HEVC: быстрее, лучше, сильнее

Сейчас, когда рынок утопает в UHD TV, а 4K контент перестает быть редкостью, возможностей H.264 уже недостаточно. Возникает потребность в решении, способном максимально качественно сжимать и распространять видео ультравысокой четкости по еще не совсем готовым к такой нагрузке каналам.

Решение это получило название H.265 или HEVC и впервые было представлено широкой публике на MWC 2012 компанией Qualcomm. Уже тогда стандарт показал себя невероятно эффективным.

Как работает сжатие

Проиллюстрировать принцип работы большинства алгоритмов сжатия можно на примере упаковки чемодана перед путешествием. Если он становится слишком тяжелым — мы вынимаем ненужные вещи. То же самое и с видео: чем меньше в нем повторяющихся и несущественных элементов, тем легче его транспортировать.

1. Энтропийное кодирование

Любую упорядоченную последовательность можно группировать таким образом до тех пор, пока не останется ни одного блока данных, который можно было бы сжимать дальше. Т.е. пока последовательность нулей единиц не станет полностью случайной — именно поэтому такой способ кодирования и назвали энтропийным. При этом стоит заметить, что сама информация не страдает — мы только преобразовываем ее представление и уменьшаем избыточность.

2. Частотное разложение

Любое двумерное изображение — это тоже особый вид данных, который мы можем переводить из одной системы координат, в другую. Например, мы привыкли рассматривать картинку в координатах X-Y (длина-ширина). Такое отображение называется областью пространств. Значение каждого пикселя в нем определяется в зависимости от его положения. Мы можем преобразовать это изображение в область частот, где мы оцениваем не само положение пикселей, а то, насколько сильно изменяется их значение относительно соседних. Чем контрастнее участки, тем выше будет их координата на осях freqX-freqY. Вот так выглядит одно и то же изображение при переводе его из системы X-Y в freqX-freqY.

• Низкочастотные расположены ближе к центру нашей матрицы. Отвечают они за однородные участки с плавными переходами яркости и цветов.

• Высокочастотные находятся ближе к краям. К ним относятся все контуры, резкие грани и мелкие детали.

После такой трансформации мы можем просто взять и обрезать края нашей матрицы, иными словами — наложить маску. При переводе в привычный вид, изображение слегка утратит детализацию, но в целом останется похожим на исходное.

Выбирая нужный размер и форму маски, мы можем контролировать эти потери и то, насколько уменьшится вес конечного файла. Ниже знакомый нам автомобиль, но теперь уже с примененными к нему круговыми масками. В процентах указан вес полученного изображения относительно

3. Цветовая субдискретизация

При передаче картинки на телевизор цветовая схема RGB преобразуется в YCbCr, где Y — это компонента яркости, а Cb и Cr — компоненты синей и красной цветовой составляющей или цветоразностности. Человеческий глаз весьма успешно улавливает даже мельчайшие колебания яркости. Но вот в распознавании оттенков он не так успешен. А значит, если передавать информацию по яркости в полном разрешении, а цветовую составляющую — в уменьшенном, подвоха никто не заметит, а трафик экономится. Кодируя сигнал в Y’CbCr вы можете сократить объем данных почти в 2 раза.

Есть несколько методов цветовой субдискретизации. Каждый обозначен числовым кодом, описывающим разрешение цветности (второй и третий номера) по отношению к разрешению яркости (первый номер).

ФОРМАТ 4:4:4 (YUV)

Цветная точка состоит из яркостного (Y’) и цветоразночастотного (Cr и Cb) компонентов. В данном случае на каждые 4 составляющие яркости приходится по 4 составляющие каждого цвета. Так чаще всего представляются несжатые изображения RGB. Формула 4:4:4 теоретически может использоваться в Y’CbCr, но практической потребности в применении данного формата нет.

ФОРМАТ 4:2:2 (YUY2)

Отношение разрешения яркости к цветности 4:2. Это традиционный формат вещания, используемый DigiBeta, DVCpro50, и т.д.

ФОРМАТ 4:1:1 (YV12)

Разрешение цветовых компонентов относительно яркости уменьшено в 4 раза. Эта система используется в NTSC DV и PAL DVCPro.

ФОРМАТ 4:2:0 (YV12)

Разрешение компонентов зависит от того, используется чересстрочная или покадровая развертка. Часто используется в передаче Н.264 через интернет, PAL DV, MPEG2, и различных софтовых решениях.

4. Компенсация движения

Практически в любом видео каждый последующий кадр похож на предыдущий: они имеют общий, практически неподвижный фон и лишь некоторые объекты, которые смещаются друг относительно друга. Абсолютно естественным кажется желание не кодировать одинаковые элементы многократно, а описать только те, что меняются. На примере явно видна схожесть последующих кадров.

Как работает алгоритм?

Чем H.265 отличается от H.264

Почему видео максимального качества, закодированное в Н.265, весит до 40-50% меньше, чем то же самое видео в H.264? При этом технология обеспечивает поддержку разрешений вплоть до 8К и 10-битного цветового кодирования. Столь убедительного роста эффективности удалось добиться благодаря трем основными структурными улучшениям:

1. Произвольному доступу к изображениям (Clean Random Access).
Декодирование произвольно выбранного кадра не требует декодирования предшествующих. В H.265 не требуется вставка промежуточных опорных кадров (I-frames), что уменьшает битрейт видео.

2. Изменению максимального размера блока.
В H.264 максимальный размер блока ограничивался 256 пикселями (16х16). В H.265 их число возрастает в 16 раз — до 4,096 пикселей (64х64). При этом лагоритм самостоятельно определяет размер блока.

3. Параллельному декодированию.
Новый формат выгодно использует особенности многоядерных процессоров: Н.265 умеет одновременно просчитывать разные части одного и того же кадра. Скорость обработки при этом возрастает в разы.

Где уже используется HEVC?

1. Кодирование
На сегодняшний день HEVC уже поддерживается на большом количестве софтверных и аппаратных энкодеров: Nvidia NVENC, Intel QSV. Какое-то заметное применение H.265 можно встретить на спутниковом телевидении, IP камерах и различных устройствах для захвата и кодирования HDMI (особенно это популярно для стриминга игр, когда не хочется увеличивать нагрузку на компьютер).

2. Вещание
Сейчас в дикой природе H.265 проще всего встретить на IP-камерах. Так же можно на спутниках найти 30-мегабитные каналы, сжатые в H.265. Постепенно делаются попытки внедрить его в различных OTT-сервисах, где есть контроль за устройством.

3.Проигрывание
Особенно быстро формат набирает популярность на телевизионных приставках и SmartTV. С десктопными браузерами ситуация пока менее радостная: показывать H.265 сейчас фактически умеет только Microsoft Edge. На современных телефонах H.265 скорее всего будет проигрываться на процессоре, а значит, заряда батареи будет едва-ли хватать даже на просмотр короткого видео.

Компания Infomir была одной из первых, внедривших технологию HEVC в свои приставки. Благодаря этому мы уже сейчас можем оценить преимущества стандарта на реальных примерах:

Станет ли HEVC революцией в сфере предоставления IPTV/OTT услуг? Скорей всего нет. Смена форматов не произойдет в один день. Н.264 еще долго будет оставаться активным игроком на рынке, медленно, но верно уступая место своему логическому продолжению. Однако, с уверенностью можно утверждать, что будущее все же за Н.265. Будьте готовы к этому с Infomir!

Recommended

Тренды в сфере IPTV в 2025 году: что ждет пользователей

IPTV (Internet Protocol Television) продолжает активно развиваться, и телекоммуникационные операторы все чаще используют инновационные технологии, чтобы улучшить качество и скорость передачи контента, повысить уровень сервиса для клиентов и увеличить доход. В 2025 году тренды продолжат влиять на технологии IPTV и OTT (Over-the-Top) и приведут к значительным изменениям в отрасли. В этой статье мы рассмотрим основные тенденции потоковых технологий, которые будут определять развитие IPTV в ближайшие годы.

Как кабельный оператор может перейти на IPTV с помощью Linux-приставок

Поскольку большая часть телеаудитории перетекает в сторону стриминговых онлайн-сервисов, кабельным ТВ-операторам необходимо адаптироваться, чтобы оставаться конкурентоспособными. IPTV (Internet Protocol Television) — это эффективное решение, позволяющее операторам поставлять телевизионный контент через интернет. Для тех, кто рассматривает возможность перехода, ТВ-приставки на базе Linux могут быть экономически эффективным и универсальным вариантом. В этой статье мы рассмотрим шаги, которые кабельный оператор может предпринять для плавного перехода на IPTV, используя Linux-приставки.

Ministra PRO без вложений: как оператору получить новое бесплатное middleware?

Запуск IPTV/OTT-проекта требует от оператора инвестиций в исследование рынка, оборудование, закупку контента, рекламу, пользовательские устройства и множества других вложений. Infomir предлагает выгодное решение, которое позволит операторам сэкономить на оплате одного из важнейших элементов сервиса и получить бесплатное промежуточное ПО для IPTV.