Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Видеокодек это программное обеспечение или аппаратные средства , которые компрессов и декомпрессию цифрового видео . В контексте сжатия видео, кодек является портманто из кодера и декодера , в то время как устройство , которое сжимает только , как правило , называют кодером , и тот , который только распаковывает является декодером .

Формат сжатых данных обычно соответствует стандартному формату кодирования видео . Сжатие обычно происходит с потерями , что означает, что в сжатом видео отсутствует некоторая информация, присутствующая в исходном видео. Следствием этого является то, что распакованное видео имеет более низкое качество, чем исходное несжатое видео, потому что недостаточно информации для точного восстановления исходного видео.

Существуют сложные взаимосвязи между качеством видео , объемом данных, используемых для представления видео (определяется скоростью передачи данных ), сложностью алгоритмов кодирования и декодирования, чувствительностью к потерям и ошибкам данных, простотой редактирования, произвольным доступом и сквозная задержка ( латентность ).

История [ править ]

Дополнительная информация: Формат кодирования видео § История

Исторически видео хранилось как аналоговый сигнал на магнитной ленте . Примерно в то время, когда компакт-диск вышел на рынок в качестве замены аналогового аудио в цифровом формате, стало возможным также хранить и передавать видео в цифровой форме. Из-за большого объема памяти и пропускной способности, необходимых для записи и передачи необработанного видео, потребовался метод уменьшения объема данных, используемых для представления необработанного видео. С тех пор инженеры и математики разработали ряд решений для достижения этой цели, которые включают сжатие цифровых видеоданных.

В 1974 году сжатие с дискретным косинусным преобразованием (DCT) было введено Насиром Ахмедом , Т. Натараджаном и К.Р. Рао . [1] [2] [3] В конце 1980-х годов ряд компаний начали экспериментировать со сжатием DCT с потерями для кодирования видео, что привело к разработке стандарта H.261 . [4] H.261 был первым практическим стандартом кодирования видео, [5] и был разработан рядом компаний, включая Hitachi , PictureTel , NTT , BT и Toshiba , среди других. [6]Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео. [4]

Самыми популярными стандартами кодирования видео, используемыми для кодеков, были стандарты MPEG . MPEG-1 был разработан Группой экспертов по кинематографии (MPEG) в 1991 году и был разработан для сжатия видео с качеством VHS . На смену ему в 1994 году пришел MPEG-2 / H.262 , [5] который был разработан рядом компаний, в первую очередь Sony , Thomson и Mitsubishi Electric . [7] MPEG-2 стал стандартным видеоформатом для цифрового телевидения DVD и SD . [5]В 1999 году за ним последовал MPEG-4 / H.263 , который стал большим шагом вперед в технологии сжатия видео. [5] Он был разработан рядом компаний, в первую очередь Mitsubishi Electric, Hitachi и Panasonic . [8]

Наиболее широко используемым форматом кодирования видео по состоянию на 2016 год является H.264 / MPEG-4 AVC . Он был разработан в 2003 году рядом организаций, в первую очередь Panasonic, Godo Kaisha IP Bridge и LG Electronics . [9] H.264 является основным стандартом кодирования видео для дисков Blu-ray и широко используется потоковыми интернет-сервисами, такими как YouTube , Netflix , Vimeo и iTunes Store , веб-программным обеспечением, таким как Adobe Flash Player и Microsoft Silverlight , а также различные передачи HDTV по наземному и спутниковому телевидению.

На смену AVC пришел HEVC (H.265), разработанный в 2013 году. Он сильно запатентован, причем большинство патентов принадлежит Samsung Electronics , GE , NTT и JVC Kenwood . [10] [11] Принятию HEVC препятствует сложная структура лицензирования. HEVC, в свою очередь, заменяется универсальным кодированием видео (VVC).

Существуют также открытые и бесплатные форматы кодирования видео VP8 , VP9 и AV1 , используемые Youtube, все из которых были разработаны с участием Google.

Приложения [ править ]

Видеокодеки используются в проигрывателях DVD, Интернет-видео , видео по запросу , цифровом кабеле , цифровом наземном телевидении , видеотелефонии и множестве других приложений. В частности, они широко используются в приложениях, которые записывают или передают видео, что может быть невозможно с большими объемами данных и пропускной способностью несжатого видео. Например, они используются в операционных для записи хирургических операций, в IP-камерах в системах безопасности, а также в дистанционно управляемых подводных аппаратах и беспилотных летательных аппаратах .

Дизайн видеокодека [ править ]

Дополнительная информация: Формат кодирования видео

Видеокодеки стремятся представить набор аналоговых данных в цифровом формате. Из-за конструкции аналоговых видеосигналов, которые представляют информацию о яркости (яркости) и цвете (цветность, цветность) отдельно, общий первый шаг в сжатии изображения при разработке кодека - это представление и сохранение изображения в цветовом пространстве YCbCr . Преобразование в YCbCr дает два преимущества: во-первых, оно улучшает сжимаемость, обеспечивая декорреляцию цветовых сигналов; и во-вторых, он отделяет сигнал яркости, который с точки зрения восприятия намного более важен, от сигнала цветности, который менее важен с точки зрения восприятия и который может быть представлен с более низким разрешением с использованием субдискретизации цветности.для достижения более эффективного сжатия данных. Обычно отношения информации, хранящейся в этих различных каналах, представляют следующим образом Y: Cb: Cr. В разных кодеках используются разные коэффициенты субдискретизации цветности, соответствующие их потребностям в сжатии. В схемах сжатия видео для Интернета и DVD используется шаблон выборки цвета 4: 2: 1, а в стандарте DV используется коэффициент выборки 4: 1: 1. Профессиональные видеокодеки, предназначенные для работы с гораздо более высокими битрейтами и для записи большего количества информации о цвете для образцов постпродакшн-манипуляций в соотношениях 4: 2: 2 и 4: 4: 4. Примеры этих кодеков включают кодеки Panasonic DVCPRO50 и DVCPROHD (4: 2: 2), Sony HDCAM-SR (4: 4: 4), Panasonic HDD5 (4: 2: 2), Apple Prores HQ 422 (4: 2). : 2).

Также стоит отметить, что видеокодеки могут работать и в пространстве RGB. Эти кодеки, как правило, не производят выборку красного, зеленого и синего каналов в разных соотношениях, поскольку для этого существует меньшая мотивация восприятия - только синий канал может быть недискретизирован.

Некоторое количество пространственной и временной понижающей дискретизации также может использоваться для уменьшения скорости исходных данных перед основным процессом кодирования. Самым популярным преобразованием кодирования является DCT 8x8. Кодеки, использующие вейвлет- преобразование, также выходят на рынок, особенно в рабочих процессах камеры, которые связаны с форматированием изображений RAW в последовательностях движения. Этот процесс включает представление видеоизображения в виде набора макроблоков . Дополнительные сведения об этом важном аспекте разработки видеокодеков см. В разделе B-кадры .

Выходные данные преобразования сначала квантуются , затем к квантованным значениям применяется энтропийное кодирование . Когда используется DCT, коэффициенты обычно сканируются с использованием зигзагообразного порядка сканирования , а энтропийное кодирование обычно объединяет ряд последовательных квантованных коэффициентов с нулевым значением со значением следующего ненулевого квантованного коэффициента в один символ. , а также имеет специальные способы указания, когда все оставшиеся значения квантованных коэффициентов равны нулю. В методе энтропийного кодирования обычно используются таблицы кодирования переменной длины . Некоторые кодеры сжимают видео в многоэтапном процессе, называемом n-pass. кодирование (например, 2-проходное), которое выполняет более медленное, но потенциально более качественное сжатие.

Процесс декодирования состоит из выполнения, насколько это возможно, инверсии каждого этапа процесса кодирования. [ Необходимая цитата ] Единственный этап, который нельзя точно инвертировать, - это этап квантования. Там выполняется аппроксимация инверсии наилучшим образом. Эта часть процесса часто называется обратным квантованием или деквантованием , хотя квантование по своей сути является необратимым процессом.

Конструкции видеокодеков обычно стандартизированы или в конечном итоге становятся стандартизированными, то есть точно указываются в опубликованном документе. Однако для обеспечения возможности взаимодействия необходимо стандартизировать только процесс декодирования. Процесс кодирования обычно вообще не указывается в стандарте, и разработчики могут создавать свой кодировщик, как им заблагорассудится, при условии, что видео можно декодировать указанным способом. По этой причине качество видео, полученного путем декодирования результатов различных кодеров, использующих один и тот же стандарт видеокодека, может сильно различаться от одной реализации кодера к другой.

Часто используемые видеокодеки [ править ]

Основная статья: Список кодеков

На ПК и в бытовой электронике можно реализовать множество форматов сжатия видео. Таким образом, в одном продукте может быть доступно несколько кодеков, что снижает необходимость выбора одного доминирующего формата сжатия видео для достижения функциональной совместимости .

Стандартные форматы сжатия видео могут поддерживаться несколькими реализациями кодеров и декодеров из разных источников. Например, видео, закодированное с помощью стандартного кодека MPEG-4 Part 2, такого как Xvid, может быть декодировано с использованием любого другого стандартного кодека MPEG-4 Part 2, такого как FFmpeg MPEG-4 или DivX Pro Codec, потому что все они используют один и тот же формат видео.

Кодеки имеют свои качества и недостатки. Сравнения публикуются часто. Компромисс между мощностью сжатия, скоростью и точностью (включая артефакты ) обычно считается наиболее важным показателем технических достоинств.

Пакеты кодеков [ править ]

Онлайн-видеоматериалы кодируются различными кодеками, что привело к появлению пакетов кодеков - предварительно собранного набора часто используемых кодеков в сочетании с установщиком, доступным в виде пакета программного обеспечения для ПК, например K-Lite Codec Pack. , Perian и комбинированный пакет кодеков сообщества .

См. Также [ править ]

  • Формат кодирования видео
  • Битрейт
  • Сравнение видеокодеков
  • Сжатие данных § Видео
  • Разрешение экрана
  • Частота кадров
  • Список кодеков § Форматы сжатия видео
  • Список кодеков с открытым исходным кодом
  • Мультиплексирование
  • Частота выборки
  • Субъективное качество видео
  • Транскодирование
  • Качество видео

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ахмед, Насир ; Натараджан, Т .; Рао, КР (январь 1974), "дискретного косинусного преобразования", IEEE Transactions на компьютерах , C-23 (1): 90-93, DOI : 10,1109 / TC.1974.223784
  2. ^ Рао, КР ; Ип П. (1990), Дискретное косинусное преобразование: алгоритмы, преимущества, приложения , Бостон: Academic Press, ISBN 978-0-12-580203-1
  3. ^ «T.81 - ЦИФРОВОЕ СЖАТИЕ И КОДИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ТОНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ - ТРЕБОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ» (PDF) . CCITT. Сентябрь 1992 . Проверено 12 июля 2019 .
  4. ^ a b Ганбари, Мохаммед (2003). Стандартные кодеки: от сжатия изображений до расширенного кодирования видео . Институт инженерии и технологий . С. 1–2. ISBN 9780852967102.
  5. ^ а б в г http://www.real.com/resources/digital-video-file-formats/
  6. ^ «Рекомендация МСЭ-Т объявил патент (ы)» . ITU . Проверено 12 июля 2019 .
  7. ^ "Список патентов MPEG-2" (PDF) . MPEG LA . Дата обращения 7 июля 2019 .
  8. ^ "MPEG-4 Visual - Список патентов" (PDF) . MPEG LA . Дата обращения 6 июля 2019 .
  9. ^ «AVC / H.264 - Список патентов» (PDF) . MPEG LA . Дата обращения 6 июля 2019 .
  10. ^ "Список патентов HEVC" (PDF) . MPEG LA . Дата обращения 6 июля 2019 .
  11. ^ «Предварительный патентный список HEVC» . HEVC Advance . Дата обращения 6 июля 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Wyner-Ziv Coding of Video describes another algorithm for video compression that performs close to the Slepian–Wolf bound (with links to source code).
  • AMD Media Codecs—optional download (formerly called ATI Avivo)