Видео кодек - Video codec

Не путать с Формат кодирования видео.

А видео кодек является программного обеспечения или оборудование это компрессы и декомпрессирует цифровое видео. В контексте сжатия видео кодек это чемодан из кодировщик и декодер, в то время как устройство, которое только сжимает, обычно называют кодировщик, а тот, который только декомпрессирует, является декодер.

Формат сжатых данных обычно соответствует стандарту спецификация сжатия видео. Сжатие обычно 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.

Между качество видео, объем данных, используемых для представления видео (определяется битрейт ), сложность алгоритмов кодирования и декодирования, чувствительность к потерям и ошибкам данных, простота редактирования, произвольный доступ и сквозная задержка (задержка ).

История

Дальнейшая информация: Формат кодирования видео § История

Исторически видео сохранялось как аналоговый сигнал на магнитная лента. Примерно в то время, когда компакт-диск вышла 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 сырого видео, потребовался метод для уменьшения объема данных, используемых для представления сырого видео. С того времени, инженеры и математики разработали ряд решений для достижения этой цели, которые включают сжатие цифровых видеоданных.

В 1974 г. дискретное косинусное преобразование (DCT) сжатие было введено Насир Ахмед, Т. Натараджан и К. Р. Рао.[1][2][3] В конце 1980-х годов ряд компаний начали экспериментировать с DCT. сжатие с потерями для кодирования видео, что привело к разработке H.261 стандарт.[4] H.261 был первым практическим стандартом кодирования видео,[5] и был разработан рядом компаний, в том числе Hitachi, PictureTel, NTT, BT, и Toshiba, среди прочего.[6] Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео.[4]

Самый популярный стандарты кодирования видео для кодеков были MPEG стандарты. MPEG-1 был разработан Группа экспертов по киноискусству (MPEG) в 1991 году, и он был разработан для сжатия VHS -качественное видео. Его сменил в 1994 г. MPEG-2 /H.262,[5] который был разработан рядом компаний, в первую очередь Sony, Томсон и Mitsubishi Electric.[7] MPEG-2 стал стандартным видеоформатом для DVD и SD цифровое телевидение.[5] В 1999 году за ним последовали MPEG-4 /H.263, что стало 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 - это основной стандарт кодирования видео для Диски Blu-ray, и широко используется потоковыми интернет-сервисами, такими как YouTube, Netflix, Vimeo, и ITunes магазин, веб-программное обеспечение, такое как Adobe Flash Player и Microsoft Silverlight, и различные HDTV вещает по наземному и спутниковому телевидению.

На смену AVC пришли 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 Универсальное кодирование видео (ВВЦ).

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

Приложения

Видеокодеки используются в DVD-плеерах, Интернет-видео, видео по запросу, цифровой кабель, цифровое наземное телевидение, видеотелефония и множество других приложений. В частности, они широко используются в приложениях, которые записывают или передают видео, что может оказаться невозможным с большими объемами данных и пропускной способностью несжатого видео. Например, они используются в операционные для записи хирургических операций, в IP камеры в системах безопасности, и в дистанционно управляемые подводные аппараты и беспилотные летательные аппараты.

Дизайн видеокодека

Дальнейшая информация: Формат кодирования видео

Видеокодеки стремятся представить набор аналоговых данных в цифровом формате. Из-за конструкции аналоговых видеосигналов, которые представляют яркость (яркость) и информация о цвете (цветность, цветность) по отдельности, общий первый шаг в сжатии изображения при разработке кодека - это представление и сохранение изображения в YCbCr цветовое пространство. 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, используя субдискретизация цветности для достижения более эффективного сжатия данных. Обычно отношения информации, хранящейся в этих разных 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 DV В стандарте используется соотношение выборки 4: 1: 1. Профессиональные видеокодеки, предназначенные для работы с гораздо более высокими битрейтами и для записи большего количества информации о цвете для образцов постпроизводственной обработки 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), яблоко 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 пространственных и временных понижающая дискретизация также может использоваться для уменьшения скорости необработанных данных перед основным процессом кодирования. Самым популярным преобразованием кодирования является DCT 8x8. Кодеки, использующие вейвлет transform также выходят на рынок, особенно в рабочих процессах камеры, которые связаны с RAW форматирование изображений в последовательности движений. Этот процесс включает представление видеоизображения в виде набора макроблоки. Для получения дополнительных сведений об этом важном аспекте разработки видеокодеков см. B-кадры.

Результат преобразования - первый квантованный, тогда энтропийное кодирование применяется к квантованным значениям. Когда используется DCT, коэффициенты обычно сканируются с использованием зигзагообразное сканирование порядка, 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 квантованные значения коэффициентов равны к нулю. Метод энтропийного кодирования обычно использует таблицы кодирования переменной длины. Некоторые кодеры сжимают видео в многоэтапном процессе, называемом n-проход 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.[нужна цитата ] Единственный этап, который нельзя точно инвертировать, - это этап квантования. Там выполняется аппроксимация инверсии наилучшим образом. Эту часть процесса часто называют обратное квантование или деквантование, хотя квантование - это по своей сути необратимый процесс.

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 не указывается в стандарте, и разработчики могут создавать свой кодировщик по своему усмотрению 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 видеокодеков, может сильно различаться от одной реализации кодера к другой.

Часто используемые видеокодеки

Основная статья: Список кодеков

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

Стандарт форматы сжатия видео может поддерживаться множеством реализаций кодировщика и декодера из множества 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, поскольку все они используют один и тот же формат видео.

У кодеков есть свои качества и недостатки. Часто публикуются сравнения. Компромисс между мощностью сжатия, скоростью и точностью (включая артефакты ) обычно считается наиболее важным показателем технических достоинств.

Пакеты кодеков

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

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Ахмед, Насир; Натараджан, Т .; Рао, К. Р. (январь 1974 г.), "Дискретное косинусное преобразование", Транзакции IEEE на компьютерах, С-23 (1): 90–93, Дои:10.1109 / T-C.1974.223784
  2. ^ Рао, К.; 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 г.. Получено 12 июля 2019.
  4. ^ а б Ганбари, Мохаммед (2003). Стандартные кодеки: от сжатия изображений до расширенного кодирования видео. Институт инженерии и технологий. С. 1–2. ISBN  9780852967102.
  5. ^ а б c d http://www.real.com/resources/digital-video-file-formats/
  6. ^ «Заявленный патент (ы)» Рекомендацией МСЭ-Т ». ITU. Получено 12 июля 2019.
  7. ^ «Патентный список MPEG-2» (PDF). MPEG LA. Получено 7 июля 2019.
  8. ^ "MPEG-4 Visual - Патентный список" (PDF). MPEG LA. Получено 6 июля 2019.
  9. ^ «AVC / H.264 - Патентный список» (PDF). MPEG LA. Получено 6 июля 2019.
  10. ^ «Патентный список HEVC» (PDF). MPEG LA. Получено 6 июля 2019.
  11. ^ «Предварительный список патентов HEVC». HEVC Advance. Получено 6 июля 2019.

внешние ссылки