Войны видеокодеков: выбираем между H.264, HEVC и AV1 для стриминга

Стоимость стриминга сильно зависит от двух процессов: сжатия и декомпрессии видеоданных. А объединяет их видеокодек.

Создать идеальный кодек пытались многие компании. В 2000-2010-х годах это привело к войне за рынок, на которой страдали все: зрители, распространители контента и разработчики оборудования. Те решения, которые мы используем сейчас, — победители в соревновании за качество видеопотока и красивую картинку.

Сегодня лидерство удерживают три кодека: H.264, HEVC и AV1. В этой статье мы заглянем в их историю и разберемся в различиях и преимуществах для ТВ/IPTV-провайдеров, OTT-сервисов и профессиональных продакшн-компаний.

Что такое видеокодек?

Для начала разберемся в терминах. Видеокодек — технология, которую используют для кодирования и декодирования видеофайлов. При кодировании видео сжимается, размер файла уменьшается: так его легче передавать и хранить. При декодировании сжатое видео восстанавливается до исходного качества для воспроизведения.

Выбор кодека влияет на качество видео, итоговый размер файла и его совместимость с различными устройствами.

В обычной жизни мы не замечаем, какой именно кодек используется. Но видим формат файла — например, avi. Важно понимать его отличие от кодека:

Кодек — это программное обеспечение, которое сжимает и «разжимает» видеофайлы. Например, H.264 и HEVC (H.265) — это кодеки, которые определяют, как кодировать видеоданные для уменьшения размера файла и декодировать для воспроизведения.

Формат контейнера — это формат файла, который мы видим, например .avi, .mov или .mp4. Контейнеры объединяют видео- и аудиопотоки в один файл, но сами не занимаются сжатием. Они выступают в качестве обертки для сжатого кодеком содержимого.

Например, видеофайл с расширением .mp4 может использовать кодек H.264 для сжатия видео и AAC для сжатия аудио. Контейнер .mp4 просто хранит эти потоки вместе.

Как работает видеокодек?

Каждый кадр состоит из матрицы пикселей. Видеокодек идентифицирует и отслеживает группы пикселей с похожими характеристиками (например, одинаковый цвет фона). Вместо того, чтобы записывать информацию о каждом пикселе (цвет, яркость), кодек сохраняет только ключевой пиксель и счётчик, который указывает, сколько раз этот пиксель повторяется до изменения его цвета. Качество изображения определяется порогом, при котором небольшие различия между пикселями считаются идентичными.

Это принцип работы простейших видеокодеков. Более сложные кодеки учитывают дополнительные факторы, такие как движение групп пикселей, сегментацию изображения с разным уровнем сжатия и использование последовательностей кадров, закодированных различными методами и представленных в определённом порядке.

Современные кодеки учитывают психофизические особенности восприятия видео человеком, что позволяет значительно сократить размер данных без потери качества изображения.

Войны кодеков: в поисках идеальной технологии

В начале 2000-х годов — период бурного развития видеостриминга — компании, которые занимались разработкой кодеков, вели борьбу за будущее видеотехнологий. Целью «войны кодеков» был не только поиск лучшего решения, но и контроль над рыночными стандартами. Разработчики кодеков и технологические гиганты вкладывали большие деньги в исследования, разработку и лоббирование, чтобы влиять на отрасль, ценообразование и распространение технологий.

Размер лицензионных платежей и роялти для таких кодеков, как HEVC, и сейчас влияют на решения в отрасли. Поэтому на смену платным решениям постепенно приходят бесплатные инструменты, которые призваны разрушить старые традиции и упорядочить рынок.

Давайте внимательнее посмотрим на те кодеки, которые сейчас имеют наибольшую популярность.

H.264 (AVC)

Выпущенный в 2003 году, H.264, или AVC (Advanced Video Coding), быстро стал стандартом сжатия видео. Разработанный ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) совместно с ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG), он поддерживал удачный баланс между качеством видео и размером файла. В отличие от его предшественников, H.264 поддерживал различные разрешения и частоты кадров и обеспечил повышение эффективности сжатия.

Изначально YouTube использовал H.264 для своих сервисов потокового видео. Этот выбор позволил пользователям передавать видео на различные устройства с хорошим качеством при небольшом размере файла.

Как работает H.264 (AVC)

• Компенсация движения с помощью блоков: кодек делит видеокадр на небольшие блоки (обычно 16x16 пикселей) и отслеживает, как от кадра к кадру меняется в них изображение. H.264 сжимает видео, записывая только информацию об изменениях в блоках.

• Переменный размер блока: вместо того чтобы использовать фиксированный размер блока, H.264 позволяет использовать блоки разных размеров, например, 4x4 или 8x8 пикселей. Это помогает лучше сжимать видео, особенно в сценах с переменным движением.

• Внутрикадровое предсказание: для участков видео, которые не меняются, H.264 использует информацию из соседних пикселей для предсказания значений пикселей, что уменьшает объем необходимых данных.

• Энтропийное кодирование: H.264 использует два метода, CAVLC и CABAC, для дальнейшего сжатия данных. CABAC более эффективен, но требует большей вычислительной мощности.

Почему H.264 был важен:

• Эффективность: по сравнению со старыми кодеками, например, MPEG-2, эффективность сжатия H.264 значительно выше. Это позволило получать качественное видео при более низком битрейте.

• Широкое распространение: благодаря эффективность и относительно простому лицензированию, H.264 быстро завоевал популярность и получил поддержку на различных платформах и устройствах.

HEVC (H.265) наносит ответный удар

С появлением HD- и 4K-контента необходимость в более качественном сжатии стала очевидной. Поэтому в 2013 году появился HEVC (H.265), ставший преемником H.264. Разработанный экспертной группой ISO/IEC Moving Picture Experts Group и экспертной группой ITU-T Video Coding Experts Group, HEVC обещал удвоить степень сжатия данных по сравнению с H.264.

Одним из самых известных пользователей HEVC для формата 4K стал Netflix. Он позволил эффективнее использовать пропускную способность сети и предоставлять высококачественное видео, обеспечивая превосходное качество изображения для зрителей.

Как работает HEVC (H.265)

В H.265 реализовано несколько усовершенствований по сравнению с H.264:

• Блоки дерева кодирования (CTUs): изображения в H.265 представлены деревом, в котором каждый узел может содержать блок яркости и два блока цветности. Кроме того, размер блоков в HEVC может быть до 64x64 пикселей. Для видео высокого разрешения такой размер блоков снижает расходы на сжатие, так как требует меньше вычислительных мощностей.

• Усовершенствованное предсказание движения: HEVC улучшает отслеживание движения с помощью более точных методов. Он использует более мелкие движения и несколько опорных кадров для лучшего предсказания движения объекта.

• Больше режимов предсказания: HEVC предоставляет более широкий спектр методов предсказания для лучшей обработки различных частей кадра, что приводит к повышению точности сжатия.

• Улучшенное энтропийное кодирование: HEVC использует усовершенствованную версию CABAC, обеспечивая лучшее сжатие, но с повышенной сложностью по сравнению с H.264.

• Параллельная обработка: HEVC поддерживает разделение видео на более мелкие части для одновременной обработки, что ускоряет кодирование и декодирование, особенно для контента высокого разрешения.

Достижения HEVC:

• Улучшенное сжатие. Кодек обещал удвоить эффективность сжатия по сравнению с H.264, обеспечивая такое же качество видео при вдвое меньшем битрейте или лучшее качество при том же битрейте, что очень важно для работы с контентом высокой четкости и 4K.

• Лучшее качество для новых технологий. Более эффективная обработка больших видеофайлов отвечала растущему спросу на видео 4K.

Проблемы HEVC:

• Сложность: используются более совершенные методы сжатия, что повышает сложность кодирования и декодирования.

• Затраты на лицензирование: HEVC обременен множеством патентных пулов, что приводит к значительным лицензионным отчислениям и препятствует широкому распространению.

AV1: новая надежда

По мере развития отрасли возникла потребность в кодеке, который обеспечит лучшую производительность без высоких затрат. В 2018 году Альянс открытых медиа (AOMedia) завершил разработку AV1 как безвозмездной альтернативы HEVC, направленной на повышение эффективности сжатия и снижение затрат на лицензирование.

YouTube начал использовать AV1 для некоторых своих видеопотоков, в первую очередь для контента высокого разрешения. Кодек позволяет передавать видео улучшенного качества с более низким битрейтом, что выгодно пользователям с медленным интернет-соединением.

Как работает AV1

AV1 призван обеспечить более высокую производительность по сравнению с HEVC:

• Блочное и плиточное кодирование: AV1 использует сочетание блочного и плиточного кодирования. Он может обрабатывать блоки размером от 4x4 до 128x128 пикселей, что позволяет ему адаптироваться к различному видеоконтенту и эффективно сжимать его.

• Адаптивная квантизация: AV1 регулирует уровень детализации в зависимости от сложности видео. Эта динамическая настройка помогает сжимать видео более эффективно, не тратя данные на более простые сцены.

• Усовершенствованные методы прогнозирования: AV1 включает новые и улучшенные методы предсказания движения, что позволяет сократить объем данных, необходимых для сложных сцен.

• Поддержка HDR: AV1 лучше обрабатывает контент с высоким динамическим диапазоном (HDR), повышая точность и качество цветопередачи для современных дисплеев.

Достижения AV1

• Превосходное сжатие. Разработан, чтобы превзойти HEVC по эффективности сжатия, предлагая примерно на 30% лучшее сжатие и более высокое качество видео при более низком битрейте.

• Экономическая эффективность. Нет лицензионных платежей и расходов, связанных с патентами.

• Возможности для развития. Включает в себя функциональность для обработки 4K, 8K видео и больше.

Проблемы AV1

• Сложность. Новая функциональность повышает сложность кодирования и декодирования, требуя большей вычислительной мощности и более совершенного оборудования.

• Ограниченное использование. Популярность AV1 растет, но его поддержка все еще ограничена по сравнению с H.264 и HEVC, из-за более медленного обновления оборудования и программного обеспечения.

Сравнительный анализ

Чтобы понять, как каждый кодек работает на практике, давайте сравним их ключевые технические характеристики и реализацию в реальном мире. Ниже мы собрали таблицу с основными техническими характеристиками H.264, HEVC и AV1.