.

Beliebte Video-Codecs Vergleich

Codec	Kompression	Qualität	Kompatibilität	Am besten für
H.264/AVC	Gut	Sehr gut	Ausgezeichnet	Allzweck, Streaming
H.265/HEVC	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Gut	4K-Inhalte, moderne Geräte
VP9	Sehr gut	Sehr gut	Gut	YouTube, Web-Streaming
AV1	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Begrenzt	Zukunftssicher, Netflix

Wichtige Kompressionsparameter

Bitrate (Wichtigster Parameter)

**Bitrate** bestimmt, wie viele Daten pro Sekunde Video verwendet werden. Höhere Bitrate = bessere Qualität aber größere Dateigröße.

Bitrate-Typen

• **CBR (Konstant):** Feste Bitrate durchgehend
• **VBR (Variabel):** Passt sich der Inhalts-Komplexität an
• **ABR (Durchschnitt):** Zielt auf durchschnittliche Bitrate

Typische Bitraten

• **4K:** 35-45 Mbps
• **1080p:** 8-12 Mbps
• **720p:** 5-8 Mbps
• **480p:** 2.5-4 Mbps

Qualitätseinstellungen (CRF/QP)

**CRF (Constant Rate Factor)** bietet bessere Qualitätskontrolle als Bitrate durch Aufrechterhaltung konsistenter wahrgenommener Qualität.

Hohe Qualität

• CRF 17-20
• Professionelle Nutzung
• Große Dateigrößen
• Minimaler Qualitätsverlust

Ausgewogen

• CRF 21-25
• Allgemeine Nutzung
• Gutes Qualitäts-/Größenverhältnis
• Häufigste Wahl

Hohe Kompression

• CRF 26-32
• Kleine Dateigrößen
• Sichtbarer Qualitätsverlust
• Web-/Mobil-optimiert

Auflösungs- und Framerate-Einfluss

Auflösungseffekte

• **4K (2160p):** 4x die Pixel von 1080p
• **1080p:** Sweet Spot für die meisten Inhalte
• **720p:** 50% Reduktion der Dateigröße vs 1080p
• **480p:** 75% Reduktion, mobil-freundlich

Framerate-Überlegungen

• **60fps:** Flüssige Bewegung, ~40% größere Dateien
• **30fps:** Standard für die meisten Inhalte
• **24fps:** Cineastischer Look, kleinere Dateien
• **15fps:** Signifikante Kompression, ruckelige Bewegung

Erweiterte Kompressionskonzepte

GOP-Struktur (Group of Pictures)

GOP definiert das Muster von I-, P- und B-Frames und beeinflusst Kompressionseffizienz und Seek-Performance.

• **GOP-Größe:** Anzahl der Frames zwischen I-Frames (Keyframes)
• **Kürzere GOP:** Bessere Seek-Performance, größere Dateien
• **Längere GOP:** Bessere Kompression, schwerer zu suchen
• **Typisch:** GOP von 60-120 Frames für Streaming

B-Frame-Konfiguration

B-Frames bieten die beste Kompression, erfordern aber mehr Rechenleistung und führen Encoding-Verzögerung ein.

• **Keine B-Frames:** Schnellste Kodierung, größere Dateien
• **2-3 B-Frames:** Gute Balance aus Kompression und Geschwindigkeit
• **4+ B-Frames:** Maximale Kompression, langsamere Kodierung

Psychovisuelle Optimierung

Überlegungen zum menschlichen Sehsystem

Moderne Codecs verwenden psychovisuelle Modelle zur Kompressionsoptimierung basierend darauf, wie Menschen Video wahrnehmen:

Was wir weniger bemerken

• Hochfrequente Details in Bewegung
• Farbunterschiede in dunklen Bereichen
• Leichte Unschärfe in Hintergrundbereichen
• Kompressionsartefakte in komplexen Texturen

Was wir mehr bemerken

• Blocking-Artefakte in glatten Bereichen
• Verschlechterung von Gesichtsdetails
• Text- und Grafikqualität
• Farbbanding in Verläufen

Kompressionsartefakte

🚫 Häufige Artefakte

• **Blocking:** Sichtbare 8×8 Pixel-Blöcke
• **Ringing:** Oszillationen um scharfe Kanten
• **Mosquito-Rauschen:** Flimmern um Objekte
• **Farbbanding:** Glatte Verläufe werden gestuft
• **Bewegungsunschärfe:** Schnelle Bewegungen werden verschmiert

✅ Präventions-Tipps

• **Angemessene Bitrate:** Nicht überkomprimieren
• **Deblocking-Filter:** In Encoder-Einstellungen aktivieren
• **Two-Pass-Encoding:** Bessere Bit-Allokation
• **Ordentliches Preprocessing:** Rauschreduzierung vor Encoding
• **Verschiedene Presets testen:** Optimale Einstellungen finden

Encoding-Presets

Encoder-Presets verstehen (Geschwindigkeit vs Qualität)

Preset	Geschwindigkeit	Kompression	Qualität	Anwendungsfall
ultrafast	⚡⚡⚡	⭐	⭐	Live-Streaming
fast	⚡⚡	⭐⭐	⭐⭐	Echtzeit-Encoding
medium	⚡	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	Allgemeine Nutzung
slow	🐌	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐	Hochwertige Archivierung
placebo	🐌🐌	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐	Maximale Qualität