Основы кодирования видео: Что такое видеокодек?

Сбиты с толку некоторыми терминами и концепциями, связанными с кодированием видео? Мы расскажем вам об основах того, что необходимо знать, развеем распространенные мифы и спрогнозируем будущие тенденции.

Что такое видеокодек и для чего он нужен?

Термин кодек на самом деле представляет собой комбинацию таких слов как КОдирование и ДЕкодирование и описывает процесс сжатия и распаковки данных в виде файлов или потока в реальном времени. Для инженеров вещания кодек обычно относится к стандарту сжатия, используемому кодером, декодером или транскодером.

Для чего необходимо сжатие?

Когда дело доходит до транспортировки и хранения несжатого необработанного видео, оно может занимать колоссальный объем данных для передачи по любому соединению. Учитывая постоянную борьбу за эффективность пропускной способности, сжатие значительно снижает требуемую пропускную способность, позволяя легко передавать видеопотоки или файлы в реальном времени по сетям с ограниченными возможностями. Алгоритмы сжатия видео, такие как H.264/AVC или H.265/HEVC, уменьшают объем необработанных данных контента в 1000 раз.

Сжатие видео

Методы сжатия широко используются во всех элементах современных компьютерных и сетевых архитектур для эффективного хранения или транспортировки. Цель видеокодека состоит в том, чтобы разумно уменьшить размер видеоконтента, то есть общее количество битов, необходимых для представления данного изображения или последовательности, при одновременном сохранении качества изображения. Сжатие видео обычно выполняется с помощью алгоритма или формулы кодека для определения наилучшего способа сжатия данных.

Методы сжатия

Существует несколько различных кодеков и методов сжатия, но основные концепции остаются прежними. Большинство кодеков используют методы сжатия с потерями. Это означает, что при сжатии видео уменьшается некоторая избыточная пространственная и временная информация. Сжатие “без потерь” иногда используется, когда цель состоит в том, чтобы уменьшить размеры файлов и потоков лишь на небольшую величину, чтобы сохранить качество изображения идентичным исходному источнику.

Пространственное уменьшение или внутрикадровое сжатие физически уменьшает размер данных за счет выборочного удаления частей исходных данных в видеокадре. Временное сокращение или межкадровое сжатие значительно уменьшает объем данных, необходимых для хранения видеокадра, за счет кодирования только пикселей, которые изменяются между последовательными кадрами в последовательности. Группируя несколько кадров в группе изображений (или GOP), межкадровое сжатие является наиболее распространенным подходом для кодирования видео, поскольку оно может значительно уменьшить размеры файлов и потоков.

Что такое битрейт?

В контексте потоковой передачи видео в реальном времени битрейт видео — это количество битов, обрабатываемых за единицу времени, и обычно измеряется в битах в секунду. Как правило, более высокий битрейт обеспечивает более высокое качество изображения на видеовыходе. При сжатии видео потока с той же скоростью в более продвинутом кодеке, таком как HEVC, например, будет достигаться более высокое качество, чем у его предшественника, H.264. И наоборот, HEVC может обеспечить такое же качество видео при более низком битрейте, чем H.264.

Текущие параметры видеокодека

MPEG-2

MPEG-2 — предшественник H.264 и HEVC, был разработан в 1990-х годах и отвечал за новаторское кодирование видео с помощью цифрового телевидения и DVD-дисков. Его алгоритм сжатия обеспечивает высокое качество, но имеет менее сложную структуру, поскольку он был разработан с учетом доступной вычислительной мощности того времени. В то время как использование MPEG2 постепенно прекращается в пользу новых стандартов кодирования, он все еще используется во многих устаревших приложениях и в системах наземного эфирного вещания, таких как ATSC, кабельные системы DVB-C и спутниковое телевидение.

JPEG2000

Представленный в 2000 году, JPEG2000 — это стандарт, который до сих пор используется в различных приложениях, включая цифровое кино, медицинскую визуализацию, геопространственные данные и архивирование документов. JPEG2000 использует внутрикадровое кодирование. Это означает, что каждый кадр сжимается индивидуально, что в конечном итоге означает, что по сравнению с более современными кодеками, использующими технологию межкадрового сжатия, требования к пропускной способности для передачи JPEG2000 выше, что влечет за собой увеличение нужный объем памяти для хранения.

H.264 / AVC (Advanced Video Coding)

Для высококачественной потоковой передачи видео через Интернет широко используется H.264, который, по оценкам, составляет большую часть мультимедийного трафика. H.264 имеет репутацию отличного качества, скорости кодирования и эффективности сжатия. Первая версия стандарта была завершена в 2003 году, и хотя в последующих изданиях были добавлены расширения его возможностей, обычно считается, что это устаревшая схема сжатия. Поскольку появился спрос на более высокие разрешения видео, необходимо дальнейшее повышение эффективности.

H.265 / HEVC (High Efficiency Video Coding)

Преемник H.264, H.265 или HEVC быстро становится повсеместным благодаря распространению контента 4K. При одинаковом уровне визуального качества HEVC обеспечивает значительно улучшенное сжатие, позволяя сжимать видео в два раза быстрее, чем H.264, что делает его вдвое эффективнее. При сжатии с тем же битрейтом, что и H.264, HEVC обеспечивает значительно лучшее качество изображения.

VP9

Разработанный Google и используемый YouTube, VP9 — это бесплатный кодек с открытым исходным кодом, который предлагает меньше преимуществ, чем HEVC. С точки зрения функций, VP9 имеет недостатки в нескольких ключевых моментах, и с ограниченным количеством коммерчески доступных кодеров VP9  он мало привлекателен в качестве формата кодирования для трансляций в реальном времени.

Заглянем в будущее

Хотя в 2020 году была завершена разработка двух новых кодеков, их актуальность должна стать ясной только в ближайшие несколько лет, как только аппаратные и экономические факторы станут менее расплывчатыми.

JPEG XS — это стандарт визуального сжатия без потерь, лежащий в основе SMPTE-2110. JPEG XS — это стандартизация ISO технологии сжатия TICO, которая представляет собой облегченный стандарт сжатия без потерь, который полезен для рабочих процессов передачи 4K и 8K в существующих сетях 3G SDI и 12G SDI или гибридных сетях SDI/IP. Несмотря на то, что TICO идеально подходит для передачи сигналов 4K через сеть 10 ГБ для периферийных устройств, которые не могут поддерживать полное соединение 12 ГБ, он позволяет настроить только ограниченные параметры конфигурации. JPEG XS, похоже, станет важным фактором в области удаленного производства и живых мероприятий в ближайшем будущем, поскольку он обеспечивает относительно низкую задержку, низкую сложность и способен поддерживать до 8K по IP.

Versatile Video Coding (VVC) или универсальное кодирование видео (H.266), является стандартом сжатия следующего поколения, который следует по стопам HEVC и был доработан в июле 2020 года. VVC нацелен на повышение эффективности сжатия на 30-50 процентов по сравнению с HEVC. Однако мы можем увидеть первые внедрения в потребительское оборудование не раньше середины 2022 года или даже позже.

AV1, разработанный альянсом открытые медиа (OPM), демонстрирует большие перспективы в качестве нового открытого и бесплатного стандарта. Однако первоначальное тестовое развертывание требует значительно большей вычислительной мощности для управления дополнительной сложностью по сравнению с HEVC. На данный момент работа продолжается, и недостаточно информации, чтобы предсказать, примут ли индустрия и сами производители AV1 в качестве стандартного видеокодека.

Кодирование видео с низким уровнем сложности или Low Complexity Enhancement Video Coding (LCEVC), или MPEG-5 часть 2 представляет собой композитную технологию, разработанную компанией V-Nova, которая использует существующие типы кодеков, такие как HEVC или AVC, для создания базы, которая может быть улучшена для повышения эффективности существующих кодеков. LCEVC был доработан и продвинут в качестве международного стандарта MPEG в октябре 2020 года, и благодаря новым технологиям кодеков он может оказать наибольшее влияние на потоковую передачу в будущем.

Разработка EVC (Essential Video Coding) началась в 2018 году и продолжалась в течение 2020 года без намеченной даты завершения. EVC стремится предоставить альтернативный кодек, аналогичный по производительности HEVC, но с другими условиями лицензирования (он не будет бесплатным) и в основном ориентирован на рабочие процессы 4K и HDR. Если EVC будет доработан, его принятие все равно может произойти только в конце 2023 года.

Какой кодек вам подойдет лучше всего?

Возможно, вы слышали о так называемых “войнах кодеков”, когда кодеки якобы борются за то, чтобы занять первое место. Но дело в том, что все сводится к требованиям целевого приложения и устройств просмотра, в которых оно будет использоваться.

Для компаний, специализирующихся на рабочих процессах с видео в реальном времени, которые занимаются трансляциями и распространением, HEVC является очевидным выбором на данном этапе. Он встроен в миллиарды наборов микросхем, от кодеров и телевизоров до телевизионных приставок и мобильных устройств, что делает его популярным и реалистичным вариантом для передачи, транскодирования и распространения. Для установленных систем цифрового вещания все еще может потребоваться H.264. В большинстве случаев инженерам вещания необходимо поддерживать оба кодека.

Экосистема продуктов Haivision поддерживает как HEVC, так и H.264 и включает поддержку протокола с открытым исходным кодом Secure Reliable Transport (SRT). SRT быстро становится фактическим стандартом потоковой передачи видео с низкой задержкой в индустрии вещания и потоковой передачи. Более того, в отличие от некоторых других решений, которые поддерживают только определенные кодеки, SRT не зависит от кодеков, что позволяет пользователям проверять свои рабочие процессы в будущем.