Сравнение видеокодеков

Α видеокодек - это программное обеспечение или устройство, обеспечивающее кодирование и декодирование для цифрового видео, которое может включать или не включать использование сжатия видео и / или декомпрессии. Большинство кодеков обычно являются реализациями форматов кодирования видео.

. Сжатие может использовать сжатие данных с потерями, так что вопросы измерения качества становятся важными. Вскоре после того, как компакт-диск стал широко доступным в качестве замены аналогового аудио в цифровом формате, стало возможным также хранить и использовать видео в цифровой форме. Вскоре для этого появились самые разные технологии. Основная цель большинства методов сжатия видео - создать видео, которое максимально приближается к точности исходного источника, одновременно обеспечивая минимально возможный размер файла. Однако есть также несколько других факторов, которые можно использовать в качестве основы для сравнения.

• 1 Введение в сравнение
• 2 Качество видео
  • 2.1 Объективное качество видео
  • 2.2 Субъективное качество видео
• 3 Сравнение производительности
  • 3.1 Сравнение скорости
  • 3.2 Поддержка профилей
  • 3.3 Поддерживаемые стратегии управления скоростью
• 4 Характеристики программного обеспечения
  • 4.1 Список кодеков
  • 4.2 Встроенная поддержка операционной системы
  • 4.3 Технические детали
• 5 Сравнение свободно доступных кодеков
• 6 См. Также
• 7 Примечания и ссылки
• 8 Внешние ссылки

При сравнении видеокодеков сравниваются следующие характеристики:

• Качество видео на битрейт (или диапазон битрейтов ). Обычно качество видео считается основной характеристикой сравнения кодеков. Сравнение качества видео может быть субъективным или объективным.
• Характеристики производительности, такие как скорость сжатия / декомпрессии, поддерживаемые профили / параметры, поддерживаемые разрешения, поддерживаемые стратегии управления скоростью и т. Д.
• Общие характеристики программного обеспечения - для пример:
  • Производитель
  • Поддерживаемая ОС (Linux, macOS, Windows )
  • Номер версии
  • Дата выпуска
  • Тип лицензии (коммерческая, бесплатная, с открытым исходным кодом )
  • Поддерживаемые интерфейсы (VfW, DirectShow и т. д.)
  • Цена (значение для денег, оптовых скидок и т. д.)

Качество, которого может достичь кодек, во многом зависит от формата сжатия, который он использует. Кодек не является форматом, и может быть несколько кодеков, которые реализовать ту же спецификацию сжатия - например, кодеки MPEG-1 обычно не достигают соотношения качество / размер, сравнимого с кодеками, реализующими более современную спецификацию H.264. Но соотношение качество / размер выходного продукта ed разными реализациями одной и той же спецификации также могут отличаться.

Каждая спецификация сжатия определяет различные механизмы, с помощью которых необработанное видео (по сути, последовательность несжатых цифровых изображений с полным разрешением) может быть уменьшено в размере от простого битового сжатия (например, Lempel-Ziv-Welch ) для психовизуального резюмирования и обобщения движений, а также того, как вывод сохраняется в виде битового потока. Пока компонент кодера кодека соответствует спецификации, он может выбрать любую комбинацию этих методов для применения различных частей контента. Компонент декодера кодека, который также соответствует спецификации, распознает каждый из используемых механизмов и, таким образом, интерпретирует сжатый поток для рендеринга его обратно в необработанное видео для отображения (хотя это не будет идентично входному необработанному видео, если только сжатие не было выполнено). без потерь). Каждый кодировщик реализует спецификацию в соответствии со своими собственными алгоритмами и параметрами, что означает, что сжатый вывод различных кодеков будет различаться, что приведет к различиям в качестве и эффективности между ними.

Прежде чем сравнивать качество видео кодека, важно понять, что каждый кодек может дать различную степень качества для данного набора кадров в видеопоследовательности. Многочисленные факторы играют роль в этой изменчивости. Во-первых, у всех кодеков есть механизм, который отвечает за определение битрейта и качества для каждого кадра. Разница между переменным битрейтом (VBR) и постоянным битрейтом (CBR) создает компромисс между постоянным качеством для всех кадров, с одной стороны, и более постоянным битрейтом, что требуется для одних приложений, для других. Во-вторых, некоторые кодеки различают разные типы кадров, такие как ключевые кадры и неключевые кадры, различающиеся по важности для общего визуального качества и степени, до которой они могут быть сжаты. В-третьих, качество зависит от префильтров, которые есть во всех современных кодеках. Могут играть роль и другие факторы.

Для достаточно длинного клипа можно выбрать последовательности, которые мало пострадали от сжатия, и последовательности, которые сильно пострадали, особенно если использовался CBR, при этом качество между кадры могут сильно различаться из-за разной степени сжатия, необходимой для достижения постоянной скорости передачи данных. Таким образом, в данном длинном клипе, таком как полнометражный фильм, любые два кодека могут работать совершенно по-разному с определенной последовательностью из клипа, в то время как кодеки могут быть приблизительно равными (или ситуация обратная) по качеству в более широкой последовательности. рам. Пресс-релизы и любительские форумы могут иногда выбирать в обзорах последовательности, которые, как известно, отдают предпочтение конкретному кодеку или стилю управления скоростью.

Объективное качество видео

Объективные методы оценки видео - это математические модели, которые стремятся предсказать человеческие суждения о качестве изображения, что часто подтверждается результатами экспериментов по оценке субъективного качества. Они основаны на критериях и показателях, которые могут быть объективно измерены и автоматически оценены компьютерной программой. Объективные методы классифицируются на основе наличия исходного исходного видеосигнала, который считается высококачественным (как правило, без сжатия). Следовательно, их можно классифицировать как:

• методы с полной справкой (FR), где доступен весь исходный видеосигнал;
• методы с сокращенной ссылкой (RR), где только частичная информация об исходном видео доступно, и
• методы без ссылки (NR), где исходное видео вообще недоступно.

Субъективное качество видео

Это касается того, как видео воспринимается зритель и обозначает свое мнение о конкретной видеоряде. Субъективные тесты качества видео довольно дороги с точки зрения времени (подготовка и выполнение) и человеческих ресурсов.

Есть много способов показать экспертам видеоряды и записать их мнения. Некоторые из них были стандартизированы, в основном в Рекомендации МСЭ-R BT.500-13 и Рекомендации МСЭ-Т P.910.

Причина для измерения субъективного качества видео такая же, как и для измерения средней оценки мнения для аудио. Мнения экспертов могут быть усреднены, и средняя оценка может указываться как заданный доверительный интервал или сопровождаться им. Для усреднения можно использовать дополнительные процедуры. Например, мнения экспертов, мнения которых считаются нестабильными (например, если их корреляция со средним мнением оказывается низкой), могут быть отвергнуты.

В случае видеокодеков это очень распространенная ситуация. Когда кодеки с одинаковыми объективными результатами показывают результаты с разными субъективными результатами, основными причинами могут быть:

• Пре- и постфильтры широко используются в кодеках. Кодеки часто используют предварительные фильтры, такие как шумоподавление видео, устранение смещения, устранение помех и т. Д. Снижение шума и устранение помех обычно поддерживает значение PSNR при одновременном повышении визуального качества (лучшие фильтры медленного шумоподавления также увеличивают PSNR на средних и высокие битрейты). Устранение встряхивания значительно снижает PSNR, но повышает качество изображения. Постфильтры обладают схожими характеристиками - снятие блокировок и устранение ошибок поддерживает PSNR, но повышает качество; зернистость (предлагается в H.264 ) существенно повышает качество видео, особенно на больших плазменных экранах, но снижает PSNR. Все фильтры увеличивают время сжатия / распаковки, поэтому они улучшают визуальное качество, но снижают скорость кодирования и декодирования.
• Стратегия поиска с оценкой движения (ME) также может вызывать различное визуальное качество для одного и того же PSNR. Так называемый поиск истинного движения обычно не достигает минимального значения суммы абсолютных разностей (SAD) в кодеке ME, но может привести к лучшему визуальному качеству. Такие методы также требуют большего времени сжатия.
• Стратегия управления скоростью . VBR обычно дает более высокие оценки визуального качества, чем CBR, для тех же средних значений PSNR для последовательностей.

Трудно использовать длинные последовательности для субъективного тестирования. Обычно используются три или четыре десятисекундных последовательности, а для объективных показателей используются полные фильмы. Выбор последовательности важен - те последовательности, которые похожи на те, которые используются разработчиками для настройки своих кодеков, более конкурентоспособны.

Сравнение скорости

Количество кадров в секунду (FPS), обычно используемых для измерения скорости сжатия / декомпрессии.

При оценке возможных различий в производительности кодеков следует учитывать следующие проблемы:

• Однородность времени кадра декомпрессии (иногда сжатия) - большие различия в этом значении могут вызвать раздражающее прерывистое воспроизведение.
• SIMD поддержка процессором и кодеком - например, MMX, SSE, SSE2, каждый из которых изменяет производительность процессора при выполнении некоторых задач (часто включая те, с которыми связаны кодеки).
• Поддержка многопоточности процессором и кодеком - Иногда включение поддержки Hyper-threading (если доступно на конкретном процессоре) приводит к снижению скорости кодека.
• RAM скорость - обычно важно для большинства реализаций кодеков
• Размер кэша процессора - низкие значения иногда вызывают серьезное снижение скорости, например для процессоров с низким объемом кэш-памяти, таких как некоторые из серии Intel Celeron.
• Использование графического процессора кодеком - некоторые кодеки могут значительно повысить свою производительность за счет использования ресурсов графического процессора.

Так, например, кодек A (оптимизированный для использования памяти, т. Е. Использует меньше памяти) может на современных компьютерах (которые обычно не ограничены памятью) давать более низкую производительность, чем кодек B. Между тем та же пара кодеков может дать противоположные результаты при работе на старом компьютере с ограниченными ресурсами памяти (или кеша).

Поддержка профилей

Современные стандарты определяют широкий спектр функций и требуют очень значительных программных или аппаратных усилий и ресурсов для их реализации. В любом конкретном продукте обычно поддерживаются только выбранные профили стандарта. (Это очень распространено, например, для реализаций H.264.)

Стандарт H.264 включает следующие семь наборов возможностей, которые называются профилями, ориентированными на определенные классы приложений:

• Базовый уровень Профиль (BP) : в первую очередь для недорогих приложений с ограниченными вычислительными ресурсами, этот профиль широко используется в видеоконференцсвязи и мобильных приложениях.
• Основной профиль (MP) : изначально задумывался как основной профиль потребителя для Для приложений широковещания и хранения важность этого профиля снизилась, когда для этих приложений был разработан профиль High (HiP).
• Расширенный профиль (XP) : этот профиль, предназначенный для использования в качестве профиля потокового видео, имеет относительно высокую степень сжатия и некоторые дополнительные приемы для обеспечения устойчивости к потерям данных и переключению потоков сервера.
• High Profile (HiP) : основной профиль для приложений вещания и хранения на дисках, особенно для приложений телевидения высокой четкости. (Это профиль, принятый, например, в HD DVD и Blu-ray Disc.)
• Профиль High 10 (Hi10P) : выход за рамки сегодняшнего основного потребительского продукта Этот профиль построен на основе высокого профиля, добавляя поддержку до 10 бит на выборку с точностью декодированного изображения.
• Профиль высокого 4: 2: 2 (Hi422P) : в первую очередь нацелен на профессиональные приложения, использующие чересстрочную развертку. видео этот профиль строится поверх профиля High 10, добавляя поддержку формата выборки цветности 4: 2: 2 при использовании до 10 бит на выборку точности декодированного изображения.
• Профиль High 4: 4: 4 Predictive ( Hi444PP) : этот профиль построен на основе профиля High 4: 2: 2, поддерживает выборку цветности 4: 4: 4, до 14 бит на выборку, а также дополнительно поддерживает эффективное кодирование областей без потерь и кодирование каждое изображение в виде трех отдельных цветовых плоскостей.
• Multiview High Profile : этот профиль поддерживает два или более просмотра с использованием как межкадрового (временного), так и MVC int предсказание er-view, но не поддерживает изображения полей и кодирование поля кадра с адаптацией к макроблокам.

Стандарт также содержит четыре дополнительных профиля all-Intra, которые определены как простые подмножества других соответствующих профилей. В основном они предназначены для профессиональных приложений (например, камеры и монтажные системы):

• Профиль High 10 Intra : Профиль High 10 ограничен для использования во всех режимах.
• Профиль High 4: 2: 2 Intra : Профиль High 4: 2: 2 ограничен для использования только внутри помещений.
• Профиль High 4: 4: 4 Intra : Профиль High 4: 4: 4 ограничен для использования внутри помещений.
• Профиль CAVLC 4: 4: 4 Intra : Профиль High 4: 4: 4, ограниченный для использования только Intra и энтропийного кодирования CAVLC (т. Е. Не поддерживает CABAC ).

Более того, стандарт теперь также содержит три профиля Scalable Video Coding.

• Scalable Baseline Profile : масштабируемое расширение базового профиля.
• Scalable High Profile : масштабируемое расширение Профиль High.
• Масштабируемый профиль High Intra : Масштабируемый профиль High, предназначенный для использования только в режиме Intra.

Точное сравнение кодеков должно учитывать вариации профиля внутри каждого кодека.

См. Также Профили и уровни MPEG-2.

Поддерживаемые r Стратегии управления скоростью

Стратегии управления скоростью видеокодеков можно разделить на:

• переменный битрейт (VBR) и
• постоянный битрейт (CBR).

переменный битрейт (VBR)) - это стратегия максимального визуального качества видео и минимизации битрейта. В сценах с быстрым движением переменный битрейт использует больше битов, чем в сценах с замедленным движением аналогичной продолжительности, но при этом обеспечивает постоянное визуальное качество. Для потоковой передачи видео в реальном времени и без буферизации, когда доступная полоса пропускания фиксирована, например в видеоконференцсвязи, передаваемой по каналам с фиксированной полосой пропускания, необходимо использовать постоянный битрейт (CBR).

CBR обычно используется для видеоконференций, спутникового и кабельного вещания. VBR обычно используется для создания видео CD / DVD и видео в программах.

Управление скоростью передачи данных подходит для потокового видео. Для автономного хранения и просмотра, как правило, предпочтительнее кодировать с постоянным качеством (обычно определяемым квантованием ), а не использовать управление скоростью передачи данных.

Список кодеков

• Xiph.Org Foundation договорилась о безотзывной бесплатной лицензии на Theora и другие кодеки, производные от VP3, для всех и для любых целей.

• DivX Plus также известен как DivX 8. Последней стабильной версией для Mac является DivX 7 для Mac.

Поддержка собственной операционной системы

Обратите внимание, что поддержка операционной системы не означает, можно ли воспроизводить видео, закодированные с помощью кодека. вернуться к конкретной операционной системе - например, видео, закодированное с помощью кодека DivX, можно воспроизводить в Unix-подобных системах с использованием бесплатных декодеров MPEG-4 ASP (FFmpeg MPEG-4 или Xvid), но кодек DivX (который является программным продуктом) доступно только для Windows и macOS.

Технические детали

• Потоки Theora с разной частотой кадров могут быть объединены в один и тот же файл, но каждый поток имеет фиксированную частоту кадров.

.

Список свободно доступных сравнений и описание их содержания:

• Free and open-source software portal

• Comparison of media players
• List of video players (software)
• List of codecs
  • Open source codecs and containers
• SSIM
• MOVIE Index
• Comparison of audio coding formats
• Comparison of container formats

• Laboratory for Image and Video Engineering (LIVE)
• MSU Subjective Comparison of Modern Video Codecs