H.264

H.264/MPEG-4 AVC ist ein H.-Standard zur Videokompression. Nachfolger sind H.265, VP9, AV1 und Daala. Er wurde zunächst von der ITU (Study Group 16, Video Coding Experts Group) unter dem Namen H.26L entwickelt. Im Jahr 2001 schloss sich die ITU-Gruppe mit MPEG-Visual zusammen und führte die Entwicklung gemeinschaftlich im Joint Video Team (JVT) fort. Ziel des Projektes war es, ein Kompressionsverfahren zu entwerfen, das im Vergleich zu damaligen Standards sowohl für mobile Anwendungen als auch im TV- und HD-Bereich die benötigte Datenrate bei gleicher Qualität mindestens um die Hälfte reduziert. Mitglieder der Arbeitsgruppe stammen unter anderem vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Microsoft und Cisco Systems. Im Jahr 2003 wurde der Standard von beiden Organisationen mit identischem Wortlaut verabschiedet. Die ITU-Bezeichnung lautet dabei H.264. Bei ISO/IEC MPEG läuft der Standard unter der Bezeichnung MPEG-4/AVC (Advanced Video Coding) und ist der zehnte Teil des MPEG-4-Standards (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10). Der Standard sollte nicht mit dem MPEG-4/ASP-Standard verwechselt werden (MPEG-4/Part 2, ISO/IEC 14496-2).

H.264 erreicht typischerweise eine etwa dreimal so hohe Codiereffizienz wie H.262 (MPEG-2) und ist wie auch H.262 für hoch aufgelöste Bilddaten (z. B. HDTV) ausgelegt. Das heißt, vergleichbare Qualität ist bei etwa einem Drittel der MPEG-2-Datenmenge zu erreichen. Allerdings ist der Rechenaufwand auch um den Faktor 2 bis 3 höher.

Die für den Standard benutzten FourCCs sind „AVC1“, „DAVC“, „H264“, „x264“ und „VSSH“. Die Matroska-Codec-ID lautet „V_MPEG4/ISO/AVC“.

Das standardisierte Dateiformat/Containerformat ist MP4.

Einsatzgebiete

H.264 wurde nicht auf einen spezifischen Verwendungszweck zugeschnitten, sondern entfaltet seine Leistung in einem recht breiten Spektrum an Anwendungen. Daher sind die momentan aussichtsreichsten Einsatzgebiete auch von sehr verschiedener Gestalt:

HDTV

H.264 ist eines der obligatorischen Videokompressionsverfahren des Blu-ray-Standards und für die hochauflösende Fernsehübertragung mittels DVB-S2 (z. B. HD-1 und Sky HD, sowie ProSieben HD bzw. RTL HD) verpflichtend. Auch der 2008 eingestellte HD-DVD-Standard sah Videokompression gemäß dem H.264-Verfahren vor.

Portable Video

Die konkurrierenden Mobilfernsehstandards DVB-H und DMB verwenden beide (unter anderem) H.264 für die Videokodierung für mobile Endgeräte, wie Mobiltelefone oder PDAs. Auch die PlayStation Portable, die fünfte Generation des Apple iPods, das iPhone und der nur in den USA erhältliche Zune-Player können H.264-Videos abspielen.

Multimedia

Apple liefert sein Multimedia-Framework QuickTime ab Version 7 mit einem H.264-Codec aus.

Videokonferenztechnik

Seit 2005 stehen Anwendern Videokonferenzendsysteme mit H.264-Codecs zur Verfügung. So sind beispielsweise in iChat AV 3.x erstmals Mehrfach-Videokonferenzen möglich.

Video-/Digicams

Eine Reihe von Digitalkameras und Videokameras unterstützen H.264-Kompression für Videoaufzeichnung.

Verwandte Verfahren

Während der Spezifizierung von H.264 spalteten sich mehrere kommerzielle Entwicklungspfade ab, die zwar mehr oder weniger direkt auf H.264 aufsetzen, jedoch letztlich eine teilweise inkompatible Einheit darstellen:

• Sorenson Video 3, ein im Umfeld von QuickTime und im Kontext des *.mov-Dateiformat sehr verbreiteter Codec, der nur in Details von H.264 abweicht.
• Microsoft Windows Media Video 9 (*.wmv, FourCC: WMV9/wvc1) ist ein Videocodec der Firma Microsoft, welcher auch LoopFiltering einsetzt. Die Variante VC-1 (FourCC: wvc1) (vormals VC-9 nach WMV9) ist ebenfalls einer der Codecs, die in HD DVD und Blu-ray Disc Verwendung finden.
• VP8, ist ein von der Google-Firma On2 Technologies entwickelter Videocodec. Er baut auf der Entwicklungsreihe TrueMotion auf.

Weiterentwicklungen

• Multiview Video Coding (MVC) für stereoskopische Aufnahmen.
• High Efficiency Video Coding (HEVC oder H.265), Nachfolger von H.264
• VP9, ist ein von Google entwickelter Videocodec. Er baut auf VP8 auf und ist im Browser Chrome implementiert.
• AV1, ist ein von der Alliance for Open Media entwickelter Videocodec. Er baut auf VP9 auf.

Technische Details

H.264 baut weitestgehend auf seinen Vorgängern MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 und der H.261-Familie auf, weist jedoch deutliche Veränderungen und Erweiterungen auf (siehe auch ):

• Anstelle einer Diskreten Kosinustransformation (DCT) mit 8×8 Pixel großen Blöcken wird eine Integertransformation auf 4×4 Pixel (im High-Profile zusätzlich wählbar bis 8×8 Pixel) großen Blöcken verwendet.
• Die Entropiekodierung wurde an die veränderte Transformation angepasst. H.264 unterstützt dabei neben den herkömmlichen Huffman-artigen VLC-Codes (CAVLC, Context Adaptive Variable Length Coding) auch eine leistungsfähigere arithmetische Kodierung (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC)).
• Macroblock Partitioning: Die Makroblöcke von der Größe 16 × 16 Pixel können in Unterblöcke bis hinunter zu einer Größe von 4 × 4 Pixeln unterteilt werden. Da für jeden Block ein eigener Bewegungsvektor gespeichert wird, können somit räumlich scharf abgegrenzte und vor allem komplexe Bewegungen besser kodiert werden.
• Die Bewegungskompensation ist immer auf ¼ Pixel genau (bei H.263, d. h. MPEG-4/ASP, war dies eine Option). Die Bewegungskompensation für halbe Pixel wird nicht mehr mit einem Filter mit zwei Koeffizienten (Mittelwertbildung: +1/2, +1/2), sondern mit einem komplexeren Filter mit sechs Koeffizienten (+1/32, -5/32, +20/32, +20/32, -5/32, +1/32) durchgeführt. Viertelpixel werden aus den Halbpixeldaten durch eine weitere Mittelwertbildung berechnet.
• Intra Prediction: Auch innerhalb von I-Frames kommt eine Form der Bildvorhersage (prediction) zum Einsatz. Dabei werden die Pixelwerte eines Blocks aus den umliegenden, bereits dekodierten Pixeln abgeschätzt und dann lediglich die Differenz zum tatsächlichen Bildinhalt kodiert. Bei kleineren Bildformaten ist diese Methode im Allgemeinen effizienter als JPEG 2000.
• Long-Term Prediction: P- und B-Frames können nicht nur Referenzen auf den jeweils letzten I- oder P-Frame enthalten, sondern auch zu maximal 16 vorhergehenden, theoretisch beliebig weit zurückliegenden, beliebigen Frames, um eine effizientere Kodierung von periodischen Bewegungen zu ermöglichen.
• Weighted Prediction: Werden Bildinhalte aus mehreren Referenz-Frames gemischt, können die Quellen beliebig gewichtet in die Mischung eingehen. So lassen sich Aus- und Überblendungen sehr effizient kodieren.
• Deblocking-Filter: Während sich die bisherigen MPEG-Codecs ausschließlich auf eine optionale, externe Nachbearbeitung/Filterung (englisch postprocessing) verlassen, ist ein Deblocking-Filter integraler Bestandteil von H.264 (wie auch schon bei H.263 im Anhang J). Referenzen auf bereits dekodierte Frames beziehen sich ebenfalls auf die bereits gefilterten Bilder. Damit erreicht man eine sehr hohe wahrgenommene Bildqualität. Besonders im Zusammenwirken mit der verkleinerten Transformationsgröße von 4 × 4 ergeben sich große subjektive (und in geringerem Maße auch objektive) Verbesserungen.
• Switching Slices: ermöglichen den nahtlosen Übergang zwischen verschiedenen Videoströmen, ohne dabei „teure“ (weil große) I-Frames einsetzen zu müssen.
• Flexible Macroblock Ordering: Die Makroblöcke innerhalb eines Frames bzw. Slices können in relativ freier Reihenfolge angegeben werden. Dies lässt sich z. B. zur Fehlerverdeckung bei Kanalverlusten (Mobil-Video) einsetzen. FMO wird allerdings von den meisten Encodern und Decodern nicht unterstützt, es ist auch kein Teil der Profile Main und High.

Siehe auch: Prädiktive Kodierung

Profile

Profile und Level sollen die Zusammenarbeit der verschiedenen Implementierungen der Hersteller unterstützen. Die Profile fassen bestimmte Merkmale zusammen, die unterstützt werden müssen. Ein Level setzt Beschränkungen auf die Variablen eines Datenstroms, wie etwa die maximale Auflösung oder Bitrate.

	Baseline	Extended	Main	High	High 10	High 4:2:2	High 4:4:4
I and P Slices	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
B Slices	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
SI and SP Slices	nein	ja	nein	nein	nein	nein	nein
Multiple Reference Frames	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
In-Loop Deblocking Filter	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
CAVLC Entropy Coding	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
CABAC Entropy Coding	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja
Flexible Macroblock Ordering (FMO)	ja	ja	nein	nein	nein	nein	nein
Arbitrary Slice Ordering (ASO)	ja	ja	nein	nein	nein	nein	nein
Redundant Slices (RS)	ja	ja	nein	nein	nein	nein	nein
Data Partitioning	nein	ja	nein	nein	nein	nein	nein
Interlaced Coding (PicAFF, MBAFF)	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
4:2:0 Chroma Format	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
4:2:2 Chroma Format	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja
4:4:4 Chroma Format	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja
8 Bit Sample Depth	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
9 and 10 Bit Sample Depth	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja
11 and 12 Bit Sample Depth	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja
8x8 vs. 4x4 Transform Adaptivity	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Quantization Scaling Matrices	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Separate Cb and Cr QP control	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Monochrome Video Format	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Residual Color Transform	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja
Predictive Lossless Coding	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja

Level

H.264 definiert wie schon in MPEG-2 verschiedene Level. Diese sind umso höher, je größer die Bitrate des Videos ist.

In der folgenden Tabelle sind die zulässigen Grenzwerte der einzelnen Profile angegeben:

	Macroblocks pro		Beispiele für	Videobitrate (VCL) für Profiles
Level	Frame	Sekunde	Auflösung/Bildrate dieses Levels	Baseline Extended Main	High	High 10	High 4:2:2 High 4:4:4
1	99	1 485	128 × 96 / 30 176 × 144 / 15	64 kbit/s	80 kbit/s	192 kbit/s	256 kbit/s
1b				128 kbit/s	160 kbit/s	384 kbit/s	512 kbit/s
1.1	396	3 000	176 × 144 / 30 320 × 240 / 10 352 × 288 / 7.5	192 kbit/s	240 kbit/s	576 kbit/s	768 kbit/s
1.2		6 000	176 × 144 / 60 320 × 240 / 20 352 × 288 / 15	384 kbit/s	480 kbit/s	1152 kbit/s	1536 kbit/s
1.3		11 880	320 × 240 / 40 352 × 288 / 30	768 kbit/s	960 kbit/s	2304 kbit/s	3072 kbit/s
2				2 Mbit/s	2,5 Mbit/s	6 Mbit/s	8 Mbit/s
2.1	792	19 800	352 × 288 / 50 352 × 576 / 25	4 Mbit/s	5 Mbit/s	12 Mbit/s	16 Mbit/s
2.2	1 620	20 250	352 × 288 / 50 720 × 480 / 15	4 Mbit/s	5 Mbit/s	12 Mbit/s	16 Mbit/s
3		40 500	720 × 480 / 30 720 × 576 / 25	10 Mbit/s	12,5 Mbit/s	30 Mbit/s	40 Mbit/s
3.1	3 600	108 000	720 × 576 / 60 1280 × 720 / 30	14 Mbit/s	17,5 Mbit/s	42 Mbit/s	56 Mbit/s
3.2	5 120	216 000	1280 × 720 / 60 1280 × 1024 / 42,2	20 Mbit/s	25 Mbit/s	60 Mbit/s	80 Mbit/s
4	8 192	245 760	1280 × 720 / 68,3 1280 × 1024 / 48 1920 × 1080 / 30	20 Mbit/s	25 Mbit/s	60 Mbit/s	80 Mbit/s
4.1				50 Mbit/s	62,5 Mbit/s	150 Mbit/s	200 Mbit/s
4.2	8 704	522 240	1280 × 720 / 145 1920 × 1080 / 64 2048 × 1080 / 60	50 Mbit/s	62,5 Mbit/s	150 Mbit/s	200 Mbit/s
5	22 080	589 824	1920 × 1080 / 72,3 2048 × 1080 / 67,8 3672 × 1536 / 26,7	135 Mbit/s	168,75 Mbit/s	405 Mbit/s	540 Mbit/s
5.1	36 864	983 040	2048 × 1080 / 112,9 3840 × 2160 / 31,7 4096 × 2160 / 28,5	240 Mbit/s	300 Mbit/s	720 Mbit/s	960 Mbit/s
5.2	36 864	2 073 600	2048 × 1080 / 172 3840 × 2160 / 66,8 4096 × 2160 / 60	240 Mbit/s	300 Mbit/s	720 Mbit/s	960 Mbit/s

Implementierungen

• AVCHD Multimediastandard für hochauflösende, digitale Consumer- und Prosumer-Videokameras.
• AVC-Intra Implementierung von Panasonic für professionelle Videoproduktionen
• JM-Referenzsoftware des Joint-Video-Team
• x264 ist ein unter der GPL lizenzierter H.264-Kodierer.
• Die freie, LGPL-lizenzierte Bibliothek libavcodec beinhaltet einen H.264-Decoder und Encoder.
• Apple hat H.264 in macOS ab Version 10.4 (Tiger), und in QuickTime Version 7 integriert.
• Nero Digital, beinhaltet einen von der Nero AG und Ateme entwickelten H.264-Kodierer.
• Sorenson bietet eine Implementierung von H.264 an.
• Main Concept bietet einen H.264-Kodierer als Software, OpenCL und CUDA-Encoder an.
• Elecard H.264
• Lead Technologies hat einen H.264-Videocodec.
• CoreAVC ist ein Software-H.264-Decoder
• Pixeltools Expert-H264
• Adobe Flash Player 9+
• DivX H.264
• Intel Ivy Bridge QuickSync (GPU encoder)
• DiscretePhoton
• nanocosmos bietet H.264 – Codecs für Windows und MacOS an
• Citrix nutzt das Kompressionsverfahren für sein HDX-Protokoll (ehemals ICA) in den Produkten XenApp 6.5 und XenDesktop 7 zur Übertragung von bewegten Bildern.

Tests

In einigen Tests der MSU Graphics & Media Lab (Video Group) hat sich der Codec x264 als führender etabliert. Gegenüber DivX benötigt er nur 2/3 des Datenstroms für das gleiche Ergebnis. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung wurde der Codec stark verbessert in den letzten Jahren für geringeren Datenstrom bei gewünschter Bildqualität. Dies ist sehr wichtig besonders zum Beispiel für Satelliten- und Internetübertragungen mit limitierter Kapazität.

Der Bruder-Codec x265 hat im Vergleich H.265 zu H.264 einen 20 % geringeren Datenstrom bei gleicher Bildqualität und ist damit 25 % besser.

Patente

Viele der Verfahren, welche in H.264 zur Anwendung kommen, sind durch Patente geschützt. Wie schon bei MPEG-2 wird auch bei MPEG-4 von den Herstellern und Dienstanbietern, die diesen Standard einsetzen wollen, eine Gebühr verlangt. Damit man nicht bei jedem Patentinhaber einzeln um die Erlaubnis bitten muss, geben diese ihre Patente normalerweise einem Patent-Pool zur Verwaltung, der sich um die Aufschlüsselung der einzelnen Einnahmen kümmert. Da dies jedoch eine freiwillige Maßnahme ist, haben sich bei H.264 zwei Patentpools gebildet, denen sich noch nicht alle Patenthalter angeschlossen haben. Zum einen ist dies die MPEG-Lizenz-Verwaltung („MPEG Licensing Administration“, kurz „MPEG LA“), die bereits die Patent-Pools für MPEG-2 verwaltet, und zum anderen ein Patent-Pool der Via Licensing, einer Tochterfirma von Dolby Laboratories.

Die erste Lizenzperiode („Initial term of License“) – des Videocodecs „H.264/AVC“ von der MPEG LA – lief bis zum 31. Dezember 2010.

Er kann laut einer Mitteilung der MPEG LA von Entwicklern noch weitere fünf Jahre darüber hinaus (in der zweiten Lizenzperiode vom 1. Januar 2011 bis 31. Dezember 2015) kostenlos genutzt werden, solange das Videostreaming für die Anwender kostenfrei bleibt. Die MPEG LA hat mittlerweile angekündigt, für die Nutzung von kostenfreien Streamingangeboten dauerhaft keine Lizenzgebühren zu verlangen.

Aktuell sind bis Herbst 2022 ca. 20 % der Patente ausgelaufen.

Wiedergabe am PC

Mit Hilfe von ffdshow lassen sich im H.264 kodierte Videos mit DirectShow-basierten Videoabspielprogrammen wie dem Windows Media Player oder dem Media Player Classic abspielen.

Eine Alternative zu DirectShow-basierten Playern ist z. B. mit dem MPlayer oder dem VLC media player gegeben. Beide beherrschen die Decodierung von H.264 und können alle relevanten Container lesen. Zudem sind beide Programme frei und gratis verfügbar. Der ffdshow-Filter, MPlayer und der VLC-Player greifen zur Decodierung von H.264 auf die libavcodec-Bibliothek zurück, welche benutzerdefinierte Quantisierungsmatrizen unterstützt.

Weiterhin ist Apples QuickTime ab Version 7 in der Lage, H.264 abzuspielen. QuickTime ist für aktuelle Versionen von macOS und Windows verfügbar. Allerdings spielt QuickTime 7 keinen Inhalt, der durch den ffdshow H.264-Kodierer produziert wird, sondern zeigt ein schwarzes Bild. Hilfe bietet hierbei die Erweiterung Perian.

Der Apple iPod spielt H.264 in MP4- und .mov-Containern ab. Die Erstellung eines iPod-kompatiblen H.264-Videos kann hierzu entweder mit dem Quicktime-H.264-Encoder oder dem x264 erfolgen. Technisch bedingt, sind den qualitativen Möglichkeiten des Encoders zwar beim iPod engere Grenzen gesetzt, als der Standard H.264 zuließe. In Generation 6 unterstützt der iPod jedoch mit einer Auflösung von bis zu 640 × 480 Pixeln bei 30 Bildern pro Sekunde und einer maximalen Datenrate von 2,5 Mbit/s immerhin eine Low-Complexity-Version des H.264-Baseline-Profils bis zu Level 3.0.

Da H.264 nicht an ein bestimmtes Containerformat gebunden ist, können die Videos als MP4-, aber auch als AVI-, Matroska- oder Ogg-Media-Datei vorliegen. Es ist sogar möglich, H.264-Videos als Roh-Daten zu speichern (.264). Solche Rohdaten können dann z. B. mit MP4Box (GPAC) oder mkvmerge in einen geeigneten Container gemultiplext werden. Benötigt werden neben einem Decoder also auch ein Splitter (Demuxer), der das jeweils benutzte Containerformat unterstützt. Unter Windows ist dafür der Haali Media Splitter geeignet, ein Quellenfilter für DirectShow, der nahezu alle relevanten Containerformate beherrscht.

Die Wiedergabe über Software-Dekodierung benötigte zum Zeitpunkt des Erscheinens viel CPU-Leistung. Entlastung für die CPU ist mit einer geeigneten Hardware, die in vielen Grafikkarten integriert ist, in Verbindung mit der darauf aufbauenden Dekoder-Software, möglich, z. B. mittels DXVA oder VDPAU.

Weblinks

• x264, Ein freier H.264/AVC-Kodierer
• MPEG LA, Verwalter des H.264-Patentpools
• Codec-Vergleich H.264 mit VC-1 auf Multimedia-Wiki (englisch)
• MPEG Industry Forum, Promoter von MPEG-4 AVC/H.264 und anderen MPEG Standards (Memento vom 6. August 2021 im Internet Archive)