Datenrate


Datenrate

Die Bitrate bezeichnet das Verhältnis einer Datenmenge zu einer Zeit, typischerweise gemessen in Bit pro Sekunde, abgekürzt als Bit/s oder bps. Die Bitrate bei der Audio- und Videokompression kann entweder konstant sein (konstante Bitrate, CBR) oder variabel (variable Bitrate, VBR). Bei VBR wird die Bitrate dynamisch an die zu kodierenden Daten angepasst. So wird zum Beispiel bei der MPEG-Videokompression bei ruhigen Szenen die Videobitrate reduziert, während sie bei aktionsreichen Szenen angehoben wird. Dies erlaubt eine optimale Nutzung des Speicherplatzes und eine höhere Bildqualität, als sie mit CBR erreichbar wäre.

Inhaltsverzeichnis

Konstante Bitrate

Konstante Bitrate (constant bit rate, CBR, bei ITU-T auch deterministic bit rate, DBR) ist eine Kompressionsmethode um Audio- und Videodaten mit einer konstanten Datenrate zu übertragen oder zu speichern, unabhängig von der Komplexität des Signals. Pro Zeiteinheit wird stets die gleiche Datenmenge erzeugt.

Das Gegenstück zu dieser Methode ist die Variable Bitrate (variable bit rate, VBR). Diese ist für die Archivierung üblicherweise zu bevorzugen. Konstante Bitraten findet man häufig bei Multimedia-Streams, da die Übertragungskapazitäten begrenzt sind und durch CBR die hier maximal mögliche Qualität erzielt wird. Allerdings wird bei CBR auch Übertragungsvolumen „verschenkt“, nämlich wenn die tatsächliche Bitrate höher ist als die zur vollständigen Rekonstruktion nötige. Dies tritt oft bei Videos in ruhigen Szenen und bei Audio in leisen Passagen auf. Ein extremes Beispiel für diese Verschwendung ist die Kodierung von Stille vor versteckten Titeln in konstanter Bitrate (natürlich so hoch gewählt, dass sie auch die Musik in annehmbarer Qualität kodieren könnte). Zur Verdeutlichung der Sinnlosigkeit konstanter Bitraten bei MP3 sei genannt, dass (je nach Encoder) üblicherweise bei 192 kbit/s etwa 1–2 % und bei 320 kbit/s sogar etwa 10 % (in Einzelfällen auch über 50 %) der Dateigröße eingespart werden kann, wenn man die Dateien nachträglich mit mp3packer (verlustfrei) nach VBR wandelt. Sinnvoller ist aber eher, die Dateien gleich in variabler Bitrate zu kodieren.

Auch beim Streaming kann man eine variable Bitrate wählen. Um die begrenzten Übertragungskapazitäten nicht zu überlasten, bieten moderne Codecs wie Vorbis die Möglichkeit, eine maximale Bitrate festzulegen. Vorteilhaft ist dabei die Einsparung von kostbarem Übertragungsvolumen dort, wo es möglich bzw. sinnvoll ist. Selbst kurze Sprünge in der Bitrate über die Übertragungskapazität hinaus sind aufgrund von Pufferung verkraftbar.

Anwendungen

Variable Bitrate

LAME-MP3 Encodierung: Gut zu erkennen ist der Anteil zugeteilter Bitraten im Lied in Form einer Gauß-Kurve.

Variable Bitrate (variable bit rate, VBR, bei ITU-T auch statistical bit rate, SBR) ist eine Kompressionsmethode, die Audio- und Videodaten mit gleichbleibender Qualität erzeugt. Das Verfahren hat sich in den meisten Bereichen durchgesetzt, da es eine höhere Qualität bei insgesamt geringerem Speicherplatzverbrauch bietet als die Kompression mit einer konstanten Bitrate.

Technischer Hintergrund

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Im Gegensatz zur Kodierung mit konstanter Bitrate (constant bit rate, CBR) werden hierbei je nach Komplexität des zugrundeliegenden Materials einzelne Zeitabschnitte unterschiedlich stark komprimiert, um gleich bleibende Qualität bei möglichst niedrigem Datenvolumen erzielen zu können.

Die Schwierigkeit des Verfahrens besteht darin, automatisiert die Passagen zu finden, die eine höhere Aufmerksamkeit erfordern, ihnen ein großzügigeres Datenvolumen zuzugestehen, ohne jedoch zu freizügig Ressourcen aufzuwenden (verschwenden). VBR hatte deshalb jahrelang den Ruf, unvorhersagbare Qualität zu liefern, gilt jedoch heutzutage als ausgereift und wird bevorzugt gegenüber CBR eingesetzt.

Die Abspieldauer von VBR-kodierten Dateien kann im Vorfeld häufig nicht exakt bestimmt werden, da sich aus der Dateigröße aufgrund der schwankenden Bitrate vor Kenntnis der konkreten Daten keine Zeit errechnen lässt. Das Vorhalten der benötigten Metainformation ist bei Streaming-Anwendungen nicht möglich, wird jedoch beispielsweise bei statischen Videodateien realisiert: am Ende der Datei werden Indizierungspositionen gespeichert, so dass erst mit der vollständigen Datei ein Spulen im Film möglich ist. Anderenfalls würde die Videosoftware blind in einem langem Datenstrom umhertappen, was zu den bekannten Artefakten wie fitscheln oder schlieren führt.

Umgekehrt lässt sich vor dem Kodieren nicht bestimmen, wie groß die erzeugte Datei wird, da die Dateigröße direkt von der Komplexität der Daten abhängt. VBR-Kodierung eignet sich also nicht dazu, eine bestimmte Dateigröße zu erzielen. In diesem Fall ist eine Kodierung mit Durchschnittlicher Bitrate (ABR) vorzuziehen.

Anwendungen

In der Audiokompression bieten alle gängigen Codecs/Verfahren (MP3, Ogg Vorbis, etc.) VBR an. Ähnliche Verfahren finden sich bei der Kompression von Bilddateien und Videos. Wo JPEG das gesamte Bild noch „konstant“ stark komprimiert, arbeitet JPEG 2000 gezielter („variabel“), indem es das Bild erst aufteilt, und die verschiedenen Bereiche unterschiedlich stark komprimiert, wenn nötig sogar verlustfrei speichert. Auch DivX und Xvid zeichnen sich durch dieses Merkmal der angepassten, variablen Kompression aus.

Bei verlustfreien Kompressionsverfahren ist eine variable Bitrate obligatorisch, da bei Wahl einer konstanten Bitrate diese so hoch wie die der Quelle gewählt werden müsste, um alle möglichen Muster kodieren zu können. In diesem Fall findet aber keine Kompression mehr statt.

Durchschnittliche Bitrate

Die Durchschnittliche Bitrate (average bit rate, ABR) ist eine Kompressionsmethode, die das Quellmaterial nicht mit einer konstanten, sondern einer variablen Bitrate kodiert, um so den zur Verfügung stehenden Speicherplatz effizienter nutzen und damit die Qualität steigern zu können. Um die gewünschte durchschnittliche Bitrate möglichst exakt zu erreichen, bieten manche Codecs einen Kompressionsvorgang mit zwei Durchläufen an. Dabei wird zunächst das Material analysiert und erst im zweiten Durchlauf kodiert.

Sie ist eng verwandt mit der Variablen Bitrate, orientiert sich im Gegensatz zu dieser aber an einer vorgegeben Bitrate, um so die resultierende Datengröße besser berechnen zu können. Die Abweichungstoleranz kann dabei genau definiert werden.

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