Зачем нужны видеокодеки

Кодеки используют в съемке, монтаже, доставке и воспроизведении видео. Без этих технологий невозможно доставлять контент абонентам или проводить видеоконференции. Основная задача кодеков — уменьшить размер видеофайла. Рассказываем, как это происходит, и почему технологии сжатия так важны.

Зачем видео сжимают

Видео занимают в разы больше места, чем изображения или музыка. В видеофайле содержится одна или несколько звуковых дорожек, видеоряд, иногда — субтитры. Метаданные файла хранят служебную информацию и сведения о том, как синхронизировать видео и звук.

Видеоряд состоит из кадров, кадры — из пикселей. В пиксель входят три субпикселя — красный, зеленый и синий. Данные о цвете субпикселя занимают 8 бит (1 байт).

Чтобы закодировать пиксель в один из 16 млн цветов, требуется 3 байта. В обычном Full HD-кадре больше 2 млн пикселей — чтобы сохранить целый фильм, понадобится хранилище в сотни гигабайтов.

В разы и десятки раз больше места требуется, чтобы хранить несжатые видео с большим разрешением или кадровой частотой: например, 4K (4096×2160 пикселей) или 8K (7680×4320 пикселей). Такой контент не подходит для потоковой передачи.

Чтобы хранить и передавать видео по обычным сетям, их сжимают. Для этого используют различные методы: математические алгоритмы, прогнозирование, удаление избыточных данных, округление абсолютных значений и раздельную обработку цветовых каналов.

Процесс сжатия также называют компрессией или кодированием. Обратный процесс называют восстановлением, распаковкой или декомпрессией видео.

Что такое видеокодеки

Видео сжимают аппаратными и программными средствами — кодеками. Термин происходит от английского слова COder/DECoder («шифратор/дешифратор»).

Сжатие без потерь позволяет полностью восстановить исходные данные из сжатых, но при этом типе кодирования объем файла сокращается незначительно. Такой тип компрессии применяется при съемке и постобработке видео.

Сжатие с потерями используют для доставки видео на клиентские устройства — телевизоры, медиаплееры, компьютеры и смартфоны. Чем сильнее компрессия, тем ниже качество видео и меньше размер файла.

От избыточных данных кодеки избавляются на двух уровнях: внутри кадра и на уровне последовательности кадров.

Покадровое сжатие

При покадровом сжатии кодеки работают с каждым кадром отдельно. Почти так же сжимают обычные JPEG-изображения. Сперва алгоритм делит кадр на яркостную и цветовую составляющие, затем снижает детализацию и выделяет похожие участки. При минимальных потерях качества этот способ уменьшает размер файла в сотни раз.

Кодеки сокращают данные подобно тому, как в математике выносят за скобки общий множитель: последовательностям символов присваиваются коды по степени встречаемости в кадре. Чем чаще появляется символ, тем короче его код.

Межкадровое сжатие

Часто соседние кадры мало отличаются друг от друга, поэтому их необязательно хранить полностью. Кодеки вычитают из изображения повторяющуюся информацию и сохраняют только отличающиеся участки. Этот принцип лежит в основе алгоритмов компенсации движения.

Метод межкадровой разности основан на сравнении кадров. В итоговом файле хранятся только отличия кадров. Принцип компенсации движения базируется на прогнозировании.

В межкадровом сжатии полностью хранятся только опорные кадры, а промежуточные достраиваются по ним.

Чтобы увидеть особенности межкадрового сжатия, достаточно поставить на паузу любое видео в момент динамической сцены. Если не попасть на опорный кадр, в области с движущимися объектами изображение будет сильно размытым. При обычной скорости воспроизведения человеческий глаз этого не замечает.

История видеокодеков

История сжатия цифрового видео началась в 1988 году, когда появился кодекH.261. В нем уже использовались принципы компенсации движения, работа с предыдущими опорными кадрами, сокращение информации о цвете и кодирование блоков размером 8х8 пикселей.

В 1993 году появился кодек MPEG1 Технология предсказывала изображения по предыдущему и последующему опорным кадрам и работала с HD-видео. Стандарт MPEG1 был разработан для видео с разрешением 352×240 пикселей, но также поддерживал разрешение до 4095×4095 пикселей. Из-за того, что MPEG1 поддерживал только прогрессивную развертку, его вытеснили более новые кодеки.

Спустя три года вышел один из самых популярных видеокодеков — MPEG2. Его применяли в цифровом телевидении и DVD. Технология открыла новые возможности кодирования звука: кодек умел сжимать файлы с 6 звуковыми дорожками. MPEG2 позволял сохранять высокое качество изображения, но не слишком уменьшал размер видео, потому что был создан для устройств с низкой вычислительной мощностью. До сих пор этот кодек используют в цифровом эфирном, кабельном и спутниковом телевидении.

В 1998 году в игру вступил MPEG4. Благодаря ему полуторачасовой фильм умещали на одном CD-диске. Кодек умел работать с отдельными двухмерными и трехмерными объектами в кадре, поддерживал DRM, работал с аудио и субтитрами. Несмотря на это, MPEG4 не подходил для потоковой передачи Full HD-видео.

В 2003 году началась эра кодека H.264. Технология сжимала видео в 1,5–2 раза эффективнее, чем MPEG4, и поэтому позволила передавать Full HD-видео через сети с пропускной способностью до 5 Мбит/с. Кодек и сегодня остается одним из самых популярных, но его эффективности не хватает, чтобы сжимать 4K-видео для потоковой передачи по существующим сетям, особенно — мобильным.

Кодек будущего

В 2012 году «Объединенная команда по видеокодированию» (JCT-VC) разработала кодек HEVC (H.265). Технология стала развитием H.264 и при одинаковом качестве изображения позволила сжимать видео вдвое сильнее.

Кроме основных принципов работы H.264, HEVC использует и новые подходы: например, параллельные вычисления, позволяющие обрабатывать несколько участков видео одновременно.

Единственный технический недостаток H.265 — ресурсоемкость: для кодирования и расшифровки ему требуется в 3–5 раз больше ресурсов процессора, чем H.264. Пока H.265 не получил такого же глобального распространения, как H.264, но кодек уже поддерживают многие приставки, умные телевизоры, смартфоны и другие устройства.

HEVC ускорил внедрение 4K, и толчком для потокового 8K-видео может стать его эволюция — VVC (Versatile Video Coding). Разработчики обещают, что новый кодек сможет сжимать видео на 50% эффективнее. В октябре 2019 года вышла тестовая версия H.266, а к июню 2021 года появятся первые аппаратные кодеки.

Без кодеков невозможно хранить и доставлять видео. Новые технологии сжатия помогают крупным и локальным операторам доставлять качественный контент без модернизации сетевой инфраструктуры. Благодаря кодекам видео высокого разрешения доступно даже при невысокой скорости сети — для просмотра 4K-фильмов Netflix пользователю достаточно подключения скоростью 15 Мбит/с.

Recommended

Гибридные решения для IPTV: объединение эфирного и OTT-вещания для максимального охвата

Облачные или локальные решения для IPTV: что лучше для операторов

Какое решение лучше подойдет для развертывания IPTV-сервиса — один из ключевых вопросов, волнующих провайдеров IPTV.

Требования к пропускной способности и оптимизация сети для IPTV

Современные IPTV-сервисы предъявляют высокие требования к качеству передачи контента, стабильности сети и минимальной задержке. В условиях растущей популярности высококачественного видеоконтента, включая трансляции в формате HD, 4K и даже 8K, обеспечение достаточной пропускной способности и грамотная оптимизация сети становятся ключевыми факторами для провайдеров и операторов.
Пропускная способность сети напрямую влияет на качество изображения, время загрузки контента и плавность воспроизведения. В этой статье рассмотрим основные требования к сети для IPTV и методы ее оптимизации для повышения эффективности работы сервиса.