HEVC Melhor, Mais Rápido, Mais Forte

Agora que o mercado está transbordando com UHD TV, e mesmo conteúdo em 4K está começando a aparecer, H.264 não está mais à altura do desafio. Nós precisamos encontrar uma solução que possa comprimir e distribuir vídeo em ultra HD com qualidade máxima por meio de canais que ainda não estão prontos para tais cargas.

Essa solução foi chamada de H.265 ou HEVC, e foi introduzida primeiros ao público em geral na MWC 2012 pela Qualcomm. O padrão provou-se ser incrivelmente eficiente, mesmo na época.

Como a compressão funciona?

Para entender como a maioria dos algoritmos de compressão funcionam, vamos ver o exemplo de fazer as malas. Quando ficam pesadas demais, nós tiramos quaisquer coisas desnecessárias. O mesmo é verdade para vídeo — quanto manos elementos repetidos e sem importância tiver, mais fácil será de carregar.

1. Codificação de entropia

Qualquer sequência ordenada pode ser agrupada assim até que não hajam mais blocos de dados sobrando que possam ser mais comprimidos.  Ou para dizer de forma diferente, até que a sequência de zeros e uns se torne absolutamente randômica. É por isso que este tipo de codificação é chamado de Codificação por Entropia. Porém, deve ser mencionado que as informações em si não são afetadas. Nós somente transformamos como são representadas e reduzimos as redundâncias.

2. Descompressão de frequência

Qualquer pessoa que tenha pelo menos um pouco de familiaridade com Informática sabe seu princípio central — dados recebidos na forma de zeros e uns podem ser convertidos em qualquer outro sistema, seja decimal, hexadecimal ou mesmo alfabético. Uma imagem em 2D também é um tipo particular de dado que pode ser convertido de um sistema de coordenadas para outro. Por exemplo, nós estávamos acostumados a ver uma imagem em coordenadas X-Y (largura-altura). Este tipo de representação é chamada de domínio espacial. O valor de cada pixel nele é baseado na sua posição. Nós podemos converter essa imagem em um domínio de frequência, onde não avaliamos a posição dos pixeis, mas como seus valor muda em relação aos vizinhos. Quanto maior o contraste das áreas, maior é sua coordenada no eixos freqX-freqY. É assim que a mesma imagem parece quando convertida do sistema X-Y para.

• Componentes de baixa frequência estão localizados mais perto do centro da nossa matriz. São responsáveis por áreas homogêneas com transições graduais de luma e chroma.

• Os de alta frequência estão localizados mais perto das bordas. Esses incluem todos os contornos, bordas, e detalhes finos.

Após essa transformação, nós podemos simplesmente cortar as bordas da nossa matriz, ou em outras palavras, mascará-la. Quando convertemos a imagem para a forma usual, ela perderá alguns detalhes, mas em geral permanecerá semelhante à original.

Quando selecionamos o tamanho de máscara e forma necessários, nós podemos controlar essas perdas e o grau ao qual o arquivo final é comprimido. Abaixo está o mesmo carro, mas agora máscaras circulares foram aplicadas a ele.

3. Sub-amostragem chroma

Quando uma imagem é transmitida para uma tela de TV, o esquema de cores RGB é convertido em YCbCr, onde Y é o componente luma e Cb e Cr são os componentes azul e vermelho do esquema de cores, ou componentes chroma. O olho humano pode perceber mesmo as menores flutuações em brilho, mas não é tão bom em reconhecer tons. Portanto, se nós transmitirmos as informações lima em resolução plena, e o componente de cor em resolução reduzida, ninguém irá perceber, e reduzimos a largura de banda.  Codificar um sinal em Y’CbCr reduz o volume de dados quase pela metade.

Há diversos métodos de sub-amostragem chroma. Cada um deles é designado por um código numérico que descreve a resolução chroma (2a e 3a) em relação à resolução luma (1a).

FORMATO 4:4:4 (YUV)

O ponto colorido consiste de componentes luma (Y’) e chroma (Cr e Cb). Neste caso, há quatro componentes de cada cor para cada quatro componentes luma. Isso é como imagens RGB não comprimidas são geralmente representadas. EM tese, a fórmula 4:4:4 pode ser usada em Y’CbCr, mas não há necessidade prática para o uso deste formato.

FORMATO 4:2:2 (YUY2)

A razão de resolução luma para resolução chroma é de 4:2. Este é o formato tradicional de transmissão usado pela DigiBeta, DVCpro50, e outras.

FORMATO 4:1:1 (YV12)

A razão da resolução do componente chroma para luma é reduzida por um fator de 4. Este sistema é usado em NTSC DV e PAL DVCPro.

FORMATO 4:2:0 (YV12)

A resolução do componente depende se escaneamento entrelaçado (interlaced) ou de quadros (frame scanning) é usado. É frequentemente usado para transmitir Н264 via a Internet, PAL DV, MPEG2, e diversas soluções de software.

4. Compensação de movimento

Em quase qualquer vídeo, cada quadro é semelhante ao anterior. Eles têm um fundo em comum, quase estático, e somente alguns objetos se movem em relação aos outros. Parece bastante natural querer codificar somente aqueles elementos que mudam, mas não os que permanecem os mesmos. Este exemplo mostra o quão semelhantes todos os quadros subsequentes são.

Como o algoritmo funciona?

Н.265 versus H.264

Por que um vídeo codificado Н.265 de qualidade máxima ocupa até 40-50 por cento menos largura de banda do que o mesmo vídeo H.264? Além disso a tecnologia suporta resoluções até 8k e codificação em cores de 10 bits. Tal salto impressionante em eficiência tornou-se possível devido a três melhorias estruturais chave:

1. Acesso Randômico Limpo.
Decodificar um quadro selecionado aleatoriamente não requer a decodificação dos quadros anteriores. O formato H.265 não requer a inserção de quaisquer quadros intermediários (I-frames), o que reduz a taxa de bits do vídeo.

2. Mudança no tamanho máximo de bloco.
Com o H.264, o tamanho máximo de bloco é de 256 pixeis (16х16). Mas com o H.265, ele aumenta 16 vezes para 4.096 pixeis (64х64), e o algoritmo determina o tamanho de bloco automaticamente.

3. Decodificação em paralelo. O novo formato se beneficia das características de processadores com múltiplos núcleos.
O Н.265 pode calcular diferentes partes do mesmo quadro simultaneamente. A velocidade de processamento aumenta em diversas 

Onde НEVC já é usado

1. Codificação
HEVC atualmente é suportado em muitos codificadores de software e hardware como o Nvidia NVENC e Intel QSV. H265 pode às vezes ser visto em televisão por satélite, câmeras por IP, e diversos dispositivos para capturar e codificar HDMI (isso é especialmente popular com streaming de jogos quando não quer aumentar a carga sobre o seu computador).

2. Play Back
Você atualmente pode encontrar o H.265 em câmeras por IP. Também há canais de 30 megabits comprimidos para H.265 em satélites. Pouco a pouco, tentativas estão sendo feitas para implementá-lo em diversos serviços OTT, onde há controle do dispositivo.

3. Transmissão
O formato está ganhando popularidade, especialmente em decodificadores em TVs Smart. A situação com navegadores desktop é menos promissora até aqui, somente o Microsoft Edge é capaz atualmente de tocar H.265. Em smartfones modernos, H.265 provavelmente será tocado no processador, o que quer dizer que sua bateria morrerá antes mesmo de ter terminado de ver um vídeo curto.

A Infomir foi uma das primeiras companhias a embutir a tecnologia HEVC nos seus decodificadores. Devido a isso, nós já podemos ver as vantagens do padrão em exemplos da vida real.

O HEVC vai revolucionar serviços IPTV/OTT? Provavelmente não. Formatos não são substituídos da noite pro dia. O Н.264 permanecerá ativo no mercado por muito tempo, mas irá lentamente dar lugar ao seu sucessor lógico. Porém, podemos dizer com certeza que o futuro pertence ao H.265. Esteja pronto para ele com a Infomir!

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