HEVC migliore, più veloce, più forte

Ora che il mercato è pieno di UHD TV e anche i contenuti 4K stanno iniziando a spuntare, H.264 non è più all'altezza della sfida. Abbiamo bisogno di una soluzione in grado di comprimere e distribuire video ultra HD con la massima qualità attraverso canali che non sono ancora pronti per tali carichi.

Questa soluzione è stata chiamata H.265 o HEVC ed è stata presentata per la prima volta al pubblico in occasione del MWC 2012 da Qualcomm. Lo standard si è rivelato incredibilmente efficiente anche a quel tempo.

Come funziona la compressione?

Per capire come funzionano la maggior parte degli algoritmi di compressione, prendiamo l'esempio dell'imballaggio di una valigia. Quando diventa troppo pesante, eliminiamo qualsiasi cosa non necessaria. Lo stesso vale per i video: meno elementi ripetuti e non importanti ha, più è facile da trasportare.

1. Codifica entropica

Qualsiasi sequenza ordinata può essere raggruppata in questo modo fino a quando non rimangono più blocchi di dati che possono essere ulteriormente compressi. O per dirlo in un altro modo, fino a quando la sequenza di zeri e di uno diventa assolutamente casuale. Questo è il motivo per cui questo tipo di codifica è stato chiamato Entropy Coding. Va detto, tuttavia, che le informazioni stesse non sono interessate. Trasformiamo solo il modo in cui è rappresentato e riduciamo la ridondanza.

2. Decomposizione della frequenza

Chiunque abbia almeno un po 'di familiarità con l'Informatica conosce il suo principio principale: i dati ricevuti sotto forma di zero e di uno possono essere convertiti in qualsiasi altro sistema, decimale, esadecimale o addirittura alfabetico. Un'immagine 2D è anche un particolare tipo di dati che può essere convertito da un sistema di coordinate a un altro. Ad esempio, siamo abituati a visualizzare un'immagine in coordinate XY (lunghezza-larghezza). Questo tipo di rappresentazione è chiamato dominio spaziale. Il valore di ciascun pixel in esso contenuto si basa sulla sua posizione. Possiamo convertire questa immagine in un dominio di frequenza, dove non valutiamo la posizione dei pixel, ma piuttosto come cambia il loro valore rispetto a quelli vicini. Maggiore è il contrasto delle aree, maggiore è la loro coordinata sugli assi freqX-freqY. Ecco come appare la stessa immagine quando viene convertita dal sistema XY in freqX-freqY.

• I componenti a bassa frequenza si trovano più vicino al centro della nostra matrice. Sono responsabili di aree omogenee con transizioni graduali di luminanza e crominanza.

• Quelle ad alta frequenza si trovano più vicino ai bordi. Questi includono tutti i contorni, i bordi del rasoio e i dettagli precisi.

Dopo questa trasformazione, possiamo semplicemente ritagliare i bordi della nostra matrice o, in altre parole, mascherarla. Quando convertiamo l'immagine nella solita forma, perderà alcuni dettagli, ma in generale rimarrà simile a quella originale.

Quando selezioniamo le dimensioni e la forma della maschera necessarie, possiamo controllare queste perdite e il grado di compressione del file finale. Di seguito è la stessa macchina, ma ora vengono applicate maschere circolari.

3. Sottocampionamento della crominanza

Quando un'immagine viene trasmessa a uno schermo TV, la combinazione di colori RGB viene convertita in YCbCr, dove Y è la componente di luminanza e Cb e Cr sono le componenti blu e rosse della combinazione di colori o componenti di crominanza. Un occhio umano può percepire anche le più piccole fluttuazioni di luminosità, ma non è altrettanto bravo a riconoscere le sfumature. Pertanto, se trasmettiamo informazioni di luminanza a piena risoluzione e la componente di colore a risoluzione ridotta, nessuno noterà e la larghezza di banda sarà ridotta. La codifica di un segnale in Y'CbCr riduce il volume dei dati quasi della metà.

Esistono diversi metodi di campionamento cromatico. Ciascuno di essi è designato da un codice numerico che descrive la risoluzione cromatica (2a e 3a) relativa alla risoluzione luma (1a).

FORMATO 4:4:4 (YUV)

Il punto colorato è costituito da componenti luma (Y ') e chroma (Cr e Cb). In questo caso, ci sono quattro componenti di ciascun colore per ogni quattro componenti di luminanza. Ecco come vengono solitamente rappresentate le immagini RGB non compresse. Teoricamente, la formula 4: 4: 4 può essere utilizzata in Y'CbCr, ma non è necessario utilizzare questo formato.

FORMATO 4:2 2 (YUY2)

Il rapporto tra risoluzione luma e risoluzione cromatica è 4:2. Questo è il tradizionale formato di trasmissione utilizzato da DigiBeta, DVCpro50 e altri.

FORMATO 4:1:1 (YV12)

Il rapporto tra la risoluzione del componente cromatico e la luminanza è ridotto di un fattore 4. Questo sistema è utilizzato in DV NTSC DV e PAL DVCPro.

FORMATO 4:2:0 (YV12)

La risoluzione dei componenti dipende dall'utilizzo della scansione interlacciata o dei fotogrammi. Viene spesso utilizzato per trasmettere Н264 via Internet, PAL DV, MPEG2 e varie soluzioni software.

4. Compensazione del movimento

In quasi tutti i video, ogni fotogramma è simile al precedente. Hanno uno sfondo comune, quasi statico, e solo alcuni oggetti si spostano rispetto ad altri. Sembra abbastanza naturale voler codificare solo quegli elementi che cambiano, ma non quelli che rimangono gli stessi. Questo esempio mostra quanto siano simili tutti i frame successivi.

Come funziona l'algoritmo?

Н.265 contro H.264

Perché un video in codice Н.265 della massima qualità impiega fino al 40-50 percento in meno di larghezza di banda rispetto allo stesso video H.264? Inoltre, la tecnologia supporta risoluzioni fino a 8K e codifica a colori a 10 bit. Un notevole balzo in avanti dell'efficienza è diventato possibile grazie a tre miglioramenti strutturali chiave:

1. Pulisci accesso casuale.
La decodifica di un frame selezionato casualmente non richiede la decodifica dei frame precedenti. Il formato H.265 non richiede l'inserimento di frame intermedi (I-frame), il che riduce la velocità in bit di un video.

2. Modifica della dimensione massima del blocco.
Con H.264, la dimensione massima del blocco è di 256 pixel (16х16). Ma con H.265, aumenta di 16 volte a 4.096 pixel (64х64) e l'algoritmo determina automaticamente la dimensione del blocco.

3. Decodifica parallela. Il nuovo formato beneficia delle caratteristiche dei processori multi-core.
Н.265 può calcolare contemporaneamente diverse parti dello stesso frame. La velocità di elaborazione aumenta di più volte.

Dove è già utilizzato НEVC

1. Codifica
HEVC è attualmente supportato su molti codificatori software e hardware come Nvidia NVENC e Intel QSV. A volte H265 può essere visto su televisori satellitari, telecamere IP e vari dispositivi per l'acquisizione e la codifica HDMI (questo è particolarmente popolare con lo streaming di giochi quando non si desidera aumentare il carico sul computer).

2. Riproduzione
 Attualmente è possibile incontrare H.265 su telecamere IP. Inoltre, ci sono canali da 30 megabit compressi in H.265 sui satelliti. A poco a poco, vengono fatti tentativi per implementarlo in vari servizi OTT, dove c'è il controllo dei dispositivi.

3. Trasmissione
 Il formato sta guadagnando popolarità soprattutto rapidamente su set-top box e Smart TV. La situazione con i browser desktop è meno promettente finora, infatti, solo Microsoft Edge è attualmente in grado di riprodurre H.265. Sui moderni smartphone, è probabile che H.265 venga riprodotto sul processore, il che significa che la batteria si esaurirà prima di aver finito di guardare anche un breve video.

Infomir è stata una delle prime aziende a incorporare la tecnologia HEVC nei suoi set-top box. Per questo motivo, possiamo già vedere i vantaggi dello standard negli esempi di vita reale.

HEVC rivoluzionerà i servizi IPTV / OTT? Non credo. I formati non vengono sostituiti dall'oggi al domani. Il n.264 rimarrà per molto tempo un attore di mercato attivo, ma lentamente lascerà il posto al suo logico successore. Tuttavia, possiamo affermare con certezza che il futuro appartiene a Н.265. Preparati con Infomir!

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