Сжатие видео или обзор форматов MPEG‑2, H.264 и JPEG 2000

Техническое сравнение форматов MPEG‑2, H.264 и JPEG 2000

Сегодня у телекомпаний есть свобода выбора в вопросах касательно сжатия телесигнала. Форматы MPEG‑2, H.264 и JPEG 2000 являются наиболее конкурентными вариантами для выполнения сжатия видеопотока на профессиональном уровне. В конечном итоге, инфраструктура сети, полоса пропускания и бюджет являются решающими факторами для телекомпании, которые помогают определиться с «правильным» выбором. Форматы MPEG‑2 и H.264 являются эффективными решениями сжатия мультимедийных приложений с целью их последующего воспроизведения.
Веские аргументы можно привести в пользу формата JPEG 2000, который основан на передовых внутрикадровых методах кодирования и обеспечивает высокую степень гибкости и управляемости, не сравнимую с гибкостью и управляемостью других форматов сжатия. Более того, факт появления все больших и больших разновидностей передаваемых видеоприложений, которые требуют более низкого времени задержки и более высокого качества изображения, делает формат JPEG 2000 оптимальным решением в удовлетворении требований передачи видео в HD-качестве.

Главной задачей всех телекомпаний — независимо от инфраструктуры сети, выбранного метода сжатия и особенностей транслируемых приложений — является передача сигнала максимального качества при заданной полосе пропускания, ограничив при этом расходы с целью получения максимальной прибыли.

Имейте в виду, что передача видеопотока представляет собой комплексную цепь процессов. Какой-либо процесс, происходящий внутри цепи, влияет на процесс передачи видео в целом, в результате серьезная недоработка внутри цепи затрагивает все последующие звенья и приводит к ухудшению качества передачи видео в целом. Конечно, то, как выбранный формат сжатия реализовывается, и как осуществляется управление им, также играет крайне важную роль в достижении наилучшей производительности независимо от выбранной схемы сжатия.

MPEG‑2: «устаревший» кодек

Алгоритмы сжатия видео, такие как MPEG‑2 и H.264 являются кодеками, которые основаны на дискретном косинусном преобразовании (ДКП). С целью сокращения объема данных видеосигнала между сериями кадров эти кодеки используют алгоритм межкадрового предсказания. Суть данного алгоритма заключается в методе дифференцированного кодирования, когда последующий кадр сравнивается с исходным, после чего выполняется кодирование только тех пикселей, которые изменились.

В результате количество пикселей, которые необходимо кодировать и передавать, уменьшается. Когда такая кодированная последовательность передается на экран ТВ, полученное видео ничем не отличается от исходной последовательности кадров.

Появление MPEG‑2 было обусловлено необходимостью трансляции сигналов с более высокой скоростью передачи данных — сигналов SD-формата (величина битрейта от 3 Мб/с до 15 Мб/с) и HD-формата (величина битрейта от 15 Мб/с до 30 Мб/с). При передаче видеоизображения с использованием метода предикативного сжатия MPEG‑2 каждый закодированный кадр в последовательности изображений может передаваться как независимо сжатый кадр («I-кадр»), сжатый кадр с использованием предсказания движения в одном направлении («P-кадр») и сжатый кадр с использованием предсказания движения в двух направлениях («B-кадр»).

Благодаря сокращению пространственной и временной избыточности MPEG‑2 обеспечивает повышенное сжатие. Тем не менее использование «B-кадров» приводит к появлению задержки предупорядочивания, которая зависит от количества передаваемых «B-кадров». При большом количестве передаваемых «B-кадров» эта задержка может быть очень значительной.

MPEG‑2 до сих пор является широко распространенным кодеком и рассматривается как конкурентоспособный выбор благодаря его низкой стоимости внедрения и поддержке широкого диапазона цветопередачи – 4:2:2. Тем не менее существует ряд ограничений, которые обусловлены как самим кодеком, так и стандартами, которые регулируют его реализацию.

Например, MPEG‑2 по сравнению с конкурирующими кодеками требует, как правило, более высокой пропускной способности для обеспечения достаточно высокого качества видео. Вследствие потоковой битовой структуры сигнала и его формы передачи в виде отдельных пакетов закодированный сигнал в MPEG‑2 крайне чувствителен к ошибкам и любым потерям информации. Потеря или повреждение одного из пакетов оказывает существенное влияние на процесс декодирования, что приводит к «битым» кадрам или выраженным искажениям изображения, а это в конечном итоге приведет к прекращению использования MPEG‑2 в среде профессионального телевещания.

H.264: кодек следующего поколения

H.264 или MPEG-4 Part 10 (Advanced Video Coding) кодек был разработан в качестве альтернативы кодеку MPEG‑2 и характеризуется повышенной производительностью и более широким набором инструментов, что обеспечивает высокую гибкость в отношении передачи информации. В результате H.264, по сравнению с MPEG‑2, обеспечивает эквивалентное качество видео при более низкой скорости передачи данных.

При переходе на кодирование H.264, по сравнению с MPEG‑2, пропускная способность, достаточная для передачи изображения аналогичного качества, может быть снижена на величину до 50 процентов. В этом кодеке используется ассиметричная архитектура. Сложность вычислений в нем минимизирована, что обуславливает его высокую гибкость, достаточную для применения этого кодека для широкого спектра приложений, включая трансляцию, хранение и передачу данных по беспроводной мультимедийной связи.

Алгоритм сжатия H.264 схож с алгоритмом MPEG‑2 и основан на тех же основных принципах, включая компенсацию движения с переменным размером блоков и дискретное косинусное преобразование. Более того, H.264 характеризуется высокой производительностью и надежностью. Он выполняет как пространственное предсказание при внутрикадровом кодировании, так и оценку движения при межкадровом кодировании, что улучшает эффективность сжатия. При внутрикадровом кодировании каждый кадр кодируется сам по себе, без использования информации соседних кадров. Кроме того, H.264 использует предварительную обработку этапов, используя для этого соседние пиксели из ранее закодированных блоков, что является преимуществом по сравнению с внутрикадровой пространственной корреляцией.

Ключевые особенности данного стандарта – это эффективность сжатия и передачи данных, а также направленность на сжатие видео широкого спектра приложений. Благодаря тому, что на сегодняшний день кодек поддерживает 17 профилей и 16 уровней, каждый из которых нацелен на конкретный класс популярных передаваемых видеоприложений, достигается высокий уровень гибкости и масштабируемости.

Формату H.264 свойственны такие же ограничения, как и для формата MPEG‑2. В конечном итоге, эти ограничения связаны с возможностью существующей технологии, что препятствует применению формата H.264 в профессиональной среде вещания. На сегодняшний день наиболее технологически продвинутым кодеком, совместимым со стандартами вещания, является H.264, выполняющий сжатие видео со скоростью 80 Мб/с, ограниченный разрешением в 8 бит.

Реализация сети на основе H.264 может быть дорогостоящей. Стоимость по сравнению с конкурирующими стандартами может быть в четыре раза выше за счет себестоимости и потребления мощности. Благодаря архитектурной асимметрии кодеков может сложиться впечатление, что высококачественные декодеры обладают низкой стоимостью, в результате чего пользователи очень часто удивляются высокой цене на профессиональные видеодекодеры.

JPEG 2000: выбор прогрессивного метода сжатия

Метод JPEG 2000, предлагаемый современным рынком, является его ключевым достоинством. Стандарт и система кодирования JPEG 2000 основаны на «вейвлет-технологии» сжатия изображения. Изначально он был задуман не как кодек для сжатия видео, а как кодек сжатия графических изображений. Примененная в нем внутрикадровая схема кодирования имеет ряд преимуществ, характерных для всего цикла вещания — доставка, формирование, а также первичное и вторичное распределение.

JPEG 2000, по сравнению с форматами H.264 и MPEG‑2, хорошо известен своим отличным визуальным качеством (см. рисунок 1). JPEG 2000 выполняет кодирование в пределах полного кадра, в то время как другие схемы сжатия требуют, чтобы изображение было разбито на более мелкие блоки, в результате чего ухудшение качества происходит неравномерно и может различаться в пределах кадра. Это приводит к появлению визуально раздражающего искажения, известного как «блокинг-эффект». В случае с JPEG 2000 потеря качества происходит равномерно по всей области кадра и зрительно воспринимается как сглаживание краев, иначе говоря, происходит размытость.

Такое искажение визуально является менее раздражающим, чем «блокинг-эффект», так как размытость в большей степени соответствует естественному восприятию человеческого глаза. JPEG 2000 обладает уникальной возможностью доставки информации в первоначальном виде для последующей обработки. За счет обеспечения высокого качества на более низком уровне возможна передача высокого качества на более высокий уровень. Видео JPEG 2000 остается практически нетронутым при осуществлении многократных циклов кодирования/декодирования. Это позволяет сохранить высокое качество видео, передав его по этой цепочке.
JPEG 2000 характеризуется низким временем задержки — порядка 1.5 кадра или меньше на весь цикл кодирования-декодирования. Этот параметр является критичным для интерактивных приложений и может привести к отсутствию связи при переходе от одного кадра к следующему кадру. Низкое время задержки порядка 45 мс при сжатии HD-потока является преимуществом по сравнению с форматами H.264 и MPEG‑2, время задержки в которых достигает от одной до двух секунд.

Высокая скорость передачи, которая достигается за счет сжатия JPEG 2000, также критически важна. При сравнении реализованных проектов замечено, что, как правило, JPEG 2000 может работать при очень высоких скоростях — намного более высоких, чем H.264. Для передачи изображения высокого качества это является ключевым моментом, так как пропускная способность может быть ограничена конкретным типом инфраструктуры, однако ширина полосы пропускания не обязательно является критической.

Например, HD-видео при 1.5 Гб/с невозможно передать по сети Ethernet в 1 Гбит, но для этой цели может быть выделен весь канал. Следовательно, передача HD-видео может быть осуществлена, если задействовать всю ширину полосы пропускания и применить «легкое» JPEG 2000 сжатие для достижения как наивысшего качества, так и вписывания в ширину канала или, когда уместно, закодировать с использованием математического сжатия без потерь с целью исключения потерь видеоинформации.

Одним из наиболее значительных преимуществ формата JPEG 2000 является его гибкость. Возможна передача данных по множеству типов сетевых инфраструктур — Ethernet/IP, SONET/SDH/PDH и по оптоволокну. Когда данные упакованы с помощью JPEG 2000 в ASI-поток, то видео может передаваться везде, в любое время и на любое расстояние. JPEG 2000 выполняет независимое кодирование каждого поля и каждого кадра, яркости и цветности компонента.

Качество, которое достигается за счет математического сжатия без потерь, сравнимо с качеством математического сжатия с потерями. Видео может быть закодировано путем математического сжатия без потерь, но по причине недостаточной пропускной способности канала может обрезаться и преобразовываться в сжатие с потерями.

Конструктивно для JPEG 2000 характерным является одинаковый уровень сложности как для процесса кодирования, так и для процесса декодирования. Так как JPEG 2000 является симметричным кодеком, одно и то же аппаратное средство может быть предоставлено как в качестве кодера, так и в качестве декодера, в то время как асимметричные кодеки требуют совершенно разных аппаратных средств, особенно при высокой скорости передачи данных. Относительно низкая сложность JPEG 2000 имеет преимущества в стоимости, капитальных и эксплуатационных затратах, а также снижает расходы на электропитание сети.

Подводим итоги

Каждый из рассмотренных в статье кодеков играет свою индивидуальную роль в сфере качественной передачи данных. Кодеки H.264/MPEG-4 и MPEG‑2 по-прежнему актуальны в сфере профессионального телевещания. Они обеспечивают высокое качество в сетях с ограниченной пропускной способностью, но они не обязательно являются единственно правильным выбором во всех возможных сферах применения.

Формат JPEG 2000 обеспечивает высокое качество изображения и низкое время задержки при кодировании в несколько циклов. На сегодняшний день он подтвердил свою значимость во всех сферах видеотехнологий, в сфере передачи данных по IP- и 3G-сетям, а также в HD- и 3D-технологиях.

Помимо качества и инфраструктуры сети, в процессе сравнения и выбора метода сжатия необходимо учитывать степень затрат ресурсов и его стоимость. В целом, методы сжатия MPEG‑2 и H.264 являются дорогостоящими, энергозатратными и требуют применения сложных технологий.

Так как кодек JPEG 2000 по сравнению с другими требует меньше энергозатрат и в целом обеспечивает большую масштабируемость, гибкость и качество изображения, то перед ним открывается блестящее будущее. Все большее число ведущих мировых поставщиков услуг телевещания, а также телекомпаний используют JPEG 2000 для трансляции крупных, глобально значимых событий – особенно с использованием мощностей IP-сетей. Однако существующая ситуация постоянно изменяется, и, возможно, завтра перед нами предстанет новый, более «навороченный» метод сжатия.