Porovnání videokodeků - Comparison of video codecs

Α videokodek je software nebo zařízení, které poskytuje kódování a dekódování pro digitální video, a které mohou, ale nemusí zahrnovat použití komprese videa a / nebo dekomprese. Většina kodeků je obvykle implementací formáty kódování videa.

Komprese může být použita ztrátová komprese dat, aby se otázky měření kvality staly důležitými. Krátce po kompaktní disk stal se široce dostupným náhradou analogového zvuku v digitálním formátu, bylo možné také ukládat a používat video v digitální podobě. Brzy se objevila celá řada technologií. Primárním cílem pro většinu metod komprese videa je produkovat video, které se nejvíce blíží věrnosti původního zdroje a současně přináší co nejmenší možnou velikost souboru. Existuje však také několik dalších faktorů, které lze použít jako základ pro srovnání.

Úvod do srovnání

Následující charakteristiky jsou porovnávány ve srovnání videokodeků:

• Kvalita videa na bitrate (nebo rozsah bitrate ). Běžně kvalita videa je považována za hlavní charakteristiku srovnání kodeků. Srovnání kvality videa může být subjektivní nebo objektivní.
• Výkonové charakteristiky jako je rychlost komprese / dekomprese, podporované profily / možnosti, podporovaná rozlišení, podporované strategie řízení rychlosti atd.
• Obecné vlastnosti softwaru - například:
  • Výrobce
  • Podporovaný OS (Linux, Operační Systém Mac, Okna )
  • Číslo verze
  • Datum vydání
  • Typ licence (komerční, zdarma, otevřený zdroj )
  • Podporovaná rozhraní (VfW, DirectShow, atd.)
  • Cena (hodnota za peníze, množstevní slevy atd.)

Kvalita videa

Kvalita, kterou kodek může dosáhnout, silně závisí na kompresním formátu, který kodek používá. Kodek není formát a může existovat několik kodeků, které implementují stejnou specifikaci komprese - například kodeky MPEG-1 obvykle nedosahují poměru kvalita / velikost srovnatelného s kodeky, které implementují modernější specifikaci H.264. Poměr kvalita / velikost výstupu produkovaného různými implementacemi stejné specifikace se však také může lišit.

Každá specifikace komprese definuje různé mechanismy, kterými lze zmenšit velikost surového videa (v podstatě sekvence nekomprimovaných digitálních obrázků v plném rozlišení), od jednoduché bitové komprese (jako Lempel-Ziv-Welch ) k psycho-vizuálnímu a pohybovému shrnutí a jak je výstup uložen jako bitový proud. Pokud komponenta kodéru kodeku dodržuje specifikaci, může zvolit libovolnou kombinaci těchto metod pro použití různých částí obsahu. Komponenta dekodéru kodeku, který také odpovídá specifikaci, rozpoznává každý z použitých mechanismů, a tak interpretuje komprimovaný proud, aby jej vykreslil zpět do nezpracovaného videa pro zobrazení (i když to nebude identické se vstupem nezpracovaného videa, pokud nebyla komprese bezztrátový). Každý kodér implementuje specifikaci podle svých vlastních algoritmů a parametrů, což znamená, že komprimovaný výstup různých kodeků se bude lišit, což má za následek rozdíly v kvalitě a účinnosti mezi nimi.

Před porovnáním kvality videa kodeků je důležité si uvědomit, že každý kodek může poskytnout různé stupně kvality pro danou sadu snímků ve videosekvenci. V této variabilitě hraje roli řada faktorů. Nejprve všechny kodeky mají ovládání bitrate mechanismus, který je zodpovědný za stanovení bitrate a kvality na základě jednotlivých snímků. Rozdíl mezi variabilní datový tok (VBR) a konstantní datový tok (CBR) vytváří kompromis mezi konzistentní kvalitou ve všech rámcích na jedné straně a konstantnějším datovým tokem, který je pro některé aplikace vyžadován, na straně druhé. Zadruhé, některé kodeky rozlišují mezi různými typy rámců, například klíčové rámečky a neklíčové rámce, které se liší svou důležitostí pro celkovou vizuální kvalitu a rozsahem, v jakém je lze komprimovat. Za třetí, kvalita závisí na předfiltraci, která je součástí všech současných kodeků. Do hry mohou vstoupit i další faktory.

U dostatečně dlouhého klipu je možné vybrat sekvence, které utrpěly jen málo z komprese, a sekvence, které utrpěly těžce, zvláště pokud CBR byla použita, přičemž kvalita mezi snímky se může velmi lišit kvůli různým kompresím potřebným k dosažení konstantní bitové rychlosti. Takže v daném dlouhém klipu, jako je celovečerní film, mohou jakékoli dva kodeky fungovat v určité sekvenci z klipu zcela odlišně, zatímco kodeky mohou mít přibližně stejnou kvalitu (nebo situaci zvrátit) v kvalitě přes širší sekvenci rámů. Tiskové zprávy a amatérská fóra mohou někdy v recenzích vybrat sekvence, o nichž je známo, že upřednostňují konkrétní kodek nebo styl kontroly rychlosti.

Objektivní kvalita videa

Techniky objektivního hodnocení videa jsou matematické modely, které se snaží předvídat lidské úsudky o kvalitě obrazu, jak často dokládají výsledky experimentů subjektivního hodnocení kvality. Jsou založeny na kritériích a metrikách, které lze objektivně měřit a automaticky vyhodnotit počítačovým programem. Objektivní metody jsou klasifikovány na základě dostupnosti původního původního videosignálu, který je považován za vysoce kvalitní (obvykle nekomprimovaný). Proto je lze klasifikovat jako:

• Úplný odkaz metody (FR), kde je k dispozici celý původní videosignál
• Snížená reference - metody (RR), kde jsou k dispozici pouze částečné informace o původním videu, a -
• Žádný odkaz metody (NR), kde původní video vůbec není k dispozici.

Subjektivní kvalita videa

Jedná se o to, jak divák vnímá video, a určuje jejich názor na konkrétní videosekvenci. Subjektivní testy kvality videa jsou poměrně nákladné, pokud jde o čas (příprava a běh) a lidské zdroje.

Existuje mnoho způsobů, jak ukázat videosekvence odborníkům a zaznamenat jejich názory. Několik z nich bylo standardizováno, hlavně v Doporučení ITU-R BT.500-13 a Doporučení ITU-T S.910.

Důvod pro měření subjektivní kvality videa je stejný jako pro měření průměrné skóre názoru pro zvuk. Názory odborníků lze zprůměrovat a průměrnou známku vyjádřit jako nebo doplnit daným intervalem spolehlivosti. Pro průměrování lze použít další postupy. Například odborníci, jejichž názory jsou považovány za nestabilní (například pokud je shledána jejich korelace s průměrným názorem nízká), mohou své názory odmítnout.

V případě video kodeků se jedná o velmi běžnou situaci. Když kodeky s podobnými objektivními výsledky ukazují výsledky s různými subjektivními výsledky, mohou to být hlavní důvody:

• Pre- a postfiltry jsou v kodekech široce používány. Kodeky často používají předfiltry jako např odšumování videa, deflicking, deshaking atd. Odšumění a deflicking se běžně udržuje PSNR hodnota při zvyšování vizuální kvality (nejlepší filtry s pomalým odšumováním také zvyšují PSNR na středních a vysokých bitrate). Deshaking značně snižuje PSNR, ale zvyšuje vizuální kvalitu. Postfiltry vykazují podobné vlastnosti - deblocking a deringing udržují PSNR, ale zvyšují kvalitu; zrnitost (navrženo v H.264 ) v podstatě zvyšuje kvalitu videa, zejména na velkých plazmových obrazovkách, ale snižuje PSNR. Všechny filtry zvyšují dobu komprese / dekomprese, takže zvyšují vizuální kvalitu, ale snižují rychlost kódování a dekódování.
• Strategie vyhledávání odhadu pohybu (ME) může také způsobit odlišnou vizuální kvalitu pro stejnou PSNR. Tzv skutečný pohyb vyhledávání obvykle nedosáhne minima součet absolutních rozdílů (SAD) hodnoty v kodeku ME, ale může vést k lepší vizuální kvalitě. Tyto metody také vyžadují více času komprese.
• Strategie řízení rychlosti. VBR běžně způsobují lepší značky vizuální kvality než CBR pro stejné průměrné hodnoty PSNR pro sekvence.

Pro subjektivní testování je obtížné použít dlouhé sekvence. Obvykle se používají tři nebo čtyři desetisekundové sekvence, zatímco pro objektivní metriky se používají celé filmy. Výběr sekvence je důležitý - ty sekvence, které jsou podobné těm, které používají vývojáři k vyladění svých kodeků, jsou konkurenceschopnější.

Porovnání výkonu

Porovnání rychlosti

Počet snímků za sekundu (FPS) běžně používané pro měření rychlosti komprese / dekomprese.

Při odhadu pravděpodobných rozdílů ve výkonu kodeku je třeba vzít v úvahu následující problémy:

• Dekomprese (někdy komprese) uniformita rámcového času - Velké rozdíly v této hodnotě mohou způsobit nepříjemně trhané přehrávání.
• SIMD Podpěra, podpora podle procesoru a kodeku - např., MMX, SSE, SSE2, z nichž každý mění výkon CPU u některých druhů úkolů (často včetně těch, kterých se kodeky týkají).
• Podpora více vláken podle procesoru a kodeku - někdy^{[když? ]} zapíná se Hyper-threading podpora (je-li k dispozici na konkrétním CPU) způsobí snížení rychlosti kodeku.
• RAM Rychlost - obecně důležité pro většinu implementací kodeků
• Velikost mezipaměti procesoru - nízké hodnoty někdy způsobují vážné snížení rychlosti, např. pro CPU s nízkou mezipamětí, například několik procesorů Intel Celeron série.
• GPU používání kodekem - některé kodeky mohou drasticky zvýšit svůj výkon využitím zdrojů GPU.

Například kodek A (optimalizovaný pro využití paměti - tj. Využívá méně paměti) může na moderních počítačích (které obvykle nejsou omezeny pamětí) poskytovat pomalejší výkon než kodek B. Mezitím může stejný pár kodeků dávají opačné výsledky, pokud běží na starším počítači se sníženou pamětí (nebo mezipamětí).

Podpora profilů

Moderní standardy definují širokou škálu funkcí a pro jejich implementaci vyžadují velmi značné softwarové nebo hardwarové úsilí a prostředky. Pouze vybrané profily standardu jsou obvykle podporovány v jakémkoli konkrétním produktu. (To je velmi běžné například u implementací H.264.)

Standard H.264 zahrnuje následujících sedm sad funkcí, které jsou označovány jako profily, zaměřené na konkrétní třídy aplikací:

• Základní profil (BP): Primárně pro levnější aplikace s omezenými výpočetními prostředky se tento profil široce používá ve videokonferencích a mobilních aplikacích.
• Hlavní profil (MP): Původně zamýšlený jako běžný spotřebitelský profil pro aplikace vysílání a ukládání, význam tohoto profilu zmizel, když byl pro tyto aplikace vyvinut vysoký profil (HiP).
• Rozšířený profil (XP): Tento profil, který je určen jako profil streamovaného videa, má relativně vysokou schopnost komprese a některé další triky pro odolnost vůči ztrátám dat a přepínání streamů serveru.
• Vysoký profil (HiP): Primární profil pro aplikace vysílání a ukládání disků, zejména pro televizní aplikace s vysokým rozlišením. (Toto je profil přijatý do HD DVD a Modrý paprsek Například disk.)
• Vysoký 10 profilů (Hi10P): Přesahující možnosti dnešních běžných spotřebitelských produktů tento profil staví na vrcholu High Profile a přidává podporu až 10 bitů na vzorek přesnosti dekódovaného obrazu.
• Vysoký profil 4: 2: 2 (Hi422P): Tento profil je primárně zaměřen na profesionální aplikace, které používají prokládané video, staví na vrcholu profilu High 10 a přidává podporu pro formát vzorkování chroma 4: 2: 2 při použití až 10 bitů na vzorek s přesností dekódovaného obrazu.
• Vysoký prediktivní profil 4: 4: 4 (Hi444PP): Tento profil navazuje na vysoký profil 4: 2: 2, podporuje až 4: 4: 4 vzorkování chroma, až 14 bitů na vzorek a navíc podporuje efektivní bezztrátové kódování oblasti a kódování každého obrázku jako tří samostatných barevné roviny.
• Multiview vysoký profil: Tento profil podporuje dva nebo více pohledů pomocí předpovědi mezi zobrazeními (dočasnými) i MVC, ale nepodporuje obrázky polí a kódování rámce pole adaptivní na makroblok.

Standard také obsahuje další čtyři profily all-Intra, které jsou definovány jako jednoduché podmnožiny jiných odpovídajících profilů. Jedná se většinou o profesionální (např. Kamerový a editační systém) aplikace:

• Vysoký 10 intra profil: Profil High 10 je omezen na použití All-Intra.
• Vysoká 4: 2: 2 Intra Profil: Vysoký profil 4: 2: 2 omezený na použití Intra.
• Vysoká 4: 4: 4 Intra Profil: Vysoký profil 4: 4: 4 omezený na použití Intra.
• CAVLC 4: 4: 4 Intra Profile: Vysoký profil 4: 4: 4 omezený na použití All-Intra a CAVLC entropické kódování (tj. nepodporující CABAC ).

Standard nyní navíc obsahuje také tři Škálovatelné kódování videa profily.

• Škálovatelný základní profil: Škálovatelné rozšíření základního profilu.
• Škálovatelný vysoký profil: Škálovatelné rozšíření profilu High.
• Škálovatelný vysoký intra profil: Škálovatelný vysoký profil omezený na použití all-intra.

Přesné srovnání kodeků musí brát v úvahu variace profilů v každém kodeku.

Viz také Profily a úrovně MPEG-2.

Podporované strategie řízení rychlosti

Strategie řízení rychlosti videokodeků lze klasifikovat jako:

• Variabilní datový tok (VBR) a
• Konstantní datový tok (CBR).

Variabilní datový tok (VBR) je strategie k maximalizaci kvality vizuálního videa a minimalizaci datového toku. U scén s rychlým pohybem používá variabilní datový tok více bitů než u scén s pomalým pohybem s podobnou dobou trvání, přesto však dosahuje konzistentní vizuální kvality. Pro streamování videa v reálném čase a bez vyrovnávací paměti, když je dostupná šířka pásma pevná - např. při videokonferencích doručovaných na kanálech s pevnou šířkou pásma - je třeba použít konstantní datový tok (CBR).

CBR se běžně používá pro videokonference, satelitní a kabelové vysílání. VBR se běžně používá pro tvorbu video CD / DVD a video v programech.

Řízení bitové rychlosti je vhodné pro streamování videa. Pro offline ukládání a prohlížení je obvykle lepší kódovat při konstantní hodnotě kvalitní (obvykle definováno kvantování ) namísto použití řízení bitové rychlosti.^[1][2]

Vlastnosti softwaru

Seznam kodeků

• The Nadace Xiph.Org vyjednal neodvolatelnou bezplatnou licenci pro Theora a další kodeky odvozené od VP3 pro všechny a pro jakékoli účely.^[31]

• DivX Plus je také známý jako DivX 8. Poslední stabilní verzí pro Mac je DivX 7 pro Mac.

Nativní podpora operačního systému

Upozorňujeme, že podpora operačního systému neznamená, zda lze video kódované kodekem přehrávat na konkrétním operačním systému - například video kódované kodekem DivX lze přehrávat v systémech podobných Unixu pomocí bezplatných dekodérů MPEG-4 ASP (FFmpeg MPEG -4 nebo Xvid), ale kodek DivX (který je softwarovým produktem) je k dispozici pouze pro Windows a macOS.

Technické údaje

• Teorické proudy s různými snímkovými frekvencemi lze zřetězit do stejného souboru, ale každý stream má pevnou snímkovou frekvenci.^[34]

Volně dostupná srovnání kodeků

Seznam volně dostupných srovnání a popis jejich obsahu:

Viz také

• Porovnání přehrávačů médií
• Seznam video přehrávačů (software)
• Seznam kodeků
  • Otevřete zdrojové kodeky a kontejnery
• SSIM
• Rejstřík filmu
• Porovnání formátů kódování zvuku
• Porovnání formátů kontejnerů
• Porovnání softwaru pro střih videa

Poznámky a odkazy

externí odkazy

• Laboratoř pro obrazové a video inženýrství (LIVE)
• Subjektivní srovnání MSU moderních videokodeků