Wissenschaft reflektiert: Was kann Wissenschaft?

Ein studentisches Projekt am ZiWiS

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Warum ist der Akku schon wieder leer?!

Vor zehn Jahren begann der Erfolgszug des Smartphones mit der Einführung des ersten iPhones. Die Beliebtheit von Geräten mit Touchscreen, Anbindung zum Internet und mit Applikationen für den täglichen Gebrauch nahm stetig zu. Laut einer aktuellen Studie besitzen seit dem Jahr 2017 bereits 2,32 Milliarden Menschen ein Smartphone und die Anzahl der Nutzer wird laut Prognosen auf 2,87 Milliarden im Jahr 2020 steigen [1]. Durch eine größere Fläche und eine höhere Auflösung des Displays ist der Energieverbrauch von Smartphones deutlich höher als bei „klassischen“ Handys. Den meisten ist die Aussage der Überschrift bereits bekannt. Im Folgenden werden Hintergründe erklärt, wieso Smartphones sich sehr schnell entladen, „Der Herr der Ringe“ nicht 200 Blu-ray-Discs benötigt oder Filme mit Streaming nicht 10 Tage zuvor heruntergeladen werden müssen.

Wieso ist die Effizienz bei der Decodierung von Videosequenzen wichtig?

Durch das Abspielen von Videos wird der Akku eines Smartphones innerhalb von wenigen Stunden komplett entladen [2]. Bei der Decodierung von Videosequenzen, das heißt beim Umwandeln von digitalen Daten in die ursprünglichen Videosequenzen, ist folglich ein großes Potential für die Steigerung der Effizienz vorhanden. Je höher die Auflösung bzw. die Qualität des Videos ist, desto schneller muss das Smartphone wieder zurück an die Steckdose. Berücksichtigt man die Entwicklung der Nutzung von mobilen Datenverbindungen, dann wird bis in das Jahr 2022 die Datenmenge im Vergleich zum letzten Jahr um das 10-fache anwachsen und 70% der Daten für Streaming von Videosequenzen genutzt [3].

Wie hängt Streaming mit Videocodierung zusammen?

Filme werden in den letzten Jahren vermehrt über andere Kanäle als dem klassischem TV empfangen. Streaming-Portale wie Netflix oder Amazon Prime Video haben seit Jahren steigende Nutzerzahlen und haben bereits die meisten Haushalte in Deutschland erreicht [4]. Bei diesen Portalen kann aus einem vielfältigen Programm an Filmen und Serien gewählt werden. Ist ein Film gefunden, kann dieser ohne Probleme und mit kurzen Wartezeiten gestreamt werden. Dieser Komfort ist allerdings nicht selbstverständlich und nur durch Quellencodierung möglich. Quellencodierung entspricht einer Datenkompression, in der eine Quelle – in diesem Fall eine Videosequenz – mit diversen Verfahren zu einer komprimierten Datei umgewandelt wird.

Für die Codierung von Videosequenzen wird ein sogenannter Video-Codec eingesetzt – Codec steht hier für Codierung und Decodierung. Aus Abbildung 1 können die beiden Komponenten eines Codecs entnommen werden. Der Encoder komprimiert das ursprüngliche Bildmaterial und wandelt das Video in ‚1en‘ und ‚0en‘ um. Nach dieser Codierung ist es möglich diese ‚1en‘ und ‚0en‘ über das Internet zu verschicken. Wenn diese binären Daten an dem Endgerät ankommen, landen diese im Decoder. Dieser wandelt die Daten wieder in eine Videosequenz um. Damit geringe Datenraten benötigt werden, muss ein gewisser Qualitätsverlust in Kauf genommen werden. Je nachdem wie hoch der Anspruch an die Qualität im Vergleich zur originalen Videosequenz ist, kann eine höhere oder niedrigere Datenrate ausreichen. Durch Forschung und Entwicklung können bestehende Video-Codecs immer höhere Kompressionsraten bei gleichbleibender Qualität erreichen. Aktuelle Video-Codecs sind beispielsweise HEVC, welcher von der MPEG-Gruppe entwickelt wird oder VP9, welcher von Google stammt und im Gegensatz zu HEVC ohne Lizenzkosten eingesetzt werden darf.

Wieso wird Datenkompression benötigt?

Angenommen, ein Film soll in Full-HD Auflösung (1920×1080 Pixel) mit 24 Bildern pro Sekunde und 24 Bit für die Darstellung des Farbraums auf einer Blu-ray-Disc mit 25 GByte Speicher abgespeichert werden. Dann müsste bei diesen Bedingungen ohne Datenkompression circa alle 3 Minuten eine neue Blu-ray-Disc eingelegt werden. Wird die Auflösung auf 4K-UHD (4096×2160) erhöht, ist dieser Zeitraum auf 42 Sekunden verkürzt und Filmabende können schnell zur Sportveranstaltung werden. Die UHD-Version von „Herr der Ringe“ könnte dann in der praktischen 200 Blu-ray-Disc umfassenden Extended-Version gekauft werden.

Streaming ist folglich ohne Quellencodierung nicht möglich. Mit den oben genannten Eigenschaften würde für das Streamen eines 4K-Videos eine Datenrate von 5 Gbit/s benötigt werden. Zwar sind DSL-Anschlüsse mit mehr als 25 Mbit/s in einigen Regionen vorhanden, allerdings würde eine 200-fach schnellere Datenrate benötigt werden. In der Realität muss diese Geschwindigkeit nicht erreicht werden, laut Netflix ist ein Anschluss mit einer Datenrate von 25 Mbit/s für das Streaming von 4K-Filmen ausreichend [5]. Ohne Quellencodierung müsste ein 90-minütiger Film bereits 300 Stunden vorher geladen werden, um den Film ohne Unterbrechung mit einer Downloadgeschwindigkeit von 25 Mbit/s zu streamen. Folglich ist die Kompression von Videosequenzen unabdingbar, da durch eine geringere Datenrate sowohl weniger Zeit als auch weniger Energie aufgewendet werden muss. Eine geringere Datenrate lässt somit den Akku eines Smartphones länger halten.

Wie würdet ihr euch entscheiden: Geringere Qualität und längere Akkulaufzeit oder hohe Qualität und kürzere Akkulaufzeit?

Über den Autor:

Mein Name ist Matthias Kränzler und ich studiere im 1. Mastersemester an der FAU Erlangen-Nürnberg Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik. Mit diesem Blogbeitrag möchte ich mein Forschungsgebiet als studentische Hilfskraft am Lehrstuhl vorstellen.

Quellen:

1: de.statista.com/statistik/daten/studie/309656/umfrage/prognose-zur-anzahl-der-smartphone-nutzer-weltweit/, Stand: 11.06.2017

2: C. Herglotz and Y. Wen and B. Dai and M. Kränzler and A. Kaup, A Bit Stream Feature Based Model for Video Decoding Energy Estimation, Picture Coding Symposium, Nürnberg, 2016

3: ericsson.com/en/mobility-report/mobile-traffic-by-application-category, Stand: 11.06.2017

4: meedia.de/2016/07/06/marktanteile-der-streaming-portale-amazon-weit-vor-netflix-sky-und-maxdome/, Stand: 19.07.2017

5: help.netflix.com/de/node/306, Stand: 16.06.2017

 

CC – BY – NC – ND

2 Kommentare zu “Warum ist der Akku schon wieder leer?!

  1. Celine Koch sagt:

    Lieber Matthias,

    Ich muss sagen, das du mir mit deinem Beitrage einen guten Einblick in eine mir sehr entfernte Welt gegeben hast. Mein Vorwissen über diese Thematik ist sehr gering, aber ich habe deine Argumentation trotz dessen nachvollziehen können.
    Persönlich merke ich natürlich auch, wie schnell mein Akku leidet, alleine wenn ich sehr viel auf sozialen Netzwerken wie Instagram unterwegs bin und das ist während einer langen Zugfahrt natürlich nicht so toll.
    Dadurch verzichte ich mittlerweile darauf auf meinem Handy zu streamen und schleppe mein iPad mit, ein externes Ladegerät oder hab es die ganze Zeit an der Steckdose.
    Deswegen muss ich für mich sagen, das mir natürlich eine gute Qualität wichtig ist, ich aber lieber mehr Akku hätte und es für mich daher in Ordnung wäre, wenn ich das Video nicht in Full HD sehe.
    Denn was bringt mir eine perfekte Auflösung, wenn ich einen Film zum Beispiel nur bis zu Hälfte schaffe, weil dann mein Akku leer geht?

    Liebe Grüße
    Celine

  2. Emre Yavuz sagt:

    Hi Matthias,

    zunächst danke, dass du ein recht komplexes Thema sehr anschaulich erläutert hast. Auch als technikaffiner junger Mensch war mir bisher nicht bewusst, wieviel Arbeit in der Verarbeitung von Videostreams, auch für DVDs und Blu-Ray-Discs steckt. Man nimmt ja meistens an, ein Film sei so wie er aufgenommen wurde mit Effekten versehen, eventuell beschnitten und dann auf die Disc „gedruckt“ worden.

    Dass beim Komprimieren allerdings auch an Qualität eingebüßt wird, scheint mir im Gegensatz zu früher kein großes Problem mehr zu sein. Ich sehe ohnehin keinen bedeutenden Unterschied zwischen Videos in Full HD und 4K – wobei das auch nur auf entsprechend großen Monitoren und Fernsehern möglich wäre, und das wirkt mir unnötig übertrieben.

    Da man auf dem Handy aber erst recht wenig Unterschiede z.B. zwischen 720p und 1080p -Auflösungen feststellen wird, halte ich es für viel wichtiger, an den Handy-Akku zu denken statt unbedingt alles in HD anzubieten. Denn wenn ich mal unterwegs eine Folge auf Netflix geschaut habe und danach bei einem Akkustand von 3% ein wichtiger Anruf kommt, sieht’s düster für das Gespräch aus. Ein goldener Ausgleich zwischen Quailität und Quantität (z.B. auch mehr Folgen am Stück schauen zu können) ist daher unabdingbar – und nachdem die Bildqualität in den letzten Jahren immer besser geworden ist, könnten Hersteller und Zulieferer von Smartphones endlich auch an den Kapazitäten der Akkus tüfteln.

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