Воспроизведение h 265. Новые форматы: S2X, HEVC, UHDTV. Что это: HEVC

20.11.2013

За прошедшие четыре года доминирующим видеокодеком в отрасли безопасности стал Н.264, но в последнее время ряд производителей и экспертов принялись весьма интенсивно «продавливать» Н.265. В связи с приходом нового кодека возникает ряд вопросов. Прежде всего общественность интересуется двумя: когда HEVC станет общеупотребительным и надолго ли всё это. Однако редакцию интересуют чуть более глубоко зарытые вещи: например, кто получит основные выгоды от перехода на новый стандарт кодирования, и не является ли это очередным маркетинговым трюком, позволяющим сдвинуть рыночный баланс в сторону определённых игроков. Несомненно, с технической стороны новый формат отличается от своих предшественников. Просто хотелось бы убедиться в том, что все резервы «старого» Н.264 уже исчерпаны. Ведь смена формата — это, по сути, революция. Для успеха которой, как говорил дедушка Ленин, необходимо, чтобы «низы не хотели, а верхи не могли».

Заявляемые ключевые маркетинговые отличия — или, говоря простым языком, «фишка» кодека, называемого одновременно HEVC и H.265, состоят в том, что при том же самом качестве изображения видеопоток H.265 имеет вдвое меньший битрейт, чем поток, сжатый кодеком H.264. К примеру, если для передачи сжатого кодеком Н.264 видеопотока разрешением 1080p с частотой кадров 30 кадров в секунду битрейт составляет примерно 4 мегабита в секунду, то у изображения эквивалентного качества, сжатого новым кодеком Н.265, битрейт упадёт до 2 мегабит в секунду. Выглядит привлекательно, однако, как всегда, возникает вопрос о цене этого перехода.

Стоит ли овчинка выделки — решать, к сожалению, не нам с вами. Позиция редакции Security News известна. Мы выступаем за создание специализированного кодека, который учитывал бы все особенности и специфические требования, накладываемые на передачу видеоданных в системах безопасности. Удивительно, но, несмотря на «мультимедийное» происхождение кодека Н.265, кое-что из «наших» потребностей здесь оказалось учтено (об этом читайте ниже). Последнее слово, как водится в серьёзных отраслях, всегда — за крупными производителями оборудования и систем. А «киты» индустрии безопасности вовсе не торопятся прибавлять единичку к имени кодека: с одной стороны, не так высока маневренность производственных мощностей, а с другой — слишком много средств в последние годы было инвестировано в раскрутку Н.264. Не пропадать же добру...

Технические отличия Н.265

Более высокая производительность нового кодека по сравнению с предшественниками обусловлена несколькими значительными структурными улучшениями. Определяющими из них являются три — изменение максимального размера блока, введение параллельного декодирования и реализация произвольного доступа к изображениям внутри видеопотока.

Максимальный размер блока в стандарте H.264 составляет 256 пикселов (16 x16), а в стандарте H.265 он может быть в 16 раз больше (4096 = 64 x 64). Интересно, что в стандарте Н.265 размер блока выбирается самим алгоритмом в процессе кодирования в зависимости от содержания кодируемого изображения. По утверждениям сторонников нового стандарта, изменяемый размер блоков и увеличение максимального предела этого размера позволят более эффективно обрабатывать изображения с высоким разрешением. Кстати, новый стандарт поддерживает пиксельные разрешения вплоть до 8192 х 4320 (35 мегапикселов) — самого высокого из современных телевизионных стандартов, также называемого 8К.

Возможность параллельного декодирования, предусмотренная в декодерах H.265, позволяет раздельно и одновременно обрабатывать различные части одного и того же кадра. Такая обработка может существенно ускорить воспроизведение и предоставляет возможность воспользоваться преимуществами многоядерных процессоров, завоевавших сегодня большую популярность на IT-ориентированных рынках. Кодек H.264 таких возможностей не предусматривал.

В новом стандарте предусмотрен произвольный доступ к изображениям (Clean Random Access). Это означает, что декодирование произвольно выбранного кадра видеопоследовательности производится без необходимости декодирования каких-либо предшествующих ему в потоке изображений. Для мультимедиа произвольный доступ не является критичным, а вот для видеонаблюдения, в особенности мониторинга в реальном времени, такая возможность весьма желательна: переключившись на определённый видеопоток из соображений оперативной необходимости, оператор должен мгновенно получить изображение на своём экране: в охранных приложениях одна-две секунды могут иметь решающее значение. Опустив сложные технические подробности того, как это реализовано в новом кодеке, стоит упомянуть, что здесь не требуется обязательная вставка в видеопоток промежуточных опорных кадров (I-frames), за счёт которых заметно увеличивается битрейт.

С точки зрения технических характеристик кодируемого видеосигнала, его «верхний» профиль Main 10 обеспечивает более высокое качество цветопередачи, поскольку предусматривает 10-битное цветовое кодирование, в то время как все существующие стандарты, включая «нижний» профиль Main 8 самого H.265, отводят на цветовой атрибут пиксела всего 8 бит.

В стандарте предусмотрены средства автоматического определения типа развёртки, однако, в отличие от предшественников, кодек изначально ориентирован на обработку видеоизображений, полученных путём прогрессивного сканирования. Но это не означает, что H.265 неспособен работать с чересстрочной развёрткой — разработчики учли тот факт, что достаточно большое количество находящихся в эксплуатации систем генерируют кадры из двух полей.

А вот чего существенно не хватает кодеку H.265: масштабируемого кодирования. Его планировалось реализовать ещё в H.264, однако по каким-то причинам сделать этого не удалось ни в одном из этих стандартов. Наличие масштабирования позволило бы без лишних затрат вычислительной мощности на дополнительную обработку передавать изображения клиентам, использующим относительно медленные подключения к сети. В какой-то степени масштабирование способствует и более рациональному использованию средств хранения видеоданных в системах. В настоящее время масштабируемое кодирование стоит в ряду плановых расширений стандарта. По мнению экспертов, требование масштабируемости во многом продиктовано начинающимся бумом облачных технологий хранения и обработки данных.

Что способствует повышению качества изображения

Большое количество производителей IT-продукции преподносят формат сжатия H.265 как средство повышения качества изображений. Следует отметить, что это в определённой мере является лукавством. В реальности у изображений, сжатых кодером H.265, качество ничуть не выше, чем у обработанных алгоритмом H.264, который, в свою очередь, с точки зрения качества ничуть не лучше, чем MPEG-4. Поскольку во всех упомянутых кодеках предусмотрена возможность произвольно устанавливать степень сжатия, качество сжатой картинки зависит лишь от предпочтений пользователя. Другое дело — вписать видеоизображение в реалии технического окружения. Прежде всего это касается ресурсов пропускной способности сетей.

Если пропускная способность вашей сети передачи данных достаточна для передачи изображений, сжатых по стандарту H.264, то переход на компрессию H.265 не повлечёт за собой каких-либо улучшений в качестве изображения. Такой переход может лишь снизить битрейт, то есть несколько разгрузить вашу сеть. Единственный случай, когда переход на новый кодек будет способствовать повышению качества изображений — если из соображений экономии битрейта изображения сжимались кодеком Н.264 заведомо чрезмерно, и артефакты компрессии мешали эффективному считыванию деталей операторами и видеоаналитикой.

Сомнения и ограничения

Как и большинство современных видеокодеков, Н.265 максимально эффективен (то есть способен подтвердить маркетинговые ожидания) в относительно несложных сценах наблюдения, где отсутствуют резкие перепады контрастности и не наблюдается интенсивных перемещений объектов и фона. Обещанная экономия битрейта/объёма средств хранения в 50% прежде всего касается именно таких сцен. То есть в реальных условиях — на оживлённом перекрёстке или в торговом зале супермаркета — цифры экономии окажутся существенно меньшими.

Кроме этого, на сегодняшний день толком не востребованы все «экономические» преимущества кодека-предшественника. Большинство производителей оборудования и систем, в частности, так и не осуществили переход на более продвинутые варианты профилей H.264. В видеонаблюдении чаще всего используются три профиля этого стандарта. Базовый профиль (Baseline) — это минимальная экономия полосы пропускания и минимальная нагрузка на вычислительные ресурсы. В последние несколько лет он приобрёл наибольшую популярность у вендоров. Главный профиль (Main) обеспечивает, согласно результатам независимых тестов, 10-30% улучшение показателей по сравнению с базовым. В последние несколько месяцев производители проявляют всё больший интерес именно к этому профилю. Высокий профиль (High) предоставляет ещё более существенные преимущества, однако на сегодняшний день вендоров, которые обеспечили совместимость с этим профилем, можно буквально пересчитать по пальцам.

Иными словами, производителям и без нового кодека есть куда развиваться, при этом не испытывая лишних рисков и двигаясь по относительно накатанному пути. Поскольку отрасль с переходом на IP-видео всё в большей степени становится «айтишной», здесь начинают работать соображения, свойственные сисадминам: то, что нормально работает, лучше не менять и вообще не трогать.

For DivX Software (or ). Enable the conversion and playback of DivX video with DTS-HD audio, including HEVC video content up to 4K. The DTS-HD Plug-in allows you to convert and play videos with DTS audio tracks for studio-quality sound. Whether enjoying entertainment at home or on the go, DTS aims to provide the finest audio experience possible no matter what device you are using.

• Convert your videos with multi-channel audio tracks into the DTS format
• Play videos with DTS sound tracks in DivX Player for an even more cinematic experience
• Play your videos anytime, anywhere on your DivX devices with DTS audio support

The DTS-HD Plug-in for DivX Software includes DTS-HD Master Audio™, which decodes all DTS codecs including DTS Digital Surround™, DTS Express™, and DTS Coreless lossless streams, with the DTS decoder. Depending on the DTS codec used to create the audio in your file, DTS may allow up to 7.1 discrete channels and a data savings that makes encoding faster with better quality.

For DTS patents, see http://patents.dts.com . Manufactured under license from DTS Licensing Limited. DTS, DTS-HD, the Symbol, & DTS or DTS-HD and the Symbol together are registered trademarks and DTS-HD Master Audio is a trademark of DTS, Inc. © DTS, Inc. All Rights Reserved.

Как известно, все мы любим смотреть фильмы, видеоролики или передачи в хорошем качестве. Но в плане хранения видео на компьютере возникает множество проблем, обычно связанных с банальной нехваткой места. Относительно недавно появился новый стандарт, и многих пользователей сразу же возник закономерный вопрос: «Что это - HEVC?». Рассмотрим несколько основных аспектов, связанных с внедрением и практическим использованием нового кодека.

Что это: HEVC

Если говорить о фильмах, которые записываются на съемные носители, обычно размер самого диска влияет на выбор метода Те же Blu-ray-диски могут хранить фильмы в высоком разрешении объемами более 25 Гб. Однако, согласитесь, держать такой фильм на винчестере, особенно когда его вместимость явно ограничена, с практической точки зрения является совершенно нецелесообразным.

Для этого используется кодирование роликов, позволяющее даже без ущерба качеству уменьшить размер конечного файла за счет специальных методов сжатия. А на практике что это? HEVC на сегодняшний день является самым продвинутым кодеком, можно сказать, даже революцией в области видео. Но чем же не устраивает любителей качественного видео старый кодек H.264?

High Efficiency Video Coding: основы кодирования

Для этого следует обратиться к пониманию основ кодирования сигнала. Дело в том, что здесь одну из главных ролей играет использование максимального блока. Для H.264 это 16 х 16 или в сумме 256 пикселей.

Для нового стандарта H.265 такой блок может быть в 16 раз больше! А если учесть еще и технологии изменяемых блоков, когда размер блока вбирается непосредственно самим алгоритмом в процессе сжатия, нетрудно сообразить, что новый кодек является, так сказать, наиболее «терпимым» к высоким разрешениям и на сегодняшний день поддерживает даже 8k (8192 х 4320 пикселей). Можно добавить сюда еще и функцию параллельного кодирования. Таким образом, кодек HEVC при высоком качестве изображения позволяет уменьшить битрейт, а соответственно, и размер файла. Экономия места в сравнении со стандартом H.264 может достигать 25-50%!

Поддержка 4k и 8k: насколько это эффективно

Что же касается эффективности применения такого кодека, на заре своего появления он особой популярности не завоевал. Связано это было с тем, что поддержку нового стандарта могли обеспечить только самые мощные и современные графические чипы GeForce 970 или 980.

Собственно, и сам процесс кодирования на других менее мощных устройствах занимал порядка 10-12 часов. Таким образом, с точки зрения практической, применение нового стандарта было невыгодным.

Со временем ситуация изменилась, и теперь технологии на основе H.265 начинают применяться повсеместно. В плане экономии места в сравнении с H.264 можно привести достаточно красноречивый пример. При разрешении 720p показатель экономии составляет порядка 25%, а при условии качества 4k - более 50%. Кстати сказать, если использовать рип Blu-ray-диска, размер исходного видео может быть уменьшен почти в 10 раз (он будет «весить чуть более 3 Гб)!

Основные нововведения

Если посмотреть на некоторые новшества, среди всего того, что представлено в требованиях к новому кодеку, можно отметить следующие:

• поддержка профилей Main 8 и 10 бит (в перспективе - 12 бит);
• наличие двумерных разделимых, неразделимых и направленных интерполяционных фильтров ASF;
• компенсация движения с точностью до 1/8 пикселя;
• использование системы адаптивного предсказания ошибок и выбора матрицы в процессе кодирования;
• наличие сравнительной схемы кодирования вектора движения;
• режимно-зависимое внутрикадровое кодирование.

Какое ПО использовать для просмотра фильмов в новом формате

Итак, с самим кодеком разобрались. Что это (HEVC), думается, уже немного понятно. Теперь перейдем к самому насущному вопросу, который, несомненно, интересует большинство пользователей. Что же использовать для просмотра видео, закодированного при помощи новых алгоритмов?

В принципе, в самом простом варианте можно использовать программные плееры. Одним из самых интересных, по мнению многих, является специализированное и узконаправленное приложение Daum PotPlayer. Если не подходит такой вариант, можно использовать популярный VLC Media Player, только установить нужно обязательно последнюю версию, поскольку только в ней имеется встроенная поддержка HEVC.

Однако, несмотря на все преимущества, можно отметить и массу проблем. В большинстве своем это относится только к тому, что в Интернете сейчас можно найти не так уже много фильмов или видеороликов, закодированным при помощи нового алгоритма. Что еще более огорчает, так это отсутствие поддержки со стороны вендоров. Если с программным обеспечением вопросы еще хоть как-то решаются, то производители домашних кинотеатров или Smart TV не торопятся осваивать выпуск продукции с поддержкой H.265. Да и сам кодек, хоть и считается революционным, все равно особого распространения пока не получил. Но хочется надеяться, что это временное явление.

Вместо итога

Вот вкратце и все, что касается нового стандарта в кодировании видео. Конечно, здесь были затронуты далеко не все технические стороны новой технологии, однако даже такая краткая информация поможет любому пользователю сделать вывод об основных нововведениях, целесообразности внедрения и практического использования таких технологий. А ведь по большому счету, они могут перевернуть все наши представления о качестве и обработке видеоинформации. И, по всей видимости, скоро устаревший стандарт H.264 уйдет в небытие, ведь технологии не стоят на месте. Если взять догосрочную перспективу, очень сможет быть, что и вместо кодека HEVC будет разработано что-то еще более мощное.

Технология сжатия видео была камнем преткновения в проектировании систем видеонаблюдения со времён появления интернет-протокола (IP) в 1990-е годы. С тех пор стандарты для кодирования видео прошли много этапов исследований. Сегодня внимание отрасли привлёк к себе стандарт сжатия H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding - высокоэффективное кодирование видеоизображений). Это следующая версия после H.264, которая в настоящее время является доминирующей технологией кодирования IP-видео. Мы попытаемся разобраться каковы её перспективы на сегодняшний день и в будущем.

Интеграция технологии H.265 может быть затруднена доступностью оптимизированного H.264, лучшего кодирования для систем видеонаблюдения

H.265: разбираемся что и зачем

Стандарт H.265 стал значительным шагом вперед в области кодирования видео. Одно из его преимуществ в том, что он удваивает эффективность сжатия H.264. Так что при передаче изображений аналогичного качества H.265 использует только половину битрейта предыдущего кодека. Благодаря этому требования к пропускной способности и хранению резко сокращаются, что позволяет более выгодно использовать и аппаратные, и программные средства. Пользователи, по сути, получают больше возможностей с меньшими затратами. Из-за этого большинство производителей аппаратного обеспечения поддерживают внедрение стандарта сжатия H.265 для видеонаблюдения. Так что скоро мы сможем увидеть H.265 в роли следующего стандарта.

Но несмотря на все плюсы, H.265 всё ещё далёк от массового внедрения. Возникает вопрос: могут ли пользователи каким-то образом оптимизировать передачу изображения, прежде чем в сфере видеонаблюдения произойдёт переворот? Ведь популярность видео с большим разрешением растёт, а спрос рождает предложение.

Последние достижения для текущего кодека H.264 оптимизируют битрейт тремя способами: предиктивным кодированием, подавлением шума, и "долгосрочным" управлением битрейтом (predictive encoding, noise suppression, and “long-term” bitrate control). Результатом этого стало сокращение требуемого объёма памяти до 75% для H.264. Из-за этих инноваций и некоторых других факторов высока вероятность того, что в ближайшие 5-10 лет оба стандарта будут мирно сосуществовать на рынке.

Препятствия для принятия H.265

Интеграция технологии H.265, скорее всего, будет тормозиться наличием оптимизированного кодирования H.264, а ещё стоимостью модернизации существующих систем под H.265. Дополнительные сложности возникнут также с изменением производственных процессов для выпуска оборудования, поддерживающего H.265 и с патентами, о которых мы поговорим позже. В принципе, H.264 остается жизнеспособным и работоспособным стандартом для подавляющего большинства систем видеонаблюдения. На сегодняшний день он полностью выполняет свои функции - и, нужно признать, довольно хорошо.

При более высокой стоимости, пользователи должны быть уверены, что обновление до H.265 действительно стоит того

Ограничения лабораторных испытаний

По результатам испытаний проведенных Объединенной командой по видеокодированию Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC), коэффициент сжатия H.265 удвоился по сравнению с предыдущим H.264. Но, как и следовало ожидать, эти тесты были проведены в лабораторных условиях и далеки от многих сложностей, возникающих в процессе фактического использования стандарта.

Кодирование в реальном времени с соблюдением баланса между сложностью алгоритма и возможностью сжатия - вот то, что хочется видеть в развитии H.265. На практике возможность сжатия кодека H.265 может не дать 100% улучшения в сравнении с H.264, несмотря на то, что это было заявлено.

Стандарт H.264 более 10 лет внедряли в отрасль, в которой происходило его развитие, при поддержке со стороны всех производителей чипсетов, и с доступом к самым разным кодерам и декодерам. Это проверено и доказано на практике. В этом смысле технологии H.265 придётся многое наверстать.

Цена патента

Ещё одной проблемой, которая может помешать массовому распространению стандарта H.265 - необходимость покупки патента. У многих владельцев предприятий уже есть патент на H.264, в то время как H.265 на ранней стадии своего существования не особо распространён в отрасли, а предприятия, которые владеют им, не связаны между собой. Результатом низкого спроса на новый стандарт становится гораздо более высокая стоимость патента - основной вопрос, который предприятия из отрасли безопасности должны серьезно рассмотреть - как это повлияет на производство и, как следствие, на ценник для конечного потребителя. При введении нового стандарта цена действительно имеет решающее значение, особенно если пользователи должны заменить и внешнюю, и внутреннюю части (фронтенд и бекенд) системы, чтобы пользоваться улучшенной видеокомпрессией. Платя в несколько раз больше, потребитель должен быть уверен в том, что обновление на самом деле стоит того.

Оптимизированные технологии кодирования H.264

Несмотря на приведённые выше аргументы, основной причиной, по которой мы считаем, что H.265 не станет доминирующим решением кодирования в ближайшее время, является простое отсутствие спроса - ряд инновационных производителей внедрил оптимизированные технологии кодирования H.264, а необходимости в Н.265 пока попросту нет. Этот факт можно назвать "решением ещё не возникшей проблемы".

Оптимизированные технологии H.264 используют прогнозирующее кодирование, чтобы уменьшить битрейт, затраченный на неизменное фоновое изображение

С момента запуска технологии H.264 в 2003 году, индустрия безопасности разрабатывает высокопроизводительные видеокодеры, стремясь улучшать качество картинки для систем видеонаблюдения. Добавьте к этому повышающуюся популярность видео высокого качества, растущие требования к битрейту и разрешению, и становится очевидным, что стоимость компонентов системы в целом возросла. Огромное количество видеоданных, получаемых с камер видеонаблюдения, означает, что пользователи должны вкладывать средства в постоянно растущие требования для хранения данных.

Предиктивное кодирование

Как происходит усовершенствование кодека H.264? Во-первых, базовые исследования сжатия видео ведутся в различных отраслях промышленности. Например, в любом видео с камер пользователи сначала обращают внимание на подвижные объекты, а после на статичную часть картинки. Если фон не меняется, он может быть закодирован в качестве опорного кадра. Оптимизированные технологии H.264 используют прогнозирующее кодирование, чтобы уменьшить битрейт потраченный на статичное фоновое изображение. Применяя это прогнозирующее кодирование по всей системе, пользователи значительно экономят на пропускной способности и хранении.

Подавление шума

Ещё одним важным элементом оптимизации H.264 является подавление шума.

Шум или нежелательный электрический сигнал, отображающийся в видеопотоке, является серьёзной помехой цифрового видеосигнала. Это приводит к тому, что на фоне изображения появляется множество посторонних пикселей, вызванных колебаниями света, температуры, или другими сигналами в воздухе. Но оптимизированные технологии H.264 с использованием алгоритмов интеллектуального анализа подавляют большую часть шума путём кодирования объекта переднего плана изображения с более высокой скоростью передачи данных относительно фонового изображения. Результат: чёткие изображения с точной цветопередачей.

Долгосрочный контроль битрейта

И, наконец, требования к битрейту по каждой конкретной сцене могут колебаться в течение дня. Например, в типичной уличной сцене в ночное время есть небольшое движение на первом плане, так что требования к битрейту невысокие. Днём требования значительно повышаются из-за транспортных средств и пешеходов, движущихся на переднем и заднем планах. Современные технологии кодирования H.264 управляют этим распределением по времени путём вычисления общего среднего битрейта, а затем автоматически выделяют необходимый битрейт в то время суток, когда это требуется. Это происходит на уровне заданных значений декодера. Здесь основным преимуществом долгосрочного контроля битрейта является то, что у пользователей есть возможность точно прогнозировать свои требования к системе хранения видео, благодаря чему можно измерять необходимый размер хранилища.

***

На сегодняшний день эти плюсы Н.264 превышают то, что предлагает стандарт Н.265. Помимо прочего, Н.264 имеет ряд других преимуществ: совместимость с существующими системами, меньшую стоимость продукции, более широкий спектр продуктов, на которых кодек может применяться, и меньший патентный риск.

Разработки видеосжатия, как правило, имеют тенденцию придерживаться примерно 10-летнего цикла. В 1994 году был введен формат MPEG2. H.264 запущен в 2003 году, а H.265 - в 2013. В данном случае исторический контекст имеет важное значение, потому что стандарты кодирования видео реагируют не только на технологические изменения, но и на тенденции в рамках всей видео-индустрии. Когда стандартом был формат MPEG2, промышленность была сосредоточена главным образом на DVD-плеерах и телевизионном разрешении, где использовался этот формат. Появление H.264 совпало с введением технологии HD, передовыми IT-технологиями и мобильным интернетом.

Использование H.264 включало HD-цифровое телевидение, интернет-видео, мобильное видео, видеонаблюдение, Blu-Ray и др. Так как H.265 только выходит на сцену, мы считаем, что он будет наиболее широко использоваться в разработке ультра-HD технологий и приложений облачных систем хранения данных.

Перспективы развития технологий сжатия видео

После запуска H.265, члены Объединенной совместной группы по видеокодированию (JCT-VC) начали составлять прогнозы на будущее для данного сегмента. В 2015 году они создали группу совместного исследования видео (Joint Video Exploring Team - JVET), сосредоточив внимание на дальнейшем улучшении возможностей сжатия. Их последние данные тестирования показывают, что улучшения по производительности сжатия H.265 достигнуты на 20%. В то же время, другая организация - AOM (Alliance for Open Media) - объединила целый ряд интернет-ориентированных компаний, в том числе Microsoft, Google, Intel, и Amazon, стремясь прийти к свободному стандарту для интернет-видео. План состоит в том, что этот (свободный) стандарт ускорит обновление технологий в онлайн-мире с сумасшедшей скоростью.

Конкурс на разработку этих стандартов, вероятно, будет жестким - и это также может означать, что 10-летний цикл сжатия канет в Лету, а новые стандарты появятся в гораздо более короткие сроки.

Сегодня на H.264 приходится львиная доля всего видео, записываемого камерами видеонаблюдения. Однако этот стандарт не был рассчитан на обработку видео высокого разрешения, в частности Ultra-HD. Высокоэффективный стандарт кодирования видео (High Efficiency Video Coding, HEVC), более известный как H.265, позволяет вдвое увеличить степень сжатия файлов. При этом наибольшая экономия пропускной способнос ти и емкости хранения достигается при сжатии видео с разрешением 4K+: если в случае видео 1080p (HD) она составляет около 25%, то для 4K+ достигает 75%.

H.265 разрабатывался в расчете на применение в потребительской электронике, но, благодаря преимуществам в эффективности сжатия, он с большим успехом может использоваться и в системах физической защиты, где все время приходится искать компромисс: с одной стороны, картинка должна быть как можно более качественной (в конце концов, в видеозаписи мало смысла, если невозможно разглядеть детали), с другой - затраты на инфраструктуру для передачи и хранения видео необходимо минимизировать.

Разрешение 4K многократно повышает требования к пропускной способности каналов и емкости хранения, а ограничение скорости потока при сохранении качества изображения представляет собой серьезную техническую проблему. H.265 обещает найти выход из этой противоречивой ситуации. Новый кодек обратно совместим с предыдущим, что должно облегчить переход на него с H.264.

Однако широкому применению H.265 препятствует ряд проблем - как присущих самому протоколу, так и внешних по отношению к нему. Если высокие требования к вычислительной мощности процессоров и обусловленная этим обстоятельством высокая цена оборудования со временем становятся не столь критичны в результате развития процессоров и роста продаж, то неопределенность в вопросах лицензирования порождает непредсказуемые риски. К тому же в скором времени H.265 может столкнуться с конкуренцией со стороны альтернативных кодеков - как открытых, так и проприетарных.

ЧЕМ H.265 ЛУЧШЕ H.264

В H.265 используется тот же принцип сжатия, что и в H.264. В случае фиксированной камеры фоновое изображение меняется не часто, поэтому достаточно передавать только изменения - движущиеся объекты. Это позволяет значительно уменьшить требования к пропускной способности канала и емкости хранения.

IP-камеры сначала снимают необработанное видео в соответствии с заданным режимом записи, а после обработки изображения кодируют его. Основное преимущество в степени сжатия достигается за счет улучшения прогнозирования с компенсацией движения. В то время как у H.264 максимальный размер блока составляет 16×16 пикселей, H.265 использует при обработке информации макроблоки дерева кодирования (Coding Tree Unit, CTU) размером до 64×64 пикселей. Такие блоки более эффективны для кодирования кадров больших размеров и при этом позволяют более точно передавать видео 4K+.

Помимо изменения размера блока, H.265 отличается наличием улучшенного сглаживающего фильтра для устранения нестыковок на границах блоков (deblocking filter). Кроме того, используется новый алгоритм прогнозирования вектора движения (Motion Vector Predictor, MVP) для улучшения прогнозирования внутри кадра. Более высокая точность предсказаний достигается, помимо прочего, благодаря тому, что в пределах кадра вместо 8 возможных направлений, как обеспечивается в H.264, рассматривается 36.

Для ускорения вычислений в кодеке предусмотрена возможность параллельной обработки за счет поддержки расширенного набора инструкций AVX/AVX2 для процессоров Intel/AMD. Квадратные области, на которые разбивается изображение, независимы одна от другой, так что их обработка может выполняться параллельно. Кроме того, H.265 поддерживает волновую параллельную обработку (Wavefront Parallelel Processing, WPP): своеобразное дерево принятия решений, способствующее повышению производительности сжатия. Тем не менее для его реализации необходим на порядок более мощный процессор, что является одним из его существенных недостатков.

ПОДВОДНЫЕ КАМНИ H.265

Стандарт H.265, как отмечалось, более требователен к ресурсам, чем H.264. Это означает, в частности, что без использования новых камер не обойтись: ограничиться заменой прошивки не удастся, так как оборудование предыдущего поколения не обладает необходимой процессорной мощностью для поддержки H.265. Выделенное оборудование понадобится и для декодирования. Справедливости ради стоит сказать, что для декомпрессии требуется значительно меньше вычислительных ресурсов.

Для (де)кодирования видео в формат H.265 можно использовать даже бесплатное программное обеспечение, например VideoLAN, но оборудование позволяет делать это намного эффективнее. В некоторых VMS для разгрузки центрального процессора поддерживается интеграция с GPU для работы с H.265, поэтому можно не приобретать отдельный NVR, а установить мощную графическую карту в сервер. Это позволит обрабатывать больший объем видео на компьютере и удешевить решение (хотя, после того как майнеры начали активно скупать видеокарты, цены на них возросли и выгода может оказаться не такой явной).езусловно, ресурсоемкое оборудование с поддержкой H.265 оказывается дороже. При этом долгое время предложение соответствующих камер было весьма ограниченным, а в VMS стандарт не поддерживался вовсе. Ситуация начала меняться лишь в 2016 году, и теперь модели камер с поддержкой H.265 имеются у всех ведущих производителей. А с расширением рынка - появлением массового спроса - можно ожидать и дальнейшего снижения цен.

Однако на пути распространения H.265 имеется одно серьезное препятствие - запутанная ситуация с лицензированием, и в последнее время она только усугубилась. HEVC содержит десятки, а то и сотни патентованных технологий. То же самое справедливо в отношении любого MPEG-кодека, но, например, всех держателей патентов для H.264 представляет одно доверенное лицо - компания MPEG-LA. В случае H.265 она выражает интересы только части патентодержателей, остальные объединены в два конкурирующих пула. Помимо этого, свои патенты есть у Technicolor SA, которая не входит ни в один из пулов.

В принципе, проблемы лицензирования H.265 напрямую затрагивают лишь поставщиков видеоконтента, таких как Google, Amazon, Netflix, но не производителей оборудования для видеонаблюдения, которые не извлекают прибыли из трансляции видео с камер. Однако здесь есть одна потенциальная проблема. В случае облачных решений видеонаблюдения Video Surveillance as a Service (VSaaS) провайдер предоставляет клиентам доступ к генерируемому камерами видео по требованию. Это может рассматриваться как использование H.265 для извлечения прибыли, и обладатели патентов могут потребовать лицензионных отчислений. Так что в вопросах применения H.265 многое зависит от развития ситуации на смежных рынках. И это не только вопрос лицензирования.

АЛЬТЕРНАТИВЫ H.265

Один из пулов держателей лицензий - HEVC Advance - отдает предпочтение лицензионной модели, предполагающей отчисления с доходов, получаемых за контент, который был «создан любым устройством с поддержкой H.265». Это намерение вызвало резко негативную реакцию со стороны крупнейших провайдеров контента, и они объединились в Alliance for Open Media с целью разработки альтернативы H.265.

В состав альянса вошли компании Adobe, Amazon, Google, Intel, Microsoft, Netflix. Разрабатываемый ими кодек AV1 должен появиться в феврале текущего года, а оборудование для декодирования AV1 - во второй половине следующего. AV1 базируется на кодеке VP9, который предложила Google, и заимствует инструменты кодирования из других кодеков с открытым исходным кодом, в частности VP10 от Google, Thor от Cisco и Daala от Mozilla/Xiph.org.

У AV1 требования к вычислительным ресурсам выше, чем у HEVC. Согласно ежегодному исследованию лаборатории компьютерной графики и мультимедиа МГУ, этот кодек превосходит по качеству HEVC и VP9, радикально уступая им в скорости кодирования. Главным же преимуществом AV1 является отсутствие лицензионных платежей, но без оптимизации он вряд ли будет пригоден для практического использования. Впрочем, если альянс сдержит свои обещания, ждать появления финальной версии совсем недолго.

Тем временем Международная организация по стандартизации ISO и международный союз отрасли электросвязи разрабатывают еще один кодек - JEM. Как утверждается, он будет значительно эффективнее, чем HEVC (более чем на 25%) и при этом не таким ресурсоемким, как H.265. Правда, его принятие ожидается только в 2020 году.

Ряд вендоров, такие как Axis, HikVision, Samsung, разрабатывают собственные модификации H.264 и H.265. Так, например, технология ZipStream компании Axis обеспечивает экономию трафика в диапазоне от 30 до 70% по сравнению с H.264, то есть в этом отношении она не уступает H.265. ZipStream представляет собой надстройку над H.264, и для его реализации не требуется какой-либо адаптации инфраструктуры. Более того, ZipStream может с тем же успехом использоваться и поверх H.265, и Axis уже выпустила камеры H.265 с реализацией этой технологии.

«Оценки экономии трафика в 50% для H.265 даются для идеальных условий и для других применений, таких как трансляция контента в мультимедийных приложениях, - поясняет Денис Ляпин, технический тренер в Рoссии, СНГ и Вoстoчнoй Еврoпе Axis Communications. - В случае же видеонаблюдения с учетом реальных условий, таких как контровая засветка, зашумленность изображения и т. п., такая степень сжатия вряд ли достижима». Как показывают тесты Fraunhofer Heinrich Hertz Institute, разработчика H.264, HEVC обеспечивает в действительности снижение пропускной способности лишь на 38% при аналогичном качестве изображения.

HikVision адаптировала H.265 с учетом области применения (напомним, что HEVC не разрабатывался специально для видеонаблюдения). Согласно заявлениям компании, модификация H.265+ позволяет сократить скорость передачи еще на 67% (по сравнению с H.265) при передаче видео Ultra HD.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Как бы то ни было, HEVC получил уже достаточно широкое распространение на потребительском рынке. В прошлом году он был реализован Apple, и теперь все новые iPhone - и многие смартфоны на базе Android - могут декодировать HEVC вплоть до UHD. Новые телевизоры тоже имеют встроенную поддержку HEVC. Так что вопрос скорее за широким применением H.265 в решениях для бизнеса.

Впрочем, если запутанные лицензионные вопросы не будут разрешены, ситуация может развернуться в пользу открытых стандартов, таких как AV1. (Вряд ли пользователи обрадуются, если их будут привлекать к суду за применение нелицензированных продуктов, - а такие прецеденты имели место, когда вместо производителей привлекают к ответственности пользователей.) Поскольку в начале года в состав участников Alliance for Open Media неожиданно вошла компания Apple, с принятием стандарта можно ожидать появления AV1 на iPhone.

Что касается рынка систем видеонаблюдения, проблемы с лицензированием затрагивают его лишь опосредованно. Тем не менее ONVIF разрабатывает новый видеопрофиль, Profile T, таким образом, чтобы он не был привязан к формату сжатия. Иначе говоря, он будет способен поддерживать не только H.265, но и любые форматы сжатия видео и аудио, которые могут появиться позже.

Несмотря на то что H.264 присутствует на рынке более 10 лет, он по-прежнему остается актуальным для большинства применений. IP-камеры с поддержкой H.265 ориентированы на поддержку видео с разрешением UHD, так что в полной мере их возможности можно задействовать, когда требуется контролировать большие открытые пространства: строительные площадки, автостоянки, складские дворы и т. п. Для мониторинга более ограниченных площадей вполне достаточно камер H.264, поскольку разрешение 440p/1080p позволяет разглядеть черты лица, регистрационный номер автомобиля и многое другое.

Даже если для большинства задач немедленная модернизация системы видеонаблюдения не нужна, камеры UHD, становясь более доступными, будут применяться все шире. Поэтому задуматься о перспективах надо заранее: загодя готовить инфраструктуру в расчете на поддержку H.265 или другого наследника H.264