Навіщо потрібні відеокодеки

Кодеки використовують у зйомці, монтажі, доставці та відтворенні відео. Без цих технологій неможливо доставляти контент абонентам або проводити відеоконференції. Основне завдання кодеків — зменшити розмір відеофайлу. Розповідаємо, як це відбувається, і чому технології стиснення такі важливі.

Навіщо відео стискають

Відео займають у рази більше місця, ніж зображення чи музика. У відеофайлі міститься одна або кілька звукових доріжок, відеоряд, іноді субтитри. Метадані файлу зберігають службову інформацію та інформацію про синхронізацію відео та звуку.

Відеоряд складається з кадрів, кадри — з пікселів. До складу пікселя входять три субпікселі — червоний, зелений та синій. Дані про колір субпікселю займають 8 біт (1 байт).

Щоб закодувати піксель в один із 16 млн кольорів, потрібно 3 байти. У звичайному Full HD-кадрі більше 2 млн пікселів — щоб зберегти цілий фільм, знадобиться сховище в сотні гігабайтів.

В рази і десятки разів більше місця потрібно, щоб зберігати нестиснені відео з великою роздільною здатністю або кадровою частотою: наприклад, 4K (4096×2160 пікселів) або 8K (7680×4320 пікселів). Такий контент не підходить для потокової передачі.

Щоб зберігати та передавати відео звичайними мережами, їх стискають. Для цього використовують різні методи: математичні алгоритми, прогнозування, видалення надлишкових даних, округлення абсолютних значень та роздільну обробку колірних каналів.

Процес стиснення також називають компресією чи кодуванням. Зворотний процес називають відновленням, розпакуванням або декомпресією відео.

Що таке відеокодеки

Відео стискають апаратними та програмними засобами — кодеками. Термін походить від англійського слова COder/DECoder («шифратор/дешифратор»).

Стиснення без втрат дозволяє повністю відновити вихідні дані зі стислих, але при цьому типі кодування обсяг файлу скорочується незначно. Такий тип компресії застосовується при зйомці та постобробці відео.

Стиснення із втратами використовують для доставки відео на клієнтські пристрої — телевізори, медіаплеєри, комп'ютери та смартфони. Що сильніша компресія, то нижча якість відео і менший розмір файлу.

Від надлишкових даних кодеки позбавляються на двох рівнях: всередині кадру і на рівні послідовності кадрів.

Покадрове стиснення

При покадровому стисканні кодеки працюють із кожним кадром окремо. Майже так само стискають звичайні JPEG-зображення. Спершу алгоритм ділить кадр на яскраву та колірну складові, потім знижує деталізацію та виділяє схожі ділянки. За мінімальних втрат якості цей спосіб зменшує розмір файлу в сотні разів.

Кодеки скорочують дані подібно до того, як у математиці виносять за дужки загальний множник: послідовностям символів надаються коди за ступенем зустрічальності в кадрі. Чим частіше з'являється символ, тим коротший його код.

Міжкадрове стиснення

Часто сусідні кадри мало відрізняються один від одного, тому їх необов'язково зберігати повністю. Кодеки віднімають від зображення інформацію, що повторюється, і зберігають тільки різні ділянки. Цей принцип є основою алгоритмів компенсації руху.

Метод міжкадрової різниці ґрунтується на порівнянні кадрів. У підсумковому файлі зберігаються лише відмінності кадрів. Принцип компенсації руху базується на прогнозуванні.

В міжкадровому стисненні повністю зберігаються лише опорні кадри, а проміжні добудовуються з них.

Щоб побачити особливості міжкадрового стиснення, достатньо поставити на паузу будь-яке відео на момент динамічної сцени. Якщо не потрапити на опорний кадр, в області з об'єктами, що рухаються, зображення буде сильно розмитим. При звичайній швидкості відтворення людське око цього не помічає.

Історія відеокодеків

Історія стиснення цифрового відео почалася 1988 року, коли з'явився кодек H.261. У ньому вже використовувалися принципи компенсації руху, робота з попередніми опорними кадрами, скорочення інформації про колір та кодування блоків розміром 8х8 пікселів.

У 1993 році з'явився кодек MPEG1. Технологія могла передбачити зображення по попередньому та подальшому опорним кадрам та працювала з HD-відео. Стандарт MPEG1 був розроблений для відео з роздільною здатністю 352х240 пікселів, але також підтримував роздільну здатність до 4095х4095 пікселів. Через те, що MPEG1 підтримував лише прогресивну розгортку, його витіснили новіші кодеки.

Через три роки вийшов один із найпопулярніших відеокодеків — MPEG2. Його застосовували у цифровому телебаченні та DVD. Технологія відкрила нові можливості кодування звуку: кодек умів стискати файли із 6 звуковими доріжками. MPEG2 дозволяв зберігати високу якість зображення, але не надто зменшував розмір відео, тому що був створений для пристроїв із низькою обчислювальною потужністю. Досі цей кодек використовують у цифровому ефірному, кабельному та супутниковому телебаченні.

У 1998 році в гру вступив MPEG4. Завдяки йому півторагодинний фільм вміщували на одному CD-диску. Кодек вмів працювати з окремими двовимірними та тривимірними об'єктами у кадрі, підтримував DRM, працював з аудіо та субтитрами. Незважаючи на це MPEG4 не підходив для потокової передачі Full HD-відео.

У 2003 році почалася епоха кодека H.264. Технологія стискала відео у 1,5–2 рази ефективніше, ніж MPEG4, і тому дозволила передавати Full HD відео через мережі з пропускною здатністю до 5 Мбіт/с. Кодек і сьогодні залишається одним з найпопулярніших, але його ефективності не вистачає, щоб стискати 4K-відео для потокової передачі існуючими мережами, особливо мобільними.

Кодек майбутнього

У 2012 році «Об'єднана команда з відеокодування» (JCT-VC) розробила кодек HEVC (H.265). Технологія стала розвитком H.264 і за однакової якості зображення дозволила стискати відео вдвічі сильніше.

Крім основних принципів роботи H.264, HEVC використовує нові підходи: наприклад, паралельні обчислення, що дозволяють обробляти кілька ділянок відео одночасно.

Єдиний технічний недолік H.265 — ресурсомісткість: для кодування та розшифровки йому потрібно в 3–5 разів більше ресурсів процесора, ніж H.264. Поки що H.265 не отримав такого ж глобального поширення, як H.264, але кодек вже підтримують числені приставки, розумні телевізори, смартфоні та багато інших пристроїв.

HEVC прискорив поширення 4K, і поштовхом для потокового 8K-відео може стати його еволюція — VVC (Versatile Video Coding). Розробники обіцяють, що новий кодек зможе стискати відео на 50% ефективніше. У жовтні 2019 вийшла тестова версія H.266, а до червня 2021 з'являться перші апаратні кодеки.

Без кодеків неможливо зберігати та доставляти відео. Нові технології стиснення допомагають великим та локальним операторам доставляти якісний контент без модернізації мережевої інфраструктури. Завдяки кодекам відео високої роздільної здатності доступне навіть за невисокої швидкості мережі — для перегляду 4K-фільмів Netflix користувачеві достатньо підключення швидкістю 15 Мбіт/с.

Recommended

Ministra PRO без вкладень: як оператору отримати нове безплатне middleware?

Запуск IPTV/OTT-проєкту вимагає від оператора інвестицій у дослідження ринку, обладнання, закупівлю контенту, рекламу, пристрої та безліч інших вкладень. Infomir пропонує вигідне вирішення, яке дасть операторам змогу заощадити на оплаті одного з найважливіших елементів сервісу та отримати безплатне проміжне програмне забезпечення для IPTV.

Перспективне IPTV з RDK: зручна платформа для операторів

Телекомунікаційні технології з кожним роком виходять на новий рівень, пропонуючи операторам нові ефективні вирішення та вдосконалення телебачення. У цій статті ми розповімо про одне з них — технологію RDK, з'ясуємо, чому сотні операторів обирають це вирішення і в чому його цінність.

Ministra PRO: оновлення в липні

Час відпусток у самісінькому розпалі, та ми й самі готуємося до відпочинку, тому липневий дайджест буде коротким. Ми зібрали всі основні оновлення за цей рік, щоб ви могли ознайомитися з ними, насолоджуючись відпочинком біля басейну.