H.264 ή H.265; Προοπτικές στον τομέα των τεχνολογιών συμπίεσης βίντεο. Βελτιστοποίηση HEVC για την πλατφόρμα Intel® Xeon™. Τι βοηθά στη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας
Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να καταλάβουμε εάν ο κωδικοποιητής βίντεο νέας γενιάς ανταποκρίνεται στις προσδοκίες που τίθενται σε αυτόν;
Ο κωδικοποιητής βίντεο υψηλής απόδοσης επόμενης γενιάς (HEVC), γνωστός και ως H.265, ήταν ένα σημαντικό ορόσημο για τη βιομηχανία βίντεο το 2013. Έχουν ειπωθεί πολλά για το H.265 και τις νέες τεχνολογίες κωδικοποίησης βίντεο τους τελευταίους 12 μήνες, αλλά σήμερα είναι η πρώτη φορά που μπορείτε να καθίσετε και να ρίξετε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτόν τον κωδικοποιητή επόμενης γενιάς (παρόλο που είναι μόνο σε pre-alpha έκδοση) και δοκιμάστε την ποιότητα όσον αφορά την εργασία με βίντεο. Θα εξετάσουμε την ποιότητα εμφάνισης βίντεο και τα μεγέθη συμπίεσης ροής του νέου κωδικοποιητή σε ένα μόνο πλήκτρο, συγκρίνοντάς το με το προηγούμενο - H.264, και θα μελετήσουμε επίσης την απόδοση σε Sandy Bridge-E, Ivy Bridge και Haswell.
Οφέλη του H.265
Ο κωδικοποιητής H.264 ήταν ένα αρκετά επιτυχημένο έργο. Αυτός είναι ένας πολύ ευέλικτος κωδικοποιητής που χρησιμοποιείται ευρέως σε δίκτυα ροής βίντεο, δορυφορικές πλατφόρμες, καθώς και κατά την εγγραφή δίσκων Blu-ray. Είναι αρκετά καλό στην αναβάθμιση, γι' αυτό και έχει προταθεί ως στάνταρ για 3D στα 48-60 fps, ακόμη και 4K. Και αντιμετωπίζει αυτά τα καθήκοντα αρκετά καλά. Το πρότυπο που υιοθετήθηκε για δίσκους Blu-ray δεν περιλαμβάνει ακόμη συστάσεις σχετικά με αυτές τις τεχνολογίες, αλλά ο ίδιος ο κωδικοποιητής H.264 μπορεί να τις υποστηρίξει.
Το πρόβλημα με τον κωδικοποιητή H.264 είναι ότι, ενώ είναι καταρχήν ικανός να κωδικοποιεί βίντεο σε αυτές τις μορφές, δεν μπορεί να παρέχει μια αναλογία συμπίεσης που θα έκανε αποδεκτά τα προκύπτοντα μεγέθη αρχείων. Υποχρεούμαι νέο πρότυπο, το οποίο θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το μέγεθος των αρχείων που προκύπτουν μετά τη συμπίεση και, ως εκ τούτου, αξίζει διεθνής αναγνώριση ως μέσο προώθησης νέων μορφών βίντεο. Έτσι γεννήθηκε το H.265. Σχεδιάστηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να χρησιμοποιεί νέες τεχνολογίες συμπίεσης και όχι μόνο έξυπνο μοντέλοκωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση, η πιο οικονομική χρήση των πόρων καναλιού.
Σε αντίθεση με το H.264, το οποίο αν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη τηλεόρασης 4K, δεν δημιουργήθηκε για αυτήν τη μορφή και το H.265 αναπτύχθηκε λαμβάνοντας υπόψη όλες τις δυνατότητες του 4K, συμπεριλαμβανομένης της υποστήριξης για βίντεο 10 bit και υψηλή συχνότηταπλαίσια. Αυτή είναι μόνο η αρχή και η τρέχουσα, εμβρυϊκή έκδοση του κωδικοποιητή έχει ορισμένους περιορισμούς. Υποστηρίζει 8-bit χρώμα και δίνει χρωματικό μοντέλο YUV, όμως, αυτό δοκιμαστική έκδοσηπολλοί άνθρωποι θα ήθελαν να δουν στη δουλειά. Ως εκ τούτου, μια ομάδα ερευνητών, οπλισμένοι μόνο με έναν μεταγλωττισμένο κωδικοποιητή και μερικά δοκιμαστικά κλιπ, αποφάσισε να ελέγξει τι μπορεί να κάνει ο νέος κωδικοποιητής;
Το πρώτο πράγμα που τους ενδιέφερε ήταν τα μεγέθη των αρχείων. Οι ερευνητές αποφάσισαν να συγκρίνουν τα μεγέθη των στοιχειωδών ροών βίντεο. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι μιλούσαμε αποκλειστικά για βίντεο - ο ήχος δεν κωδικοποιήθηκε σε καμία από τις περιπτώσεις.
Τα μεγέθη κωδικοποίησης προσδιορίστηκαν από τις ρυθμίσεις του κβαντιστή, με χαμηλότερα q-scores να αντιστοιχούν σε υψηλότερη ποιότητα (και μεγαλύτερα μεγέθη αρχείων). Το βασικό κωδικοποιημένο αρχείο αποτελείται από 500 καρέ, το μέγεθός του είναι 1,5 GB, YUV 4:2:0, ο ρυθμός καρέ είναι 50 ανά δευτερόλεπτο. Το μη επεξεργασμένο μέγεθος αρχείου του αρχείου ροής χρησιμοποιήθηκε για σύγκριση επειδή αντιπροσωπεύει αυτό που μεταβιβάζεται στον αποκωδικοποιητή για τη δημιουργία της εικόνας εξόδου. Οι ερευνητές εργάστηκαν με στοιχειώδεις ροές γιατί σε αυτό το στάδιο του έργου (προ-άλφα δοκιμή), το μέγεθος του αποκωδικοποιημένου αρχείου είναι πάντα 1,5 GB, ανεξάρτητα από το επίπεδο ποιότητας που επιλέχθηκε κατά τη δημιουργία του.
Αυτό βοηθά στην κατανόηση της βάσης των πλεονεκτημάτων που μπορεί να προσφέρει το H.265 έναντι του H.264. Και παρόλο που στις περισσότερες περιπτώσεις δεν παρέχει εξοικονόμηση 50%. εύρος ζώνηςκανάλι, το αποτέλεσμα είναι κοντά σε αυτό το νούμερο. Όταν ορίζουμε q=24 στον κβαντιστή, παίρνουμε μέγεθος αρχείου 57% από αυτό που δημιουργήθηκε στο H.264, όταν ρυθμίσουμε q=30 – 59%, και το q=40 δίνει το 47%. Φυσικά, όταν ρυθμίζετε q=40, το τελικό αρχείο απέχει πολύ από το τέλειο, αλλά σας επιτρέπει να εξοικονομήσετε εύρος ζώνης περισσότερο από το μισό.
Απόδοση και ποιότητα εικόνας
Το επόμενο ερώτημα που ενδιέφερε τους ερευνητές ήταν η παραγωγικότητα. Είναι γνωστό ότι σε σύγκριση με το H.264, το H.265 απαιτεί περισσότερη ιπποδύναμη για κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση. Ωστόσο, οι προγραμματιστές υπόσχονται να ενισχύσουν τον ρόλο του παράλληλου υπολογισμού στην κωδικοποίηση και την αποκωδικοποίηση προκειμένου να επιταχυνθούν αυτές οι διαδικασίες. Το συμπέρασμα είναι ότι η υποστήριξη OpenCL θα γίνει πραγματική αργά ή γρήγορα, πράγμα που σημαίνει ότι προσφορές όπως το HAS της AMD μπορεί να λάβουν επιπλέον πόντουςαπό την υποστήριξη x265 φέτος.
Οι ερευνητές ήταν επί του παρόντος περιορισμένοι στην επιλογή επεξεργαστή, αλλά ο εκπρόσωπος του MultiCoreWare, Tom Vaughan, τους διαβεβαίωσε ότι η ομάδα ανάπτυξης εργαζόταν ενεργά στο multithreading. Η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να δοκιμάσει τις δυνατότητες του δοκιμαστικού αποκωδικοποιητή χρησιμοποιώντας Sandy Bridge-E, Ivy Bridge και Haswell. Οι ερευνητές πειραματίστηκαν με πολλά διαφορετικά επίπεδα παραλληλισμού, αλλά τελικά αποφάσισαν τον αριθμό των φυσικών πυρήνων στο σύστημα (6, 4 και 4). Η δυνατότητα υπερ-νηματοποίησης ενεργοποιήθηκε, αλλά η ρύθμιση της παραλληλοποίησης σε νήματα 12/8 επιτάχυνε ελαφρώς μόνο τη διαδικασία κωδικοποίησης.
Η παραλληλοποίηση έδειξε καλά αποτελέσματα απόδοσης. Το Sandy Bridge-E με τους έξι πυρήνες του είναι μπροστά από το τετραπύρηνο Ivy Bridge. Το Ivy Bridge είναι επίσης κατώτερο από το μοντέλο Haswell λόγω της υποστήριξης του τελευταίου AVX2 και των καλύτερων χαρακτηριστικών απόδοσης. Εάν συγκρίνετε τον χρόνο κωδικοποίησης με το x264, ακόμη και με τις πιο αργές ρυθμίσεις, η κωδικοποίηση με x265 διαρκεί πολύ περισσότερο. Για παράδειγμα, ένα αρχείο που το Ivy Bridge 3770K κωδικοποίησε σε H.264 σε 129 δευτερόλεπτα χρειάστηκε 247 δευτερόλεπτα για να κωδικοποιηθεί σε H.265. Ωστόσο, μην ξεχνάτε ότι μιλάμε για την πολύ, πρώτη δοκιμαστική έκδοση.
Όχι λιγότερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές ήταν το θέμα της ποιότητας. Πόσο διαφορετική θα είναι η ποιότητα ενός αρχείου βίντεο που κωδικοποιείται σε H.265 από το αρχικό ασυμπίεστο βίντεο; Για να μελετήσουν θέματα που σχετίζονται με την ποιότητα, οι ερευνητές αποφάσισαν να επιλέξουν ένα κομμάτι ενός αγώνα μπάσκετ. Το αρχείο, που καταγράφηκε στα 50 καρέ ανά δευτερόλεπτο, ήταν γεμάτο στιγμές που έδειχναν γρήγορες κινήσεις, οι οποίες πολύ συχνά οδηγούν σε παγώματα του επεξεργαστή ή «σπασμωδικές» εικόνες. Συμφωνώ, εάν αυτή η «ασθένεια» είναι επίσης χαρακτηριστική του H.265, τότε η ικανότητά του να δημιουργεί σχετικά μικρά αρχεία βίντεο θα αντισταθμιστεί από την κακή ποιότητα.
Το Elmedia Player για Mac υποστηρίζει κωδικοποιητές h.264 και h.265.
Ακολουθούν στιγμιότυπα οθόνης του αρχικού ασυμπίεστου βίντεο YUV, καθώς και ένα βίντεο κωδικοποιημένο σε H.265 με q=24 και ένα βίντεο κωδικοποιημένο σε H.264 με q=24.
Όπως μπορούμε να δούμε, η διαφορά εδώ είναι ελάχιστη. Το ξύλινο πάτωμα κάτω από το jumping player είναι λίγο λιγότερο θολό στην έκδοση H.264, αλλά η ποιότητα της έκδοσης H.265 είναι εκπληκτική, παρόλο που το μέγεθος του αρχείου είναι περίπου το μισό του μεγέθους. Τι γίνεται με εγκαταστάσεις με χαμηλότερη ποιότητα; Ακολουθούν στιγμιότυπα οθόνης βίντεο που κωδικοποιούνται σε H.265 και H.264 με q=30. Το πρώτο είναι ένα στιγμιότυπο οθόνης ενός βίντεο συμπιεσμένου σε H.265.
Κατά τη ρύθμιση του κβαντιστή q=30 (τα μεγέθη αρχείων είναι 6,39 MB και 10,87 MB, αντίστοιχα), η ποιότητα ροής βίντεο με χρήση του κωδικοποιητή H.265 αποδείχθηκε καλύτερη από εκείνη μιας ροής που κωδικοποιείται σε H.264. Φυσικά, η ομάδα ερευνητών που διεξήγαγε αυτά τα πειράματα δεν πρόκειται να λάβει τα αποτελέσματα ως απόλυτα - όπως πάντα, οι παράμετροι κωδικοποίησης που απαιτούν συντονισμό έχουν μεγάλη σημασία. Ωστόσο, μετά από περισσότερο από ένα χρόνο αναμονής, το «τζίνι» που ονομάζεται H.265 βγήκε επιτέλους από το μπουκάλι και είναι ήδη σαφές ότι το νέο πρότυπο συμπίεσης θα είναι σε θέση να ανταποκριθεί στις προσδοκίες που τίθενται σε αυτό.
Στο μεταξύ, η υποστήριξη κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης θα είναι διαθέσιμη σε πολλά προϊόντα πολύ σύντομα. Σύγχρονοι επεξεργαστέςπερισσότερο από έτοιμο για αποκωδικοποίηση H.265 αν έχετε το κατάλληλο λογισμικό. Η υποστήριξη OpenCL αναμένεται στις επόμενες επαναλήψεις. Και υποστήριξη υλικού από κατασκευαστές GPU- όπως η AMD, η Intel και η Nvidia - θέμα του εγγύς μέλλοντος. Μπορεί να μην εμφανιστεί στα επόμενα μοντέλα που πρόκειται να βγουν στην αγορά, αλλά σίγουρα θα εμφανιστεί στο άμεσο μέλλον. Αυτές οι τρεις εταιρείες έχουν ήδη συμπεριλάβει υποστήριξη για πρόσθετες πηγές βίντεο στα προϊόντα τους, όπως σημειώνεται στην παρουσίαση του H.265, καθώς το βίντεο γίνεται συνηθισμένο σε όλες τις συσκευές.
ΣΕ μακροπρόθεσμαΤο H.265 πιθανότατα θα αντικαταστήσει το H.264 ως την κορυφαία λύση για προηγμένη επεξεργασία βίντεο. Ωστόσο, όλα θα εξαρτηθούν επίσης από το πόσο περισσότερη εξάντληση της μπαταρίας θα είναι η διαδικασία επεξεργασίας βίντεο H.265 σε σύγκριση με το H.264. Θα μπορέσουμε να το μάθουμε μόνο όταν το πλήρες υλικό φαίνεται να λειτουργεί με αυτό το πρότυπο, αλλά μέχρι στιγμής οι υποθέσεις είναι πολύ αισιόδοξες. Το παράλληλο μοντέλο κωδικοποίησης H.265 θα πρέπει αναμφίβολα να έχει καλή απόδοση στο πλαίσιο των πολυπύρηνων συσκευών του μέλλοντος.
Επόμενη ενημέρωση Adobe PremiereΤο Pro CC 2015 μέχρι την έκδοση 9.1 έφερε τη δυνατότητα εξαγωγής στο πολυαναμενόμενο H265. Πολλοί όμως δεν το περίμεναν ισχυρούς υπολογιστέςΟ νέος κωδικοποιητής δεν θεωρείται καθόλου ισχυρός.
Για να είμαστε ειλικρινείς, η σύγκριση της ταχύτητας κωδικοποίησης του νέου κωδικοποιητή H265 (High Efficiency Video Coding) με τον κωδικοποιητή H264 είναι μια εντελώς άχαρη εργασία. Το HEVC μας προσφέρει σχεδόν το μισό bitrate με την ίδια οπτική ποιότητα εικόνας, σε σύγκριση με το H264. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για περιεχόμενο 4K και, ακόμη περισσότερο, για βίντεο σε ανάλυση 8K.
Η πρόοδος είναι αναπόφευκτη και οι υπολογιστές επεξεργασίας θα πρέπει ακόμα να ενημερωθούν. Θέλω να συγκρίνω τον χρόνο απόδοσης σε ένα έργο με ανάλυση FullHD.
Επιλογές βίντεο:αρχεία*.MTS, κωδικοποιητής AVC, 24 Mbs, διάρκεια 04:10.
Εφέ χρονοδιαγράμματος:Χρώμα Lumetry (χρησιμοποιούνται LUT, Levels, Saturation, Sharpen, Vignette), Magic Bullet Looks (χρησιμοποιείται το Cosmo).
Δοκιμαστικός υπολογιστής:
Επεξεργαστής: 6πύρηνος Intel Core i7 5820K @ 3,8 GHz
RAM: 32 GB DDR4 2400 MHz
Ας αποδώσουμε αυτό το βίντεο, μετρώντας τον χρόνο και παρατηρώντας τη φόρτωση του συστήματος.
Ρυθμίσεις εξαγωγής H264:Επίπεδο High 4,2 VBR 1pass 15-20 Mbps. Χρόνος εξαγωγής 81% - 10:18
Εξαγωγή ρυθμίσεων σε H265: VBR 1 πέρασμα 7-10 Mbps. Ποιότητα: Υψηλή. Χρόνος εξαγωγής 82% - 15:38
Με σε μεγάλο βαθμόη διαφορά ήταν μιάμιση φορά. Εάν ορίσετε την ποιότητα σε Υψηλότερη στις ρυθμίσεις H265, ο χρόνος εξαγωγής αυξάνεται σε περίπου μισή ώρα. Εκείνοι. Στη μέγιστη ποιότητα, το H265 αποδίδει περίπου 3 φορές μεγαλύτερο από το H264.Μιλάμε για ανάλυση FullHD.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το νέο HEVC προφανώς δεν υποστηρίζει την κάρτα γραφικών GeForce 960GTX. Υπάρχουν φήμες ότι υποτίθεται ότι χρειάζεστε μια κάρτα βίντεο 970 ή 980 Δεν υπάρχουν τέτοιες πληροφορίες στον ιστότοπο της Adobe. Σε κάθε περίπτωση, το φορτίο της CPU κατά την εξαγωγή φτάνει το 100%:
Για σύγκριση, κατά την απόδοση σε H264 χρησιμοποιώντας κάρτα βίντεο, το φορτίο στον επεξεργαστή είναι περίπου 40-50%:
Ένα ακόμη πράγμα πρέπει να γίνει κατανοητό: εάν είχα μια πιο γρήγορη κάρτα βίντεο και ο επεξεργαστής ήταν πιο αργός (για παράδειγμα, ένα i7 4 πυρήνων), τότε η διαφορά στο χρόνο θα μπορούσε, για παράδειγμα, να μην είναι 3-πλάσια, αλλά 5- πάσο, δηλ. Προς. Το H264 σε μια κάρτα βίντεο θα απέδιδε ακόμη πιο γρήγορα και το H265 σε μια CPU θα απέδιδε πιο αργά.
Το YouTube ήταν επίσης λίγο έκπληξη. Μετά τη φόρτωση του βίντεο στο H265, εμφανίστηκε το ακόλουθο μήνυμα:
Ίσως το YouTube απαιτεί κωδικοποίηση H265 σε ένα συγκεκριμένο προφίλ, δεν ήθελα πραγματικά να το καταλάβω, οπότε ανέβασα την έκδοση H264. Παρεμπιπτόντως, το YouTube ανακοίνωσε υποστήριξη για βίντεο σε ανάλυση 8K, επομένως τα προβλήματα με το HEVC στο YouTube θα πρέπει σύντομα να εξαφανιστούν.
Στο εγγύς μέλλον σκοπεύω να δω τη διαφορά κατά την εξαγωγή βίντεο σε 4K. Είναι πιθανό η έλλειψη υποστήριξης υλικού GPU να αυξήσει σημαντικά τη διαφορά κατά την κωδικοποίηση σε αυτές τις δύο μορφές.
Η τεχνολογία συμπίεσης βίντεο αποτελεί εμπόδιο στο σχεδιασμό συστημάτων βιντεοεπιτήρησης από την εμφάνιση του Πρωτοκόλλου Διαδικτύου (IP) τη δεκαετία του 1990. Από τότε, τα πρότυπα για την κωδικοποίηση βίντεο έχουν περάσει από πολλά στάδια έρευνας. Σήμερα η προσοχή της βιομηχανίας έχει επιστηθεί στο πρότυπο συμπίεσης H.265 ή HEVC (High Efficiency Video Coding - υψηλής απόδοσης κωδικοποίηση βίντεο). Αυτό επόμενη έκδοσημετά το H.264, που είναι σήμερα η κυρίαρχη τεχνολογία κωδικοποίησης βίντεο IP. Θα προσπαθήσουμε να καταλάβουμε ποιες είναι οι προοπτικές του σήμερα και στο μέλλον.
Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας H.265 μπορεί να περιπλέκεται από τη διαθεσιμότητα του βελτιστοποιημένου H.264, της καλύτερης κωδικοποίησης για συστήματα παρακολούθησης βίντεο
H.265: καταλαβαίνοντας τι και γιατί
Το πρότυπο H.265 ήταν μια σημαντική πρόοδος στην κωδικοποίηση βίντεο. Ένα από τα πλεονεκτήματά του είναι ότι διπλασιάζει την απόδοση συμπίεσης του H.264. Έτσι, κατά τη μετάδοση εικόνων παρόμοιας ποιότητας, το H.265 χρησιμοποιεί μόνο το μισό bitrate από τον προηγούμενο κωδικοποιητή. Αυτό μειώνει δραματικά τις απαιτήσεις εύρους ζώνης και αποθήκευσης, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική χρήση τόσο του υλικού όσο και του λογισμικό. Οι χρήστες λαμβάνουν ουσιαστικά περισσότερες δυνατότητες με λιγότερα. Εξαιτίας αυτού, οι περισσότεροι κατασκευαστές υλικού υποστηρίζουν την εφαρμογή του προτύπου συμπίεσης H.265 για παρακολούθηση βίντεο. Έτσι, μπορεί σύντομα να δούμε το H.265 ως το επόμενο πρότυπο.
Όμως, παρά όλα τα πλεονεκτήματα, το H.265 απέχει ακόμα πολύ από τη μαζική υιοθέτηση. Γεννιέται το ερώτημα: υπάρχει κάποιος τρόπος με τον οποίο οι χρήστες μπορούν να βελτιστοποιήσουν τη μετάδοση της εικόνας πριν διαταραχθεί η βιομηχανία παρακολούθησης βίντεο; Μετά από όλα, η δημοτικότητα των βίντεο υψηλή ανάλυσηαυξάνεται και η ζήτηση δημιουργεί προσφορά.
Οι πρόσφατες εξελίξεις για τον τρέχοντα κωδικοποιητή H.264 βελτιστοποιούν τον ρυθμό μετάδοσης bit με τρεις τρόπους: κωδικοποίηση πρόβλεψης, καταστολή θορύβου και «μακροπρόθεσμο» έλεγχο ρυθμού bit. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση των απαιτήσεων μνήμης έως και 75% για το H.264. Λόγω αυτών των καινοτομιών και πολλών άλλων παραγόντων, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα και τα δύο πρότυπα να συνυπάρχουν ειρηνικά στην αγορά τα επόμενα 5-10 χρόνια.
Εμπόδια στην υιοθεσία H.265
Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας H.265 πιθανότατα θα παρεμποδιστεί από τη διαθεσιμότητα βελτιστοποιημένης κωδικοποίησης H.264, καθώς και από το κόστος αναβάθμισης των υπαρχόντων συστημάτων σε H.265. Επιπλέον δυσκολίες θα προκύψουν με αλλαγές διαδικασίες παραγωγήςνα κυκλοφορήσει εξοπλισμός που υποστηρίζει H.265 και με πατέντες, για τις οποίες θα μιλήσουμε αργότερα. Κατ' αρχήν, το H.264 παραμένει ένα βιώσιμο και εφαρμόσιμο πρότυπο για τη συντριπτική πλειονότητα των συστημάτων παρακολούθησης βίντεο. Σήμερα, εκπληρώνει πλήρως τις λειτουργίες του - και, πρέπει να ομολογήσω, αρκετά καλά.
Με υψηλότερο κόστος, οι χρήστες θα πρέπει να είναι σίγουροι ότι η αναβάθμιση σε H.265 αξίζει πραγματικά τον κόπο
Περιορισμοί Εργαστηριακών Ελέγχων
Σύμφωνα με δοκιμές που διενεργήθηκαν από την Κοινή Συνεργατική Ομάδα για την Κωδικοποίηση Βίντεο (JCT-VC), ο λόγος συμπίεσης του H.265 έχει διπλασιαστεί σε σύγκριση με το προηγούμενο H.264. Αλλά, όπως θα περίμενε κανείς, αυτές οι δοκιμές διεξήχθησαν σε εργαστηριακές συνθήκες και απέχουν πολύ από πολλές από τις πολυπλοκότητες που προκύπτουν στη διαδικασία της πραγματικής χρήσης του προτύπου.
Η κωδικοποίηση σε πραγματικό χρόνο διατηρώντας παράλληλα μια ισορροπία μεταξύ της πολυπλοκότητας του αλγορίθμου και των δυνατοτήτων συμπίεσης είναι αυτό που θέλουμε να δούμε στην ανάπτυξη του H.265. Στην πράξη, η ικανότητα συμπίεσης του κωδικοποιητή H.265 ενδέχεται να μην παρέχει 100% βελτίωση σε σχέση με το H.264, παρά τα όσα ισχυρίζεται ότι κάνει.
Το πρότυπο H.264 έχει υιοθετηθεί από τη βιομηχανία για πάνω από 10 χρόνια, με υποστήριξη από όλους τους κατασκευαστές chipset και πρόσβαση σε μεγάλη ποικιλία κωδικοποιητών και αποκωδικοποιητών. Αυτό έχει δοκιμαστεί και αποδειχθεί στην πράξη. Υπό αυτή την έννοια, η τεχνολογία H.265 θα έχει πολλά να κάνει.
Τιμή πατέντας
Ένα άλλο πρόβλημα που μπορεί να εμποδίσει τη μαζική διανομή του προτύπου H.265 είναι η ανάγκη αγοράς διπλώματος ευρεσιτεχνίας. Πολλοί ιδιοκτήτες επιχειρήσεων έχουν ήδη ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το H.264, ενώ το H.265 στα αρχικά του στάδια δεν είναι πολύ συνηθισμένο στον κλάδο και οι επιχειρήσεις που το κατέχουν δεν σχετίζονται. Το αποτέλεσμα της χαμηλής ζήτησης για το νέο πρότυπο είναι ένα πολύ υψηλότερο κόστος διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας - ένα βασικό ζήτημα που πρέπει να εξετάσουν σοβαρά οι επιχειρήσεις ασφάλειας είναι πώς θα επηρεάσει την παραγωγή και, ως εκ τούτου, την τιμή για τον τελικό καταναλωτή. Κατά την εισαγωγή ενός νέου προτύπου, η τιμή είναι πράγματι ένας κρίσιμος παράγοντας, ειδικά εάν οι χρήστες πρέπει να αντικαταστήσουν τόσο το front-end όσο και το back-end του συστήματος προκειμένου να επωφεληθούν από τη βελτιωμένη συμπίεση βίντεο. Πληρώνοντας πολλές φορές περισσότερα, ο καταναλωτής θα πρέπει να είναι σίγουρος ότι η αναβάθμιση αξίζει πραγματικά τον κόπο.
Βελτιστοποιημένες τεχνολογίες κωδικοποίησης H.264
Παρά τα παραπάνω επιχειρήματα, ο κύριος λόγος που πιστεύουμε ότι το H.265 δεν θα γίνει η κυρίαρχη λύση κωδικοποίησης στο εγγύς μέλλον είναι η απλή έλλειψη ζήτησης - αρκετοί καινοτόμοι κατασκευαστές έχουν εισαγάγει βελτιστοποιημένες τεχνολογίες κωδικοποίησης H.264 και δεν υπάρχει ανάγκη για H.265 αλλά απλώς όχι. Αυτό το γεγονός μπορεί να ονομαστεί «λύση σε ένα πρόβλημα που δεν έχει ακόμη προκύψει».
Οι βελτιστοποιημένες τεχνολογίες H.264 χρησιμοποιούν προγνωστική κωδικοποίηση για να μειώσουν τον ρυθμό μετάδοσης bit που δαπανάται σε μια σταθερή εικόνα φόντου
Από την κυκλοφορία της τεχνολογίας H.264 το 2003, η βιομηχανία ασφαλείας αναπτύσσει κωδικοποιητές βίντεο υψηλής απόδοσης σε μια προσπάθεια να βελτιώσει την ποιότητα εικόνας για συστήματα παρακολούθησης βίντεο. Προσθέστε σε αυτό την αυξανόμενη δημοτικότητα του βίντεο υψηλής ποιότητας, την αύξηση των απαιτήσεων ρυθμού bit και ανάλυσης, και γίνεται σαφές ότι το κόστος των στοιχείων του συστήματος στο σύνολό του έχει αυξηθεί. Τεράστιος αριθμόςδεδομένα βίντεο από κάμερες CCTV σημαίνει ότι οι χρήστες πρέπει να επενδύσουν σε συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις αποθήκευσης.
Προγνωστική κωδικοποίηση
Πώς βελτιώνεται ο κωδικοποιητής H.264; Πρώτον, η βασική έρευνα για τη συμπίεση βίντεο διεξάγεται σε διάφορες βιομηχανίες. Για παράδειγμα, σε οποιοδήποτε βίντεο από κάμερες, οι χρήστες δίνουν πρώτα προσοχή στα κινούμενα αντικείμενα και μετά στο στατικό μέρος της εικόνας. Εάν το φόντο δεν αλλάξει, μπορεί να κωδικοποιηθεί ως πλαίσιο αναφοράς. Οι βελτιστοποιημένες τεχνολογίες H.264 χρησιμοποιούν προγνωστική κωδικοποίηση για τη μείωση του ρυθμού bit που χάνεται σε μια στατική εικόνα φόντου. Με την εφαρμογή αυτής της προγνωστικής κωδικοποίησης σε όλο το σύστημα, οι χρήστες εξοικονομούν σημαντικό εύρος ζώνης και κόστος αποθήκευσης.
Μείωση θορύβου
Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο της βελτιστοποίησης H.264 είναι η μείωση του θορύβου.
Ο θόρυβος ή ένα ανεπιθύμητο ηλεκτρικό σήμα που εμφανίζεται σε μια ροή βίντεο, είναι μια σοβαρή παρεμβολή σε ένα ψηφιακό σήμα βίντεο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να εμφανίζονται πολλά εξωτερικά pixel στο φόντο της εικόνας, που προκαλούνται από διακυμάνσεις στο φως, τη θερμοκρασία ή άλλα σήματα στον αέρα. Ωστόσο, οι βελτιστοποιημένες τεχνολογίες H.264 που χρησιμοποιούν έξυπνους αλγόριθμους ανάλυσης καταστέλλουν το μεγαλύτερο μέρος του θορύβου κωδικοποιώντας το αντικείμενο προσκηνίου της εικόνας με περισσότερα υψηλή ταχύτηταμεταφορά δεδομένων σχετικά εικόνα φόντου. Το αποτέλεσμα: ευκρινείς εικόνες με ακριβή αναπαραγωγή χρωμάτων.
Μακροπρόθεσμος έλεγχος bitrate
Τέλος, οι απαιτήσεις bitrate για οποιαδήποτε δεδομένη σκηνή ενδέχεται να κυμαίνονται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για παράδειγμα, σε μια τυπική σκηνή του δρόμου τη νύχτα, υπάρχει μικρή κίνηση στο προσκήνιο, επομένως οι απαιτήσεις bitrate είναι χαμηλές. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, οι απαιτήσεις αυξάνονται σημαντικά λόγω οχήματακαι πεζοί που κινούνται μπροστά και στο βάθος. Σύγχρονες τεχνολογίεςΗ κωδικοποίηση H.264 ελέγχει αυτήν την κατανομή χρόνου υπολογίζοντας τον συνολικό μέσο ρυθμό μετάδοσης bit και στη συνέχεια εκχωρώντας αυτόματα τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης bit την ώρα της ημέρας που απαιτείται. Αυτό συμβαίνει σε επίπεδο ορίσετε τιμέςαποκρυπτογράφος Εδώ, το κύριο πλεονέκτημα του μακροπρόθεσμου ελέγχου του bitrate είναι ότι οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να προβλέψουν με ακρίβεια τις απαιτήσεις αποθήκευσης βίντεο, έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί το απαιτούμενο μέγεθος αποθήκευσης.
***
Σήμερα, αυτά τα πλεονεκτήματα του H.264 υπερβαίνουν αυτά που προσφέρει το πρότυπο H.265. Μεταξύ άλλων, το H.264 έχει μια σειρά από άλλα πλεονεκτήματα: συμβατότητα με υπάρχοντα συστήματα, χαμηλότερο κόστος παραγωγής, μεγαλύτερη γκάμα προϊόντων στα οποία μπορεί να εφαρμοστεί ο κωδικοποιητής και μικρότερος κίνδυνος ευρεσιτεχνίας.
Οι εξελίξεις συμπίεσης βίντεο τείνουν γενικά να ακολουθούν έναν κύκλο περίπου 10 ετών. Το 1994, εισήχθη η μορφή MPEG2. Το H.264 ξεκίνησε το 2003 και το H.265 το 2013. Στην περίπτωση αυτή, το ιστορικό πλαίσιο είναι σπουδαίος, επειδή τα πρότυπα κωδικοποίησης βίντεο ανταποκρίνονται όχι μόνο στις τεχνολογικές αλλαγές, αλλά και στις τάσεις σε όλη τη βιομηχανία βίντεο. Όταν το MPEG2 ήταν το πρότυπο, η βιομηχανία επικεντρωνόταν κυρίως σε συσκευές αναπαραγωγής DVD και αναλύσεις τηλεόρασης που χρησιμοποιούσαν τη μορφή. Η εμφάνιση του H.264 συνέπεσε με την εισαγωγή της τεχνολογίας HD, των προηγμένων τεχνολογιών πληροφορικής και του mobile Internet.
Οι χρήσεις του H.264 περιελάμβαναν ψηφιακή τηλεόραση HD, βίντεο Διαδικτύου, βίντεο για κινητά, CCTV, Blu-Ray, κ.λπ. Καθώς το H.265 μόλις έρχεται στη σκηνή, πιστεύουμε ότι θα χρησιμοποιηθεί ευρύτερα στην ανάπτυξη τεχνολογιών ultra-HD και εφαρμογών αποθήκευσης cloud.
Προοπτικές ανάπτυξης τεχνολογίες συμπίεσης βίντεο
Μετά την έναρξη του H.265, μέλη των Ηνωμένων κοινή ομάδασχετικά με την κωδικοποίηση βίντεο (JCT-VC) έχουν αρχίσει να κάνουν μελλοντικές προβλέψεις για αυτό το τμήμα. Το 2015, δημιούργησαν την Joint Video Exploring Team (JVET), εστιάζοντας στην περαιτέρω βελτίωση των δυνατοτήτων συμπίεσης. Τα τελευταία δεδομένα δοκιμών τους δείχνουν 20% βελτίωση στην απόδοση συμπίεσης H.265. Ταυτόχρονα, ένας άλλος οργανισμός - η AOM (Alliance for Open Media) - ένωσε μια σειρά από εταιρείες προσανατολισμένες στο Διαδίκτυο, μεταξύ των οποίων συμπεριλαμβανομένης της Microsoft, η Google, η Intel και η Amazon, με στόχο να καταλήξουν σε ένα δωρεάν πρότυπο για βίντεο στο Διαδίκτυο. Το σχέδιο είναι ότι αυτό το (δωρεάν) πρότυπο θα επιταχύνει τις τεχνολογικές αναβαθμίσεις στον διαδικτυακό κόσμο με ιλιγγιώδη ταχύτητα.
Ο ανταγωνισμός για την ανάπτυξη αυτών των προτύπων είναι πιθανό να είναι έντονος - και θα μπορούσε επίσης να σημαίνει ότι ο 10ετής κύκλος συμπίεσης θα ξεχαστεί και τα νέα πρότυπα θα εμφανιστούν σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα.
Βίντεο 4Kκαταλαμβάνει πολύ χώρο, καθιστώντας δύσκολη τη φόρτωση και ροήςστην καλύτερη ποιότητα. Ευτυχώς, μια τεχνολογία το αλλάζει αυτό, και είναι γνωστό ως Κωδικοποίηση βίντεο υψηλής απόδοσης (HEVC) ή H.265.
Θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να γίνει πανταχού παρούσα αυτή η νέα τεχνολογία, αλλά συμβαίνει: Το 4K UHD Blu-ray χρησιμοποιεί HEVC, το VLC 3.0 παίζει 4K χρησιμοποιώντας αξιόπιστο HEVC και το iPhone μπορεί ακόμη και να αποθηκεύσει εγγεγραμμένο βίντεο σε HEVC για εξοικονόμηση μνήμης.
Πώς λειτουργεί όμως και γιατί είναι τόσο σημαντικό για βίντεο 4K;
Τρέχον πρότυπο: AVC/H.264
Όταν παρακολουθείτε έναν δίσκο Blu-ray, ένα βίντεο YouTube ή μια ταινία iTunes, όλα έχουν το ίδιο αρχείο προέλευσης, το οποίο αποκτήθηκε στο στούντιο μοντάζ. Για να δημοσιεύσετε αυτήν την ταινία Δίσκος Blu-rayή να το κάνετε αρκετά μικρό ώστε να μπορεί να ληφθεί εύκολα από το Διαδίκτυο, το βίντεο θα πρέπει να είναι συμπυκνωμένο.
Το AVC χρησιμοποιεί επίσης συμπίεση μεταξύ πλαισίων, το οποίο εξετάζει πολλά καρέ και σημειώνει ποια μέρη του πλαισίου αλλάζουν και ποια όχι. Ο αλγόριθμος συμπίεσης επεκτείνει επίσης το πλαίσιο σε μακρομπλόκ και λέει: «Ξέρεις τι; Αυτά τα κομμάτια δεν αλλάζουν για 100 καρέ στη σειρά, οπότε ας τα αποδώσουμε ξανά αντί να αποθηκεύσουμε όλα τα μέρη της εικόνας 100 φορές." Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά το μέγεθος του αρχείου.
Αυτά είναι μόνο δύο απλοποιημένα παραδείγματα χρήσης Μέθοδοι AVC/H.264. Ωστόσο, σας επιτρέπουν να κάνετε το αρχείο βίντεο πιο αποτελεσματικό χωρίς συμβιβασμούς στην ποιότητα.
Φυσικά, οποιοδήποτε βίντεο θα χάσει την ποιότητα εάν το συμπιέζετε υπερβολικά, αλλά όσο πιο έξυπνες είναι αυτές οι μέθοδοι, τόσο περισσότερο μπορείτε να συμπιέσετε ένα βίντεο χωρίς μεγάλη απώλεια.
Το HEVC/H.265 συμπιέζει το βίντεο πιο αποτελεσματικά
Η κωδικοποίηση βίντεο υψηλής απόδοσης, γνωστή και ως HEVC ή H.265, είναι το επόμενο βήμα σε αυτήν την εξέλιξη. Εφαρμόζει πολλές από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο AVC/H.264 για την κατασκευή ακόμα πιο αποτελεσματική συμπίεση βίντεο.
Για παράδειγμα, όταν το AVC σαρώνει πολλά καρέ για αλλαγές, τα μακρομπλόκ μπορεί να έχουν πολλά διαφορετικές μορφέςκαι μεγέθη, έως το μέγιστο 16x16 pixel. Με το HEVC, αυτά τα τμήματα μπορεί να έχουν μέγεθος έως 64x64, το οποίο είναι πολύ μεγαλύτερο από 16x16, που σημαίνει ότι ο αλγόριθμος μπορεί να θυμάται λιγότερα τμήματα, μειώνοντας έτσι το μέγεθος του συνολικού βίντεο.
Και πάλι, το HEVC χρησιμοποιεί διαφορετικές τεχνικές, αλλά αυτή είναι μια από τις μεγαλύτερες βελτιώσεις - επιτρέπει στο HEVC να συμπιέζει το βίντεο δύο φορές περισσότερο από το AVC στο ίδιο επίπεδο ποιότητας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για βίντεο 4K, το οποίο παίρνει τεράστιος χώροςμε AVC. Το HEVC κάνει το βίντεο 4K πολύ πιο βολικό για ροή, λήψη ή αντιγραφή στον σκληρό σας δίσκο.
Το HEVC είναι πιο αργό χωρίς αποκωδικοποίηση υλικού
Το HEVC είναι εγκεκριμένο πρότυπο από το 2013, οπότε γιατί δεν χρησιμοποιείται σε όλα τα βίντεο;
Οι αλγόριθμοι συμπίεσης H.265 είναι πολύπλοκοι– ο υπολογισμός αυτής της διαδικασίας εν κινήσει απαιτεί πολλά «μαθηματικά». Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι με τους οποίους ένας υπολογιστής μπορεί να αποκωδικοποιήσει αυτό το βίντεο: αποκωδικοποίηση λογισμικού, στο οποίο χρησιμοποιεί τον επεξεργαστή του υπολογιστή για να εκτελέσει αυτούς τους υπολογισμούς και αποκωδικοποίηση υλικού, στο οποίο μεταφέρει το φορτίο στην κάρτα γραφικών (ή στο ενσωματωμένο τσιπ γραφικών στον επεξεργαστή). Κάρτα γραφικώνΕίναι πολύ πιο αποτελεσματικό εάν έχει εγγενή υποστήριξη για τον κωδικοποιητή του βίντεο που προσπαθείτε να παίξετε.
Έτσι, αν και πολλοί υπολογιστές και προγράμματα μπορούν δοκιμήαναπαραγωγή βίντεο HEVC, μπορεί να τραυλίζει ή να είναι πολύ αργή χωρίς αποκωδικοποίηση υλικού. Επομένως, το HEVC δεν θα κάνει πολύ καλό, εκτός εάν έχετε κάρτα βίντεο και πρόγραμμα αναπαραγωγής βίντεο που υποστηρίζουν αποκωδικοποίηση HEVC υλικού.
Αυτό δεν είναι πρόβλημα για αυτόνομες συσκευέςαναπαραγωγή Συσκευές αναπαραγωγής Blu-ray 4K, συμπεριλαμβανομένων Xbox One, έχουν ήδη σχεδιαστεί με γνώμονα το HEVC. Αλλά όταν πρόκειται για αναπαραγωγή βίντεο HEVC σε υπολογιστή, τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα.
Η συσκευή σας θα χρειαστεί ένα από τα παρακάτω υλικά για γρήγορη αποκωδικοποίηση βίντεο HEVC:
- Intel 6ης γενιάς "SkyLake" ή νεότεροι επεξεργαστές
- AMD 6ης γενιάς "Carizzo" ή νεότερες APU
- NVIDIA GeForce GTXΚάρτες γραφικών 950, 960 ή νεότερες
- AMD RadeonΚάρτες γραφικών R9 Fury, R9 Fury X, R9 Nano ή νεότερες κάρτες γραφικών
Θα χρειαστεί επίσης να χρησιμοποιήσετε λειτουργικό σύστημακαι ένα πρόγραμμα αναπαραγωγής βίντεο που υποστηρίζει όχι μόνο βίντεο HEVC, αλλά και αποκωδικοποίηση HEVC υλικού - αυτό το σημείο είναι λίγο "θολό". Πολλές εφαρμογές έχουν υποστήριξη για αποκωδικοποίηση HEVC υλικού, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να λειτουργήσει μόνο με ορισμένες από τις δυνατότητες από την παραπάνω λίστα. Ίσως χρειαστεί ενεργοποιήστε την επιτάχυνση υλικούστη συσκευή αναπαραγωγής σας ώστε να λειτουργεί σωστά.
Όσο περνά ο καιρός, περισσότεροι υπολογιστές θα μπορούν να χειρίζονται αυτού του τύπου βίντεο και περισσότεροι παίκτες θα υποστηρίζουν το H.265. Μπορεί να χρειαστεί λίγος χρόνος για να διαδοθεί το πρότυπο και μέχρι τότε θα πρέπει να αποθηκεύσετε τα βίντεό σας 4K σε AVC/H.264 στο μεγάλα μεγέθηαρχεία (ή να τα συμπιέσετε περισσότερο και να χάσετε την ποιότητα της εικόνας). Αλλά όσο περισσότερο υποστηρίζεται το HEVC/H.265, τόσο καλύτερο θα είναι το βίντεο.
- Μετάφραση
Η τρέχουσα κατάσταση στον τομέα των κωδικοποιητών πολυμέσων μπορεί να περιγραφεί με λίγες μόνο λέξεις: απλές λύσειςέχουν εξαντλήσει τον εαυτό τους. Κάθε χρόνο, το υλικό για την κωδικοποίηση γίνεται όλο και πιο περίπλοκο και οι απαιτήσεις για την ποιότητα του αποτελέσματος είναι ολοένα και μεγαλύτερες. Υπό αυτές τις συνθήκες, όταν μια κατά μέτωπο επίθεση δεν έχει πλέον κανένα αποτέλεσμα, ιδιαίτερο νόημακερδίζει βελτιστοποίηση τόσο της κωδικοποίησης όσο και της αναπαραγωγής πολυμέσων για συγκεκριμένες πλατφόρμες χρησιμοποιώντας τα μέγιστα σύγχρονες δυνατότητες. Θα δείξουμε τι μπορεί να επιτευχθεί με μια τέτοια βελτιστοποίηση χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του πολλά υποσχόμενου κωδικοποιητή H.265. Ως πλατφόρμα στόχου, σκεφτείτε λύση διακομιστήΕπεξεργαστής Intel - Xeon.
Σύντομη περιγραφή του H.265/HEVC
Το πρότυπο H.265/HEVC (High-Efficiency Video Coding) είναι το πιο πρόσφατο πρότυπο κωδικοποιητή βίντεο που αναπτύχθηκε από κοινού από τη Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών ITU-T και ISO/IEC. Ο στόχος αυτού του προτύπου είναι να βελτιώσει την απόδοση συμπίεσης και να μειώσει την απώλεια δεδομένων. Το H.265/HEVC, σε σύγκριση με το προηγούμενο πρότυπο H.264/AVC, έχει διπλάσιο υψηλού βαθμούσυμπίεση με ίδια υποκειμενική ποιότητα εικόνας. Η τεχνολογία HEVC επιτρέπει στους παρόχους βίντεο να παρέχουν περιεχόμενο βίντεο υψηλής ποιότητας με λιγότερα έξοδα δικτύου.Ας σημειώσουμε τις κύριες λειτουργικές καινοτομίες που εφαρμόζονται στο H.265:
- Ειδικές δυνατότητες για τυχαία πρόσβαση και ψηφιακή σύνδεση ροής. Στο H.264/MPEG-4 AVC, η ροή bit πρέπει πάντα να ξεκινά με ένα μπλοκ διευθύνσεων IDR, ενώ το HEVC υποστηρίζει τυχαία πρόσβαση.
- Η εικόνα χωρίζεται σε μονάδες δέντρου κωδικοποίησης (CTU), καθεμία από τις οποίες περιέχει μπλοκ δέντρων κωδικοποίησης (CTB) luma και chrominance. Όλα τα προηγούμενα πρότυπα κωδικοποίησης βίντεο χρησιμοποιούσαν ένα σταθερό μέγεθος συστοιχίας για δείγματα φωτεινότητας - 16x16. Το HEVC υποστηρίζει μπλοκ CTB διαφορετικά μεγέθη, το οποίο επιλέγεται ανάλογα με τις ανάγκες του κωδικοποιητή όσον αφορά τη μνήμη και υπολογιστική ισχύς.
- Κάθε μπλοκ κωδικοποίησης (CB) μπορεί να χωριστεί αναδρομικά σε μπλοκ μετασχηματισμού (TV). Η κατάτμηση καθορίζεται από το υπολειπόμενο τετράδεντρο. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα πρότυπα, στο HEVC ένα μπλοκ τηλεόρασης μπορεί να εκτείνεται σε πολλαπλές μονάδες πρόβλεψης (PB) για μονάδες κωδικοποίησης πολλαπλής πρόβλεψης (CUs).
- Πρόβλεψη κατεύθυνσης με 33 διαφορετικές κατευθύνσεις προσανατολισμού για μπλοκ μετασχηματισμού (TB) με μέγεθος από 4x4 έως 32x32. Η πιθανή κατεύθυνση πρόβλεψης είναι όλες οι 360 μοίρες. Το HEVC υποστηρίζει διάφορες τεχνικές κωδικοποίησης πρόβλεψης εντός πλαισίου.
Ζητήματα απόδοσης HEVC
Το υπάρχον έργο HEVC Test Model (HM) υλοποιεί μόνο τη βασική λειτουργικότητα του προτύπου. Η πραγματική απόδοση απέχει ακόμα πολύ από αυτό που χρειάζεται σε ένα πραγματικό περιβάλλον. Δύο βασικά μειονεκτήματα αυτού του έργου:- Έλλειψη παράλληλου κυκλώματος.
- Μη αποτελεσματική ρύθμιση διανυσματοποίησης.
Εικόνα 1. Προφίλ έργου HM - παράλληλη λειτουργία νημάτων
Εικόνα 2. Προφίλ έργου HM - κώδικας έντασης πόρων
Αυτός ο κωδικοποιητής HEVC καταναλώνει 100 φορές περισσότερους πόρους CPU από την πλευρά του διακομιστή και 10 φορές περισσότερο από την πλευρά του πελάτη σε σύγκριση με το H.264.
Ο κωδικοποιητής H.265/HEVC έχει προσελκύσει την προσοχή πολλών εταιρειών και οργανισμών σε όλο τον κόσμο, γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα τη βελτιστοποίηση της απόδοσής του και την πραγματική του ανάπτυξη. Υπάρχουν πολλά έργα ανοιχτού κώδικα.
- OpenHEVC (συμβατό με HM10.0, βελτιστοποίηση αποκωδικοποιητή)
- x265 (συμβατό με HM, παραλληλοποίηση και διανυσματοποίηση)
Εικόνα 4. Έργο X.265 με ρύθμιση Intel® SIMD
Η σχεδίαση x265 χρησιμοποίησε επίσης οδηγίες Intel® SIMD (δημιουργημένες από μεταγλωττιστή), παρέχοντας πάνω από 70% βελτιώσεις στην απόδοση. Μαζί με περαιτέρω βελτιστοποίηση από επιλογές μεταγλωττιστή, Μεταγλωττιστής IntelΠροσφέρει διπλάσια απόδοση στην πλατφόρμα IA. Ωστόσο, η απόδοση του κωδικοποιητή εξακολουθεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή που απαιτείται για έναν κωδικοποιητή σε πραγματικό χρόνο, ειδικά για βίντεο HD 1080p.
Παρακάτω θα δείξουμε τα αποτελέσματα που πέτυχε η κινεζική εταιρεία Strongene με την υποστήριξη ειδικών της Intel στη βελτιστοποίηση του κωδικοποιητή H.265/HEVC που δημιούργησε για διάφορες πλατφόρμες Intel.
HEVC Optimization για την πλατφόρμα Intel® Xeon™
Ο κύριος όγκος των λειτουργιών επεξεργασίας βίντεο και εικόνας με τη μεγαλύτερη ένταση πόρων είναι δεδομένα μπλοκ έντασης υπολογισμού. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις οδηγίες διανυσματοποίησης Intel® SIMD για να τις βελτιστοποιήσετε. Στον κωδικοποιητή ως μέρος του κωδικοποιητή Strongene, σύμφωνα με τα δεδομένα προφίλ, χρησιμοποιώντας Οδηγίες IntelΤο SSE μπορεί να διανυσματοποιήσει χειροκίνητα όλες τις λειτουργίες που απαιτούν μεγαλύτερη ένταση πόρων, όπως η παρεμβολή πλαισίου χαμηλής πολυπλοκότητας με αντιστάθμιση κίνησης. Μετατροπή ακέραιου αριθμού χωρίς μεταφορά. Μετασχηματισμός Hadamard; Υπολογίστε τις Απόλυτες Διαφορές Αθροίσματος (SAD)/Τετραγωνικές Διαφορές (SSD) με ελάχιστη επιβάρυνση μνήμης. Συμπεριλάβαμε οδηγίες Intel SSE ως εγγενείς λειτουργίες, όπως φαίνεται στην Εικ. 5.
Εικόνα 5. Παράδειγμα ενεργοποίησης εντολών Intel® SIMD/SSE στον κωδικοποιητή Stongene
Οι προγραμματιστές της Strongene έχουν ξαναγράψει όλες τις λειτουργίες έντασης πόρων για να επιτύχουν τη μεγαλύτερη αύξηση στην απόδοση του κωδικοποιητή. Στο Σχ. Το Σχήμα 6 δείχνει τα δεδομένα του προφίλ μας σε ένα σενάριο κωδικοποίησης βίντεο 1080p με χρήση HEVC. Μπορεί να φανεί ότι το 60% των λειτουργιών έντασης πόρων υποβάλλονται σε επεξεργασία από τις οδηγίες SIMD της Intel.
Εικόνα 6. Αποτελέσματα προφίλ χαρακτηριστικών κωδικοποίησης Strogene
Οι οδηγίες Intel AVX2 με ακέραιες τιμές 256 bit παρέχουν διπλάσια απόδοση σε σχέση με τον παλαιό κώδικα Intel SSE με τιμές 128 bit. Σετ εντολών Intel AVX2 που υποστηρίζεται από την πλατφόρμα
Intel Xeon (Haswell), που κυκλοφόρησε το 2014. Για να αξιολογήσουμε την απόδοση των ενσωματωμένων λειτουργιών Intel AVX2, χρησιμοποιούμε τον υπολογισμό του κοινού αθροίσματος απόλυτων διαφορών για ένα μπλοκ 64*64.
Πίνακας 1. Αποτελέσματα υλοποίησης Intel® SSE και Intel® AVX2
| Κύκλοι CPU | Πηγαίος κώδικας | Intel® SSE | Intel® AVX2 |
|---|---|---|---|
| Τρέξιμο 1 | 98877 | 977 | 679 |
| Εκκίνηση 2 | 98463 | 1092 | 690 |
| Εκκίνηση 3 | 98152 | 978 | 679 |
| Εκκίνηση 4 | 98003 | 943 | 679 |
| Εκκίνηση 5 | 98118 | 954 | 678 |
| Μέσος | 98322,6 | 988,8 | 681 |
| Επιτάχυνση | 1,00 | 99,44 | 144,38 |
Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 1, η χρήση των οδηγιών Intel SSE και Intel AVX2 παρέχει 100πλάσια αύξηση στην απόδοση, ενώ ο κώδικας Intel AVX2 κερδίζει επιπλέον 40% σε σύγκριση με το Intel SSE.
Όπως είδαμε νωρίτερα, οι περισσότερες υπάρχουσες υλοποιήσεις δεν χρησιμοποιούν όλους τους πυρήνες των πολυπύρηνων πλατφορμών. Βασισμένη στην πιο πρόσφατη αρχιτεκτονική Intel Xeon πολλαπλών πυρήνων με παράλληλη εξάρτηση μεταξύ αλγορίθμων που βασίζονται σε CTB, η Strongene προτείνει την αντικατάσταση των αρχικών μεθόδων OWF και WPP με μια παράλληλη δομή IFW και στη συνέχεια την ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου νημάτων τριών επιπέδων για την εγγύηση πλήρη χρήσηΔομή IFW όλων των πυρήνων της CPU για την επιτάχυνση της κωδικοποίησης HEVC.
Εικόνα 7. Παράλληλη χρήση νήματος και CPU στον κωδικοποιητή Strongene
Αξιοποιώντας τη νέα παράλληλη σχεδίαση WHP και την πλήρη εφαρμογή των οδηγιών Intel SIMD σε επίπεδο εργασιών και δεδομένων αντίστοιχα, οι προγραμματιστές κωδικοποιητών Strongene κατάφεραν να επιτύχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις απόδοσης σε επεξεργαστές x86 για βίντεο 1080p χρησιμοποιώντας τους υπολογιστικούς πόρους όλων των πυρήνων, όπως φαίνεται στο Σχήμα. 8.
Περαιτέρω διαμόρφωση με χρήση SMT/HT
Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης η εξάρτηση της απόδοσης του κωδικοποιητή από την ένταξη στο σύστημα, η οποία είναι ευρέως διαδεδομένη σε όλες τις πλατφόρμες με Αρχιτεκτονική της Intelταυτόχρονη πολυνηματοποίηση (SMT), που ονομάζεται επίσης τεχνολογία υπερνηματοποίησης (HT).Πίνακας 2. Ταχύτητα κωδικοποίησης HEVC Strongene στην πλατφόρμα Intel® Xeon®
Όπως φαίνεται από τον πίνακα (εμφανίζεται κίτρινος) στην πλατφόρμα Ivy Bridge (επεξεργαστής Intel Xeon E5-2697 v2 για απενεργοποιημένα SMT 1080p HEVC κωδικοποίηση βίντεο γίνεται σε πραγματικό χρόνο!
Έχοντας επιτύχει τεράστια κέρδη απόδοσης, συνεχίσαμε να εξερευνούμε τις δυνατότητες της κωδικοποίησης Strongene HEVC στην πλατφόρμα Ivy Bridge, εστιάζοντας σε θέματα bitrate και ποιότητας.
Πίνακας 3. Σύγκριση απόδοσης κωδικοποιητών H.264 και H.265
Ο Πίνακας 3 δείχνει ότι ο κωδικοποιητής H.265/HEVC μειώνει τον όγκο δεδομένων κατά 50%, ενώ διατηρεί την ίδια ποιότητα βίντεο.
Το H.265/HEVC είναι πιθανό να γίνει το πιο δημοφιλές πρότυπο βίντεο την επόμενη δεκαετία. Μια ποικιλία εφαρμογών και προϊόντων πολυμέσων υλοποιούν πλέον την υποστήριξη HEVC. Σε αυτό το άρθρο, εφαρμόσαμε μια λύση HEVC σε πραγματικό χρόνο με πλήρεις δυνατότητες βασισμένη σε CPU σε πλατφόρμες Intel με νέες τεχνολογίες IA. Η βελτιστοποιημένη λύση μας βασίζεται σε Επεξεργαστές Intelαναπτύχθηκε από τη Xunlei, μια εταιρεία υπηρεσιών βίντεο Διαδικτύου, και θα συμβάλει στην ευρεία υιοθέτηση και υιοθέτηση της τεχνολογίας H.265/HEVC.
