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21.06.2002 - 

Streaming Media/Wenn Bandbreite und Kompression stimmen

Streaming Media wird zum Mainstream

Film- und Musikindustrie haben das Internet längst als Verkaufsplattform entdeckt, denn audiovisuelle Inhalte im World Wide Web sind sehr beliebt. Allerdings gibt es noch qualitative Engpässe bei der Übertragung des Streaming-Contents. Hohe Bandbreiten, eine effektive Komprimierung sowie die permanente Qualitätskontrolle sind unverzichtbar. Von Bernhard Brügger*

Livestream und Video on Demand heißen die Zauberworte, mit denen sich multinationale Medienkonzerne wie Bertelsmann und Time Warner einen Massenmarkt erschließen wollen. Doch Filme und Musik laufen in höchst unterschiedlicher Qualität übers Web und erreichen selten den Maßstab, den der Konsument erwartet. Defizite sieht Olivier Carron, Vice President Europe vom Internet-Performance-Überwacher Keynote Systems, in der technologischen Grundausstattung: "Die IT-Infrastuktur ist einfach noch nicht so weit entwickelt, als dass sie beispielsweise eine Übertragung von DVD-Qualität im Web zuließe."

Von diesem Standard scheint das Internet noch weit entfernt. In Sachen Leitungskapazität und Übertragungsgeschwindigkeit muss sich laut Niamh Spillane, Analyst bei Frost & Sullivan, einiges tun. Die immensen Datenmengen erforderten hohe Bandbreiten, aber die Zahl der Haushalte mit Breitbandzugang zum Netz sei in Europa noch sehr gering. Trotzdem: "Die Entwicklung zum Massenmarkt ist nicht aufzuhalten", meint Spillane. Seiner Prognose nach sollen im Jahr 2006 europaweit bereits 2,5 Milliarden Dollar mit dem Filmvertrieb übers Web umgesetzt werden.

Erste Gehversuche in Sachen Video on Demand gibt es bei Arcor und RTL New Media. Arcor offeriert seinen Kunden seit Ende 2001 einige hundert Filme im Internet. Wie in einer richtigen Videothek lassen sich die Streifen auswählen und via Download auf den heimischen Monitor holen. Die Bit-Rate der Filme soll laut Arcor bei 509 Kbit/s liegen und damit die Qualität einer VHS-Kassette überbieten. "Mit Video on Demand ist uns im Bereich Breitbandanwendung der Durchbruch gelungen", meint Thomas Götz, Sprecher der Geschäftsleitung der Arcor Online GmbH. Für eine optimale Nutzung der Online-Videothek ist laut Arcor ein DSL-Anschluss erforderlich.

Pioniere im Unterhaltungsmarkt

RTL New Media hat im März eine massive Ausweitung seiner Streaming-Aktivitäten gestartet. Neben bereits laufenden Projekten, wie Live-Übertragungen vom Skispringen, Konzerten oder Video-Chats, werden zusätzlich Fernsehserien aus dem RTL-Programm im Web zum Download angeboten. Exklusive Inhalte und Previews sollen dabei als "Pay Content" ins Netz kommen.

Ein breiteres Zuschauerpotenzial wollen Nachrichtensender wie N24 mit Live-Streaming erreichen. Und auch Provider greifen gern zu bewegten Bildern, um mehr Besucher auf die Website zu ziehen: So übertrug Tiscali je ein Live-Konzert von U2 in Kooperation mit Real Networks und von Sting in Zusammenarbeit mit Microsoft. Microsoft sorgte bereits auf seiner MSN-Homepage für den Live-Auftritt von Madonna auf heimischen PC-Monitoren.

Immerhin jeder siebte Deutsche nutzt mittlerweile Streaming-Angebote, wie das Internet-Forschungsinstitut Net Value herausgefunden hat. Und das, obwohl nur jeder zehnte Stream-Nutzer über einen Breitbandanschluss (Kabel, Satellit, DSL) verfügt. Die dabei häufigste angewählte Audio-Video-Domain ist Real.com. Hier suchen Surfer nicht nur nach Inhalten, sondern finden in dem "Realplayer" auch einen Standard, mit dem sie die Streams auf dem PC hören und betrachten können. Neben dem Realplayer sind der "Windows Media Player" oder der "Quick Time Player" die gängigen Werkzeuge für den Stream-Betrachter.

Das Live-Streaming beinhaltet die Übertragung von Audio- und Videosequenzen über Computernetze in Echtzeit. Der Abspielvorgang kann dabei bereits starten, wenn ein geringer Teil der Daten auf dem lokalen Rechner vorliegt. Ein permanentes Nachladen der Informationen sorgt dafür, dass der Stream nicht abreißt. "Der Transport der Stream-Dateien über die heute üblichen Netztechniken wird erst durch eine starke Komprimierung möglich", erläutert Jürgen Sewczyk, Technischer Direktor bei RTL New Media. Denn ein unkomprimiertes Videobild im PAL-TV-Standard würde eine immense Bandbreite von 270 Mbit/s beanspruchen.

Differenzbilder senken Datenrate

Abhilfe schafft hier die Technik der Differenzbildkomprimierung, die in allen Stream-Dateien zum Einsatz kommt. Es gibt drei unterschiedliche Codierungsarten in den Bildfolgen. Über die beste Qualität verfügt das Vollbild, das auch als I-Frame (Intra-Picture) bezeichnet wird: Es ist nur gering komprimiert und einzeln darstellbar, beinhaltet jedoch eine hohe Datenrate. Darüber hinaus werden in einer Bildfolge Differenzbilder verwendet. Diese enthalten lediglich die Informationen über alle Veränderungen zu den Vollbildern, auf die sie sich beziehen. Die so genannten P-Frames (Predicted Pictures) basieren dabei auf vorhergehende Bilder und die B-Frames (Bidirectional Pictures) sogar auf vorhergehende und nachfolgende Bilder. In einem B-Bild ist die Differenz zwischen den beiden Darstellungen gespeichert. Dadurch lässt sich eine weitere Komprimierung erzielen, denn Differenzbilder können mit niedrigen Datenraten gespeichert werden.

Neue Komprimierungsarten wie MPEG 4 erlauben es, lediglich alle drei Sekunden oder sogar noch seltener ein Vollbild zu verwenden. "Für den Betrachter ist dieser qualitative Unterschied kaum zu visualiseren", weiß Sewczyk. Doch die in den Sequenzen verwendeten Differenzbilder sorgen dafür, dass die Stream-Datei schlank bleibt. Lediglich ein bildgenaues Schneiden und Nachbearbeiten der Streams ist nach der Komprimierung schlecht möglich.

Während der Stream-User lediglich einen PC mit Soundkarte und die geeignete Software für die Wiedergabe benötigt, erfordert die Erstellung eines Streams im MPEG- oder DivX-Format beim Anbieter einen Encoding-PC. Er digitalisiert und komprimiert die analogen Audio- und Videosignale. Neben der Erzeugung sorgt er auch für das Versenden des Stream über das Netz an einen Server. Je leistungsfähiger der Encoding-PC ist, desto höher kann die Audio- und Videoqualität gewählt werden. Dabei muss der Stream-Anbieter nicht gleich die teuerste Workstation anschaffen: "Für Streams mit einer Datenrate von 1 Mbit/s genügt bereits ein handelsüblicher Rechner mit 1-Gigahertz-Prozessor, 512 MB RAM und 40-GB-Festplatte", sagt Sewczyk. Zusätzlich werden eine PCI-Grabber-Karte mit Eingängen für analoge oder digitale Audio- und Videosignale sowie eine Encoding-Software benötigt.

Die Bereitstellung der Streams erfolgt auf einem Server, der als Station und Veröffentlichungspunkt die einzelnen fertig bearbeiteten Dateien vom Encoder über das Netz des Anbieters empfängt. Der Server kann darüber hinaus auch die Website zur Verfügung stellen, über die sich ein Stream per Link abrufen lässt. Bei größeren Systemen sind stets getrennte Server ausschließlich für das Streaming im Einsatz.

Was für den Anbieter in puncto Rechner-Performance gilt, hat laut Sewczyk auch für den User zentrale Bedeutung: "Je leistungsfähiger der PC, umso flüssiger werden die empfangenen Streams dargestellt." Das Videobild wird schließlich in Echtzeit vom Prozessor des PCs decodiert und angezeigt.

Unicast und Multicast

Für Live-Streaming gibt es im Gegensatz zu Video on Demand zwei unterschiedliche Übertragungsmöglichkeiten:

-"Unicast" lässt sich für beide Techniken einsetzen. Es ist die klassische separate Internet-Verbindung von Punkt zu Punkt. Hier erhält ein einzelner Empfänger Daten vom Sender. Die Streams können zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgerufen oder verschickt werden.

-"Multicast" eignet sich dagegen nur für Live-Streams. Es beinhaltet das Senden von Daten zu einem Zeitpunkt an eine ganze Gruppe von Empfängern. Jeder beliebige oder vordefinierte Nutzer im Netz kann darauf zugreifen. Der Unterschied wird im Beispiel transparent: Wenn ein Anbieter per Unicast 100 User mit einer DSL-Bandbreite von 300 Kbit/s versorgen will, muss er diese Kapazität (entsprechend 30 Mbit/s) beim Provider ordern. Beim Multicast genügt für alle Nutzer die Bandbreite von 300 Kbit/s. Dafür wird nur ein einziger Live-Stream aufgesetzt, der sich nach dem Vorbild einer Baumstruktur im Netz ausbreitet. Der Stream teilt sich im Backbone an jedem Router oder Switch, so dass jeder Verbraucher Zugang hat. Möglich macht dies eine intelligente Netztechnik.

Überprüfen der Streaming-Qualität

Diese sorgt auch dafür, dass sich der Mulitcast-Stream auf bestimmte Benutzergruppen einschränken lässt. Mit dem "Time-to-Live"-Wert (TTL) lässt sich festlegen, wie viel Vermittlungsinstanzen (Router, Switches oder Server) er passieren kann, bevor er nicht mehr weitertransportiert werden darf. Alternativ lässt sich auch ein bestimmer IP-Block (zum Beispiel in Intranets) definieren, der auf den Stream zugreifen kann. Einer fremden IP-Adresse bliebt der Zugang verwehrt.

Doch nicht alle Provider unterstützen Multicast, da Unicast höheren Traffic verursacht und somit mehr Einnahmen bringt. Dennoch lässt sich Multicast mit Hilfe von Tunneling im gesamten Backbone nutzen, also auch in den Netzbereichen, die Multicast nicht unterstützen. Moderne Router verpacken die Daten als Unicast, leiten sie weiter und entpacken sie wieder am nächsten Multicast-fähigen Router.

Da die Wege im Web oftmals sehr eng sind und keine Transparenz für ein Monitoring vom Sender zum Empfänger besteht, kann ein Anbieter nur vermuten, ob seine Stream-Daten beim Empfänger die gewünschte Qualität erreichen. Es gibt allerdings technische Unterstützung, mit der sich die Zugriffe auf Streaming-Dateien im Web simulieren lassen. Diese Mess-Agenten sind in der Lage, ausführliche Reports über Qualität und Verfügbarkeit akustischer und visueller Streaming-Media-Sites im Internet zu liefern.

Ein aktuelles Beispiel für eine verhältnismäßig gute Performance liefern beispielsweise die Kino-Trailer von Harry Potter. Die Filmsequenzen glänzen mit einer Verfügbarkeit von bis zu 99 Prozent. Auf der Bewertungsskala des Streaming Quality Index von 0 bis 10 erzielen die Videoszenen bis zu 4,95 Punkte - ein Wert, der im Vergleich zu anderem Streaming-Content sehr hoch ist. Allerdings gilt dies nur für DSL-Nutzer mit 300 Kbit/s Bandbreite.

Nicht nur On-Demand-Angebote sind messbar, auch Live-Content im Web lässt sich bewerten. So erreichte der Musiksender MTV bei einem Test seines Online-Angebotes einen Wert von immerhin 3,46 Punkten. Von der Note 10, die als DVD-Qualität definiert wird, sind aber alle Angebote im Web noch meilenweit entfernt. (ue)

*Bernhard Brügger ist freier Fachredakteur in München.

Komprimierung

MPEG 1 (benannt nach der Motion Picture Experts Group) bietet flüssige Videowiedergaben aufgrund der großen Kompressionsraten. MPEG 1 basiert auf 25 Frames ohne Informationen zwischen den Halbbildern, einer Auflösung von 352 mal 288 Pixel sowie einer Transferrate von 1,2 bis 3 Mbits/s (1,2 Mbits/s bei einer Video-CD). MP3 beruht ebenfalls auf dem MPEG-1-Standard und eignet sich zur Wiedergabe von digitalisierten Musikstücken. Durch die hohe Komprimierung von rund eins zu zwölf können große Audiodateien gespeichert und über Netzwerke distribuiert werden.

MPEG 2 findet Verwendung etwa bei Video-DVDs. Die zur Kompression benutzten Verfahren basieren auf MPEG 1, jedoch kann MPEG 2 besser mit dem beim TV eingesetzten Zeilensprungverfahren (Interlace) umgehen. Daher entwickelte sich das Verfahren zum Boadcast-Standard. MPEG 2 garantiert vier Auflösungen bei voller Kompatibilität: Low bis zu 4 Mbit/s für S-VHS, SIF (352 mal 288 Pixel), Main bis zu 15 Mbit/s für Digital-TV und DVD-Video (720 mal 576 Pixel), High bis 60 Mbit/s für High-Definition-TV (1440 mal 1440 Pixel) und High bis 80 Mbit/s ebenfalls für High-Definition-TV (1920 mal 1152 Pixel).

MPEG 3 war ursprünglich als Standard für High-Definition-TV-Qualität (HDTV) vorgesehen, doch der wurde mittlerweile in den MPEG-2-Standard implementiert.

MPEG 4 ermöglicht die massive Komprimierung von Videodateien, um sie über das Internet zu verteilen. Ein 5 GB großes Video von einer DVD lässt sich mit MPEG 4 - bei gleichbleibender Qualität für den Betrachter - bis auf 650 MB verkleinern. Microsofts erste Implementierung von MPEG 4 ist seit der Version Windows 98 als Standard installiert und beschränkt die maximale Datenrate auf 256 Kbit/s. Durch den Codec DivX, mit dem sich die Formate MPEG 3, MPEG 4 und MP3 erstellen und dekodieren lassen, wurde die Erhöhung der Bitrate auf bis zu 6000 Kbit/s möglich. DivX bietet extrem hohe Kompressionsraten.

Abb: Von der Stream-Produktion zum Konsumenten

Der Encoding-PC digitalisiert und komprimiert die analogen Audio- und Videosignale. Quelle: Brügger