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HEIF und HEVC: Die Medienformate der Zukunft erklärt

JPEG und MP4 sind die Foto- und Videoformate, mit denen wir seit Jahren nicht nur auf Smartphones und Tablets, sondern auch auf PCs arbeiten. Es ist an der Zeit, sie in Rente zu schicken und mit HEIF, HEVC und VP9 stehen einige interessante Entwicklungen in den Startlöchern. Aber was bedeuten diese Akronyme und wie können sie den Einsatz unserer Geräte verbessern?

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Was ist HEIF und HEVC?

  • HEIF (High Efficiency Image File Format): Ein Container-Format für Bilder, das zusätzliche Informationen aufnehmen kann.
  • HEVC (High Efficiency Video Coding): Ein hocheffizienter Kompressionsstandard für Videos, der auch H.265 genannt wird.

Der erste Begriff bezieht sich also auf einen digitalen Container, in dem Fotos und andere Daten in unterschiedlichen Formaten gespeichert werden können, z.B. JPEG. Aber nicht nur, denn es können auch Verarbeitungsbefehle hinterlegt werden. HEVC bezieht sich auf ein Videocodiersystem, dessen Ergebnis in verschiedenen digitalen Behältern wie z.B. MOV aber auch HEIF gespeichert werden kann. Im letzteren Fall komprimiert HEVC ein Standbild. Lasst uns einmal die Details von HEVC und HEIF beleuchten. 

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HEVC und HEIF im schematischen Vergleich. / © Addpipe

HEIF: Der Bildcontainer der Zukunft

HEIF steht wie schon erwähnt für High Efficiency Image File Format. Es kann ein oder mehrere Bilder enthalten. Ein Bild im HEIF-Format kann zum Beispiel ein Thumbnail im JPG-Format und ein hochauflösendes Bild integrieren, das mit dem Codec HEVC komprimiert wurde – dazu später mehr. Optional können auch Metadaten und Verarbeitungsschritte hinterlegt werden. Die können zum Beispiel umfassen:

  • Rotation des Bildes um 90, 180 oder 270 Grad.
  • Einen Ausschnitt des Bildes definieren, der angezeigt werden soll.
  • Überlagerung einer beliebigen Anzahl von eingehenden Bildern in der Reihenfolge und an anpassbaren Positionen des Originalbildes.

Diese Operationen werden im HEIF-Container als Anweisungen für die Anzeigesoftware gespeichert. Das bedeutet, dass das Originalbild nicht verändert wird (es bleibt erhalten, es wird nicht mit Änderungen überschrieben) oder am Ende des Vorgangs wieder komprimiert, wodurch Qualitätsverluste vermieden werden. HEIF führt also ein Framework für andere nicht-destruktive Bearbeitungsvorgänge ein. Sobald diese Operationen angewendet werden, wird das Ergebnis als abgeleitetes Bild bezeichnet.

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Folgende Datentypen können in einem HEIF-Container enthalten sein:

  • Bilder mit Eigenschaften und Vorschaubildern.
  • Abgeleitete Bilder: Diese Art der zerstörungsfreien Bearbeitung ermöglicht es der Bildbetrachtungssoftware, eine Reihe von Anweisungen "on the fly" anzuwenden, ohne das Originalbild zu zerstören.
  • Bildfolgen: Mehrere Bilder, die bestimmte Eigenschaften wie z. B. die Aufnahmezeit, ihre Eigenschaften und ihre Miniaturansichten gemeinsam haben. Dieses Format wird hauptsächlich für Serienbelichtungen oder Animationen verwendet.
  • Zusätzliche Bildobjekte: Diese Daten sind beim Betrachten der Datei nicht direkt sichtbar und können Alphaebenen oder Tiefenkarten darstellen.
  • Metadaten: Zusätzliche Informationen wie EXIF, XMP oder ähnliche Daten.

Einige mögliche Beispiele für den Einsatz von HEIF-Containern:

  • Eine qualitativ hochwertige Bilddatei und eine Vorschau derselben im JPG-Format von geringerer Qualität.
  • Mehrere Bilddateien pro Bilddatei, sodass Serienbilder in einer Datei gespeichert sind.
  • Mehrere Bilddateien mit unterschiedlichen Brennweiten.
  • Mehrere Bilddateien mit unterschiedlichen Belichtungseinstellungen.
  • Eine Bilddatei und ein gleichzeitig aufgenommenes Video (wie Motion Photos von Google Pixel 2 und Live Photos von iOS).

HEVC: Der Video-Codec nach H.264

Auch bekannt als H.265, ist es der Nachfolger des mittlerweile universell eingesetzten AVC/H.264. Es ist ein hocheffizienter Kompressionsalgorithmus, der Auflösungen bis zu 8.192 x 4.320 und 8K UHD unterstützt. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist, dass HEVC für 10-Bit-Farben entwickelt wurde – HDR-Inhalte sind also ohne Weiteres möglich. HEVC wurde mit dem Ziel entwickelt, die Bitrate des Videos bei gleichbleibender Qualität zu reduzieren. Dabei erhöht sich aber die Komplexität des Kompressionsvorgangs. Dieser Codec wird auch verwendet, um Bilder innerhalb der oben beschriebenen HEIF-Container zu komprimieren.

Wie schon im H.264-Codec teilt HEVC die einzelnen Frames in kleine Bildausschnitte auf und analysiert diese Bereiche auf Übereinstimmungen und Bewegungen. Diese Informationen werden dann raffiniert reduziert und so benötigt ein HEVC-komprimiertes Video deutlich weniger Speicherplatz. Der Unterschied zwischen H.265 (HEVC) und dem Vorgänger H.264 liegt darin begründet, dass HEVC mit neuen Tricks arbeitet. Und der Unterschied ist immens:

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H.265 komprimiert effizienter als H.264. / © Sdmctech

Zu den wichtigsten Änderungen für HEVC gehört, dass HEVC nun Blöcke der Größen 4 × 4 Pixel bis 64 × 64 Pixel verarbeiten kann. Damit kann der Codec flexibler auf das zugrunde liegende Bildgeschehen reagieren. Das erlaubt zum Beispiel eine bessere Bewegungsvorhersage. H.265 verwendet bekannte Technologien wie Motion Compensation, Intra Prediction und verschiedene Filter, um die Dateneinsparungen zu realisieren. In all diesen Bereichen kann HEVC in einen größeren Werkzeugkoffer greifen und ausgefeiltere und komplexere Vorhersagemodelle verwenden. Technische Details dazu gibt es in der englischen Wikipedia zu lesen.

Der erste Vorgeschmack auf den HEVC-Codec stammt aus dem Jahr 2012, als Qualcomm während des MWC ein mit dem SoC Snapdragon S4 (Dual-Core) ausgestattetes Tablet zeigte, das in der Lage war, das gleiche Video, das in H.264 und H.265 kodiert wurde, nebeneinander abzuspielen. Das Video in HEVC zeigte bereits die angestrebten 50 Prozent Bitratenreduzierung bei gleicher Qualität.

Im Jahr 2014 wurde der Codec erstmals auf mobilen Endgeräten eingeführt, da Apple den Standard für FaceTime-Videoanrufe über das Datennetz via iPhone 6 und iPhone 6 Plus verwendete.

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H.265 vs. H.264 im direkten Vergleich auf dem MWC 2012. / © Cnet

Der erste mobile SoC mit spezieller Hardware für die HEVC-Dekodierung kam im Jahr 2015 von Nvidia, der in seinem Tegra X1 einen Decoder verwendete, der dem Chip ähnelte, der einige Monate zuvor in die Grafikkarten der GeForce-900-Serie eingebaut wurde. Heute beherrschen fast alle modernen Chipsätze die Dekodierung von HEVC-Inhalten.

Wo finden wir diese Formate?

HEIF- und HEVC-Unterstützung befinden sich auf einigen der modernsten Geräte. Beispielsweise hat Apple unter iOS 11 den Support für diesen Dateityp eingeführt, sodass Ihr Fotos und Videos in hocheffizienten Formaten auf dem iPhone 7 und höher aufnehmen könnt (die Wiedergabe wird bis zum iPhone 5S unterstützt, dort jedoch maximal in Full-HD). Natürlich können auch iPads mit iOS 11 und Macs, die auf MacOS High Sierra aktualisiert wurden, diese Dateien abspielen.

Apple verwendet die Erweiterung .heic (.heics für Bildsequenzen) für Bilder, unterstützt aber auch die Wiedergabe von .heif (.heifs für Bildsequenzen) Dateien von Dritten. Aufgenommene Videos werden von Apple-Geräten wie normale Videos im .mov-Format gespeichert, aber dennoch mit dem HEVC/H.265-Codec codiert.

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Galaxy S9 und iPhone X unterstützen HEVC, aber nur das iPhone kann HEIF. / © AndroidPIT by Irina Efremova

In der Android-Welt ist die offizielle Unterstützung für diese Formate zu unterschiedlichen Zeiten angekommen: HEVC wird seit Android Lollipop unterstützt, während HEIF erst kürzlich mit Android P (verfügbar in einer ersten Developer Preview) eingeführt wurde, auch wenn die Kamera-App vom Google Pixel (XL, 2 und 2 XL) noch keine Möglichkeit anbietet, sie auch zu nutzen.

Bei Samsung könnt Ihr HEVC-kodierte Videodateien auf den neuen Galaxy S9 und S9+ aufnehmen, auch wenn die neuen Galaxys nicht über das HEIF-Format zum Speichern von Fotos verfügen. Möglicherweise wird das Xiaomi Mi MIX 2S auch HEVC-Codecs für Videos verwenden.

HEIF-Container können auch auf Webseiten nach dem HTML 5.2-Standard verwendet werden, um verschiedene Versionen desselben Fotos zu speichern und dem Browser die Entscheidung zu überlassen, welche Bilder in den verschiedenen Situationen verwendet werden sollen. Das ist aber pure Theorie: Aktuell unterstützt kein Browser die Darstellung von HEIF-Bildern.

Warum HEIF und HEVC einsetzen?

Der Hauptgrund, warum wir uns dazu durchringen sollten, diese neuen Bild- und Videodateiformate zu verwenden, ist die höhere Effizienz. Wie wir wissen, ist der verfügbare Speicherplatz auf Smartphones nie ausreichend. Dank dieser effizienten Formate ist es möglich, die gleiche Anzahl von Dateien in der gleichen Qualität, aber mit weniger Platzbedarf zu speichern. Oder wir wählen höhere Qualität, müssen aber nicht mehr Speicher einbauen – wenn das überhaupt geht.

Mit dem HEVC-Standard ist es möglich, in HEIF-Dateien doppelt so viele Informationen zu speichern wie in einer JPG-Datei gleicher Größe – mehr Qualität also. Zu sagen, dass das Ergebnis beeindruckend ist, ist ein Understatement.

Darüber hinaus können HEIF-Dateien (und alle Derivate) Informationen über Bearbeitungen des Originalbildes enthalten, ohne das Original zu verändern. So könnt Ihr Eure Fotos auf einem Gerät bearbeiten, das Ergebnis speichern und später auf einem anderen Gerät wieder rückgängig machen oder weitere Änderungen vornehmen, ohne die Qualität des Originalbildes zu beeinträchtigen.

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Mehr Speicherplatz ist schön, aber effizienter Umgang damit ist besser! / © Samsung

Beispielsweise ist es bei einer JPG-Datei nicht möglich, den Bearbeitungsprozess später rückgängig zu machen und die Bildqualität verschlechtert sich bei jeder Speicherung durch das kontinuierliche Neukodieren mit dem verlustbehafteten und völlig veralteten JPEG-Kompressionsalgorithmus.

Die gleiche Effizienz gilt für mit HEVC (H.265) kodierte Videos: Dieser Video-Codec bietet die doppelte Kompression bei gleicher Qualität wie eine AVC-kodierte Datei (H.264) oder eine deutliche Qualitätssteigerung bei gleicher Bitrate. Die praktische Anwendung der eingeführten Verbesserungen erfordert aber mehr Leistung beim Kodieren und Komprimieren, aber mitunter weniger Rechenleistung beim Dekomprimieren und Abspielen.

Jedes Megabyte auf Smartphones mit 32 GByte internem Speicher oder weniger ist wertvoll. Diese neuen Formate versprechen viel mehr Fotos und Videos aufzunehmen, bevor der Platz knapp wird. Aber zumindest für H.265 stehen bereits einige schlagkräftige Konkurrenten bereit. In einem zweiten Teil beschreiben wir, was VP9 und AV1 gegenüber HEVC besser machen.

Verwendet Ihr bereits HEVC oder HEIF? Was haltet Ihr von diesen Formaten?

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