H.264 чи H.265? Перспективи в області
технологій стиснення відео


Технологія стиснення відео була каменем спотикання в проектуванні систем відеоспостереження з часів появи інтернет-протоколу (IP) у 1990-і роки. Відтоді стандарти для кодування відео пройшли багато етапів досліджень. Сьогодні увагу галузі привернув стандарт стиснення H.265 або HEVC (High Efficiency Video Coding – високоефективне кодування відеозображень). Це наступна версія після H.264, яка сьогодні є панівною технологією кодування IP-відео. Ми спробуємо розібратися які її перспективи на сьогодні і в майбутньому.

Інтеграція технології H.265 може бути ускладнена доступністю оптимізованого H.264, кращого кодування для систем відеоспостереження
 

 

H.265: розбираємося що і навіщо

Стандарт H.265 став значним кроком вперед в області кодування відео. Одна з його переваг у тому, що він подвоює ефективність стиснення H.264. Тож під час передачі зображень аналогічної якості H.265 використовує тільки половину бітрейту попереднього кодека. Завдяки цьому вимоги до пропускної здатності та зберігання різко скорочуються, що дозволяє вигідніше використовувати апаратні та програмні засоби. Користувачі, по суті, отримують більше можливостей з меншими витратами. Через це більшість виробників апаратного забезпечення підтримують впровадження стандарту стиснення H.265 для відеоспостереження. Тож скоро ми зможемо побачити H.265 у ролі наступного стандарту.

Але попри всі плюси, H.265 усе ще далекий від масового впровадження. Виникає питання: чи можуть користувачі якимось чином оптимізувати передачу зображення, перш ніж у сфері відеоспостереження відбудеться переворот? Адже популярність відео з великою роздільною здатністю росте, а попит народжує пропозицію.

Останні досягнення для поточного кодека H.264 оптимізують бітрейт трьома способами: предиктивним кодуванням, придушенням шуму, і “довгостроковим” управлінням бітрейтом (predictive encoding, noise suppression, and “long-term” bitrate control). Результатом цього стало скорочення необхідного обсягу пам’яті до 75% для H.264. Через ці інновацій та деякі інші фактори висока ймовірність того, що у найближчі 5-10 років обидва стандарти будуть мирно співіснувати на ринку.

 

Перешкоди для прийняття H.265

Інтеграція технології H.265, швидше за все, буде гальмуватися наявністю оптимізованого кодування H.264, а ще вартістю модернізації існуючих систем під H.265. Додаткові складнощі виникнуть також зі зміною виробничих процесів для випуску устаткування, що підтримує H.265 і з патентами, про які ми поговоримо пізніше. Загалом, H.264 залишається життєздатним і працездатним стандартом для переважної більшості систем відеоспостереження. На сьогодні він повністю виконує свої функції – і, треба визнати, досить добре.

За вищої вартості користувачі повинні бути впевнені, що оновлення до H.265 дійсно має сенс

 

Обмеження лабораторних випробувань

За результатами випробувань проведених Об’єднаної командою з відеокодування Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC), коефіцієнт стиснення H.265 подвоївся у порівнянні з попереднім H.264. Але, як і слід було очікувати, тести було проведено в лабораторних умовах, далеких від багатьох складнощів, що виникають у процесі фактичного використання стандарту.

Кодування у реальному часі з дотриманням балансу між складністю алгоритму і можливістю стиснення – ось те, що хочеться бачити в розвитку H.265. На практиці можливість стиснення кодека H.265 може не дати 100% поліпшення в порівнянні з H.264, попри те, що це було заявлено.

Стандарт H.264 понад 10 років впроваджували в галузь, в якій відбувалося його розвиток, за підтримки з боку всіх виробників чіпсетів, і з доступом до різноманітних кодерів і декодерів. Це перевірено і доведено на практиці. У цьому сенсі технології H.265 доведеться багато надолужити.

Ціна патенту

Ще однією проблемою, яка може перешкодити масовому поширенню стандарту H.265 – необхідність покупки патенту. У багатьох власників підприємств вже є патент на H.264, у той час як H.265 на ранній стадії свого існування не особливо поширений в галузі, а підприємства, які володіють ним, не пов’язані між собою. Результатом низького попиту на новий стандарт стає набагато вища вартість патенту – основне питання, яке підприємства з галузі безпеки повинні серйозно розглянути – як це вплине на виробництво і, як наслідок, на цінник для кінцевого споживача. При введенні нового стандарту ціна дійсно має вирішальне значення, особливо якщо користувачі повинні замінити й зовнішню, й внутрішню частини (фронтенд і бекенд) системи, щоб користуватися поліпшеною відеокомпресією. Сплачуючи в кілька разів більше, споживач повинен бути впевнений у тому, що оновлення насправді вартує того.

Оптимізовані технології кодування H.264

Всупереч наведеним вище аргументам, основною причиною того, що H.265 не стане панівним рішенням кодування найближчим часом, є проста відсутність попиту – ряд інноваційних виробників впровадив оптимізовані технології кодування H.264, а необхідність у Н.265 поки що немає. Цей факт можна назвати “рішенням проблеми, якої поки не існує”.

Оптимізовані технології H.264 використовують прогнозуюче кодування, щоб зменшити бітрейт, витрачений на постійне фонове зображення

З моменту запуску технології H.264 у 2003 році, індустрія безпеки розробляє високопродуктивні відеокодери, прагнучи покращувати якість зображення для систем відеоспостереження. Додайте до цього підвищену популярність відео високої якості, чимраз зростаючі вимоги до бітрейту і вирішенню, і стає очевидним, що вартість компонентів системи у цілому збільшилася. Величезна кількість відеоданих, одержуваних з камер відеоспостереження, означає, що користувачі повинні вкладати кошти в постійно вимоги для зберігання даних, що постійно зростають.

 

Предиктивне кодування

Як відбувається удосконалення кодека H.264? По-перше, базові дослідження стиснення відео ведуться у різних галузях промисловості. Наприклад, у будь-якому відео з камер користувачі спочатку звертають увагу на рухомі об’єкти, а після на статичну частину картинки. Якщо фон не змінюється, він може бути закодований як опорний кадр. Оптимізовані технології H.264 використовують прогнозуюче кодування, щоб зменшити бітрейт, витрачений на статичне фонове зображення. Застосовуючи це прогнозуюче кодування по всій системі, користувачі значно економлять на пропускній спроможності та зберіганні.

 

Придушення шуму

Ще одним важливим елементом оптимізації H.264 є придушення шуму.

Шум або небажаний електричний сигнал, який відображається у відеопотоці, є серйозною перешкодою цифрового відеосигналу. Це призводить до того, що на тлі зображення з’являється безліч сторонніх пікселів, викликаних коливаннями світла, температури, або іншими сигналами в повітрі. Але оптимізовані технології H.264 з використанням алгоритмів інтелектуального аналізу пригнічують більшу частину шуму шляхом кодування об’єкта переднього плану зображення з вищою швидкістю передачі даних щодо фонового зображення. Результат: чіткі зображення з точною передачею кольору.

Довгостроковий контроль бітрейта

І, нарешті, вимоги до бітрейту кожної конкретної сцени можуть коливатися протягом дня. Наприклад, у типовій вуличній сцені в нічний час є невеликий рух на першому плані, тож вимоги до бітрейту невисокі. Вдень вимоги значно підвищуються через транспортні засоби і пішоходів, що рухаються на передньому і задньому планах. Сучасні технології кодування H.264 керують цим розподілом за часом шляхом обчислення загального середнього бітрейта, а потім автоматично виділяють необхідний бітрейт у той час доби, коли це потрібно. Це відбувається на рівні заданих значень декодера. Тут основною перевагою довгострокового контролю бітрейта є те, що у користувачів є можливість точно прогнозувати свої вимоги до системи зберігання відео, завдяки чому можна вимірювати необхідний розмір сховища.

***

Сьогодні ці плюси Н.264 перевищують те, що пропонує стандарт Н.265. Окрім того, Н.264 має ряд інших переваг: сумісність з існуючими системами, меншу вартість продукції, ширший спектр продуктів, на яких кодек може застосовуватися, і менший патентний ризик.

Розробки відеостиснення, як правило, мають тенденцію дотримуватися приблизно 10-річного циклу. У 1994 році був введений формат MPEG2. H.264 запущений у 2003 році, а H.265 – у 2013. У даному випадку історичний контекст має важливе значення, тому що стандарти кодування відео реагують не тільки на технологічні зміни, а й на тенденції в рамках всієї відеоіндустрії. Коли стандартом був формат MPEG2, промисловість була зосереджена головним чином на DVD-плеєрах і телевізійній роздільній здатності, де використовувався цей формат. Поява H.264 збіглася з введенням технології HD, передовими IT-технологіями й мобільним інтернетом.

Використання H.264 включало HD-цифрове телебачення, інтернет-відео, мобільне відео, відеоспостереження, Blu-Ray та ін. Через те, що H.265 тільки виходить на сцену, ми вважаємо, що він буде найбільш широко використовуватися в розробці ультра-HD технологій і додатків хмарних систем зберігання даних.

Перспективи розвитку технологій стиснення відео

Після запуску H.265, члени Об’єднаної спільної групи з відеокодування (JCT-VC) почали складати прогнози на майбутнє для даного сегмента. У 2015 році вони створили групу спільного дослідження відео (Joint Video Exploring Team – JVET), зосередивши увагу на подальшому поліпшенні можливостей стиснення. Їх останні дані тестування показують, що поліпшення продуктивності стиснення H.265 досягнуті на 20%. У той же час, інша організація – AOM (Alliance for Open Media) – об’єднала цілий ряд інтернет-орієнтованих компаній, в тому числі Microsoft, Google, Intel і Amazon, прагнучи прийти до вільного стандарту для інтернет-відео. План полягає в тому, що цей (вільне володіння) стандарт прискорить оновлення технологій в онлайн-світі з божевільною швидкістю.

Конкурс на розробку цих стандартів, ймовірно, буде жорстким – і це також може означати, що 10-річний цикл стиснення кане в Лету, а нові стандарти з’являться в набагато коротші терміни.