Transmiterea în flux în 4K este noua normă, dar cu informații pentru mai mult de 8,2 milioane de pixeli fiind transmise la fiecare 16 milisecunde — stocarea și transmiterea videoclipurilor 4K pe internet nu este o sarcină ușoară.
Un film de două ore ar acumula peste 1,7 Terabytes de stocare atunci când este necomprimat. Deci, cum reușesc giganții de streaming precum YouTube și Netflix să stocheze și să transmită în flux videoclipuri care ocupă atât de mult spațiu?
Ei bine, nu o fac pentru că folosesc codecuri video pentru a reduce dimensiunea filmelor, dar ce este un codec video și care este cel mai bun?
Ce este un codec video?
Înainte de a pătrunde adânc în complexitatea codecurilor video, este vital să înțelegeți cum este creat un videoclip. Mai simplu spus, videoclipul nu este altceva decât un set de imagini statice care se înlocuiesc rapid unele pe altele.
Datorită acestei viteze mari de schimbare, creierul uman crede că imaginile se mișcă, creând iluzia vizionarii unui videoclip. Prin urmare, atunci când vizionați un videoclip în 4K, vă uitați doar la un set de imagini cu o rezoluție de 2160x3840. Această rezoluție înaltă a imaginilor permite filmării video în 4K pentru a oferi o experiență video grozavă. Acestea fiind spuse, această rezoluție ridicată a imaginilor mărește dimensiunea videoclipului, făcând imposibilă transmiterea în flux pe canale cu lățime de bandă limitată, cum ar fi internetul.
Pentru a rezolva această problemă, avem codecuri video. Prescurtare pentru coder/decoder sau compresie/decompresie, un codec video comprimă fluxul de imagini în biți de date. Această compresie poate fie să reducă calitatea videoclipului, fie să nu aibă niciun efect asupra acestuia, pe baza algoritmilor de compresie utilizați.
După cum sugerează și numele, bitul de compresie dintr-un codec reduce dimensiunea fiecărei imagini. Pentru a face același lucru, algoritmul de compresie exploatează nuanțele ochiului uman, împiedicând oamenii să știe că videoclipurile pe care le urmăresc sunt comprimate.
Decompresia, dimpotrivă, funcționează invers și redă videoclipul folosind informațiile comprimate.
Deși codecurile fac o treabă grozavă când vine vorba de comprimarea informațiilor, efectuarea acelorași lucru poate fi dificilă pentru procesorul tău. Din acest motiv, este normal să vedeți fluctuații în performanța sistemului atunci când rulați algoritmi de compresie video pe sistemul dvs.
Pentru a rezolva această problemă, procesoarele și GPU-urile vin cu hardware special care poate rula acești algoritmi de compresie. Permite procesorului să îndeplinească sarcinile disponibile în timp ce hardware-ul dedicat procesează codecurile video, îmbunătățind eficiența.
Cum funcționează un codec video?
Acum că avem o înțelegere de bază a ceea ce face un codec video, ne putem uita la modul în care funcționează un codec.
Subeșantionarea cromatică
După cum sa explicat mai devreme, videoclipurile sunt alcătuite din imagini, iar subeșantionarea cromatică reduce informațiile din fiecare imagine. Pentru a face acest lucru, reduce informațiile de culoare conținute în fiecare imagine, dar cum este detectată această reducere a informațiilor de culoare de ochiul uman?
Ei bine, vedeți, ochii umani sunt grozavi la detectarea schimbărilor de luminozitate, dar nu același lucru se poate spune despre culori. Acest lucru se datorează faptului că ochiul uman are mai multe tije (celule fotoreceptoare responsabile de detectarea modificărilor luminozității) în comparație cu conurile (celule fotoreceptoare responsabile de diferențierea culorilor). Diferența dintre tije și conuri împiedică ochii să detecteze schimbările de culoare atunci când compară imaginile comprimate și necomprimate.
Pentru a efectua subeșantionarea cromatică, algoritmul de compresie video convertește informațiile pixelilor din RGB în date de luminozitate și culoare. După aceea, algoritmul reduce cantitatea de culoare din imagine pe baza nivelurilor de compresie.
Eliminarea informațiilor de cadru redundante
Videoclipurile sunt formate din mai multe cadre de imagini și, în majoritatea cazurilor, toate aceste cadre conțin aceleași informații. De exemplu, imaginați-vă un videoclip cu o persoană vorbind pe un fundal fix. Într-un astfel de caz, toate cadrele din videoclip au o compoziție similară. Prin urmare, nu sunt necesare toate imaginile pentru a reda videoclipul. Tot ce avem nevoie este o imagine de bază care să conțină toate informațiile și datele legate de schimbare atunci când trecem de la un cadru la altul.
Prin urmare, pentru a reduce dimensiunea videoclipului, algoritmul de compresie împarte cadrele video în cadre I și P (cadre prezise). Aici cadrele I sunt adevărul de bază și sunt folosite pentru a crea cadre P. Cadrele P sunt apoi redate folosind informațiile din cadrele I și informațiile de modificare pentru acel cadru particular. Folosind această metodologie, un videoclip este împărțit într-un set de I Frames intercalate în P cadre comprimând în continuare videoclipul.
Compresia mișcării
Acum că am împărțit videoclipul în cadre I și P, trebuie să ne uităm la compresia mișcării. O parte a algoritmului de compresie video care ajută la crearea cadrelor P folosind cadrele I. Pentru a face acest lucru, algoritmul de compresie descompune cadrul I în blocuri cunoscute sub numele de macro-blocuri. Aceste blocuri primesc apoi vectori de mișcare care definesc direcția în care aceste blocuri se mișcă la trecerea de la un cadru la altul.
Aceste informații de mișcare pentru fiecare bloc ajută algoritmul de compresie video să prezică locația fiecărui bloc într-un cadru viitor.
Eliminarea datelor de imagine de înaltă frecvență
La fel ca modificările datelor de culoare, ochiul uman nu poate detecta modificări subtile ale elementelor de înaltă frecvență dintr-o imagine, dar ce sunt elementele de înaltă frecvență? Ei bine, vedeți, imaginea redată pe ecranul dvs. cuprinde mai mulți pixeli, iar valorile acestor pixeli se modifică în funcție de imaginea afișată.
În unele zone ale imaginii, valorile pixelilor se modifică treptat și se spune că astfel de zone au o frecvență scăzută. Pe de altă parte, dacă există o schimbare rapidă a datelor pixelilor, zona este clasificată ca având date de înaltă frecvență. Algoritmii de compresie video folosesc Transformarea Cosinus Discrete pentru a reduce componenta de înaltă frecvență.
Iată cum funcționează. Mai întâi, algoritmul DCT rulează pe fiecare macrobloc și apoi detectează zonele în care modificarea intensității pixelilor este foarte rapidă. Apoi elimină aceste puncte de date din imagine, reducând dimensiunea videoclipului.
Codificare
Acum că toate informațiile redundante din videoclip au fost eliminate, putem stoca biții de date rămași. Pentru a face acest lucru, algoritmul de compresie video folosește o schemă de codare, cum ar fi codarea Huffman, care leagă toate biți de date într-un cadru la numărul de ori în care apar în videoclip și apoi îi conectează într-o manieră arborescentă. Aceste date codificate sunt stocate pe un sistem, permițându-i să redea cu ușurință un videoclip.
Diferitele codecuri video folosesc tehnici diferite pentru a comprima videoclipurile, dar la un nivel foarte elementar, folosesc cele cinci metode fundamentale definite mai sus pentru a reduce dimensiunea videoclipurilor.
AV1 vs. HEVC vs. VP9: Care codec este cel mai bun?
Acum că înțelegem cum funcționează codecurile, putem determina care este cel mai bun dintre AV1, HEVC și VP9.
Compresibilitate și calitate
Dacă aveți un videoclip 4K care ocupă mult spațiu pe sistem și nu îl puteți încărca pe dvs. platforma de streaming preferată, este posibil să căutați un codec video care oferă cea mai bună compresie raport. Cu toate acestea, trebuie să luați în considerare și faptul că calitatea pe care o oferă scade pe măsură ce continuați să comprimați videoclipul. Prin urmare, atunci când selectați un algoritm de compresie, este esențial să ne uităm la calitatea pe care o oferă la o anumită rată de biți, dar care este rata de biți a unui videoclip?
Mai simplu spus, rata de biți a unui videoclip este definită ca numărul de biți pe care videoclipul trebuie să fie redat pentru o secundă. De exemplu, un videoclip 4K necomprimat pe 24 de biți care rulează la 60 de cadre are o rată de biți de 11,9 Gb/s. Prin urmare, dacă transmiteți în flux un videoclip 4K necomprimat pe internet, Wi-Fi-ul dvs. trebuie să livreze 11,9 gigabiți de date în fiecare secundă, epuizându-vă cota lunară de date în câteva minute.
Utilizarea unui algoritm de compresie, dimpotrivă, reduce rata de biți la o cantitate foarte mică, pe baza ratei de biți alese de dvs., fără a degrada calitatea.
Când vine vorba de cifre de compresibilitate/calitate, AV1 conduce pachetul și oferă cu 28,1% mai mult compresie comparativ cu H.265 și economisire de 27,3% în comparație cu VP9, oferind în același timp calitate.
Prin urmare, dacă cauți cea mai bună compresie fără o degradare a calității, AV1 este raportul de compresie pentru tine. Datorită raportului mare de compresie/calitate al codec-ului AV1, acesta este folosit de Google aplicația de videoconferință Google Duo și prin Netflix în timp ce transmite video pe o conexiune de date cu lățime de bandă redusă.
Compatibilitate
După cum sa explicat mai devreme, un algoritm de compresie video codifică un videoclip odată ce acesta este comprimat. Acum, pentru a reda acest videoclip, dispozitivul trebuie să decodeze același lucru. Prin urmare, dacă dispozitivul dvs. nu are suport hardware/software pentru a decomprima un videoclip, nu îl va putea rula.
Prin urmare, este important să înțelegeți aspectul de compatibilitate al unui algoritm de compresie, deoarece ce rost are să creăm și să comprimați conținut care nu poate rula pe multe dispozitive?
Deci, dacă compatibilitatea este ceva ce cauți, atunci VP9 ar trebui să fie codecul pentru tine este acceptat pe peste două miliarde de puncte finale și poate rula pe fiecare browser, smartphone și smart TELEVIZOR.
Nu același lucru se poate spune despre AV1, deoarece folosește algoritmi mai noi și mai complexi pentru a reduce dimensiunea fișierului unui videoclip și nu poate fi redat pe dispozitive mai vechi. În ceea ce privește suportul pentru browser, Safari nu poate reda AV1, dar browsere precum Firefox și Chrome pot reda videoclipuri AV1 fără probleme.
În ceea ce privește suportul hardware, noi SoC-uri și GPU-uri precum Snapdragon 8 Gen 2, Samsung Exynos 2200, MediaTek Dimensity 1000 5G, Google Tensor G2, seria RTX 4000 de la Nvidia și GPU-urile Intel Xe și Arc acceptă decodare hardware accelerată pentru codecul AV1. Prin urmare, dacă dețineți dispozitive alimentate de aceste chipset-uri, vă puteți bucura de streaming de conținut comprimat folosind codecurile AV1 fără a vă epuiza puterea procesorului/GPU-urilor.
Când vine vorba de codecul H.265, cele mai populare browsere precum Safari, Firefox și Google Chrome pot rula videoclipuri codificate folosind algoritmul de compresie fără probleme. Acestea fiind spuse, în comparație cu AV1 și VP9, H.265 nu este open source și trebuie achiziționate licențe pentru a utiliza codecul H.265. Din acest motiv, aplicațiile precum Microsoft Movies & TV video player, care vin împreună cu sistemul de operare, nu pot rula în mod implicit videoclipuri codificate folosind H.265. În schimb, utilizatorii trebuie să instaleze suplimente suplimentare din magazinul Windows pentru a rula astfel de videoclipuri.
Viteza de codificare
Codecurile video reduc substanțial dimensiunea unui videoclip, dar pentru a reduce dimensiunea unui videoclip, videoclipul necomprimat trebuie procesat folosind un software, ceea ce necesită timp. Prin urmare, dacă doriți să reduceți dimensiunea unui videoclip, trebuie să vă uitați la timpul necesar pentru a comprima videoclipul folosind un algoritm de compresie.
În ceea ce privește eficiența de codificare, VP9 conduce pachetul, iar timpul de codificare pentru comprimarea videoclipurilor este mult mai mic decât H.265 și AV1. AV1, pe de altă parte, este cel mai lent în timp de codificare și poate dura de trei ori mai mult timp pentru a codifica un videoclip în comparație cu H.265.
Ce codec ar trebui să alegi?
Când vine vorba de codecuri video, găsirea codecului perfect este foarte subiectivă, deoarece fiecare codec oferă caracteristici diferite.
Dacă sunteți în căutarea pentru cea mai bună calitate video, alegeți AV1. Pe de altă parte, dacă sunteți în căutarea celui mai compatibil codec video, VP9 ar fi cel mai potrivit pentru dvs.
În cele din urmă, codecul H.265 se potrivește foarte bine dacă aveți nevoie de calitate și compresie bună, fără costuri de codificare.