Videocodec (HEVC, AV1)

Was macht ein Videocodec — und warum brauchen neuere Codecs bei gleicher Bildqualität weniger Datenrate?

Ein Videocodec ist die genormte Vorschrift, nach der Bewegtbild in einen Datenstrom übersetzt und daraus wieder zu Bild gemacht wird. Das Wort setzt sich aus Codierer und Decodierer zusammen. Praktisch bedeutsam ist eine Eigenschaft, die im Namen nicht vorkommt: Ein Videocodec arbeitet verlustbehaftet — was hinten herauskommt, ist nicht dasselbe Bild, sondern eine Näherung.

Ein Film in voller Qualität erzeugt so viele Daten, dass keine übliche Leitung und keine Scheibe sie fassen könnte. Ein Videocodec ist die Vorschrift, nach der aus diesem Berg etwas Handhabbares wird — und das geht nur, indem Information weggeworfen wird, von der man annimmt, dass Du sie nicht vermisst. Alle paar Jahre kommt eine neue Generation solcher Vorschriften heraus, die klüger auswählt, was sie wegwirft, und deshalb mit weniger Daten gleich gut aussieht. Dafür muss Dein Gerät mehr rechnen — und ein Gerät, das die neue Vorschrift nicht kennt, zeigt gar kein Bild statt eines schlechteren. Merken solltest Du Dir vor allem eines: Eine Zahl in Megabit sagt nichts darüber, wie gut ein Bild aussieht, solange nicht dabeisteht, nach welcher Vorschrift codiert wurde.

Ausführliche Erklärung

Unkomprimiertes Bewegtbild ist unhandlich groß. Ein Videocodec reduziert es, indem er auf mehreren Ebenen Information weglässt: Farbe wird gröber abgelegt als Helligkeit, weil das Auge Farbunterschiede schlechter auflöst; feine Strukturen werden zusammengefasst, wo sie in Bewegung ohnehin untergehen; und wiederkehrende Inhalte werden als Verweis auf bereits Bekanntes abgelegt, statt jedes Mal neu beschrieben zu werden.

Der letzte Punkt ist die Bauweise, aus der sich Verzögerung, Störanfälligkeit und Kaskadenverhalten ableiten; sie steht bei Intra-Frame gegen Inter-Frame und wird hier nicht wiederholt.

Wichtig für das Verständnis des Begriffs ist, was eine Codec-Norm festlegt und was nicht. Festgelegt sind der Aufbau des Datenstroms und das Verfahren, mit dem ein Decoder daraus Bild macht — jedes normkonforme Gerät kommt zum selben Ergebnis. Nicht festgelegt ist, wie der Encoder zu seinen Entscheidungen kommt: welche Bildbereiche er wie fein beschreibt, wie viel Datenrate er einer Szene zubilligt, wo er spart. Genau dort liegt der Unterschied zwischen zwei Geräten, die beide „HEVC" auf dem Karton stehen haben.

Die Generationen und warum sie sparsamer werden

Die verbreiteten Generationen sind H.264, auch AVC genannt (ITU-T H.264, zugleich ISO/IEC 14496-10), sein Nachfolger H.265 oder HEVC (ITU-T H.265, zugleich ISO/IEC 23008-2, erstmals 2013) und der offene Codec AV1. Die beiden ITU-Normen entstanden im Joint Collaborative Team on Video Coding, einer gemeinsamen Arbeitsgruppe von ITU-T und ISO/IEC, an der das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut in Berlin maßgeblich beteiligt war. AV1 stammt von der Alliance for Open Media, einem Konsortium, das die Spezifikation offen veröffentlicht hat.

Der Fortschritt von Generation zu Generation beruht auf einer größeren Auswahl an Werkzeugen, nicht auf besserer Mathematik an einer einzelnen Stelle: feinere und flexiblere Aufteilung des Bildes in Blöcke, mehr Verfahren zur Vorhersage eines Bildbereichs aus seiner Umgebung, mehr Bezugsmöglichkeiten auf andere Bilder. Der Encoder kann für jede Stelle die passendste Beschreibung wählen, und je mehr Auswahl er hat, desto kürzer fällt die Beschreibung aus.

Bezahlt wird das mit Rechenaufwand, auf beiden Seiten. Deshalb ist die Frage „welcher Codec" in einer Anlage immer auch eine Gerätefrage: Ein Zuspieler, der eine Generation nicht decodieren kann, bleibt schwarz — oder der Dienst schaltet selbsttätig auf eine ältere Generation zurück, mit entsprechend höherer Datenrate. Ein schlechteres Bild gibt es in diesem Fall nicht, nur ein anderes oder gar keines.

Zur Ersparnis gibt es eine belastbare, aber einzuordnende Angabe: Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut nennt für HEVC gegenüber H.264 rund 50 % Bitratenersparnis bei gleicher subjektiver Bildqualität. Das Haus war an der Entwicklung beider Standards beteiligt; die Zahl ist eine Aussage des Entwicklerhauses und keine unabhängige Messung. Für AV1 nennt die Alliance for Open Media als erklärtes Ziel eine höhere Kompressionseffizienz gegenüber früheren Codecs, ausgelegt auf 4K- und 8K-Material, adaptives Streaming und HDR — ohne eine Zahl dafür zu nennen. Eine Zahl steht deshalb hier auch nicht.

Warum Datenraten nur innerhalb einer Generation vergleichbar sind

Aus der Ersparnis folgt unmittelbar die wichtigste praktische Konsequenz. Wenn eine neuere Generation bei gleicher Qualität etwa die halbe Datenrate braucht, dann beschreiben zehn Megabit je Sekunde in HEVC ein anderes Bild als zehn Megabit je Sekunde in AVC. Zwei Angaben ohne die Codec-Generation daneben sind schlicht nicht vergleichbar — und die höhere Zahl ist ohne diese Angabe kein Argument.

Das gilt sogar innerhalb derselben Generation, denn der Encoder entscheidet über die nötige Datenrate mit. Ein großer Streamingdienst hat seine 4K-Datenrate bei gleicher Qualität allein dadurch im Mittel halbiert, dass er jede Szene einzeln optimiert, statt für den ganzen Titel eine feste Leiter zu verwenden. Was dieser Unterschied im Vergleich zur Scheibe bedeutet, steht bei UHD-Blu-ray gegen Streaming.

Und es gilt ein drittes Mal für das Ausgangsformat: Eine Datenrate auf ein Signal mit reduzierter Farbauflösung ist etwas anderes als dieselbe Datenrate auf ein Signal mit voller. Wer zwei Angaben vergleichen will, braucht drei Zusatzangaben dazu — Generation, Encoder und Ausgangsformat.

Häufiges Missverständnis

„Mehr Megabit bedeuten ein besseres Bild." Das ist die Alltagserzählung zum Thema, und sie stimmt nur unter einer Bedingung, die fast nie erfüllt ist: gleicher Codec, gleicher Encoder, gleiches Ausgangsmaterial. Ändert sich eine dieser Größen, kann die kleinere Zahl das bessere Bild sein. Die Zahl beschreibt den Aufwand, nicht das Ergebnis — sie ist die Verpackungsgröße, nicht der Inhalt.

„Visuell verlustfrei heißt verlustfrei." Der Zusatz ist eine Aussage über Wahrnehmung, nicht über Daten. Das Bild kommt nicht identisch an; es sieht unter den angenommenen Betrachtungsbedingungen so aus. Größere Fläche, kürzerer Abstand oder ein Standbild mit feiner Struktur ändern die Bedingungen — und mit ihnen die Aussage.

Nicht zu verwechseln mit

Containerformat: MKV, MP4 oder MPEG-TS sind die Hülle, die Bildspur, Tonspuren und Untertitel zusammenhält. Welcher Codec darin steckt, sagt der Dateiname nicht.
Bitrate: die Datenmenge je Zeiteinheit. Sie ist ein Betriebspunkt des Codecs, nicht der Codec.
Auflösung: die Zahl der Bildpunkte. Jeder Codec kann jede Auflösung codieren; die eine Größe sagt nichts über die andere.
Intra-Frame gegen Inter-Frame: die Bauweise, nach der Bilder einzeln oder aufeinander bezogen codiert werden. Ein Codec bringt sie mit, ist aber nicht mit ihr identisch — zur Bauweise.

In der Planung

Ein Haushalt möchte den vorhandenen Zuspieler behalten und künftig einen Dienst nutzen, der sein Material in einer neueren Generation ausliefert. Im Datenblatt des Geräts steht die neue Generation nicht.

Der Codec ist die zweite Frage. Die erste lautet: Welche Quellen sollen in fünf Jahren noch auf diese Kette passen — und welches Gerät darin ist am schwersten zu tauschen? Der Codec folgt der Quelle, nicht umgekehrt, und die Antwort verschiebt sich mit jedem Dienst, der neu dazukommt.

Bleibt die Frage: Soll das Decodieren im Zuspieler stattfinden oder im Anzeigegerät? Beide können es, aber sie altern verschieden schnell. Ein Zuspieler ist in wenigen Minuten getauscht, ein eingebauter Projektor oder ein Wandfernseher nicht. Wer die Decodierarbeit auf das kurzlebigere Gerät legt, hält die Kette beweglich; wer sie dem langlebigen aufbürdet, entscheidet heute über die Formate von übermorgen.

Zuletzt die Geräte, und dabei eine Prüfung, die selten gemacht wird: ob ein Gerät die Generation kennt und in welcher Auflösung, mit welcher Farbtiefe und mit welcher Bildrate. Eine Codec-Angabe ohne diese drei Werte ist eine halbe Auskunft.

Verknüpfte Inhalte

Die Bauweise hinter jedem Codec — einzeln codierte Bilder gegen aufeinander bezogene — steht bei Intra-Frame gegen Inter-Frame. Welche Verfahren in einer Übertragungsstrecke im Haus vertretbar sind, mit belegten Zahlen zu Verzögerung und Bitraten, klärt Videokompression im Transport. Was der Generationenunterschied für den Vergleich von Scheibe und Stream bedeutet, steht bei UHD-Blu-ray gegen Streaming; warum eine verzögerte Bildverarbeitung den Ton betrifft, bei der Zeitlage von Ton und Bild.

Quellen

Die Angabe von rund 50 % Bitratenersparnis für HEVC gegenüber H.264 bei gleicher subjektiver Bildqualität sowie die Entstehung beider Standards im Joint Collaborative Team on Video Coding stammen vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, das an der Entwicklung beider Standards beteiligt war; die Angabe ist damit eine Aussage des Entwicklerhauses und keine unabhängige Messung. Die Normbezeichnungen ITU-T H.265 | ISO/IEC 23008-2 und ITU-T H.264 | ISO/IEC 14496-10 sind über die Normenkataloge erfasst, die Normtexte selbst wurden nicht eingesehen. Auslegungsziel, Anwendungsfelder und Offenheit von AV1 stammen aus der Spezifikationsseite der Alliance for Open Media; die dortige Effizienzaussage ist eine Eigenaussage des Konsortiums ohne Zahl. Die Halbierung der nötigen Datenrate durch szenenweise optimierte Encodes ist im Technikblog von Netflix vom 28. August 2020 beschrieben und wurde für die Vergleichsseite UHD-Blu-ray gegen Streaming am Objekt gelesen.