Κωδικοποίηση HEVC Η.265

Η παρακολούθηση ενός τηλεοπτικού προγράμματος από την επίγεια ή την δορυφορική ψηφιακή τηλεόραση, ενός επεισοδίου τηλεοπτικής σειράς μέσω streaming από το πρόσφατα αφιχθέν στην Ελλάδα Netflix και από οποιαδήποτε άλλη ροή μέσω διαδικτύου, μίας ταινίας DVD ή Blu-ray, του βίντεο που τραβήξαμε με την ψηφιακή…

Η παρακολούθηση ενός τηλεοπτικού προγράμματος από την επίγεια ή την δορυφορική ψηφιακή τηλεόραση, ενός επεισοδίου τηλεοπτικής σειράς μέσω streaming από το πρόσφατα αφιχθέν στην Ελλάδα Netflix και από οποιαδήποτε άλλη ροή μέσω διαδικτύου, μίας ταινίας DVD ή Blu-ray, του βίντεο που τραβήξαμε με την ψηφιακή μας κάμερα ή το κινητό, είναι η καθημερινή ψυχαγωγία και συνήθεια δισεκατομμυρίων ατόμων σε όλο τον κόσμο. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις η μεταφορά, μετάδοση, εγγραφή και εύκολη αναπαραγωγή του βίντεο είναι δυνατή επειδή το αρχικό σήμα βίντεο συμπιέζεται με έναν κωδικοποιητή (codec) σε ένα πολύ μικρότερο πακέτο, που μπορεί εύκολα να αποθηκευθεί, ή να μεταδοθεί μέσω των πομπών της ψηφιακής τηλεόρασης, ή από το διαδίκτυο.

Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του περιεχομένου βίντεο συμπιέζεται για την αποθήκευση και μετάδοση του με το codec AVC (ή Η.264), αλλά παραμένει σε χρήση και το παλιότερο Mpeg-2, κυρίως στις δορυφορικές μεταδόσεις απλής ευκρίνειας, και στους δίσκους DVD.

Η επόμενη γενιά codec συμπεριλαμβάνει την τεχνολογία HEVC, που φιλοδοξεί να κυριαρχήσει τα επόμενα χρόνια σε όλους τομείς που είναι απαραίτητη η συμπίεση βίντεο, και ιδιαίτερα στην ανάπτυξη των μεταδόσεων και του streaming υπερυψηλής ανάλυσης Ultra HD (ή και UHD).

Τι είναι το HEVC και οι βασικές αρχές λειτουργίας του

Το HEVC (ή H.265), τα αρχικά του οποίου σημαίνουν High Efficiency Video Coding (Κωδικοποίηση Βίντεο Υψηλής Αποδοτικότητας), είναι ένας codec βίντεο, που ως στόχο έχει την αντικατάσταση του ευρέως χρησιμοποιούμενου AVC (H.264 / MPEG-4 Part 10). Σε σύγκριση με το AVC, το HEVC προσφέρει τη διπλάσια συμπίεση των δεδομένων βίντεο, διατηρώντας την ίδια ποιότητα ή βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα του βίντεο στον ίδιο ρυθμό μετάδοσης (bit rate) με το AVC. Υποστηρίζει αναλύσεις εικόνας έως 8192×4320, συμπεριλαμβάνοντας την 8Κ UHD.

Το HEVC αναπτύχθηκε από τον οργανισμό JCT-VC, συνεργασία δύο τεχνολογικών οργανισμών τυποποίησης, της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ITU) και του ομίλου MPEG, που βρίσκονται πίσω και από την ανάπτυξη του Η.264/MPEG-4 αλλά και του παλαιότερου προτύπου συμπίεσης MPEG-2.

Ο βίντεο codec, σύντμηση των όρων coder-decoder (κωδικοποιητής – αποκωδικοποιητής) είναι λογισμικό που χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο για την συμπίεση των πρωτότυπων δεδομένων βίντεο σε συμπαγή μορφή, κατάλληλη για αποθήκευση, τηλεοπτική μετάδοση, streaming μέσω του διαδικτύου. Το συμπιεσμένο βίντεο όταν φτάνει στην συσκευή του τελικού χρήστη (τηλεόραση, επίγειος ή ψηφιακός αποκωδικοποιητής, DVD / Blu-ray player, υπολογιστής, smartphone, κλπ) αποσυμπιέζεται και αποκωδικοποιείται ώστε να προβληθεί στην οθόνη. Για να μειωθεί το μέγεθος, οι codec χρησιμοποιούν υψηλούς ρυθμούς συμπίεσης. Εκτός από την εκμετάλλευση των πίξελ που πλεονάζουν ανάμεσα στα καρέ του βίντεο, οι υψηλές συμπιέσεις επιτυγχάνονται με την εφαρμογή της απωλεστικής κωδικοποίησης, που αφαιρεί κάποιες λεπτομέρειες από την εικόνα του βίντεο. Η δραστική μείωση της πληροφορίας (των λεπτομερειών) αναπόφευκτα επηρεάζει την ποιότητα του βίντεο και μπορεί να εισάγει οπτικά τεχνουργήματα, όπως θολή εικόνα ή τετραγωνισμένες άκρες σε ορισμένες περιοχές της εικόνας. Ως εκ τούτου η συμπίεση βίντεο αποτελεί ένα συμβιβασμό ανάμεσα στη μείωση της ταχύτητας του ρυθμού μετάδοσης του βίντεο, και της διατήρησης της ποιότητας όσο το δυνατό περισσότερο πλησιέστερα στο πρωτότυπο ασυμπίεστο περιεχόμενο.

Οι βίντεο codec εκμεταλλεύονται κυρίως δύο τύπους πλεονάζοντος περιεχομένου, του χωρικού και του χρονικού. Ο χωρικός πλεονασμός βρίσκεται σε ομογενείς περιοχές, όπου τα πίξελ έχουν την ίδια τιμή ή αν το πούμε διαφορετικά, το ίδιο περίπου χρώμα. Αν σε ένα τμήμα της εικόνας όλα τα πίξελ μοιράζονται την ίδια τιμή, τότε μπορεί να επιτευχθεί καλή συμπίεση στέλνοντας στον αποκωδικοποιητή μόνο την τιμή αυτή, αντί το περιεχόμενο όλων των πίξελ αυτής της περιοχής. Ο χρονικός πλεονασμός μπορεί να φανεί παρακολουθώντας το βίντεο καρέ – καρέ. Αν ανάμεσα σε δύο διπλανά καρέ υπάρχουν πολλές περιοχές εικόνας που μένουν στατικές, μπορεί να αποφευχθεί η μετάδοση των πληροφοριών, λέγοντας απλά στον αποκωδικοποιητή να χρησιμοποιήσει τις τιμές των πίξελ από τις ίδιες περιοχές των προηγούμενων καρέ.

Ένας μοντέρνος βίντεο codec λειτουργεί με την πρόβλεψη μικρών περιοχών της εικόνας (macroblock, coding units – εικόνα 1), μεταδίδοντας μόνο τις διαφορές του σήματος ανάμεσα στην προβλεπόμενη και στην πραγματική εικόνα.

Τo HEVC επιτυγχάνει σημαντικά μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα από το H.264/AVC, χρησιμοποιώντας μεγαλύτερο εύρος διαστάσεων, που φτάνουν έως τα 64×64 πίξελ, αντί των 16×16 του AVC (εικόνα 2), και σχημάτων των macroblock κωδικοποίησης, και υποστηρίζοντας πολλά περισσότερα modes κωδικοποίησης, που βασίζονται σε προηγμένους αλγόριθμους πρόβλεψης.

Αποτελεσματικότητα του HEVC στην πράξη

Πρόσφατη έρευνα της ομάδας έρευνας και ανάπτυξης του BBC (BBC R&D), που δημοσιεύθηκε στο IEEE TCSVT Ιανουαρίου 2016 (http://goo.gl/K4CF8Q ), έδειξε ότι τα κέρδη της συμπίεσης AVC ήταν σημαντικά υψηλότερα αν ληφθούν υπόψη οι υποκειμενικές μετρήσεις με τα κέρδη που εμφανίζουν οι μετρήσεις με αντικειμενικά κριτήρια. Η συνολική εξοικονόμηση του μέσου bit rate που επιτυγχάνεται από το HEVC σε σχέση με το AVC, για την ίδια υποκειμενική ποιότητα (εικόνα 3), βρέθηκε ότι είναι 59%, αντί του 44% εξοικονόμησης αν ληφθούν υπόψη οι αντικειμενικές μετρήσεις ποιότητας. Και είναι επίσης σημαντικό ότι η εξοικονόμηση του ρυθμού μετάδοσης είναι υψηλότερη σε μεγαλύτερα μεγέθη εικόνας, από την εξοικονόμηση σε μικρά, πράγμα που ενθαρρύνει περισσότερο την ανάπτυξη των υπηρεσιών Ultra HD.

Συμβατότητα HEVC με τις συσκευές αναπαραγωγής

Καθώς ο HEVC είναι ένας codec που έχει εμφανιστεί σχετικά πρόσφατα στην σκηνή της αναπαραγωγής βίντεο, δεν είναι συμβατός στο ίδιο επίπεδο με συσκευές αναπαραγωγής όπως ο H.264. Υπάρχουν αρκετές συσκευές που ενσωματώνουν εξειδικευμένο hardware για την αναπαραγωγή περιεχομένου H.264, αλλά οι αντίστοιχες για την αποκωδικοποίηση περιεχομένου HEVC είναι σημαντικά λιγότερο κοινές. Αυτό δεν σημαίνει ότι η αναπαραγωγή HEVC είναι αδύνατη στις υφιστάμενες συσκευές, αφού μπορεί να γίνει μέσω λογισμικού σε πολλές από αυτές, αλλά μία συσκευή αναπαραγωγής H.264 δεν είναι σίγουρο ότι μπορεί να είναι συμβατή και με το HEVC.

Στην αγορά σήμερα θα βρούμε έναν αριθμό συσκευών που υποστηρίζουν την εγγενή αναπαραγωγή HEVC μέσω hardware, που έχουν κυκλοφορήσει από τα τέλη του 2014 έως και σήμερα. Τέτοιες συσκευές είναι:

· οι τηλεοράσεις Ultra HD της τελευταίας γενιάς (εικόνα 4),

· δορυφορικοί δέκτες Ultra HD που έχουν μόλις αρχίσει να εμφανίζονται στην αγορά τους τελευταίους μήνες (όπως ο VU+ Solo 4K ή ο Technisat DIGIT ISIO STC UHD (εικόνα 5), που έχουν παρουσιαστεί στα τελευταία τεύχη της ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗΣ)

· ορισμένα media player, όπως για παράδειγμα το Minix Neo U1 (εικόνα 6), το Roku 4, το Amazon Fire TV του 2015, το Xbox One

· Υπολογιστές που είναι εξοπλισμένοι με επεξεργαστές Skylake 6ης γενιάς της Intel και Carizzo 6ης γενιάς της AMD,

· κάρτες γραφικών με GPU Fiji της AMD (Radeon R9 Fury/Fury X/Nano) και GPU GM206 (GeForce GTX 960 / 950) της NVidia (εικόνα 7)

· mobile συσκευές (smartphone, tablet) με SoCs: Qualcomm Snapdragon 805/615/410/208, NVidia Tegra X1, Samsung Exynos 5 Octa 5430, Apple A8, και νεώτερα, και ορισμένα SoCs της MediaTec από τα μέσα του 2014 και μετά.

Η αναπαραγωγή περιεχομένου HEVC μέσω υπολογιστών, είναι γενικά δυνατή για τα περισσότερα pc των τελευταίων ετών, ακόμα και αν δεν έχουν εξειδικευμένο hardware για το σκοπό αυτό. Η αναπαραγωγή σε αυτή τη περίπτωση γίνεται μέσω λύσης software, που επιβαρύνει τον επεξεργαστή ανάλογα με το προφίλ κωδικοποίησης και την ανάλυση του βίντεο (εικόνα 8). Στα πρόσφατα Windows 10 η υποστήριξη είναι εγγενής μέσω της εφαρμογής app Films & TV ή του Windows Media Player. Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αναπαραγωγή το VLC, το MPC-HC ή δημοφιλείς εφαρμογές media center, όπως το Kodi (από την έκδοση 14 και μετά) και το Plex Media Player , που υποστηρίζουν επίσης παλιότερες εκδόσεις των λειτουργικών συστημάτων.

Σε Mac OS X ή iOS μπορεί να χρησιμοποιηθεί το VLC, ενώ σε συσκευές Android ο MX Player με αποκωδικοποίηση μέσω software αν η συσκευή είναι επαρκώς γρήγορη ή υποστηρίζει την εγγενή αναπαραγωγή HEVC.

Διαθέσιμο περιεχόμενο HEVC

Η ποσότητα του διαθέσιμου για κατανάλωση περιεχομένου HEVC είναι φυσικά μικρή για την ώρα, και περιορίζεται κυρίως σε δοκιμαστικές ή στα σπάργανα δορυφορικές (εικόνα 9) και επίγειες ψηφιακές μεταδόσεις Ultra HD/HEVC, σε περιεχόμενο streaming Ultra HD από εταιρείες όπως η Netflix και η Amazon, και στα νέα δισκάκια Blu-ray Ultra HD που μόλις έχουν αρχίσει να παρουσιάζονται στην αγορά (εικόνα 10).

Δημιουργία δικών μας αρχείων HEVC

Για την κωδικοποίηση των δικών μας αρχείων HEVC, μέσω υπολογιστή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το Handbrake, έκδοσης 0.10.0 και νεώτερης που υποστηρίζει τον x265 encoder, όμως η ταχύτητα του είναι αρκετή πιο αργή από την κωδικοποίηση βίντεο σε H.264. Αν έχουμε στην κατοχή μας μία κάρτα γραφικών της NVidia που βασίζεται σε GPU Maxwell της σειράς GeForce 900 ή νεώτερης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ενσωματωμένο σε αυτήν HEVC encoder, NVENC, που βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα κωδικοποίησης, με κόστος στην ποιότητα του κωδικοποιημένου βίντεο. Η χρήση του NVENC είναι δυνατή με τη βοήθεια της τελευταίας έκδοσης του προγράμματος StaxRip, https://goo.gl/CWybLc (εικόνα 11).

{gallery}16932{/gallery}