Компрессия данных h 264 аудиоданных. Профили кодека H.264

/ от

Тип компрессии Н.264, больше известный под названием MPEG-4 Part 10 Advanced Video Codec, достаточно быстро стал превалирующим стандартом видеокомпрессии для телевизионной индустрии.

Четвертое поколение кодеков, H.264 становится популярным даже среди контента для ведущих мобильных устройств. Производители устанавливают поддержку кодека практически во все устройства. Такая универсальность предполагает использование кодека повсеместно. Но это же качество делает кодек гораздо сложнее в настройках для оптимального использования, чем его предшественники. Он требует более высоких технологических мощностей для кодирования и декодирования процессов, что ограничивает его использование в устройствах низшей ценовой категории.

Это одна из тем, по которой ведутся многочисленные дискуссии о введении H.264 во все фазы телевизионного производства и о том, как быстро нужно адаптировать потоковую медиаиндустрию что бы полностью изменить ее цифровую сущность.

Что такое H.264?

H.264/MPEG-4 part10 AVC – передовая, на сегодняшний день, технология компрессии –результат коллективной работы команды известной как Joint Video Team (JVT). Группа была основана членами ITU (International Telecommunication Union) и (MPEG) Motion Picture Expert Group и опубликовала свой первый технический документ – спецификацию ITU-T H.264 и ISO/IES MPEG-4 Part 10 в 2003 году. Тогда же команда специалистов заверила, что кодек будет адоптирован и принят в производство телекоммуникационной и телевизионной индустрией уже вскоре.

Спецификация MPEG-4 определяет 27 отдельных и часто совместимых стандартов, названных Частями (Part), которые могут применяться в телевидении. Но некоторые из них не совместимы и не имеют никакого отношения к стандарту Part 10. Только Н.264 эквивалентен спецификации MPEG4 Part10. Что бы избежать конфузов следует придерживаться только этих понятий в подборе оборудования для производства.

H.264, в свою очередь, имеет также много подразделов, именуемых профилями, каждый из которых имеет свои специфические качества и пределы применений. Некоторые из них вытесняются более современными профилями. Спецификации меняются так часто, как происходит замена профилей.

Вещателям наиболее интересен Constrained Baseline Profile, который используется для интернет вещания и вещания для мобильных устройств с 2009 года. Для телевизионного наземного вещания используется Main Profile. Scalable High и Scalable High-Intra профиль, который был выделен из профиля High в 2007 году используется в видео продакшен и в некоторых широкополосных сетях. Также H.264 был стандартизирован для 3D видео начиная с 11-ой версии, учитывая возможное его применение в будущем в 3D телевидении.

H.264 унаследовал от своих предыдущих трех поколений кодеков основные направления в методиках кодирования, но с более развитым математическим аппаратом и с соответственными преимуществами.

— Кадры цифрового видео анализируются, сравниваются с предыдущими и последующими кадрами, детектируются тождественности и отличия. Как результат прогнозируется изображение воспроизводимого кадра и в последнем этапе, если данные теряются, то они восстанавливаются из предыдущих данных.

— Выбор различных алгоритмов кодирования для оптимального просчета процессов и контроль над их многообразием – особенность кодека. Это важно в оптимизации кодирования для узких полос пропускания и устройств с ограниченным разрешением.

Преимущества H.264

Кодек имеет несколько преимуществ, а именно:

— Низкий bit rate при высоком уровне качества. Это особенно важно для кабельных, спутниковых, а в Украине особенно важно для эфирных, операторов. Вместо одного канала с кодированием MPEG2, можно вместить два — с кодированием H.264. Это существенно удешевляет вещание и дает возможность вещать в приемлемом качестве там, где технологии передачи данных ограничены в полосе пропускания.

— Приемлемое качество изображение при низком bit rate. Это качество можно использовать в ограниченных полосах пропускания, например для мобильных устройств. Во многих случаях MPEG-4 является единственным возможным стандартом вещания при низком bit rate.

— Меньше технологий на рынке — больше аудитория. Если вы хотели бы добавить новую форму вещания, то шансы есть только у технологий кодирования базирующихся на H.264. Решения с использованием головных станций и инфраструктуры, поддерживающих MPEG-4, будет значительно дешевле, чем использование каких-то необычных устройств.

-Лучшая совместимость на долгое время. Выбор устройств поддерживающих H.264 постоянно расширяется, а в скором будущем каждое медиаустройство будет иметь встроенный кодек H.264. и так будет продолжаться до тех пор, пока это метод компрессии не сменит другой. Но он должен быть настолько революционным, что на его создание уйдут многие годы.

— Низкая стоимость внедрения. Невысокая конкуренция со стороны остальных стандартов приведет к быстрому росту рынка и понижению цены на продукты, также мы сможем наблюдать постепенное снижение спроса на дорогие мультистандартные устройства. Производство устройств совмещающих в себе кодер и плеер будет расти.

Оптимизация H.264 для телевидения

С гибкостью приходят и сложности. И H.264 не исключение. Установки кодера H.264 для вашего решения могут быть простыми, если выбрать их нажатием одной кнопки «по умолчанию». На самом деле оптимальная настройка кодера очень сложна. Только одна популярная библиотека настроек кодека H.264 имеет более 200 конфигураций.

К счастью наиболее распространенные set’ы имеются в шаблонах, тем не менее, лучшие возможности проигрывания видео могут быть выбраны только путем тщательной индивидуальной настройки в пользовательском интерфейсе.

Есть несколько критичных пунктов, которые особенно важны для H.264.

— Постоянный (CBR) и переменный (VBR) bit rate. При постоянном bit rate, а приблизительно половина трафика имеет CBR, нет никаких вопросов относительно сложности или других факторов, которые бы расширяли полосу пропускания. Это очень хорошее качество для потоков для мобильных устройств, потому что они имеют узкую полосу пропускания и не очень мощный процессор, которому легче обрабатывать постоянный поток данных без пиковых нагрузок. CBR также удобно использовать в интернет вещании, используя адаптивный стриминг. Потому что плеер автоматически переключается вперед и назад между различными потоками. А CBR помогает плееру синхронизироваться и воспроизводить видео бесшовно и стабильно.

Но CBR не оптимален со стороны качества, потому что поток не изменяется в зависимости от динамики и сложности видео. В то время как специфика VBR позволяет в необходимых сложных местах повышать bit rate и снижать степень сжатия для получения более качественного изображения. Это необходимо в сценах с быстрым движением мелких предметов. С другой стороны, больше битов — шире полоса пропускания. Это может создать большие проблемы. Поэтому если вы нуждаетесь в качественном H.264, скачайте фильм заранее.

— Размеры макроблока . Подобно другим кодекам H.264 создает в захваченном кадре индивидуальные распределения, называемые макроблоками. Компрессия видео и компенсационная технология, которая создает магическое сжатие каждого макроблока, в конечном счете, прогнозирует кадр, рассчитываемый из разницы между конечным и начальным макроблоками. Старые кодеки имели фиксированную величину макроблока 16х16 пикселей, но H.264 позволяет выбирать изменять этот размер. Несмотря на то, что минимальный размер блока составляет 4х4 пикселя, в особых случаях блоки могут уменьшаться до 1 пикселя, то есть не компрессироваться.

Малые, средние и большие блоки, чередуясь в кадрах, адаптивно регулируют процесс кодирования, способствуя получению оптимального изображения и в значительной мере определяя нагрузку процессора во время real-time кодирования. Для кодирования в вещательных решениях предпочтительно использовать минимальные макроблоки, но настолько что бы не вызвать пропуска кадров или других задержек связанных с отставанием компрессора. Увеличение размера макроблоков можно добиться, при необходимости, путем предварительной фильтрации изображения (например, блюринг). Главное определиться с компромиссом этих параметров.

Большинство профессиональных кодеров имеет возможность автоматически изменять размер макроблока при смене размера выходного кадра.

-GOP структура. Group of Picture (GOP) обычно изменяется так часто, как требуется вставить полный кадр, для воспроизведения прогнозируемых кадров без существенных потерь. Ваш выбор настроек может существенно повлиять на процесс кодирования. Большинство кодеров имеют автоматическую возможность вовремя вставлять в сцену полный кадр. Однако некоторый контент, например, как новости, имеет частые смены сцен, и частая автоматическая вставка полных кадров может привести к большим задержкам. Я помню одно такое устройство, которое не стартовало, если в новом футаже не было первого полного кадра. Ну, это из ряда вон, но увеличение структуры GOP за счет полных кадров может создать дополнительную задержку потока на 1-2 секунды. Если кэш устройства переполнится, то зрителей начнут раздражать стоп-кадры и рассыпание видео.

Таким образом, используя некоторые настройки кодека можно адаптировать изображение для конкретных задач.

P.S. Я бы не стал питать больших иллюзий по поводу качества вещания DVB-T2 в Украине. Используемый профиль с 8-битным преобразованием не позволит, даже при самых оптимальных решениях, поднять четкость ТВЛ выше 400. То есть четкость останется на том же уровне, что и сейчас. А размеры экранов в домохозяйствах за последние годы выросли в два раза. Да, конечно, уйдут эфирные помехи и шумы в зонах слабого и неуверенного приема. Но добавятся природные искажения, вносимые кодированием со скоростью потока всего лишь 2,5 мБс. Выход один – очень нежно фильтровать высокие частоты, увеличивая размер макроблоков, но без фанатизма. Как это сделать в отдельно взятой телекомпании с, как правило, непредсказуемым контентом – отдельная головная боль главных инженеров.

Сегодня у телекомпаний есть свобода выбора в вопросах касательно сжатия телесигнала. Форматы MPEG‑2, H.264 и JPEG 2000 являются наиболее конкурентными вариантами для выполнения сжатия видеопотока на профессиональном уровне. В конечном итоге, инфраструктура сети, полоса пропускания и бюджет являются решающими факторами для телекомпании, которые помогают определиться с «правильным» выбором. Форматы MPEG‑2 и H.264 являются эффективными решениями сжатия мультимедийных приложений с целью их последующего воспроизведения.

Веские аргументы можно привести в пользу формата JPEG 2000, который основан на передовых внутрикадровых методах кодирования и обеспечивает высокую степень гибкости и управляемости, не сравнимую с гибкостью и управляемостью других форматов сжатия. Более того, факт появления все больших и больших разновидностей передаваемых видеоприложений, которые требуют более низкого времени задержки и более высокого качества изображения, делает формат JPEG 2000 оптимальным решением в удовлетворении требований передачи видео в HD-качестве.
Главной задачей всех телекомпаний - независимо от инфраструктуры сети, выбранного метода сжатия и особенностей транслируемых приложений - является передача сигнала максимального качества при заданной полосе пропускания, ограничив при этом расходы с целью получения максимальной прибыли. Имейте в виду, что передача видеопотока представляет собой комплексную цепь процессов. Какой-либо процесс, происходящий внутри цепи, влияет на процесс передачи видео в целом, в результате серьезная недоработка внутри цепи затрагивает все последующие звенья и приводит к ухудшению качества передачи видео в целом. Конечно, то, как выбранный формат сжатия реализовывается, и как осуществляется управление им, также играет крайне важную роль в достижении наилучшей производительности независимо от выбранной схемы сжатия.

MPEG‑2: «устаревший» кодек

Алгоритмы сжатия видео, такие как MPEG‑2 и H.264 являются кодеками, которые основаны на дискретном косинусном преобразовании (ДКП). С целью сокращения объема данных видеосигнала между сериями кадров эти кодеки используют алгоритм межкадрового предсказания. Суть данного алгоритма заключается в методе дифференцированного кодирования, когда последующий кадр сравнивается с исходным, после чего выполняется кодирование только тех пикселей, которые изменились.
В результате количество пикселей, которые необходимо кодировать и передавать, уменьшается. Когда такая кодированная последовательность передается на экран ТВ, полученное видео ничем не отличается от исходной последовательности кадров.
Появление MPEG‑2 было обусловлено необходимостью трансляции сигналов с более высокой скоростью передачи данных - сигналов SD-формата (величина битрейта от 3 Мб/с до 15 Мб/с) и HD-формата (величина битрейта от 15 Мб/с до 30 Мб/с). При передаче видеоизображения с использованием метода предикативного сжатия MPEG‑2 каждый закодированный кадр в последовательности изображений может передаваться как независимо сжатый кадр («I-кадр»), сжатый кадр с использованием предсказания движения в одном направлении («P-кадр») и сжатый кадр с использованием предсказания движения в двух направлениях («B-кадр»). Благодаря сокращению пространственной и временной избыточности MPEG‑2 обеспечивает повышенное сжатие. Тем не менее использование «B-кадров» приводит к появлению задержки предупорядочивания, которая зависит от количества передаваемых «B-кадров». При большом количестве передаваемых «B-кадров» эта задержка может быть очень значительной.
MPEG‑2 до сих пор является широко распространенным кодеком и рассматривается как конкурентоспособный выбор благодаря его низкой стоимости внедрения и поддержке широкого диапазона цветопередачи – 4:2:2. Тем не менее существует ряд ограничений, которые обусловлены как самим кодеком, так и стандартами, которые регулируют его реализацию.
Например, MPEG‑2 по сравнению с конкурирующими кодеками требует, как правило, более высокой пропускной способности для обеспечения достаточно высокого качества видео. Вследствие потоковой битовой структуры сигнала и его формы передачи в виде отдельных пакетов закодированный сигнал в MPEG‑2 крайне чувствителен к ошибкам и любым потерям информации. Потеря или повреждение одного из пакетов оказывает существенное влияние на процесс декодирования, что приводит к «битым» кадрам или выраженным искажениям изображения, а это в конечном итоге приведет к прекращению использования MPEG‑2 в среде профессионального телевещания.

H.264: кодек следующего поколения

H.264 или MPEG-4 Part 10 (Advanced Video Coding) кодек был разработан в качестве альтернативы кодеку MPEG‑2 и характеризуется повышенной производительностью и более широким набором инструментов, что обеспечивает высокую гибкость в отношении передачи информации. В результате H.264, по сравнению с MPEG‑2, обеспечивает эквивалентное качество видео при более низкой скорости передачи данных. При переходе на кодирование H.264, по сравнению с MPEG‑2, пропускная способность, достаточная для передачи изображения аналогичного качества, может быть снижена на величину до 50 процентов. В этом кодеке используется ассиметричная архитектура. Сложность вычислений в нем минимизирована, что обуславливает его высокую гибкость, достаточную для применения этого кодека для широкого спектра приложений, включая трансляцию, хранение и передачу данных по беспроводной мультимедийной связи.
Алгоритм сжатия H.264 схож с алгоритмом MPEG‑2 и основан на тех же основных принципах, включая компенсацию движения с переменным размером блоков и дискретное косинусное преобразование. Более того, H.264 характеризуется высокой производительностью и надежностью. Он выполняет как пространственное предсказание при внутрикадровом кодировании, так и оценку движения при межкадровом кодировании, что улучшает эффективность сжатия. При внутрикадровом кодировании каждый кадр кодируется сам по себе, без использования информации соседних кадров. Кроме того, H.264 использует предварительную обработку этапов, используя для этого соседние пиксели из ранее закодированных блоков, что является преимуществом по сравнению с внутрикадровой пространственной корреляцией.
Ключевые особенности данного стандарта – это эффективность сжатия и передачи данных, а также направленность на сжатие видео широкого спектра приложений. Благодаря тому, что на сегодняшний день кодек поддерживает 17 профилей и 16 уровней, каждый из которых нацелен на конкретный класс популярных передаваемых видеоприложений, достигается высокий уровень гибкости и масштабируемости.
Формату H.264 свойственны такие же ограничения, как и для формата MPEG‑2. В конечном итоге, эти ограничения связаны с возможностью существующей технологии, что препятствует применению формата H.264 в профессиональной среде вещания. На сегодняшний день наиболее технологически продвинутым кодеком, совместимым со стандартами вещания, является H.264, выполняющий сжатие видео со скоростью 80 Мб/с, ограниченный разрешением в 8 бит. Реализация сети на основе H.264 может быть дорогостоящей. Стоимость по сравнению с конкурирующими стандартами может быть в четыре раза выше за счет себестоимости и потребления мощности. Благодаря архитектурной асимметрии кодеков может сложиться впечатление, что высококачественные декодеры обладают низкой стоимостью, в результате чего пользователи очень часто удивляются высокой цене на профессиональные видеодекодеры.

JPEG 2000: выбор прогрессивного метода сжатия

Метод JPEG 2000, предлагаемый современным рынком, является его ключевым достоинством. Стандарт и система кодирования JPEG 2000 основаны на «вейвлет-технологии» сжатия изображения. Изначально он был задуман не как кодек для сжатия видео, а как кодек сжатия графических изображений. Примененная в нем внутрикадровая схема кодирования имеет ряд преимуществ, характерных для всего цикла вещания - доставка, формирование, а также первичное и вторичное распределение.
JPEG 2000, по сравнению с форматами H.264 и MPEG‑2, хорошо известен своим отличным визуальным качеством (см. рисунок 1). JPEG 2000 выполняет кодирование в пределах полного кадра, в то время как другие схемы сжатия требуют, чтобы изображение было разбито на более мелкие блоки, в результате чего ухудшение качества происходит неравномерно и может различаться в пределах кадра. Это приводит к появлению визуально раздражающего искажения, известного как «блокинг-эффект». В случае с JPEG 2000 потеря качества происходит равномерно по всей области кадра и зрительно воспринимается как сглаживание краев, иначе говоря, происходит размытость. Такое искажение визуально является менее раздражающим, чем «блокинг-эффект», так как размытость в большей степени соответствует естественному восприятию человеческого глаза. JPEG 2000 обладает уникальной возможностью доставки информации в первоначальном виде для последующей обработки. За счет обеспечения высокого качества на более низком уровне возможна передача высокого качества на более высокий уровень. Видео JPEG 2000 остается практически нетронутым при осуществлении многократных циклов кодирования/декодирования. Это позволяет сохранить высокое качество видео, передав его по этой цепочке.

JPEG 2000 характеризуется низким временем задержки - порядка 1.5 кадра или меньше на весь цикл кодирования-декодирования. Этот параметр является критичным для интерактивных приложений и может привести к отсутствию связи при переходе от одного кадра к следующему кадру. Низкое время задержки порядка 45 мс при сжатии HD-потока является преимуществом по сравнению с форматами H.264 и MPEG‑2, время задержки в которых достигает от одной до двух секунд.
Высокая скорость передачи, которая достигается за счет сжатия JPEG 2000, также критически важна. При сравнении реализованных проектов замечено, что, как правило, JPEG 2000 может работать при очень высоких скоростях - намного более высоких, чем H.264. Для передачи изображения высокого качества это является ключевым моментом, так как пропускная способность может быть ограничена конкретным типом инфраструктуры, однако ширина полосы пропускания не обязательно является критической. Например, HD-видео при 1.5 Гб/с невозможно передать по сети Ethernet в 1 Гбит, но для этой цели может быть выделен весь канал. Следовательно, передача HD-видео может быть осуществлена, если задействовать всю ширину полосы пропускания и применить «легкое» JPEG 2000 сжатие для достижения как наивысшего качества, так и вписывания в ширину канала или, когда уместно, закодировать с использованием математического сжатия без потерь с целью исключения потерь видеоинформации.
Одним из наиболее значительных преимуществ формата JPEG 2000 является его гибкость. Возможна передача данных по множеству типов сетевых инфраструктур - Ethernet/IP, SONET/SDH/PDH и по оптоволокну. Когда данные упакованы с помощью JPEG 2000 в ASI-поток, то видео может передаваться везде, в любое время и на любое расстояние. JPEG 2000 выполняет независимое кодирование каждого поля и каждого кадра, яркости и цветности компонента. Качество, которое достигается за счет математического сжатия без потерь, сравнимо с качеством математического сжатия с потерями. Видео может быть закодировано путем математического сжатия без потерь, но по причине недостаточной пропускной способности канала может обрезаться и преобразовываться в сжатие с потерями.
Конструктивно для JPEG 2000 характерным является одинаковый уровень сложности как для процесса кодирования, так и для процесса декодирования. Так как JPEG 2000 является симметричным кодеком, одно и то же аппаратное средство может быть предоставлено как в качестве кодера, так и в качестве декодера, в то время как асимметричные кодеки требуют совершенно разных аппаратных средств, особенно при высокой скорости передачи данных. Относительно низкая сложность JPEG 2000 имеет преимущества в стоимости, капитальных и эксплуатационных затратах, а также снижает расходы на электропитание сети.

Подводим итоги

Каждый из рассмотренных в статье кодеков играет свою индивидуальную роль в сфере качественной передачи данных. Кодеки H.264/MPEG-4 и MPEG‑2 по-прежнему актуальны в сфере профессионального телевещания. Они обеспечивают высокое качество в сетях с ограниченной пропускной способностью, но они не обязательно являются единственно правильным выбором во всех возможных сферах применения.
Формат JPEG 2000 обеспечивает высокое качество изображения и низкое время задержки при кодировании в несколько циклов. На сегодняшний день он подтвердил свою значимость во всех сферах видеотехнологий, в сфере передачи данных по IP- и 3G-сетям, а также в HD- и 3D-технологиях.
Помимо качества и инфраструктуры сети, в процессе сравнения и выбора метода сжатия необходимо учитывать степень затрат ресурсов и его стоимость. В целом, методы сжатия MPEG‑2 и H.264 являются дорогостоящими, энергозатратными и требуют применения сложных технологий.
Так как кодек JPEG 2000 по сравнению с другими требует меньше энергозатрат и в целом обеспечивает большую масштабируемость, гибкость и качество изображения, то перед ним открывается блестящее будущее. Все большее число ведущих мировых поставщиков услуг телевещания, а также телекомпаний используют JPEG 2000 для трансляции крупных, глобально значимых событий – особенно с использованием мощностей IP-сетей. Однако существующая ситуация постоянно изменяется, и, возможно, завтра перед нами предстанет новый, более «навороченный» метод сжатия.

Сегодня камеры наблюдения можно увидеть практически на каждом шагу. Возможно, вы также планируете установить одну или несколько камер у себя дома. Такие устройства работают с видеофайлами форматов.264 или H.264. Но как посмотреть видео и чем открыть файл рассмотрим в статье.

Различия и сходства форматов 264 и H.264

Формат.264 – это необработанные элементарные потоки видеофайлов H.264-ES (еще называют временным видео-файлом MPEG-4). В свою очередь H.264-ES является частью спецификации формата H.264. Старые модели видеорегистраторов записывают видео в формате.264. Такие видеофайлы не могут использоваться для прямого просмотра обычными проигрывателями и требуют обработки специальными программами.

Позволяет уменьшить видеозапись до минимального размера. После того, как видеозаписи проходят полное сжатие, качество видео и аудио по-прежнему остается на высоком уровне. С этим форматом работают камеры видеонаблюдения и видеорегистраторы нового образца. Файлы H.264 еще называются MPEG-4 Part 10 AVC/H.264. Несмотря на длинное и страшное название в сети очень легко найти проигрыватель файлов H.264.

Для открытия таких файлов необходимо воспользоваться одним из нижеперечисленных способов:

использовать специальные программы и утилиты;
выполнить конвертацию видеофайлов.

Открытие видео H.264

Практически все популярные программы и конвертеры работают с форматом H.264, Популярными являются:

Работа с форматом.264

Давайте рассмотрим более подробно, чем открыть файл.264 с видеорегистратора или камеры наблюдения.

Специальные программы

Для открытия видео.264 станут полезными следующие программы:

Видеофайлы.264 можно объединить или разъединить. Как это сделать мы рассмотрим дальше.

Утилиты

Чтобы воспроизвести файл.264, необходимо поместить его в контейнерный формат, который сможет распознать любой медиа-проигрыватель. Для этой цели рекомендуем воспользоваться одной из следующих утилит:

Demuxer – умеет создавать записи dsm или mpc. Стоит отметить, что файлы dsm можно воспроизвести только в этой утилите.
MKVcleaver – с ее помощью вы сможете вырезать видео в.MKV.
Mkvmerge – способна изменить, вырезать, объединить или разъединить видеофайлы. После обработки видео качество видео не ухудшается, а формат меняется на.MKV.
Haali Muxer – может помочь в преобразовании, объединении или разъединить видеофайлов. После обработки видео ему присваивается формат.MKV.