Videoübertragung

Dieser Text beschäftigt sich mit Videoübertragung und dem Vergleich von Bildqualität. Verschiedene Übertragungsarten werden subjektiv (Vergleich von Bildern) und objektiv (SSIM: Structural Similarity Index) miteinander verglichen. Die Relevanz dieser Thematik ist hoch, weil in den Haushalten derzeit (stand 2012) die meisten Unterhaltungsmedien wie DVD Player und alte Spielekonsolen über Composite Video mit dem Fernsehgerät verbunden sind, obwohl der Grossteil der Gerät viel bessere Übertragungsmöglichkeiten bieten.

Folgende Übertragungsarten werden miteinander vergleichen:

Subjektiver Vergleich

Die beiden folgenden Graphiken sind interaktiv. Es kann zwischen allen drei Übertragungsarten umgeschaltet werden, wobei 2 Instanzen geöffnet sind damit immer ein 1:1 Vergleich möglich ist.

Bei Composite Video treten bei den parallelen Linien Farbfehler auf und es entsteht ein Spektrum, welches an einen Regenbogen erinnert. Allgemein lässt sich sagen dass das Bild weniger scharf ist als bei S-Video und dass sich der Text schlechter lesen lässt. Der Verlust an Bildqualität bei RF ist beeindruckend. Text kleiner als Schriftgrösse 15 lässt sich kaum noch lesen. Das Muster mit den parallelen Linien ist fast verschwunden und stattdessen ist ein weisses Quadrat erkennbar. Das Netzmuster wird stark gestört abgebildet. Die Textur wird so undeutlich wiedergegeben dass das Original nicht mehr erkennbar ist und eine neue, falsche Textur gezeigt wird.

Objektiver Vergleich

Ein gutes Mass für einen objektiven Vergleich von Bildqualität ist der SSIM (Structural Similarity Index) nach Zhou Wang et al. [1]. Dieses Mass nimmt an, dass das menschliche visuelle Empfinden stark auf strukturelle Information angepasst ist, und basiert darum auf dem Verlust von struktureller Information zwischen einem perfekten Referenzbild und einem zu vergleichenden Bild mit verminderter Qualität. Der SSIM kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei 1 eine Perfekte Übereinstimmung und maximale Qualität beschreibt.

Wang et al. stellten eine Korrelation zwischen subjektiver Empfindung von Bildqualität und dem SSIM her, indem sie für 344 Bilder, welche von Menschen subjektiv auf ihre Qualität eingeschätzt wurden, den SSIM ermittelten [1]. Der MOS (subjective mean opinion score) wurde gegen den SSIM aufgetragen und eine logistische Funktion durch die Punkte gelegt. Im vorliegenden Text wurde versucht diese Funktion anhand einer Graphik aus der Publikation zu reproduzieren und mit folgendem Modell approximiert:

Wobei β₀ = -1.46, β₁ = -8.9, β₂ = 16.5 und β₃ = -10.6. Die reproduzierte Abbildung sieht wie folgt aus:

Das s vor dem MOS steht für "simuliert", weil der MOS nicht mehr gemessen, sondern modelliert wurde. Es ist deutlich erkennbar warum der Aufwand der Reproduktion notwendig war: Der Zusammenhang zwischen SSMI und MOS ist nicht linear. Wenn nun abgeschätzt werden soll wie viel Prozent die Qualität eines Bildes mit einem bestimmten SSIM subjektiv schlechter empfunden wird, ist es wichtig wo dieser SSIM liegt, weil die Funktion gekrümmt ist. Eine Besonderheit ist erkennbar: Selbst bei einem SSIM = 1 haben die Probanden die Qualität als vermindert empfunden und sie wurde im Mittel als 82 % wahrgenommen. Im nachfolgenden objektiven Vergleich werden darum zusammen mit dem SSIM zu jeder Übertragungsart die Differenz des sMOS für SSIM = 1 und dem sMOS für den vorliegenden SSIM angegeben.

Übertragungsart	SSIM	ΔsMOS
S-Video	0.992642	-4 %
Composite Video	0.907016	-36 %
RF	0.880481	-41 %

RF liefert ein Bild, dessen Qualität laut Modell 5 % schlechter empfunden wird als die Qualität des Bildes welches durch Composite Video übertragen wird, und 37 % schlechter empfunden wird als die Qualität des S-Video Bildes. Der vorhergesagte Qualitätsunterschied zwischen S-Video und dem Original Bild beträgt 4 %. Die Differenz von Composite Video zum original Bild ist mit 36 % sehr hoch.

Diskussion

Composite Video ist die derzeit (2012) verbreitetste Übertragungsform, obwohl subjektiv und objektiv klare Mängel erkennbar sind. S-Video, als ein Vertreter der Component Video Formate, weist ein viel besseres Bild auf. Die Bildstörungen von RF und Composite Video liegen in der Natur ihrer Technologie: Bei Composite Video sind Farb- und Helligkeitsinformationen zusammen auf demselben Leiter übertragen und stören sich gegenseitig. Bei RF ist die Problematik die gleiche, aber zusätzlich werden auch noch die Audiosignale auf demselben Leiter übertragen. Component Video Übertragungsarten wie S-Video, YPbPr ("Component Video") und RGB-SCART trennen nicht nur Ton und Bild, sondern zerlegen zusätzlich das Bild in Einzelinformationen und führen diese getrennt voneinander damit sie sich nicht gegenseitig stören. So können beispielsweise einzelne Farben voneinander getrennt transportiert werden, oder Helligkeitsinformationen getrennt von Farbinformationen. Die besprochenen Probleme betreffen die analogen Übertragungsformate. Digitale Formate wie HDMI sind von dieser Problematik nicht betroffen, weshalb ein durch HDMI übertragenes Bild eine hervorragende Qualität hat. Es ist empfehlenswert Bildinformationen über eine Component Technologie, oder HDMI zu übertragen.

Dieser Text ist nicht aus der Luft gegriffen: Spielekonsolen wie die Sega Dreamcast, der Nintendo GameCube und die Nintendo Wii unterstützen alle 3 Technologien. Wenn der Anwender sich nicht der Vor- und Nachteile bewusst ist, kann es vorkommen dass unbeabsichtigt eine qualitativ niedrige Videoübertragung verwendet wird.

Experimenteller Teil

Die Bilder wurden mit einem Yamaha DVD-S550 generiert und über Kabel der Marke Monster an eine Hauppauge! HD PVR Videokarte übertragen. Der SSIM wurde mit der Freeware SSIM.exe von Chris Lomont ermittelt. Das RF Signal wurde mit einem RadioShack RF Modulator 15-2526 erzeugt, mit einem USB TV Stick aufgenommen und gegen ein S-Video Bild als Referenz verglichen. Das übertragene Videomaterial war ein XviD Video. Die Vergleichsbilder wurden durch Screenshots über den DivX Plus Player 8.2.4 erhalten.

Quelle

[1] Z. Wang, A. C. Bovik, H. R. Sheikh and E. P. Simoncelli, "Image quality assessment: From error visibility to structural similarity," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 13, no. 4, pp. 600-612, Apr. 2004.