Войти
A видеокодек - это программный или аппаратный, который сжимает, а распаковывает цифровое видео. В контексте сжатия видео кодек представляет собой портманто кодера и декодера, в то время как устройство, которое выполняет только сжатие, обычно называется кодером, а устройство, которое выполняет только декомпрессию, является декодером.
Формат сжатых данных обычно соответствует стандарту спецификации сжатия видео. Обычно используется сжатие 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 битрейта ), сложностью кодирования и алгоритмы декодирования, чувствительность к потерям и ошибкам данных, простота редактирования, произвольный доступ и сквозная задержка (задержка ).
Исторически видео сохранялось как аналоговый сигнал на магнитной ленте. Примерно в то время, когда на рынок вышел компакт-диск 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 уменьшения объема данных, используемых для представления сырого 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. В конце 1980-х годов ряд компаний начали экспериментировать с DCT сжатием с потерями для кодирования видео, что привело к разработке стандарта H.261. H.261 был первым практическим стандартом кодирования видео и был разработан рядом компаний, включая Hitachi, PictureTel, NTT, BT и Toshiba. и другие. Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео.
Самыми популярными стандартами кодирования видео, используемыми для кодеков, были MPEG стандарты. 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 г. пришел MPEG-2 / H.262, который был разработан рядом компаний, в первую очередь Sony, Thomson <23.>и Mitsubishi Electric. MPEG-2 стал стандартным видеоформатом для DVD и SD цифрового телевидения. В 1999 году за ним последовал MPEG-4 / H.263, который стал большим шагом вперед в технологии сжатия видео. Он был разработан рядом компаний, в первую очередь Mitsubishi Electric, Hitachi и Panasonic.
. 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. 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-программное обеспечение, такое как Adobe Flash Player и Microsoft Silverlight, а также различные передачи HDTV по наземному и спутниковое телевидение.
На смену AVC пришел HEVC (H.265), разработанный в 2013 году. Он сильно запатентован, при этом большинство патентов принадлежит Samsung Electronics, GE, NTT. и JVC Kenwood. Принятию HEVC препятствует сложная структура лицензирования. На смену HEVC, в свою очередь, приходит Универсальное кодирование видео (VVC).
Существуют также открытые и бесплатные форматы кодирования видео VP8, VP9 и AV1, используемые Youtube, все из которых были разработаны с участие со стороны Google.
Видеокодеки используются в DVD-плеерах, Интернет-видео, видео по запросу, цифровом кабеле, цифровое наземное телевидение, видеотелефония и множество 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 и в дистанционно управляемых подводных аппаратах и беспилотных летательные аппараты.
Видеокодеки стремятся представить набор аналоговых данных в цифровом формате. Из-за конструкции аналоговых видеосигналов, которые представляют яркость (яркость) и информацию о цвете (цветность, цветность) по отдельности, общим первым шагом в сжатии изображения при разработке кодека является представление и сохраните изображение 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 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 в стандарте DV используются отношения выборки 4: 1: 1. Профессиональные видеокодеки, предназначенные для работы с гораздо более высокими битрейтами и для записи большего количества цветовой информации 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), Apple Prores HQ 422 (4: 2: 2).
Также стоит отметить, что видеокодеки также могут работать в пространстве RGB. Эти кодеки, как правило, не выполняют выборку красного, зеленого и синего каналов в разных соотношениях, поскольку для этого меньше перцепционной мотивации - только синий канал может быть недискретизирован.
Некоторое количество пространственного и временного понижающей дискретизации также может использоваться для уменьшения скорости исходных данных перед базовым процессом кодирования. Самым популярным преобразованием кодирования является DCT 8x8. Кодеки, которые используют преобразование вейвлет, 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. Для получения дополнительной информации об этом критическом аспекте разработки видеокодеков см. B-кадры.
Выходные данные преобразования сначала квантуются, затем энтропийное кодирование применяется к квантованные значения. Когда используется DCT, коэффициенты обычно сканируются с использованием 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 того, когда все оставшиеся значения квантованных коэффициентов равны нулю. В методе энтропийного кодирования обычно используются таблицы кодирования с переменной длиной. Некоторые кодеры сжимают видео в многоэтапном процессе, называемом n-проходным кодированием (например, 2-проходным), который выполняет более медленное, но потенциально более высокое качество сжатия.
Процесс декодирования состоит из выполнения, насколько это возможно, инверсии каждого этапа процесса кодирования. 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 не указывается в стандарте, и разработчики могут создавать свой кодировщик по своему усмотрению, если видео может быть декодировано указанным способом. По этой причине качество видео, полученного путем декодирования результатов различных кодеров, использующих один и тот же стандарт видеокодеков, может значительно отличаться от одной реализации кодера к другой.
На ПК и в бытовой электронике можно реализовать множество форматов сжатия видео. Следовательно, в одном продукте могут быть доступны несколько кодеков, что снижает необходимость выбора одного доминирующего формата сжатия видео для достижения взаимодействия.
Стандартные форматы сжатия видео могут поддерживаться несколькими реализации кодировщика и декодера из нескольких 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.
Кодеки имеют свои качества и недостатки. Часто публикуются сравнения. Компромисс между мощностью сжатия, скоростью и точностью (включая артефакты ) обычно считается наиболее важным показателем технических достоинств.
Онлайн-видеоматериалы кодируются различными кодеками, что привело к появлению пакетов кодеков - предварительно собранного набора часто используемых кодеков в сочетании с доступным установщиком в качестве программного пакета для ПК, например K-Lite Codec Pack, Perian и Combined Community Codec Pack.
