HEVC: Besser, schneller, stärker

Jetzt, da der Markt mit UHD-TV überfüllt ist und sogar 4K-Inhalte allmählich in Erscheinung treten, ist H.264 der Herausforderung nicht mehr gewachsen. Wir brauchen eine Lösung, die Ultra-HD-Video mit maximaler Qualität über Kanäle komprimieren und verteilen kann, die für solche Belastungen noch nicht bereit sind.

Diese Lösung wurde als H.265 oder HEVC bezeichnet und der breiten Öffentlichkeit erstmals auf der MWC 2012 von Qualcomm vorgestellt. Der Standard erwies sich schon damals als unglaublich effizient.

Wie funktioniert die Komprimierung?

Um zu verstehen, wie die meisten Komprimierungsalgorithmen funktionieren, nehmen wir uns als Beispiel das Packen eines Koffers zur Hand. Wenn der Koffer zu schwer wird, nehmen wir alle unnötigen Dinge heraus. Dasselbe gilt für Video - je weniger sich wiederholende und unwichtige Elemente es hat, desto leichter ist es zu transportieren.

1. Entropie-Kodierung

Jede geordnete Sequenz kann so gruppiert werden, bis keine Datenblöcke mehr übrig sind, die weiter komprimiert werden können. Oder anders ausgedrückt, bis die Folge von Nullen und Einsen absolut zufällig wird. Aus diesem Grund wurde diese Art der Kodierung Entropie-Kodierung genannt. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass die Information selbst nicht beeinträchtigt wird. Wir transformieren nur die Art und Weise, wie sie dargestellt wird, und reduzieren Redundanz.

2. Frequenz-Zerlegung

Jeder, der mit zumindest ein wenig mit Informatik vertraut ist, kennt ihr Hauptprinzip - Daten, die in Form von Nullen und Einsen empfangen werden, können in jedes andere System konvertiert werden, sei es dezimal, hexadezimal oder sogar alphabetisch. Auch ein 2D-Bild ist eine besondere Art von Daten, die von einem Koordinatensystem in ein anderes umgewandelt werden können. Beispielsweise sind wir es gewohnt, ein Bild in X-Y-Koordinaten (Länge-Breite) zu betrachten. Diese Art der Darstellung wird als räumlicher Bereich bezeichnet. Der Wert jedes Pixels darin basiert auf seiner Position. Wir können dieses Bild in einen Frequenzbereich umwandeln, in dem wir nicht die Position der Pixel bewerten, sondern vielmehr, wie sich ihr Wert relativ zu den benachbarten Pixeln ändert. Je höher der Kontrast der Bereiche ist, desto höher ist ihre Koordinate auf den FreqX-FreqY-Achsen. So sieht dasselbe Bild aus, wenn es aus dem X-Y-System in das FreqX-FreqY-System konvertiert wird.

- Niederfrequente Komponenten befinden sich näher am Zentrum unserer Matrix. Sie sind für homogene Bereiche mit allmählichen Luma- und Chromaübergängen verantwortlich.

- Die Hochfrequenten befinden sich näher am Rand. Dazu gehören alle Konturen, Kanten und feinen Details.

Nach dieser Umwandlung können wir die Ränder unserer Matrix einfach beschneiden, oder mit anderen Worten, maskieren. Wenn wir das Bild in die gewohnte Form umwandeln, verliert es zwar einige Details, bleibt aber im Allgemeinen dem Original ähnlich.

Wenn wir die erforderliche Maskengröße und -form wählen, können wir diese Verluste und den Grad der Komprimierung der endgültigen Datei kontrollieren. Unten sehen Sie dasselbe Auto, allerdings mit kreisförmigen Masken, die nun darauf angewendet werden.

3. Chroma-Subsampling

Wenn ein Bild auf einen Fernsehbildschirm übertragen wird, wird das RGB-Farbschema in YCbCr umgewandelt, wobei Y die Luma-Komponente und Cb und Cr die Blau- und Rotkomponenten des Farbschemas oder Chroma-Komponenten sind. Das menschliche Auge kann selbst kleinste Helligkeitsschwankungen wahrnehmen, aber es ist nicht begabt darin, Farbtöne zu erkennen. Wenn wir also Luma-Informationen in voller Auflösung und die Farbkomponente in reduzierter Auflösung übertragen, wird es niemand bemerken, und die Bandbreite wird reduziert. Die Kodierung eines Signals in Y'CbCr reduziert das Datenvolumen fast um die Hälfte.

Es gibt verschiedene Methoden des Chroma-Subsamplings. Jede von ihnen wird durch einen numerischen Code bezeichnet, der die Chroma-Auflösung (2. und 3.) relativ zur Luma-Auflösung (1.) beschreibt.

4:4:4 (YUV) FORMAT

Der farbige Punkt besteht aus den Komponenten Luma (Y') und Chroma (Cr und Cb). In diesem Fall gibt es für jede der vier Luma-Komponenten vier Komponenten jeder Farbe. Auf diese Weise werden normalerweise nicht komprimierte RGB-Bilder dargestellt. Theoretisch kann die 4:4:4-Formel in Y'CbCr angewandt werden, aber es besteht keine praktische Notwendigkeit, dieses Format zu verwenden.

4:2:2 (YUY2) FORMAT

Das Verhältnis von Luma-Auflösung zu Chroma-Auflösung beträgt 4:2. Dies ist das traditionelle Sendeformat, das von DigiBeta, DVCpro50 und anderen verwendet wird.

4:1:1 (YV12) FORMAT

Das Verhältnis von Chroma-Komponentenauflösung zu Luma wird um den Faktor 4 reduziert. Dieses System wird in NTSC DV und PAL DVCPro verwendet.

4:2:0 (YV12) FORMAT

Die Komponentenauflösung hängt davon ab, ob Interlaced- oder Frame-Scanning verwendet wird. Sie wird häufig für die Übertragung von Н264 über das Internet, PAL DV, MPEG2 und verschiedene Softwarelösungen verwendet.

4. Bewegungsausgleich

In fast jedem Video ist jedes Bild dem vorherigen ähnlich. Sie haben einen gemeinsamen, fast statischen Hintergrund, und nur einige Objekte bewegen sich relativ zu anderen. Es scheint ganz natürlich, nur die Elemente codieren zu wollen, die sich ändern, aber nicht die, die gleich bleiben. Dieses Beispiel veranschaulicht, wie ähnlich sich alle nachfolgenden Frames sind.

Wie funktioniert der Algorithmus?

H.265 versus H.264

Warum benötigt ein mit Н.265 kodiertes Video mit maximaler Qualität bis zu 40-50 Prozent weniger Bandbreite als dasselbe H.264-Video? Darüber hinaus unterstützt die Technologie Auflösungen bis zu 8K und 10-Bit-Farbkodierung. Ein solch beeindruckender Effizienzsprung ist durch drei wesentliche strukturelle Verbesserungen möglich geworden:

1. Sauberer wahlfreier Zugriff.
Die Dekodierung eines zufällig ausgewählten Frames erfordert nicht die Dekodierung vorheriger Frames. Das H.265-Format erfordert kein Einfügen von Zwischenbildern (I-Frames), wodurch die Bitrate eines Videos reduziert wird.

2. Änderung der maximalen Blockgröße.
Bei H.264 beträgt die maximale Blockgröße 256 Pixel (16х16). Bei H.265 erhöht sie sich jedoch um das 16-fache auf 4.096 Pixel (64х64), und der Algorithmus bestimmt die Blockgröße automatisch.

3. Parallele Dekodierung. Das neue Format profitiert von den Eigenschaften von Mehrkernprozessoren. Н.265 kann verschiedene Teile desselben Frames gleichzeitig berechnen. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht sich um ein Vielfaches.

Wo wird HEVC bereits verwendet

1. Kodierung
HEVC wird derzeit von vielen Software- und Hardware-Encodern wie Nvidia NVENC und Intel QSV unterstützt. H265 ist manchmal auf Satellitenfernsehen, IP-Kameras und verschiedenen Geräten zur Erfassung und Kodierung von HDMI zu sehen (dies ist besonders beim Streaming von Spielen beliebt, wenn Sie die Auslastung Ihres Computers gering halten möchten).

2. Wiedergabe
Derzeit kann H.265 auf IP-Kameras beobachtet werden. Außerdem gibt es auf Satelliten 30-Megabit-Kanäle, die zu H.265 komprimiert sind. Nach und nach wird versucht, es in verschiedene OTT-Dienste zu implementieren, bei denen es eine Gerätesteuerung gibt.

3. Übertragung
Das Format gewinnt besonders auf Set-Top-Boxen und Smart TVs schnell an Beliebtheit. Die Situation bei Desktop-Browsern ist bisher weniger vielversprechend, tatsächlich kann derzeit nur Microsoft Edge H.265 wiedergeben. Auf modernen Smartphones wird H.265 wahrscheinlich auf dem Prozessor abgespielt, was bedeutet, dass Ihr Akku leer ist, bevor Sie auch nur ein kurzes Video zu Ende gesehen haben.

Infomir war eines der ersten Unternehmen, das die HEVC-Technologie in seine Set-Top-Boxen eingebettet hat. Dadurch können wir die Vorteile des Standards bereits in realen Beispielen erkennen.

Wird HEVC die IPTV/OTT-Dienste revolutionieren? Wahrscheinlich nicht. Formate werden nicht über Nacht ersetzt. Н.264 wird für lange Zeit ein aktiver Marktteilnehmer bleiben, aber langsam seinem logischen Nachfolger weichen. Wir können jedoch mit Sicherheit sagen, dass die Zukunft Н.265 gehört. Seien Sie mit Infomir darauf vorbereitet!

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