HEVC: швидше, ліпше, сильніше

Тепер, коли ринок потопає в UHD TV, а 4K-контент уже не рідкість, можливостей H.264 стає замало. Виникає потреба максимально якісно стискати і поширювати відео ультрависокої чіткості через іще не зовсім готові до такого навантаження канали.

І вирішення знайдено: H.265, або HEVC. Уперше його представила широкій авдиторії на MWC 2012 компанія Qualcomm. Уже тоді було очевидно, що цей стандарт неймовірно ефективний.

Як працює стиснення

Проілюструвати принцип роботи більшості алгоритмів стиснення можна на прикладі пакування валізи перед подорожжю. Якщо валіза стає надто важкою, ми виймаємо непотрібні речі. Так само і з відео: що менше в ньому повторюваних і несуттєвих елементів, то легше його транспортувати.

1. Ентропійне кодування

Будь-яку впорядковану послідовність можна групувати так доти, доки не залишиться жодного блока даних, який можна було б і далі стискати, тобто поки послідовність нулів та одиниць не стане повністю випадковою. Власне тому такий спосіб кодування назвали ентропійним. Варто зазначити, що сама інформація не зазнає змін, ми тільки перетворюємо спосіб її подання і зменшуємо надмірність.

2. Частотне розкладання

Будь-яке двовимірне зображення — це також особливий вид даних, який ми можемо переводити з однієї системи координат в іншу. Наприклад, ми звикли розглядати картинку в системі координат XY (довжина і ширина). Таке зображення називають ділянкою просторів. У ньому значення кожного пікселя визначається залежно від його положення. Ми можемо перетворити це зображення в ділянку частот, де оцінюємо не положення пікселів, а те, наскільки сильно змінюється їхнє значення, як порівняти з сусідніми. Що контрастніші ділянки, то вищою буде їхня координата на осях freqX і freqY. Ось який вигляд має те саме зображення, переведене із системи XY у freqX-freqY.

• Низькочастотні зображення розміщено ближче до центру нашої матриці. Вони відповідають за однорідні ділянки з плавними переходами яскравості й кольору. 

• Високочастотні зображення розміщено ближче до країв. До них належать усі контури, різкі грані та дрібні деталі.

Після такого трансформування ми можемо просто обрізати краї нашої матриці, інакше кажучи — накласти маску. Коли ми переведемо зображення у звичний вигляд, воно дещо втратить детальність, але загалом буде схоже на початкове.

Вибираючи потрібний розмір і форму маски, ми можемо контролювати ці втрати й те, наскільки зменшиться вага остаточного файлу. Нижче — зображення знайомого нам автомобіля, але тепер уже з накладеними на нього круговими масками. У відсотках вказано вагу отриманого зображення відносно.

3. Колірна субдискретизація

Під час передавання картинки на телевізор колірна схема RGB перетворюється на YCbCr, де Y — компонента яскравості, а Cb і Cr — компоненти синього й червоного колірного складника, або кольорорізності. Людське око дуже добре вловлює навіть найменші коливання яскравості. А от так само добре розпізнавати відтінки воно не може. Тому, якщо передавати інформацію про яскравість з повною роздільністю, а колірний складник — зі зменшеною, цього ніхто не помітить, а трафік можна буде зекономити. Якщо кодувати сигнал в Y’CbCr, можна зменшити обсяг даних майже вдвічі.

Є кілька методів колірної субдискретизації. Кожен позначений числовим кодом, що описує роздільність колірності (другий і третій номери) відносно роздільності яскравості (перший номер).

ФОРМАТ 4:4:4 (YUV)

Колірна точка складається з яскравісного (Y’) й колірнорізночастотного (Cr і Cb) компонентів. У цьому випадку на кожні чотири складники яскравості припадає по чотири складники кожного кольору. Так зазвичай подані нестиснені зображення RGB. Формулу 4:4:4 теоретично можна використовувати в Y’CbCr, але практичної потреби в застосуванні цього формату немає.

ФОРМАТ 4:2:2 (YUY2)

Відношення роздільності яскравості до колірності — 4:2. Це традиційний формат мовлення, який використовують у DigiBeta, DVCpro50 тощо.

ФОРМАТ 4:1:1 (YV12)

Роздільність колірних компонентів відносно яскравості зменшено в чотири рази. Цю систему використовують у NTSC DV і PAL DVCPro.

ФОРМАТ 4:2:0 (YV12)

Роздільність компонентів залежить від того, яку розгортку використовують — черезрядкову чи покадрову. Цей формат часто застосовують для передавання Н.264 через інтернет, у PAL DV, MPEG2, у різних софтових вирішеннях.

4. Компенсація руху

Майже в будь-якому відео кожен наступний кадр схожий на попередній: у них спільне, майже нерухоме тло, лише деякі об’єкти трішки зміщені один відносно іншого. Тож цілком природним здається бажання не кодувати багаторазово однакові елементи, а описати тільки ті, що змінюються. На цьому прикладі чітко видно, що кожен наступний кадр подібний до попереднього.

Як працює алгоритм?

Чим H.265 відрізняється від H.264

Чому відео максимальної якості, закодоване в Н.265, важить до 40—50% менше, ніж те саме відео в H.264? До того ж технологія дає змогу підтримувати роздільності аж до 8К і 10-бітного колірного кодування. Такого переконливого зростання ефективності вдалося досягти завдяки трьом основним структурним поліпшенням:

1. Довільний доступ до зображень (Clean Random Access). Декодування довільно вибраного кадру не вимагає декодування попередніх кадрів. У H.265 не треба вставляти проміжні опорні кадри (I-frames), що зменшує бітрейт відео.

2. Зміна максимального розміру блока. У H.264 максимальний розмір блока обмежувався 256 пікселями (16 х 16). У H.265 ця кількість зросла в 16 разів, тобто до 4096 пікселів (64 х 64). І при цьому алгоритм самостійно визначає розмір блока.

3. Паралельне декодування. Новий формат вигідно використовує особливості багатоядерних процесорів: Н.265 уміє одночасно прораховувати різні частини того самого кадру. До того ж швидкість обробляння зростає в рази.

Де вже використовують HEVC?

1. Кодування.
Станом на цей час HEVC уже підтримують багато софтверних і апаратних енкодерів: Nvidia NVENC, Intel QSV. Помітно, що H.265 застосовують у супутниковому телебаченні, в IP-камерах та різних пристроях для захоплення і кодування HDMI (а особливо для стримінгу ігор, коли не хочеться збільшувати навантаження на комп’ютер).

2. Мовлення.
Тепер у «дикій природі» H.265 найчастіше можна побачити в IP-камерах. Також на супутниках є 30-мегабітні канали, стиснуті в H.265. Поступово робляться спроби застосовувати цей формат у різноманітних OTT-сервісах, де є контроль за пристроєм.

3. Програвання.
Особливо швидко формат стає популярним у телевізійних приставках і SmartTV. З десктопними бравзерами ситуація поки менш радісна: показувати H.265 тепер може, по суті, лише Microsoft Edge. У сучасних телефонах H.265, найімовірніше, буде програватися на процесорі, а отже, заряду батареї ледь вистачатиме навіть на перегляд короткого відео. 

Компанія Infomir була однією з перших, хто застосував технологію HEVC у своїх приставках. Завдяки цьому ми вже тепер можемо оцінити переваги стандарту на реальних прикладах.

Чи стане HEVC революцією у сфері надання IPTV/OTT-послуг? Найімовірніше, ні. Зміна форматів не відбудеться за день. Н.264 ще довго буде активним гравцем на ринку й повільно, але невпинно звільнятиме місце для свого логічного наступника. А проте з упевненістю можна стверджувати, що майбутнє все ж таки за Н.265. Будьте готові до цього з Infomir!

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.