A cosa servono i codec video

I codec vengono utilizzati durante le riprese, l'editing, la consegna e la riproduzione di contenuti video. Senza questa tecnologia, la consegna dei contenuti agli abbonati e le videoconferenze sarebbe impossibile. Lo scopo del codec è ridurre la dimensione del file dei video. Quindi tuffiamoci subito e vediamo come funziona e perché la tecnologia di compressione è così importante.

Perché il video deve essere compresso

I video occupano molto più spazio delle immagini o della musica, in quanto possono includere anche una traccia audio (a volte multipla), una traccia video e i sottotitoli. Oltre a tutto ciò, i loro metadati contengono informazioni sul servizio e dati di sincronizzazione audio/video.

Una traccia video è composta da fotogrammi, ogni fotogramma è costituito da pixel e ogni pixel è costituito da tre subpixel: rosso, verde e blu. I dati colore subpixel sono 8 bit (1 byte). Ci vogliono 3 byte per codificare un pixel in uno dei 16 milioni di colori. Un normale frame FullHD è composto da oltre 2 milioni di pixel, quindi un intero film occuperebbe centinaia di gigabyte.

È necessario ancora più spazio per archiviare video non compressi ad alta risoluzione/alto framerate, come 4K (4096×2160) o 8K (7680×4320). Pertanto, contenuti come questo non sono adatti per lo streaming.

La compressione video viene utilizzata per ottimizzare l'archiviazione e lo streaming su reti normali. Esiste una varietà di metodi per questo: algoritmi matematici, previsione, ritaglio di dati ridondanti, arrotondamento dei valori assoluti ed elaborazione del colore per canale.

La compressione viene talvolta definita codifica. Il processo inverso è chiamato decodifica o decompressione video.

A cosa servono i codec video

I codec sono strumenti hardware e software per la codifica video. Il termine deriva dall'inglese COder/DECoder.

Dopo la codifica senza perdita di dati, i dati originali possono essere ripristinati completamente. Tuttavia, viene a scapito del tasso di compressione. Questo tipo di compressione viene utilizzato nelle riprese video e nella post-elaborazione.

La compressione con perdita di dati viene applicata durante la consegna di contenuti video ai dispositivi client: TV, lettori multimediali, computer e smartphone. Maggiore è la compressione, minore è la qualità del video e minore è la dimensione del file.

I codec tagliano i dati ridondanti su due livelli: all'interno del frame ea livello della sequenza di frame.

Compressione intraframe

Durante la compressione intraframe, i codec elaborano ogni frame separatamente. È simile a come vengono compresse le immagini JPEG. L’algoritmo divide il fotogramma nelle componenti di luminanza e crominanza, ne riduce il livello di dettaglio e contrassegna aree simili. Di conseguenza, ottieni un file esponenzialmente più piccolo con una perdita di qualità minima.

I codec comprimono i dati proprio come i numeri vengono scomposti in matematica: invece di 20 zeri, è sufficiente mostrare quanti ce ne sono.

Compressione interframe

Spesso, i fotogrammi successivi sembrano quasi identici, quindi non devono essere conservati nella loro interezza. I codec rimuovono tutte le informazioni ripetute dall'immagine, lasciando solo le aree che differiscono. Gli algoritmi di compensazione del movimento funzionano in modo simile.

Il metodo della differenza interframe funziona confrontando i frame. Il file risultante contiene solo la differenza tra i fotogrammi. La tecnica di compensazione del movimento si basa sulla previsione: solo i frame di riferimento vengono memorizzati per intero e vengono previsti i frame tra di essi.

Per vedere come appare la compressione interframe, metti in pausa qualsiasi video durante una scena ricca di azione. Se non ti fermi su un fotogramma di riferimento, le aree con oggetti in movimento saranno sfocate. È solo che l'occhio umano non riesce a capirlo alla normale velocità di riproduzione.

La storia del codec video

La storia della compressione video digitale è iniziata nel 1988 con il rilascio di H.261. Il codec ha beneficiato della compensazione del movimento, del riferimento al fotogramma precedente, della compressione del colore e del campionamento dell'array 8×8.

Nel 1993, MPEG1 è salito alla ribalta. La tecnologia si basava su frame di riferimento futuri e passati per la previsione e supportava video HD. Lo standard MPEG1 è stato sviluppato per video 352×240 ma supporta risoluzioni fino a 4095×4095 pixel. Poiché MPEG1 supportava solo la scansione progressiva, è stato rapidamente sostituito da codec più recenti.

Tre anni dopo, è uscito uno dei codec video più popolari in circolazione: MPEG2. È stato utilizzato nella TV digitale e nei DVD. La tecnologia ha aperto nuove possibilità per la codifica audio: il codec supportava la compressione di file con un massimo di 6 tracce audio. MPEG2 ha mantenuto un'elevata qualità video ma ha offerto poca compressione perché è stato progettato per dispositivi a basse prestazioni. È ancora utilizzato anche nelle trasmissioni in onda, così come nella TV via cavo e satellitare.

Nel 1998, MPEG4 ha visto la luce del giorno. Con il suo aiuto, un film di 90 minuti potrebbe essere messo su un normale CD. Il codec gestiva oggetti 2D e 3D nel frame, supportava DRM, nonché audio e sottotitoli. Tuttavia, MPEG4 non era adatto per lo streaming video FullHD.

Nel 2003 è iniziata l 'era H.264. La tecnologia comprime il video in modo due volte più efficiente rispetto a MPEG4, consentendo lo streaming video FullHD su canali di rete a 5 Mbps. Sebbene sia ancora tra i più popolari al giorno d'oggi, il codec non è all'altezza quando si tratta di compressione video 4K per lo streaming, specialmente sulle reti mobili.

Il codec del futuro

Nel 2012, il Joint Collaborative Team on Video Encoding ha sviluppato il codec HEVC (H.265). La tecnologia era basata su H.264 ma offriva una compressione due volte più potente mantenendo la stessa qualità video.

Pur basandosi sulle tecniche H.264, HEVC introduce anche qualcosa di nuovo sul tavolo, ad esempio l'elaborazione parallela, che consente l'elaborazione simultanea di aree di frame.

L'unico inconveniente tecnico di H.265 è la sua intensità di risorse: per codificare e decodificare video, ha bisogno di una potenza di elaborazione 3-5 volte superiore rispetto a H.264. H.265 non è ancora ampiamente utilizzato come H.264, ma è già supportato da molti set-top box, smart TV, smartphone e altri dispositivi.

HEVC accelera l'adozione del 4K e la sua evoluzione, FVC (Future Video Codec), potrebbe diventare un veicolo per lo streaming video 8K. Gli sviluppatori promettono che il nuovo codec sarà il 50% più efficiente nella compressione video. Nell'ottobre 2019 è stata rilasciata una bozza dello standard internazionale per H.266 e i primi codec hardware seguiranno entro giugno 2021.

Senza codec, l'archiviazione e la consegna dei video sarebbero impossibili. Le nuove tecnologie di compressione consentono agli operatori grandi e piccoli di fornire contenuti di alta qualità senza dover aggiornare continuamente la propria infrastruttura di rete. Con i codec, i video ad alta risoluzione possono essere trasmessi in streaming anche su connessioni a velocità relativamente bassa: un canale da 15 Mbps è sufficiente per guardare film in 4K su Netflix.

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