Maximale Datenrate für eine SVCD?

Immer wieder stellen Leser die Frage, welche max. Datenrate darf ich bei Programmen wie TMPGEnc oder AVI2MPG2 einstellen.

Die Frage ist nicht so leicht mit einem Satz zu beantworten.

Im Internet gibt es dazu recht unterschiedliche - und meiner Meinung nach - auch falsche Informationen. Doch schauen wir zunächst auf eine der am SVCD-Standard beteiligten Firmen - auf Philips.

Unter http://www.licensing.philips.com/cdsystems/cdsupervcd.html *) finden Sie mehrere PDF-Files mit Detailinformationen.

http://www.licensing.philips.com/partner/data/presrep9061.pdf  *) gibt uns den Hinweis auf eine variable Video-Bitrate von 2,5 mbps (meint Megabits pro Sekunde und nicht Millibits) und eine variable Audio-Bitrate von 32 ... 384 kbps.

Einen Mausklick weit entfernt finden wir unter http://www.licensing.philips.com/partner/data/sl00811.pdf  *) die Info über eine variable Video-Bitrate von 2,6 mbps. Der Audio-Bereich wird weiter spezifiziert mit 2 Stereo- oder 4 Monokanälen mit jeweils einer variablen Audio-Bitrate von 32 ... 384 kbps.

Also, was denn nun: 2,5 oder 2,6 mbps? 

Und was bedeutet das? Darf ich 2600 kbps für das Video und 384 kbps für die Audio-Information - also in Summe 2984 kbps nehmen?

Wenn schon bei einem Hersteller so unterschiedliche Informationen vorliegen, wie soll denn dann der Anwender durch diese Information durchsteigen?

Wenn Sie sich die tabellarische Aufstellung bei Philips ansehen, so finden Sie in der ersten Zeile die Information über die "Sector rate":

Ausriss aus sl00811.pdf (Quelle: Philips)

Was bedeuten nun diese sehr wichtigen Informationen von 75 bzw. 150 Hz für eine VCD bzw. SVCD?

Bei "Hz" fällt einem die Frequenz, also 1/Zeit ein. Ihre Einheit wird mit [Hz] (1Hz = 1/s) nach Heinrich Hertz (1857 - 1894) angegeben. Wir haben es demnach offensichtlich mit einer Schwingung zu tun. Mit einer Schwingung bezeichnet man einen Vorgang, bei welchem sich eine physikalische Größe mehr oder weniger periodisch mit der Zeit ändert. Als Beispiel sind hier die Bewegung eines Kolbens in einem Motor, die Spannungsänderung am Sockel einer Glühbirne oder die Bewegung einer Gitarrensaite zu nennen.

Doch was ist hier gemeint?

Aus dem letzten EDV-TIPP wissen wir noch, das die Daten auf einer CD durch Höhen und Tiefen - den Pits and Lands- abgebildet werden.

Ein sogenanntes Channel-Bit hat dabei die Länge von 277,662 nm/bit. 

Wir wissen ferner, dass die Lesegeschwindigkeit konstant 1,2 Meter pro Sekunde beträgt. Daraus können wir nun die Anzahl der Bits ausrechnen, die in einer Sekunde gelesen werden:

Nun wissen wir ferner, das 588 Bits einen Frame bilden; also:

98 Frames stellen nun einen Sektor dar:

Wir wissen damit nunmehr, dass bei einer CD mit einfacher Geschwindigkeit - wie einer normalen Musik-CD oder hier in unserem Beispiel bei einer Video CD (VCD) - 75 Sektoren in einer Sekunde gelesen werden.

Das ist also oben mit den 75 Hz gemeint.

Nun können Sie in der Tabelle sehen, das eine SVCD mit 2-facher CD-Geschwindigkeit (2 x speed) definiert ist.

Sie kennen diese Information 2X oder auch 34X bzw. 50X sicher vom Kauf eines CD-Laufwerkes oder eines CD-Brenner für Ihren PC. Dieses Kriterium ist bei der Auswahl eines CD- oder DVD-ROM-Laufwerks ein Maß für die Geschwindigkeit. 

Die Hersteller geben sie in "X" an, wobei das X bei CD und DVD eine unterschiedliche Bedeutung hat. Es bezieht sich auf die ursprüngliche Geschwindigkeit, mit der die jeweils erste Laufwerksgeneration des betreffenden Gerätetyps arbeitete. Bei CD-ROMs sind dies bescheidene 150 KByte/s (1X_CD). Das ist auch die Geschwindigkeit, mit der Musik-CDs heute noch laufen. Während 1X_DVD = 1,35 MByte/s bedeutet. 

Schauen wir bei der CD genauer hin:

Doch was bedeutet das für unsere Super Video CD (SVCD)? 

Wir wissen aus der o.a. Tabelle, dass der SVCD-Standard mit max. 2 x speed arbeitet, also mit 2 x 75 Sektoren / Sekunde. Und wir wissen aus dem letzten EDV-TIPP, dass ein Sektor nicht 2048 Byte pro Sektor hat (wie bei der normalen Daten-CD), sondern 2324 Byte pro Sektor (CD-ROM XA - Sector Mode 2, Sector Form 2)

Daraus ergibt sich folgende Rechnung: 

Ihr DVD-Standalone-Player kann also, sofern er SVCD-fähig ist, eine CD mit 2-facher Geschwindigkeit abspielen und dabei den Datenstrom mit einer Geschwindigkeit von 2.788,8 kBit pro Sekunde lesen.

Nun haben wir im letzten  EDV-TIPP gelernt, dass nicht die gesamte Datenrate für das Bild oder den Ton genutzt werden kann.

Der Laser des Players muss nun aber zuerst einmal alle Daten erfassen, doch ein Teil dieser Daten geht "verloren". Bewertet werden diese Daten dann vom der Software (Firmware) im Player.

Da haben wir z.B. den "SVCD scan offsets". Hier werden zum Spulen (schneller Vor-/Rücklauf) dem MPEG-Stream bei jedem I-Frame ein paar Bits als "Zeiger" hinzugefügt. Dieser Zeiger deutet auf die Position des vorhergehenden bzw. nächsten I-Frame.

Weiterhin gehen Bytes für "padding for sequence alignment" 'verloren'. Bei einer SVCD muss eine Bildsequenz (GOP) genau mit einem vollen Sektor starten. Das bedeutet, dass ggfl. Füllbytes zwischen die Sequenzen zu schreiben sind, die überhaupt keine Bildinformationen enthalten.

Wiljo Heinen, der Entwickler von SVCDcalc (vergl: http://www.offeryn.de/dv.htm) erläuterte dazu: "Im Mittel geht an GOP-Grenzen ein halber Sektor verloren (wenn die GOP-Längen statistisch gleichverteilt sind). Im "Normalfall" hat man GOPs, die jeweils eine halbe Sekunde lang sind (12 frames bei PAL, 15 frames bei NTSC). Der errechnete Wert ergibt sich als ein halber "verschenkter" Sektor je halbe Sekunde.

Zu einem Video- und Audio-Stream gehören bei einer SVCD MPEG-Header. Dabei sind PES-Header die Paket-Header der packetized elementary streams und PACK-Header sind die Header eines MPEG2-Paketes, das mehrere PES-Pakete enthalten kann."

Sie sehen an diesen Beispielen, dass die Bits und Bytes nicht wirklich "verloren" sind. Im Gegenteil - sie werden ganz dringend für eine einwandfreie Funktion benötigt. Doch Sie sehen sicherlich, dass die technisch möglichen 2.788,8 kbps (siehe o.a. Rechnung) nicht für Video und Audio alleine genutzt werden können.

Im letzten EDV-TIPP haben Sie von Andreas Riel erfahren, dass man als Daumenwert für diesen Overhead 71 kbps annehmen kann. Genau waren das nach unseren Messungen im Mittel 70,8 kbps (immer ausgehend von den hier im EDV-TIPP veröffentlichen Einstellungen). 

Andere Quellen wie z.B. http://www.geocities.com/aussie01au/SVCD.html kommen mit ganz abenteuerlichen Rechnungen auf 75,6 kbps (Stand: 19.05.01).

Zieht man nun von den technisch möglichen 2.788,8 kbps die o.a. 70,8 kbps für Overhead ab, so bleiben 2.718 kbps für den eigentlichen Film (kpl. mit Ton) übrig.

Sie können nun von diesen 2.718 kbps für den Ton einen Anteil von 128 kbps nehmen und dann bleiben Ihnen für das eigentliche Video 2590 kbps übrig. Sie können aber auch für das Video 2494 kbps einplanen und dann haben Sie für den Ton noch 224 kbps.

Die Summe sollte jedoch nicht über 2.718 kbps überschreiten.

Nun werden Sie sagen, dass Sie schon SVCDs gemacht haben mit 3000 kbps für den Video-Stream und 224 kbps für den Audio-Stream (also in Summe 3.224 kbps - oder noch mehr) und dass Ihr YAMAKAWA-DVD-Player das problemlos abgespielt hat.

Klar, kein Problem, der YAMMI ist auch kein Gerät nach dem SVCD-Standard. Und sie müssen bei den einzelnen Geräten sehr genau darauf achten, wie viel Kilobits pro Sekunde Ihr Player wirklich lesen kann.

Da dies selten in der Bedienungsanleitung steht, wird Ihnen nur das Ausprobieren weiterhelfen.

Gehen Sie am einfachsten vom Ton aus. 

Die Toncodierung nach MPEG-1 Layer II wird mit einer Datenrate von 256 kbit/s z.B. für Digital Broadcast Audio (DBA) genutzt.

Die Fachliteratur sagt aber, dass bereits bei 0,19 MBit/s gute Radioqualität zu erreichen sei. Geht man von 1024 Kilobit/Megabit aus, so sind das 194,56 KBit/s. Geht man von 1000 Kilobit/Megabit aus, so sind das 190 kbit/s (kbps).

Bei einer SVCD sind, ausgehend vom Layer II, im Prinzip zwei Audiostreams möglich. Jeder Stream kann dabei zwei Kanäle beinhalten. Sie können also in einen Audiostream 2 Mono- oder zwei Stereokanäle integrieren. Und zwar mit einer Bitrate von 32 - 192 kbps (mono) bis zu 64 - 384 kbps (stereo).

Damit ist es möglich, z.B. eine deutsche und eine englische Fassung Ihres eigenen Videofilm zu produzieren. Die Umschaltung zwischen den Tonkanälen erfolgt direkt am Player (wie man einen Stream mit mehreren Tonspuren produziert, erkläre ich im EDV-TIPP "zwei Tonspuren").

Denkbar ist aber auch ein MPEG-2 MultiChannel 5.1 (ISO 13818-3) Stream. 

Doch zurück zur eigentlichen Datenrate. 

Nach meiner Auffassung ist eine Datenrate von 192 kbps für den Stereo-Ton eines guten Videofilms ausreichend.

Sollten Sie mit zwei Stereo-Quellen arbeiten wollen, so ist die Datenrate hier zu Lasten der Bildqualität zu verdoppelten oder entsprechend zu reduzieren, wenn Sie besonders Wert auf ein gutes Bild legen.

Geht man nun von einem Ton von 192 kbps aus, so verbleiben von den 2.718 kbps  

2526 kbps  

für den Video-Stream übrig.

Diese Datenrate können Sie nun langsam steigern und probieren wo Ihr Player aussteigt.....

Ein ganz gutes aber teures Programm mit dem Namen I-Author von EnReach http://www.enreach.com  z.B. setzt die Grenze automatisch auf den bei zweifacher Geschwindigkeit technisch möglichen Wert von 2.788.800 bit/sec und lässt Ihnen damit erst mal keine Möglichkeit, überhaupt Datenströme mit höheren Datenraten zu produzieren. Es gibt zwar Tricks und Möglichkeiten das zu umgehen, doch das heben wir uns mal für später auf.

Bei diesem Programm scheint aber der Overhead generell geringer zu sein als bei der Kombination von TMPGEnc und Nero oder WinOnCD. Damit sollte bei einer solchen Lösung eine etwas höhere Datenrate für den jeweiligen Video- bzw. Audiostream möglich sein.

Die Diskussion in einigen Foren läuft darauf hinaus, dass man bei I-Author mit einem Overhead von 20 - 36 kbps in Abhaengigkeit von der Groesse der CD auskommt. Bei bbMPEG oder durch Kombination von bestimmten Programmen hingegen lassen die "Spezialisten" den 'Sequenz-Header' beim Encoden weg. Oder sie verzichten auf 'seq.header-aligning' bzw. 'user-data' oder was weiß ich noch alles. 

Kann man alles machen, gar kein Problem - solange es bei einem selbst läuft. Doch was sagt die Norm, die IEC 62107 (SVCD-Standard) dazu?

7.3.2 MPEG2 video encoding restrictions

Every I-picture shall be preceded by a GOP-Header with possibly some user data, which in its turn shall be preceded by a sequence header with its extensions and possibly some user data.

Nun kann man lange darüber debattieren, dass "shall" 'soll' bedeutet und nicht 'muss'. Programme wie z.B. VideoPack 5.0 (Erscheinungstermin immer noch offen) bauen jedoch gerade auf diese sequence header auf und ermöglichen nur dann eine einwandfreie Kapitelübersicht, wenn der Stream "normgerecht" ist. 

Spätestens beim Scan-Offset sieht man jedoch, das einige Programme wie z.B. I-Author sich nicht an die Norm halten. Wie sollen sie auch? Teilweise sind die Programme vor oder zeitgleich mit der Norm entstanden und konnten deshalb keine Rücksicht auf die Norm legen.

7.5.2 Scan Information Data

It is mandatory to encode Scan Information User_data_groups, coded as user_data in the picture layer of all Intra pictures.

Also, Scan-Offset ist Pflicht! Die Informationen werden übrigens zum "spulen" der CD benötigt. Ob "scan-offsets" aber wirklich vom DVD-Player verarbeitet wird, ist ungewiss. Viele Player erwarten an dieser Stelle eine SEARCH.DAT, die im Prinzip vergleichbare Informationen beinhaltet.

Wie dem auch sei.

Wenn Sie eine normgerechte SVCD herstellen wollen und nicht auf jedes Bit angewiesen sind, sind Sie -meiner Meinung nach- mit einer Bitrate von 2.718 kbps (Summe für Video- und Audiostream) immer auf der sicheren Seite. 

Wir sollten uns in dem Zusammenhang auch nochmals vor Augen führen, was der Hobbyfilmer mit der SVCD macht. Er will erst mal seinen Urlaubsfilm oder den Film seiner aufwachsenden Kinder oder Enkelkinder auf CD bannen. Da diese Filme (35-45 min) in der Regel auf eine CD passen, ist das Platzproblem nicht ganz so kritisch. 

Wenn Sie hingegen z.B. einen Fernsehfilm auf CD bringen wollen, bleibt Ihnen vermutlich nichts anderes übrig, als mit Ihrem Platz hauszuhalten. Dabei werden dann die oben angerissenen Punkte des kleineren Overheads interessant.

Sie, als Leser, sollten sich jedoch durch die vielen Fachbegriffe nicht verwirren lassen. Für den Anfänger reichen die oben ausgewiesenen Werte vollkommen aus um eine einwandfreie SVCD herstellen zu können. 

Allerdings - entscheiden müssen Sie je nach Anwendungsfall selbst, denn auch ich habe hier noch nicht den "Stein der Weisen" gefunden. Probieren geht über studieren.....

*) Dokumente offensichtlich nicht mehr verfügbar (Feb, 2002)