H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding) — формат видеосжатия, с применением алгоритмов, более эффективных по сравнению с H.264 / AVC. Эра цифрового ТВ началась со стандарта MPEG-2, в то время как настоящей рабочей лошадкой для телевидения высокой четкости и интернет-видео (OTT) стал H.264/AVC. H.265 обещает повышение экономичности и большую масштабируемость экосистеме, которая сегодня характеризуется растущим спросом на видео по запросу и требованием все более и более высоких разрешений. Процесс кодирования и декодирования видео очень чувствителен к временным задержкам и вычислительной мощности системы. Рассматривая возможность перехода на H.265, необходимо учесть факторы , которые позволят убедиться, что выбор, сделанный в настоящее время, обеспечит надежную отдачу от инвестиций (ROI) в течение срока службы оборудования.
Авни Рэмбхия
Авни Рэмбхия
H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding) — формат видеосжатия, с применением алгоритмов, более эффективных по сравнению с H.264 / AVC. Эра цифрового ТВ началась со стандарта MPEG-2, в то время как настоящей рабочей лошадкой для телевидения высокой четкости и интернет-видео (OTT) стал H.264/AVC. H.265 обещает повышение экономичности и большую масштабируемость экосистеме, которая сегодня характеризуется растущим спросом на видео по запросу и требованием все более и более высоких разрешений. Процесс кодирования и декодирования видео очень чувствителен к временным задержкам и вычислительной мощности системы. Рассматривая возможность перехода на H.265, необходимо учесть факторы , которые позволят убедиться, что выбор, сделанный в настоящее время, обеспечит надежную отдачу от инвестиций (ROI) в течение срока службы оборудования.
Кодек H.265 / Сравнение с H.264
Применение HEVC
Выделим четыре области применения, в которых в 2014–2016 годах можно ожидать внедрения новой системы компрессии HEVC.
• UHDTV: Ultra High-Definition Television — первичная и вторичная дистрибуция видеоконтента с разрешением, превышающим HD. В ближайшей перспективе речь может идти о формате 4К, но в долгосрочной перспективе возможно применение и 8К.
• OTT: видео доставляется по нерегулируемым каналам сети Интернет. Применение HEVC интересно с точки зрения возможности доставки HD- и UHDTV-контента до конечных устройств (планшеты, Smart TV, игровые приставки) без дорогостоящей замены сетевой инфраструктуры. На развивающихся рынках, где широкополосный доступ или мобильные подключения не идут в ногу с запросами пользователей, HEVC можно использовать для доставки видео стандартного разрешения.
• Платное ТВ: Для существующих систем платного ТВ, использующих AVC и/или MPEG-2, переход на HEVC может занять больше времени, т.к. он зависит от жизненного цикла используемого оборудования. Подобным образом существующие системы бесплатного (FTA) телевидения ограничены в применении нового формата сжатия уже принятыми стандартами и большой базой устаревшего приемного оборудования.
• IPTV через DSL: операторы IPTV, работающие через DSL-соединение, испытывают трудности в связи с нехваткой полосы пропускания. Применение HEVC (теоретически) может позволить удвоить количество транслируемых ТВ-каналов без необходимости замены линий связи.
Кодеки: h.264 vs h.265. AVC vs HEVC.
В следующем разделе будут рассмотрены десять факторов, которые надо учитывать при выборе кодера HEVC, в контексте этих четырех вариантов применения.
Десять факторов оценки кодеров
I. Коэффициент сжатия и производительность.
Теоретически HEVC может обеспечить двукратное увеличение степени компрессии по сравнению с AVC. Алгоритмы HEVC более эффективны для высоких разрешений, таких как Ultra HD. Выигрыш будет зависеть и от типа видео — простые сюжеты, такие как говорящие головы, вряд ли выиграют в той же степени, что и динамичные сюжеты с большим количеством мелких деталей.
Ускоренные алгоритмы HEVC еще находятся в стадии разработки, сегодня прирост компрессии для живых потоков не так велик, как при сжатии файлов. В экспериментальных условиях, с неограниченным временем и ресурсами, возможно достичь теоретического удвоения степени компрессии Ultra HD. На практике норма составляет 15–30% для живых потоков, и 20–40% — при работе с файлами.
Эффективность сжатия является критическим фактором при любом применении HEVC. Задержка является крайне важным фактором для живого вещания, в частности спортивных программ и телепередач в Ultra HD. Для системы видео по запросу общая производительность (для задач транскодирования) является важным фактором, но не основной проблемой в краткосрочной перспективе.
II. Совместимость и взаимодействие.
В то время как HEVC стандартизирован МСЭ, вещательные стандарты (DVB, ATSC и др.), которые будут использоваться для передачи потоков, компрессированных в HEVC, пока еще не обновлены. В отсутствие стандартов вещания тестирование на совместимость — это сумма двусторонних усилий в масштабах всей экосистемы (производителей кодеров, процессоров, STB, дисплеев всех видов, а также разработчиков программного обеспечения). В этом контексте есть значительный риск упустить важные аспекты совместимости, имеющие отношение не столько к видеокодеку, сколько к тому, как он сочетается с другими компонентами среды (аудио, субтитры, метаданные).
Таким образом, при развертывании HEVC в ближайшем будущем нужно проверить, что:
• кодер соответствуют опубликованным стандартам телевещания;
• кодер совместим со всеми декодерами, доступными для конечных пользователей, а также с остальными частями экосистемы (условный доступ, вставка рекламы и др.);
• эта совместимость не сказывается на качестве кодирования.
Такая проверка является очень важной в случае запуска UHDTV-сервиса, потому что потребуется «выжать» максимум аппаратной производительности из кодера и декодера.
III. Плотность.
Плотность — это число кодируемых каналов, которые могут быть обработаны в одном устройстве, т.е. число каналов на юнит (Rack Unit или RU). Платформа ATEME TITAN (2014) может кодировать HEVC 36 живых HD-видео на 7 RU (4 потока на RU плюс резерв). Эта платформа обеспечивала такую же плотность при кодировании MPEG-4 AVC в 2011 году.
IV. Потребляемая мощность.
Компрессия HEVC требует значительно большей вычислительной мощности по сравнению с AVC. В краткосрочной перспективе кодеры HEVC будут потреблять значительно больше энергии, при условии, что упор будет сделан на достижении большей эффективности сжатия или меньшей задержки путем увеличения вычислительной мощности, а не внедрения эффективных алгоритмов. Энергоэффективность является ключевым показателем при учете операционных расходов, особенно в странах, где стоимость электроэнергии достаточно высока. Также это стоит учитывать, если возможности принудительного охлаждения стоек с кодирующим оборудованием ограничены. Кодеры HEVC при 8-битном кодировании сегодня потребляют в 3–4 раза больше энергии, чем сопоставимые AVC-кодеры, и еще больше при кодировании в 10 бит.
V. Поддержка чересстрочного контента.
Сегодня 70% контента телевидения высокой четкости транслируется с чересстрочной разверткой (1080i). Стандартное разрешение (480i или 576i) передается только в чересстрочном формате. Вся цепочка трансляции, от камер до телевизоров, поддерживает этот формат. HEVC, как правило, воспринимается как стандарт сжатия, предназначенный для прогрессивной развертки.
В отличие от MPEG-4 AVC, HEVC не включает в себя каких-либо инструментов, специально разработанных для чересстрочного содержимого. Однако исследования показывают, что кодеры HEVC могут одинаково эффективно сжимать видео как с прогрессивной, так и с чересстрочной разверткой (Larbier, P., «HEVC https://telesputnik.ru/materials/tekhnika-i-tekhnologii/article/10-faktorov-kotorye-nado-uchest-pri-vybore-hevc-kodera/» target=»_blank»]telesputnik.ru[/mask_link]
Для чего нужен кодек H.265 HEVC и почему он лучше H.264?
Что такое видеокодек Н.265 и почему он делает кодирование максимально эффективным?
H.265 (также называемый HEVC или «высокоэффективный видеокодек») — это технология сжатия видео, разработанная в начале 2010-х годов Группой экспертов по движущимся изображениям ISO/IEC и Группой экспертов по кодированию видео ITU-T (VCEG) и стал общепринятым стандартом кодирования в 2016 году. Большинство стандартов кодирования видео созданы с целью сделать кодирование максимально эффективным. По сравнению с H.264, H.265 может уменьшить размер файла видео до 50% при сохранении того же качества. Но важно отметить, что, несмотря на то, что H.265 уменьшает размер файлов, их кодирование и декодирование для воспроизведения требуют большей вычислительной мощности.
Как работает H.265?
Повышение эффективности достигается за счет другой стратегии кодирования. Более старая технология H.264 кодирует видео в блоки размером до 16×16 пикселей, называемые «макроблоками». В H.264 эти блоки имеют одинаковый размер на протяжении всего видео.
H.265 может кодировать области видео с различными размерами блоков, от 4×4 пикселей до 64×64 пикселей, называемых «единицами дерева кодирования». Это означает, что H.265 может кодировать видеоблоки, которые в четыре раза больше. А поскольку видеоблоки могут быть разных размеров, H.265 имеет лучшую компенсацию движения и улучшенную технологию прогнозирования. В совокупности эти улучшения позволяют снизить битрейт, а битрейт определяет, насколько велики размеры видеофайлов и какая пропускная способность сети требуется для отправки и получения видеопотока.
Напомним: H.265 обеспечивает более низкие битрейты для кодирования, что позволяет:
- Более низкая пропускная способность для потоковой передачи видео означает, что вы можете передавать больше видео с камер в потоке с пропускной способностью 10 Мбит/с.
- Меньший размер файла, что означает, что вы можете записать больше видео на тот же жесткий диск по сравнению с записью, закодированной в H.264.
Экономия памяти с H.265
Улучшенная стратегия кодирования, которую использует H.265, означает, что для него требуется более низкая скорость передачи данных, чем для H.264. Возможность понизить битрейт может привести к экономии памяти до 50%! В прошлом, если пользователь системы наблюдения хотел оптимизировать пространство для хранения, ему приходилось снижать разрешение и частоту кадров своих камер, чтобы установить более низкий битрейт. При снижении разрешения и частоты кадров качество изображения значительно ухудшается, а видео не такое плавное. Когда в настройках кодирования установлено значение H.265, пользователя может ожидать такое же количество деталей при вдвое меньшем битрейте.
Например, камера безопасности 4K в режиме H.264 будет записывать со скоростью примерно 8 Мбит/с, а в режиме H.265 она может записывать с тем же качеством со скоростью 4 Мбит/с. Однако важно отметить, что это дает экономию «до» 50%, а для H.265 4K рекомендуется битрейт 6 Мбит/с, чтобы избежать артефактов видео (артефакты видео — это заметные искажения изображения, звука, видео, вызываемые сжатием с потерями). Артефакты видео вызваны сбоями видео, которые могут возникнуть в процессе кодирования. Установка битрейта, слишком низкого для данного разрешения и частоты кадров, приведет к артефактам видео, независимо от того, является ли это H.264 или H.265.
Качество видео при кодировании H.264 и H.265
Если вы сравните два файла с одинаковым видео, один из которых закодирован с помощью H.264, а другой закодирован с помощью H.265 без каких-либо других значительных изменений в частоте кадров и разрешении, на самом деле не будет заметной разницы в качестве. Различия в качестве между ними действительно проявляются только тогда, когда вы пытаетесь сэкономить место на диске или транслировать видео через Интернет, уменьшая битрейт.
Используя приведенный выше пример битрейта и применив его к камерам видеонаблюдения, видеопоток 4K продолжительностью 60 секунд, закодированный с помощью H.264, будет иметь размер примерно 491 МБ (8192 Кбит/с x 60 секунд). Тот же 4K-видео, закодированный с помощью H.265, будет весить примерно 246 МБ (4096 Кбит/с x 60 секунд), что демонстрирует возможную экономию 50%. Но, как упоминалось в примере, использование H.265 со скоростью 4 Мбит/с приведет к снижению качества и внесению сбоев в видео. Используя предлагаемую скорость 6 Мбит/с для кодирования 4K H.265, размер файла составит около 368 МБ (6144 x 60 секунд).
Имейте в виду, что эти размеры файлов указаны в мегабитах с маленькой буквой «б» (МБ), а не в мегабайтах с большой буквой «Б» (МБ). Для значений в мегабайтах вы можете разделить число мегабитов на 8, чтобы получить количество мегабайт.
Важным выводом здесь является то, что нет существенной разницы в качестве видео между H.264 и H.265. Качество видео на самом деле зависит от битрейта видео. Установка битрейта, слишком низкого для любой из технологий кодирования, приведет к снижению качества и появлению артефактов видео. В то время как H.265 обеспечивает гораздо более низкий битрейт, H.264 может записывать высококачественное видео 4K, только с файлами большего размера.
Преимущества H.265 перед H.264
Статьи и обзоры систем автоматизации и безопасности
За прошедшие четыре года доминирующим видеокодеком в отрасли безопасности стал Н.264, но в последнее время ряд производителей и экспертов принялись весьма интенсивно «продавливать» Н.265. В связи с приходом нового кодека возникает ряд вопросов. Прежде всего общественность интересуется двумя: когда HEVC станет общеупотребительным и надолго ли всё это.
Однако редакцию интересуют чуть более глубоко зарытые вещи: например, кто получит основные выгоды от перехода на новый стандарт кодирования, и не является ли это очередным маркетинговым трюком, позволяющим сдвинуть рыночный баланс в сторону определённых игроков. Несомненно, с технической стороны новый формат отличается от своих предшественников. Просто хотелось бы убедиться в том, что все резервы «старого» Н.264 уже исчерпаны. Ведь смена формата — это, по сути, революция. Для успеха которой, как говорил дедушка Ленин, необходимо, чтобы «низы не хотели, а верхи не могли».
Заявляемые ключевые маркетинговые отличия — или, говоря простым языком, «фишка» кодека, называемого одновременно HEVC и H.265, состоят в том, что при том же самом качестве изображения видеопоток H.265 имеет вдвое меньший битрейт, чем поток, сжатый кодеком H.264. К примеру, если для передачи сжатого кодеком Н.264 видеопотока разрешением 1080p с частотой кадров 30 кадров в секунду битрейт составляет примерно 4 мегабита в секунду, то у изображения эквивалентного качества, сжатого новым кодеком Н.265, битрейт упадёт до 2 мегабит в секунду. Выглядит привлекательно, однако, как всегда, возникает вопрос о цене этого перехода.
Стоит ли овчинка выделки — решать, к сожалению, не нам с вами. Позиция редакции Security News известна. Мы выступаем за создание специализированного кодека, который учитывал бы все особенности и специфические требования, накладываемые на передачу видеоданных в системах безопасности.
Удивительно, но, несмотря на «мультимедийное» происхождение кодека Н.265, кое-что из «наших» потребностей здесь оказалось учтено (об этом читайте ниже). Последнее слово, как водится в серьёзных отраслях, всегда — за крупными производителями оборудования и систем. А «киты» индустрии безопасности вовсе не торопятся прибавлять единичку к имени кодека: с одной стороны, не так высока маневренность производственных мощностей, а с другой — слишком много средств в последние годы было инвестировано в раскрутку Н.264. Не пропадать же добру.
Технические отличия Н.265
Более высокая производительность нового кодека по сравнению с предшественниками обусловлена несколькими значительными структурными улучшениями. Определяющими из них являются три — изменение максимального размера блока, введение параллельного декодирования и реализация произвольного доступа к изображениям внутри видеопотока.
Максимальный размер блока в стандарте H.264 составляет 256 пикселов (16 x16), а в стандарте H.265 он может быть в 16 раз больше (4096 = 64 x 64). Интересно, что в стандарте Н.265 размер блока выбирается самим алгоритмом в процессе кодирования в зависимости от содержания кодируемого изображения. По утверждениям сторонников нового стандарта, изменяемый размер блоков и увеличение максимального предела этого размера позволят более эффективно обрабатывать изображения с высоким разрешением. Кстати, новый стандарт поддерживает пиксельные разрешения вплоть до 8192 х 4320 (35 мегапикселов) — самого высокого из современных телевизионных стандартов, также называемого 8К.
Возможность параллельного декодирования, предусмотренная в декодерах H.265, позволяет раздельно и одновременно обрабатывать различные части одного и того же кадра. Такая обработка может существенно ускорить воспроизведение и предоставляет возможность воспользоваться преимуществами многоядерных процессоров, завоевавших сегодня большую популярность на IT-ориентированных рынках. Кодек H.264 таких возможностей не предусматривал.
В новом стандарте предусмотрен произвольный доступ к изображениям (Clean Random Access). Это означает, что декодирование произвольно выбранного кадра видеопоследовательности производится без необходимости декодирования каких-либо предшествующих ему в потоке изображений. Для мультимедиа произвольный доступ не является критичным, а вот для видеонаблюдения, в особенности мониторинга в реальном времени, такая возможность весьма желательна: переключившись на определённый видеопоток из соображений оперативной необходимости, оператор должен мгновенно получить изображение на своём экране: в охранных приложениях одна-две секунды могут иметь решающее значение. Опустив сложные технические подробности того, как это реализовано в новом кодеке, стоит упомянуть, что здесь не требуется обязательная вставка в видеопоток промежуточных опорных кадров (I-frames), за счёт которых заметно увеличивается битрейт.
С точки зрения технических характеристик кодируемого видеосигнала, его «верхний» профиль Main 10 обеспечивает более высокое качество цветопередачи, поскольку предусматривает 10-битное цветовое кодирование, в то время как все существующие стандарты, включая «нижний» профиль Main 8 самого H.265, отводят на цветовой атрибут пиксела всего 8 бит.
В стандарте предусмотрены средства автоматического определения типа развёртки, однако, в отличие от предшественников, кодек изначально ориентирован на обработку видеоизображений, полученных путём прогрессивного сканирования. Но это не означает, что H.265 неспособен работать с чересстрочной развёрткой — разработчики учли тот факт, что достаточно большое количество находящихся в эксплуатации систем генерируют кадры из двух полей.
А вот чего существенно не хватает кодеку H.265: масштабируемого кодирования. Его планировалось реализовать ещё в H.264, однако по каким-то причинам сделать этого не удалось ни в одном из этих стандартов.
Наличие масштабирования позволило бы без лишних затрат вычислительной мощности на дополнительную обработку передавать изображения клиентам, использующим относительно медленные подключения к сети. В какой-то степени масштабирование способствует и более рациональному использованию средств хранения видеоданных в системах. В настоящее время масштабируемое кодирование стоит в ряду плановых расширений стандарта. По мнению экспертов, требование масштабируемости во многом продиктовано начинающимся бумом облачных технологий хранения и обработки данных.
Общие сведения о стандарте HEVC (H.265)
Стандарт HEVC (High Efficiency Video Coding, «высокоэффективное кодирование видеосигнала») определяет формат сжатия видеоизображений, предназначенный для замены ранее принятого стандарта H.264/MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding, «продвинутое кодирование видеосигнала»), совместно разработанного экспертной группой по видеоизображениям Moving Picture Experts Group (MPEG) Международной организации по стандартизации ISO и экспертной группой по кодированию видеосигнала Video Coding Experts Group (VCEG) Международного союза по телекоммуникациям. Первая группа разработчиков дала стандарту внутреннее название ISO/IEC 23008-2 MPEG-H, часть 2, а вторая — H.265.
Утверждается, что стандарт HEVC позволяет вдвое увеличить степень сжатия цифровых видеоданных по сравнению со своим предшественником либо существенно повысить качество изображения при сохранении показателя плотности потока данных. Новый алгоритм сжатия поддерживает стандарт сверхвысокой чёткости 8K и пиксельные разрешения изображений до 8192 х 4320.
Областями применения стандарта являются вещательное телевидение, мультимедиа, промышленное ТВ и видеонаблюдение. Дата официальной публикации первой версии стандарта — 13 апреля 2013 года. Ряд позиций, предполагавшихся к внедрению в стандарте, на момент его выпуска остался нереализованными, и в настоящее время объединённая команда экспертов работает над дальнейшими расширениями стандарта, самыми важными из которых являются масштабируемое кодирование и трёхмерное видео.
Что способствует повышению качества изображения
Большое количество производителей IT-продукции преподносят формат сжатия H.265 как средство повышения качества изображений. Следует отметить, что это в определённой мере является лукавством. В реальности у изображений, сжатых кодером H.265, качество ничуть не выше, чем у обработанных алгоритмом H.264, который, в свою очередь, с точки зрения качества ничуть не лучше, чем MPEG-4.
Поскольку во всех упомянутых кодеках предусмотрена возможность произвольно устанавливать степень сжатия, качество сжатой картинки зависит лишь от предпочтений пользователя. Другое дело — вписать видеоизображение в реалии технического окружения. Прежде всего это касается ресурсов пропускной способности сетей.
Если пропускная способность вашей сети передачи данных достаточна для передачи изображений, сжатых по стандарту H.264, то переход на компрессию H.265 не повлечёт за собой каких-либо улучшений в качестве изображения. Такой переход может лишь снизить битрейт, то есть несколько разгрузить вашу сеть. Единственный случай, когда переход на новый кодек будет способствовать повышению качества изображений — если из соображений экономии битрейта изображения сжимались кодеком Н.264 заведомо чрезмерно, и артефакты компрессии мешали эффективному считыванию деталей операторами и видеоаналитикой.
Cомнения и ограничения
Как и большинство современных видеокодеков, Н.265 максимально эффективен (то есть способен подтвердить маркетинговые ожидания) в относительно несложных сценах наблюдения, где отсутствуют резкие перепады контрастности и не наблюдается интенсивных перемещений объектов и фона. Обещанная экономия битрейта/объёма средств хранения в 50% прежде всего касается именно таких сцен. То есть в реальных условиях — на оживлённом перекрёстке или в торговом зале супермаркета — цифры экономии окажутся существенно меньшими.
Кроме этого, на сегодняшний день толком не востребованы все «экономические» преимущества кодека-предшественника. Большинство производителей оборудования и систем, в частности, так и не осуществили переход на более продвинутые варианты профилей H.264. В видеонаблюдении чаще всего используются три профиля этого стандарта.
Базовый профиль (Baseline) — это минимальная экономия полосы пропускания и минимальная нагрузка на вычислительные ресурсы. В последние несколько лет он приобрёл наибольшую популярность у вендоров. Главный профиль (Main) обеспечивает, согласно результатам независимых тестов, 10-30% улучшение показателей по сравнению с базовым. В последние несколько месяцев производители проявляют всё больший интерес именно к этому профилю. Высокий профиль (High) предоставляет ещё более существенные преимущества, однако на сегодняшний день вендоров, которые обеспечили совместимость с этим профилем, можно буквально пересчитать по пальцам.
Иными словами, производителям и без нового кодека есть куда развиваться, при этом не испытывая лишних рисков и двигаясь по относительно накатанному пути. Поскольку отрасль с переходом на IP-видео всё в большей степени становится «айтишной», здесь начинают работать соображения, свойственные сисадминам: то, что нормально работает, лучше не менять и вообще не трогать.
Есть ещё одна проблема, стоящая несколько особняком. Касается она физической реализации кодеков. Как показала практика, многие решения дешёвых одночиповых кодеров H.264 совершенно не приспособлены к продолжительной обработке видеопотоков с полной частотой кадров.
Поэтому в большинстве спецификаций содержится лукавое утверждение «до 30 кадров в секунду», которое вовсе не означает, что видеокодер окажется в состоянии обеспечивать стабильную передачу потоков заявленного максимального разрешения со скоростью 30 к/с. Поскольку кодек Н.265 предъявляет ещё более высокие требования к вычислительной мощности, весьма вероятно, что проблема сохранится или даже усилится. Как показывает отраслевая практика, производители определённого уровня всегда ведут игру на снижение цен, и в этой игре неминуемы потери качества и/или функциональности.
Иллюстрация из опубликованной 1-й версии стандарта: структурная схема типичной реализации кодека HEVC
Источник: www.ivtechno.ru