Nové kompresní formáty: MPEG-4 na ústupu?
23.2.2011, Pavel Zubatý, článek
Komprimace dat a video, kdysi těžko myslitelná kombinace. Změnu přinesl formát MPEG-2 umožňující kvalitní digitalizaci videa. Pozdější MPEG-4 dokonce „zvládlo“ HD při rozumné přenosové rychlosti. A nyní to dokonce vypadá, že brzy nastane čas pro nový formát.
Kapitoly článku:
- Nové kompresní formáty: MPEG-4 na ústupu?
- Testy vypadají slibně
- Suma sumárum
Kódování bylo ověřováno s využitím dvou odlišných limitujících podmínek – první byla zaměřena na simulaci v aplikacích pro vysílání videa (broadcasting) s časovým omezením pro přepnutí kanálu. Druhá zas měla za cíl prověřit použitelnost formátu HEVC při videokonferencích s omezením časové prodlevy vznikající při kódování a dekódování videa.
Špatná kvalita obrazu (viditelná struktura makrobloků) je způsobena nedostatečnou rychlostí datového toku.
Měření kvality probíhalo dvěma způsoby: objektivně a formálně subjektivně, přičemž se přihlíželo ke standardní implementaci MPEG-4 AVC/H.264 jakožto k „horšímu vzoru“. Pro objektivní měření bylo využito tzv. špičkového poměru signálu k šumu (PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio), který představuje poměr mezi energií původního obrázku a energií kódovací/dekódovací chyby. Tento typ simulace se běžně užívá k měření kvality obrazu.
Ačkoliv je známo mnohaleté úsilí o vytvoření zcela objektivní metodiky měření kvality komprimovaného obrazu, neexistuje stále spolehlivější metoda, jak posoudit obrazovou kvalitu, než s využitím skupiny reálných pozorovatelů – lidí z masa a kostí, kteří mají na výsledném posuzování kvality zásadní podíl. Tato metoda souboru subjektivních testů je samozřejmě trochu nešikovná a časově i organizačně náročná. Ničím však dosud nebyla překonána.
V Japonsku se první digitální projekční systémy s UHD rozlišením objevily již před třemi lety.
Kromě dvou UHD video sekvencí byla všechna zkušební videa otestována pro veškeré uvažované případy. Ve výsledku to znamenalo promítání 23 000 videoklipů během 134 sezení, která trvala v průměru kolem 20 minut a konala se v období delším než jeden měsíc. Roli „pokusných králíků“ zde převzalo 850 lidí a tři různá pracoviště: FUB v Římě, EBU v Ženevě a EPFL v Lausanne (přes jezero severovýchodně od Ženevy). Dokonce se uvádí, že se snad jednalo o historicky nejrozsáhlejší subjektivní testování kvality komprimovaného videa.
V dubnu 2010 se sešel nově utvořený tým JCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding, česky něco ve smyslu „Jednotně spolupracující tým na kódóvání videa“), aby projednal technické detaily a výsledky testování jednotlivých návrhů na HEVC. Testované algoritmy měly společnou jednu věc – v jádru všechny využívaly tradiční hybridní pohybově-kompenzovanou blokovou transformaci využívanou už ve standardech MPEG-2 a MPEG-4. Přitom se však vynořilo mnoho nových nástrojů komprese, často se objevovala větší velikost bloků nebo bloky s více flexibilní strukturou.
Výsledky měření PSNR u FullHD sekvence (1080p, 60 Hz) „BasketballDrive“, zdroj: Samsung Electronics Co. Ltd.
Samotné výsledky obou typů měření dopadly velmi slibně, jak můžete sami vidět na přiloženém grafu, který znázorňuje výsledky nejlepšího algoritmu pro sekvenci „BasketballDrive“ (hod na koš) při rozlišení 1920 ×1080 px, 60 Hz neprokládaně pro přenosové rychlosti 2; 3; 4,5; 7 a 10 Mb/s při nastavení kódování typického pro vysílání videa. Větší hodnota PSNR v dB značí lepší kvalitu obrazu, takže přenosové rychlosti 10 Mb/s MPEG-4 s 37,6 dB odpovídá přenosová rychlost 6,6 Mb/s videa kandidáta na HEVC, což je o 34 % méně. S nižším rozlišením se navíc tento rozdíl ještě prohlubuje až na 48 % u přenosové rychlosti 5 Mb/s MPEG-4.
* údaj vyjadřuje snížení přenosové rychlosti u návrhu HVEC kódování ve srovnání s formátem MPEG-4 AVC při zachování stejné hodnoty PSNR (objektivní měření).
Tabulka objektivního měření (výše) ukazuje úsporu přenosové rychlosti pěti různých testovacích video sekvencí s celkovým průměrem 43 %, přičemž tabulka formálně subjektivního měření (níže) vykazuje ještě lepších výsledků s celkovým průměrem 61 % (i v tomto případě byla největší úspora u nejnižšího rozlišení). Pro přenosové rychlosti vysílání v normální kvalitě by tedy průměrná úspora činila asi 50 %.
** údaj vyjadřuje snížení přenosové rychlosti u návrhu HVEC kódování ve srovnání s formátem MPEG-4 AVC při zachování srovnatelné kvality obrazu (subjektivní pozorování).
Tyto výsledky odpovídaly jednomu z 27 návrhů na normu, který rozhodně nebyl jediným s výbornými výsledky. Z tohoto důvodu dubnové zasedání JCT-VC přijalo nový testovací model TMUC (Test Model Under Consideration, „Testovací model po zvážení“) kombinující prvky 7 nejlepších návrhů na HEVC. TMUC dále dalo vzniknout prvnímu formálnímu testovacímu modelu HM1 definovanému v říjnu 2010. Model HM1 je založen na detailním rozboru přínosů jednotlivých komprimačních nástrojů v TMUC.
Očekává se, že HM se bude nadále vyvíjet přes několik dalších verzí spolu s experimenty a laděním algoritmu, které by měly nadále zvyšovat kvalitu komprese. Uvolnění normy označované jako HEVC je očekáváno až v lednu 2013 pod označením MPEG-H dle ISO/IEC a H.265 dle ITU-T, dohromady tedy MPEG-H/H.265.
Špatná kvalita obrazu (viditelná struktura makrobloků) je způsobena nedostatečnou rychlostí datového toku.
Měření kvality probíhalo dvěma způsoby: objektivně a formálně subjektivně, přičemž se přihlíželo ke standardní implementaci MPEG-4 AVC/H.264 jakožto k „horšímu vzoru“. Pro objektivní měření bylo využito tzv. špičkového poměru signálu k šumu (PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio), který představuje poměr mezi energií původního obrázku a energií kódovací/dekódovací chyby. Tento typ simulace se běžně užívá k měření kvality obrazu.
Ačkoliv je známo mnohaleté úsilí o vytvoření zcela objektivní metodiky měření kvality komprimovaného obrazu, neexistuje stále spolehlivější metoda, jak posoudit obrazovou kvalitu, než s využitím skupiny reálných pozorovatelů – lidí z masa a kostí, kteří mají na výsledném posuzování kvality zásadní podíl. Tato metoda souboru subjektivních testů je samozřejmě trochu nešikovná a časově i organizačně náročná. Ničím však dosud nebyla překonána.
V Japonsku se první digitální projekční systémy s UHD rozlišením objevily již před třemi lety.
Kromě dvou UHD video sekvencí byla všechna zkušební videa otestována pro veškeré uvažované případy. Ve výsledku to znamenalo promítání 23 000 videoklipů během 134 sezení, která trvala v průměru kolem 20 minut a konala se v období delším než jeden měsíc. Roli „pokusných králíků“ zde převzalo 850 lidí a tři různá pracoviště: FUB v Římě, EBU v Ženevě a EPFL v Lausanne (přes jezero severovýchodně od Ženevy). Dokonce se uvádí, že se snad jednalo o historicky nejrozsáhlejší subjektivní testování kvality komprimovaného videa.
Výsledky testování
V dubnu 2010 se sešel nově utvořený tým JCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding, česky něco ve smyslu „Jednotně spolupracující tým na kódóvání videa“), aby projednal technické detaily a výsledky testování jednotlivých návrhů na HEVC. Testované algoritmy měly společnou jednu věc – v jádru všechny využívaly tradiční hybridní pohybově-kompenzovanou blokovou transformaci využívanou už ve standardech MPEG-2 a MPEG-4. Přitom se však vynořilo mnoho nových nástrojů komprese, často se objevovala větší velikost bloků nebo bloky s více flexibilní strukturou.
Výsledky měření PSNR u FullHD sekvence (1080p, 60 Hz) „BasketballDrive“, zdroj: Samsung Electronics Co. Ltd.
Samotné výsledky obou typů měření dopadly velmi slibně, jak můžete sami vidět na přiloženém grafu, který znázorňuje výsledky nejlepšího algoritmu pro sekvenci „BasketballDrive“ (hod na koš) při rozlišení 1920 ×1080 px, 60 Hz neprokládaně pro přenosové rychlosti 2; 3; 4,5; 7 a 10 Mb/s při nastavení kódování typického pro vysílání videa. Větší hodnota PSNR v dB značí lepší kvalitu obrazu, takže přenosové rychlosti 10 Mb/s MPEG-4 s 37,6 dB odpovídá přenosová rychlost 6,6 Mb/s videa kandidáta na HEVC, což je o 34 % méně. S nižším rozlišením se navíc tento rozdíl ještě prohlubuje až na 48 % u přenosové rychlosti 5 Mb/s MPEG-4.
Sekvence | Snížení přenos. rychlosti * | Celkový průměr |
| Kimono | 44 % | 43 % |
| ParkScene („Scéna z parku“) | 33 % | |
| Cactus („Kaktus“) | 41 % | |
| BasketballDrive („Hod míčem“) | 44 % | |
| BQTerrace („Grilovačka“) | 54 % |
* údaj vyjadřuje snížení přenosové rychlosti u návrhu HVEC kódování ve srovnání s formátem MPEG-4 AVC při zachování stejné hodnoty PSNR (objektivní měření).
Tabulka objektivního měření (výše) ukazuje úsporu přenosové rychlosti pěti různých testovacích video sekvencí s celkovým průměrem 43 %, přičemž tabulka formálně subjektivního měření (níže) vykazuje ještě lepších výsledků s celkovým průměrem 61 % (i v tomto případě byla největší úspora u nejnižšího rozlišení). Pro přenosové rychlosti vysílání v normální kvalitě by tedy průměrná úspora činila asi 50 %.
Sekvence | Snížení přenos. rychlosti ** | Celkový průměr |
| Kimono | 61 % | 60 % |
| ParkScene („Scéna z parku“) | 60 % | |
| Cactus („Kaktus“) | 57 % | |
| BasketballDrive („Hod míčem“) | 57 % | |
| BQTerrace („Grilovačka“) | 70 % |
** údaj vyjadřuje snížení přenosové rychlosti u návrhu HVEC kódování ve srovnání s formátem MPEG-4 AVC při zachování srovnatelné kvality obrazu (subjektivní pozorování).
Tyto výsledky odpovídaly jednomu z 27 návrhů na normu, který rozhodně nebyl jediným s výbornými výsledky. Z tohoto důvodu dubnové zasedání JCT-VC přijalo nový testovací model TMUC (Test Model Under Consideration, „Testovací model po zvážení“) kombinující prvky 7 nejlepších návrhů na HEVC. TMUC dále dalo vzniknout prvnímu formálnímu testovacímu modelu HM1 definovanému v říjnu 2010. Model HM1 je založen na detailním rozboru přínosů jednotlivých komprimačních nástrojů v TMUC.
Očekává se, že HM se bude nadále vyvíjet přes několik dalších verzí spolu s experimenty a laděním algoritmu, které by měly nadále zvyšovat kvalitu komprese. Uvolnění normy označované jako HEVC je očekáváno až v lednu 2013 pod označením MPEG-H dle ISO/IEC a H.265 dle ITU-T, dohromady tedy MPEG-H/H.265.
