Straumēšana 4K kvalitātē ir jauna norma, taču ik pēc 16 milisekundēm tiek pārraidīta informācija par vairāk nekā 8,2 miljoniem pikseļu — 4K video glabāšana un pārsūtīšana internetā nav viegls uzdevums.
Divas stundas gara filma nesaspiestā veidā aizņemtu vairāk nekā 1,7 terabaitus. Tātad, kā straumēšanas gigantiem, piemēram, YouTube un Netflix, izdodas saglabāt un straumēt videoklipus, kas aizņem tik daudz vietas?
Nu, viņi to nedara, jo viņi izmanto video kodekus, lai samazinātu filmu izmēru, bet kas ir video kodeks un kurš no tiem ir labākais?
Kas ir video kodeks?
Pirms iedziļināties video kodeku sarežģītībā, ir svarīgi saprast, kā tiek izveidots video. Vienkārši sakot, video nav nekas cits kā nekustīgu attēlu kopums, kas ātri viens otru aizstāj.
Šī lielā mainīgā ātruma dēļ cilvēka smadzenes domā, ka attēli kustas, radot ilūziju, ka skatāties video. Tāpēc, skatoties video 4K kvalitātē, jūs vienkārši skatāties uz attēlu kopu ar izšķirtspēju 2160x3840. Šī augstā attēlu izšķirtspēja ļauj uzņemt 4K video, lai nodrošinātu lielisku video pieredzi. Tomēr šī augstā attēlu izšķirtspēja palielina video izmēru, padarot neiespējamu straumēšanu kanālos ar ierobežotu joslas platumu, piemēram, internetu.
Lai atrisinātu šo problēmu, mums ir video kodeki. Saīsinājums no kodētāja/dekodētāja vai saspiešanas/dekompresijas, video kodeks saspiež attēlu straumi datu bitos. Šī saspiešana var vai nu samazināt video kvalitāti, vai arī to neietekmēt, pamatojoties uz izmantotajiem saspiešanas algoritmiem.
Kā norāda nosaukums, saspiešanas bits kodekā samazina katra attēla izmēru. Lai to izdarītu, saspiešanas algoritms izmanto cilvēka acs nianses, neļaujot cilvēkiem zināt, ka viņu skatītie videoklipi ir saspiesti.
Gluži pretēji, dekompresija darbojas pretēji un atveido video, izmantojot saspiesto informāciju.
Lai gan kodeki veic lielisku darbu, saspiežot informāciju, to pašu veikšana var apgrūtināt jūsu centrālo procesoru. Šī iemesla dēļ, palaižot sistēmā video saspiešanas algoritmus, ir normāli redzēt sistēmas veiktspējas svārstības.
Lai atrisinātu šo problēmu, CPU un GPU ir aprīkots ar īpašu aparatūru, kas var palaist šos saspiešanas algoritmus. Ļauj centrālajam procesoram veikt uzdevumus, kamēr speciālā aparatūra apstrādā video kodekus, tādējādi uzlabojot efektivitāti.
Kā darbojas video kodeks?
Tagad, kad mums ir pamata izpratne par to, ko dara video kodeks, mēs varam apskatīt kodeksa darbību.
Chroma apakšparaugu ņemšana
Kā paskaidrots iepriekš, videoklipus veido attēli, un hroma apakšiztveršana samazina informāciju katrā attēlā. Lai to izdarītu, tas samazina katrā attēlā ietverto krāsu informāciju, bet kā šo krāsu informācijas samazinājumu nosaka cilvēka acs?
Nu, redziet, cilvēka acis lieliski spēj noteikt spilgtuma izmaiņas, bet to nevar teikt par krāsām. Tas ir tāpēc, ka cilvēka acī ir vairāk stieņu (fotoreceptoru šūnas, kas atbild par spilgtuma izmaiņu noteikšanu), salīdzinot ar konusi (fotoreceptoru šūnas, kas atbild par krāsu diferenciāciju). Stieņu un konusu atšķirība neļauj acīm noteikt krāsu izmaiņas, salīdzinot saspiestus un nesaspiestus attēlus.
Lai veiktu krāsu apakšiztveršanu, video saspiešanas algoritms pārvērš pikseļu informāciju RGB formātā par spilgtuma un krāsu datiem. Pēc tam algoritms samazina attēla krāsu daudzumu, pamatojoties uz saspiešanas līmeņiem.
Liekā kadra informācijas noņemšana
Videoklipi sastāv no vairākiem attēlu kadriem, un vairumā gadījumu visos šajos kadros ir viena un tā pati informācija. Piemēram, iedomājieties videoklipu, kurā persona runā uz fiksēta fona. Šādā gadījumā visiem video kadriem ir līdzīgs sastāvs. Tāpēc video atveidošanai nav nepieciešami visi attēli. Viss, kas mums nepieciešams, ir pamata attēls, kurā ir visa informācija un dati, kas saistīti ar izmaiņām, pārejot no viena kadra uz otru.
Tādējādi, lai samazinātu video izmēru, saspiešanas algoritms sadala video kadrus I un P kadros (prognozētajos kadros). Šeit I rāmji ir pamatpatiesība un tiek izmantoti, lai izveidotu P kadrus. Pēc tam P kadri tiek renderēti, izmantojot informāciju I kadros un informāciju par izmaiņām konkrētajam kadram. Izmantojot šo metodoloģiju, videoklips tiek sadalīts I kadru komplektā, kas ir iejaukts P kadros, kas tālāk saspiež video.
Kustības saspiešana
Tagad, kad esam sadalījuši video I un P kadros, mums jāaplūko kustības saspiešana. Daļa no video saspiešanas algoritma, kas palīdz izveidot P kadrus, izmantojot I kadrus. Lai to izdarītu, saspiešanas algoritms sadala I rāmi blokos, kas pazīstami kā makrobloki. Pēc tam šiem blokiem tiek doti kustības vektori, kas nosaka virzienu, kādā šie bloki pārvietojas, pārejot no viena kadra uz otru.
Šī informācija par kustību katram blokam palīdz video saspiešanas algoritmam paredzēt katra bloka atrašanās vietu gaidāmajā kadrā.
Augstas frekvences attēla datu noņemšana
Tāpat kā izmaiņas krāsu datos, cilvēka acs nespēj noteikt smalkas izmaiņas attēla augstfrekvences elementos, bet kas ir augstfrekvences elementi? Redziet, jūsu ekrānā atveidotajā attēlā ir vairāki pikseļi, un šo pikseļu vērtības mainās atkarībā no attēlotā attēla.
Dažos attēla apgabalos pikseļu vērtības mainās pakāpeniski, un tiek uzskatīts, ka šādiem apgabaliem ir zema frekvence. No otras puses, ja notiek straujas pikseļu datu izmaiņas, apgabals tiek klasificēts kā augstfrekvences dati. Video saspiešanas algoritmi izmanto diskrēto kosinusu transformāciju, lai samazinātu augstfrekvences komponentu.
Lūk, kā tas darbojas. Pirmkārt, DCT algoritms darbojas katrā makroblokā un pēc tam nosaka apgabalus, kuros pikseļu intensitātes izmaiņas ir ļoti straujas. Pēc tam tas noņem šos datu punktus no attēla, samazinot videoklipa izmēru.
Kodēšana
Tagad, kad visa liekā informācija videoklipā ir noņemta, mēs varam saglabāt atlikušos datu bitus. Lai to izdarītu, video saspiešanas algoritms izmanto kodēšanas shēmu, piemēram, Hafmena kodējumu, kas saista visus datu biti kadrā, cik reižu tie parādās videoklipā, un pēc tam savieno tos koka veidā. Šie kodētie dati tiek glabāti sistēmā, ļaujot tai viegli renderēt video.
Dažādos video kodekos tiek izmantotas dažādas video saspiešanas metodes, taču pavisam vienkāršā līmenī tie izmanto piecas iepriekš definētās pamatmetodes, lai samazinātu videoklipu izmēru.
AV1 vs. HEVC vs. VP9: kurš kodeks ir labākais?
Tagad, kad esam sapratuši, kā darbojas kodeki, varam noteikt, kurš no AV1, HEVC un VP9 ir labākais.
Saspiežamība un kvalitāte
Ja jums ir 4K video, kas aizņem daudz vietas jūsu sistēmā un nevarat to augšupielādēt savā iecienītāko straumēšanas platformu, iespējams, meklējat video kodeku, kas piedāvā vislabāko saspiešanu attiecība. Tomēr jāņem vērā arī tas, ka tā nodrošinātā kvalitāte samazinās, turpinot saspiest videoklipu. Tāpēc, izvēloties saspiešanas algoritmu, ir svarīgi aplūkot kvalitāti, ko tas nodrošina ar noteiktu bitu pārraides ātrumu, bet kāds ir video bitu pārraides ātrums?
Vienkārši sakot, videoklipa bitu pārraides ātrums ir definēts kā bitu skaits, kas video jāatskaņo sekundē. Piemēram, 24 bitu nesaspiesta 4K video, kas darbojas ar 60 kadriem, bitu pārraides ātrums ir 11,9 Gb/s. Tāpēc, ja straumējat nesaspiestu 4K video internetā, jūsu Wi-Fi tīklam ir jāpiegādā 11,9 gigabiti datu ik sekundi, tādējādi iztērējot jūsu ikmēneša datu kvotu dažu minūšu laikā.
Saspiešanas algoritma izmantošana, gluži pretēji, samazina bitu pārraides ātrumu līdz ļoti mazam, pamatojoties uz jūsu izvēlēto bitu pārraides ātrumu, nepasliktinot kvalitāti.
Runājot par saspiežamības/kvalitātes skaitļiem, AV1 ir līderis un piedāvā par 28,1 procentu labāku saspiešana salīdzinājumā ar H.265 un 27,3 procentu ietaupījums salīdzinājumā ar VP9, vienlaikus nodrošinot līdzīgu kvalitāti.
Tāpēc, ja meklējat vislabāko saspiešanu bez kvalitātes pasliktināšanās, AV1 ir jums piemērota kompresijas pakāpe. Pateicoties lieliskajai AV1 kodeka saspiešanas un kvalitātes attiecībai, Google to izmanto savā videokonferenču lietojumprogramma Google Duo un līdz Netflix, pārraidot video zema joslas platuma datu savienojumā.
Saderība
Kā paskaidrots iepriekš, video saspiešanas algoritms kodē video, kad tas ir saspiests. Tagad, lai atskaņotu šo videoklipu, jūsu ierīcei ir jāatšifrē tas pats. Tāpēc, ja jūsu ierīcei nav aparatūras/programmatūras atbalsta video atspiešanai, tā nevarēs to palaist.
Tāpēc ir svarīgi saprast saspiešanas algoritma saderības aspektu, jo kāda jēga ir izveidot un saspiest saturu, kas nevar darboties daudzās ierīcēs?
Tātad, ja jūs meklējat saderību, VP9 vajadzētu būt jūsu kodekam tas tiek atbalstīts vairāk nekā divos miljardu galapunktos un var darboties katrā pārlūkprogrammā, viedtālrunī un viedtālrunī TV.
To nevar teikt par AV1, jo tajā tiek izmantoti jaunāki, sarežģītāki algoritmi, lai samazinātu videoklipa faila lielumu, un to nevar atskaņot vecākās ierīcēs. Attiecībā uz pārlūkprogrammas atbalstu Safari nevar atskaņot AV1, taču pārlūkprogrammas, piemēram, Firefox un Chrome, var atskaņot AV1 videoklipus bez problēmām.
Runājot par aparatūras atbalstu, jauni SoC un GPU, piemēram, Snapdragon 8 Gen 2, Samsung Exynos 2200, MediaTek Dimensity 1000 5G, Google Tensor G2, Nvidia RTX 4000-Series un Intel Xe un Arc GPU atbalsta paātrinātu aparatūras dekodēšanu AV1 kodekam. Tāpēc, ja jums pieder ierīces, kuras darbina šīs mikroshēmas, varat baudīt straumētu saturu, kas ir saspiests, izmantojot AV1 kodekus, neiztērējot savu CPU/GPU jaudu.
Runājot par H.265 kodeku, populārākās pārlūkprogrammas, piemēram, Safari, Firefox un Google Chrome, var bez problēmām palaist videoklipus, kas kodēti, izmantojot saspiešanas algoritmu. Tomēr, salīdzinot ar AV1 un VP9, H.265 nav atvērtā pirmkoda, un ir jāiegādājas licences, lai izmantotu H.265 kodeku. Šī iemesla dēļ tādas lietotnes kā Microsoft Movies & TV video atskaņotājs, kas ir komplektā ar operētājsistēmu, nevar palaist videoklipus, kas pēc noklusējuma ir kodēti, izmantojot H.265. Tā vietā lietotājiem ir jāinstalē papildu papildinājumi no Windows veikala, lai palaistu šādus videoklipus.
Kodēšanas ātrums
Video kodeki ievērojami samazina videoklipa izmēru, taču, lai samazinātu videoklipa izmēru, nesaspiestais video ir jāapstrādā, izmantojot programmatūru, kas prasa laiku. Tāpēc, ja vēlaties samazināt videoklipa izmēru, jums ir jāaplūko laiks, kas nepieciešams video saspiešanai, izmantojot saspiešanas algoritmu.
Kodēšanas efektivitātes ziņā VP9 ir līderis, un video saspiešanas kodēšanas laiks ir daudz mazāks nekā H.265 un AV1. No otras puses, AV1 ir vislēnākais kodēšanas laiks, un, salīdzinot ar H.265, video kodēšanai var būt nepieciešams trīs reizes vairāk laika.
Kuru kodeku izvēlēties?
Runājot par video kodekiem, ideālā kodeka atrašana ir ļoti subjektīva, jo katrs kodeks piedāvā dažādas funkcijas.
Ja meklējat vislabāko video kvalitāti, izvēlieties AV1. No otras puses, ja meklējat saderīgāko video kodeku, VP9 jums būtu vispiemērotākais.
Visbeidzot, H.265 kodeks ir lieliski piemērots, ja jums nepieciešama laba kvalitāte un saspiešana bez kodēšanas.
