VVC vs. MPEG-5 EVC / LCEVC: Wie sieht die Zukunft des Rundfunks aus?

In dieser Tribune hat Dr. David Guillermo Fernández Herrera, CTO von KI-VIDEX, wirft einen detaillierten Blick auf die Videokompressionsformate VVC und MPEG-5 EVC/LCEVC, die sich hervorragend dafür eignen, kurz- und mittelfristig zum Standard in der Rundfunkbranche zu werden.

In den letzten Jahrzehnten haben wir einen unglaublichen Fortschritt im Bereich der Multimedia-Anwendungen erlebt. Unter den verschiedenen Faktoren, die dabei eine Rolle spielen, ist der Beitrag der Standards für die Videokomprimierung. Seit den späten 1980er Jahren wurde eine Vielzahl von Standards entwickelt, von H.261 bis zum jüngsten VVC (Vielseitige Videocodierung), immer auf der Suche nach hohen Datenkompressionsraten, ohne die visuelle Qualität zu beeinträchtigen.

Dieses Ziel hat es ermöglicht, dass 10 Jahrewird ein neuer Standard veröffentlicht, der eine Reduzierung der erforderlichen Bandbreite um 50 % gegenüber seinem Vorgänger ermöglicht. Dies war der Fall bei H.265/HEVC (Hocheffiziente Videocodierung, die 2013 veröffentlicht wurde) gegen H.264/AVC (Erweiterte Videocodierung, 2003).

Im Jahr 2020 wurde die erste Version des Standards veröffentlicht VVC und zwei weitere neue Standards innerhalb der Familie MPEG-5, MPEG-5 EVC (Unverzichtbare Videokodierung) und MPEG-5 LCEVC (Verbesserung der Videocodierung mit geringer Komplexität).

VVC entdecken

VVC Verspricht Reduzierung um 50 % die erzeugte Datenrate (Bitstrom) in Bezug auf H.265. Diese Verbesserung geht jedoch zu Lasten einer deutlichen Erhöhung der Komplexität des Algorithmus und erfordern daher größere Rechenressourcen, einen höheren Stromverbrauch und damit höhere wirtschaftliche Kosten, um die Anforderungen zu erfüllen, die die Echtzeit-Codierung/Dekodierung von High- (HD) und Ultra-High-Definition- (UHD) Signalen ermöglichen. Daran haben wir uns mit der Veröffentlichung jedes neuen Standards gewöhnt, und VVC war da keine Ausnahme, da es eine große Anzahl von Neue Techniken die das Design eines Encoders oder Decoders sehr komplex machen.

Sowohl die Rate der Kompression Da die Visuelle Qualität des Videos hängen direkt von der Implementierung im Encoder hergestellt, von dem, was Techniken verwendet wurden und wie sie Umgesetzt.

Es ist sehr wichtig hervorzuheben, dass die Standards für die Videokomprimierung Definieren der Syntax del Bitstrom (wie man es konstruiert) und die Methode, die befolgt werden muss, um die Dekodierung durchzuführen (wie man ein Video aus dem Bitstrom), aber Beschreiben Sie nicht die Implementierung des Encoders. Das bedeutet, dass der Standard beispielsweise angibt, wie ein Bewegungsvektor in einen Bitstrom umzuwandeln ist, aber nicht definiert, wie der Encoder den Wert dieses Vektors erhält, indem er nach der Bewegung zwischen den verschiedenen Bildern sucht, aus denen das Video besteht. Sowohl die Rate der Kompression Da die Visuelle Qualität des Videos hängen direkt von der Implementierung im Encoder hergestellt, von dem, was Techniken verwendet wurden und wie sie Umgesetzt. Daher können die Funktionen eines Encoders von einer Implementierung zur anderen erheblich variieren.

In den ersten Implementierungen von H.265-Encodern konnte bestätigt werden, dass im Vergleich zu ausgereiften Implementierungen von H.264-Encodern, die Konfigurationen verwenden, die die gleiche Menge an Rechenressourcen (CPU-Last, Speicherauslastung usw.) ermöglichen, bessere Ergebnisse in H.264 erzielt wurden. Aktuell, da es bereits ausreichend ausgereifte H.265-Implementierungen gibt, hat sich die Situation geändert. Der Zweck dieses Kommentars ist es, Warnung bei Encoderbereitstellungen die nach der Veröffentlichung eines neuen Standards entstehen. Einige sind als reine Marketingprodukte konzipiert, die einfache Implementierungen neuer Techniken enthalten, die so schnell wie möglich auf den Markt kommen sollen, aber schließlich unter ihr eigenes Gewicht fallen, wenn detaillierte Vergleiche mit ausgereiften Programmierern auf der Grundlage früherer Standards angestellt werden. Implementierungen, die auf einer gründlichen Untersuchung der Norm und des Stands der Technik beruhen und in strengen Testumgebungen optimiert wurden, sind solche, die Sie nutzen die Beiträge jedes neuen Standards wirklich aus.

Fortschritte mit VVC in der UHD-Welt

Zu den Beiträgen in VVC, ist die Verwendung großer Codierungseinheiten (128×128 Pixel) hervorzuheben, die eine enorme Reduzierung der Bandbreite erforderlich, wenn sie in Bereichen von Homogene Texturen In der Entschließung UHD. Ein weiterer sehr interessanter Beitrag ist die Verwendung von Mehrere Partitionstypen, die es ermöglicht, das Bild in Codierungseinheiten zu unterteilen, die sich an den Inhalt anpassen und die verschiedenen Objekte des Bildes perfekt abgrenzen. Diese Unterteilungsebene öffnet die Tür für den Einsatz von Algorithmen der künstlichen Intelligenz bei der Videokomprimierung, wie z. B. der Segmentierung, bei der jedes Pixel des Bildes einzeln klassifiziert wird. Mittels der Segmentierung können Regionen, Individuen oder Objekte von Interesse innerhalb jedes Bildes erkannt und in verschiedenen Klassen abgegrenzt werden, und es können unterschiedliche Kompressionstechniken angewendet werden, je nachdem, welches Niveau der visuellen Qualität für jede Klasse gewünscht ist. Mit anderen Worten, um Mehr Bits zu den Bereichen von Interesse um die visuelle Qualität auf der Grundlage einer vorherigen Analyse des Bildes zu verbessern.

VVC bietet die Benötigte Werkzeuge die Verbreitung von UHD-Inhalten zu optimieren und es gibt bereits kommerzielle Implementierungen, die dies ermöglichen; Solche Lösungen verwenden jedoch Viele Rechenressourcen und nehmen Sie an, dass Erhebliche Investitionen.

Diese Tools sind nur eine kleine Einführung in alle von VVC verwendeten Tools und können bei richtiger Anwendung einen sehr wichtigen qualitativen Sprung darstellen. Je mehr Artikel darüber veröffentlicht werden, wie diese Techniken effizient eingesetzt werden können, und je mehr Anstrengungen unternommen werden, desto mehr werden die Ergebnisse erzielt VVC-Bereitstellungen die es ihnen ermöglichen, die Leistung ihrer Vorgänger zu einem vertretbaren Rechenaufwand zu verbessern. VVC stellt die notwendigen Werkzeuge zur Verfügung, um die Verteilung von Inhalten in UHD Und es gibt bereits kommerzielle Umsetzungen, die dies ermöglichen; Solche Lösungen verwenden jedoch eine große Menge der Rechenressourcen und nehmen Sie an, dass Erhebliche Investitionen.

MPEG5-EVC/LCEVC: Natürliche Entwicklung?

MPEG-5 EVC Es hat den Vorteil, dass es ein grundlegendes lizenzfreies Profil hat und damit eine Schwäche von H.265 behebt, bei der die Lizenzverwaltung zu einem sehr umständlichen Prozess geworden ist. Aber innerhalb der MPEG-5-Familie sticht es hervor MPEG-5 LCEVC.

Dieser neue Standard basiert auf der Hinzufügung von Zusätzliche Ebenen der Qualitätsverbesserung auf einer Basisschicht, die unter Verwendung anderer Kompressionsstandards erhalten wurde. Dieses Konzept ist ein Großer Sprung im Vergleich zu seinen Vorgängern, da es den Teams ermöglicht, weiterhin Hardwarebeschleunigung (basierend auf H.264, H.265, VP9, etc.) die Basisschicht zu bearbeiten und Software, verbessern Sie seine Leistung dank zusätzlicher Schichten. Wenn MPEG-5 LCEVC auf der Set-Top-Box-Seite nicht unterstützt wird, wird nur die Basisschicht dekodiert, um die Kompatibilität mit bestehenden Infrastrukturen und Geräten zu ermöglichen.

Aus diesem Grund führt MPEG-5 LCEVC die Kompressionsverbesserung Datenflusskonzept, Reduziert die Komplexität der Verarbeitung und ist abwärtskompatibel; Und das alles, ohne zusätzliche Latenzzeiten in das System einzuführen.

Einführung von VVC und MPEG-5 LCEVC

Obwohl seit der Veröffentlichung der ersten Version des Standards drei Jahre vergangen sind VVCgibt es derzeit in keinem Gerät eine Hardwareunterstützung für VVC, was die Einführung verlangsamt und es uns ermöglicht, vorherzusagen, dass sich die Expansion erst 2026 oder 2027 beschleunigen wird. Auch ohne Hardware-Unterstützung sehen wir eine Reihe von Indikatoren in der Markt, die auf ihr Potenzial hinweisen. Einer dieser Indikatoren ist die Übernahme von VVC in Anwendungsstandards wie DVB (DVB) (im Jahr 2022 VVC als Next Generation Codec eingeführt), SBTVD (für seine Basisschicht im Jahr 2021), SCTE (hat sie 2023 in ihre Standards aufgenommen) und ihre Aufnahme in ATSC 3.0. Die Anstrengungen, die Unternehmen wie Qualcomm, Huawei, Hikvision, MainConcept, Ateme oder Bitmovin, könnte ein weiteres Indiz für seine künftige breite Einführung sein.

MPEG5-LCEVC ist eine greifbare Realität, wird die Umsetzung derzeit machbarund durch Hinzufügen von Software-Schichten Sowohl bei der Codierung als auch bei der Dekodierung bietet es eine deutliche Verbesserung der Leistung jedes Systems, das auf bisherige Standards.

Aufgrund des Mangels an Implementierungen Quelloffen VVC ausgereift sind und die von kommerziellen Programmierern zugewiesenen Ressourcen (8-mal mehr als H.264 und 4-mal mehr als HEVC) MPEG-5 LCEVC Es entwickelt sich zu einer sehr interessanten Option, um die Leistung bestehender Systeme auf der Grundlage früherer Standards zu verbessern. Im Falle von Anbietern von Inhalten oder Multimedia-Diensten, bei denen die Möglichkeit besteht, Leistungsstarke Server für die Codierung Seien Sie kein Problem, Sie sollten das nicht aus den Augen verlieren VVC beim Deutliche Verbesserungen dass sie zur Kompressionseffizienz beiträgt, und durch die Indikatoren für ihre künftige Einführung, die wir besprochen haben.

Im Laufe der Bereitstellung werden kostengünstigere Geräte angezeigt, auf denen VVC ausgeführt werden kann. Das Gleiche galt für seine Vorgänger: Frühe H.265-Implementierungen konnten nur auf leistungsstarken Servern ausgeführt werden; Im Laufe der Jahre wurden jedoch optimierte Implementierungen auf anderen Gerätetypen wie FPGAs, GPUs und schließlich ASICs ausgeführt. Damit wurde seine Nutzung demokratisiert.

Obwohl VVC Derzeit gibt es keine Geräte, die eine Dekodierung durch Hardwarebeschleunigung durchführen (Handys, Set-Top-Boxen, GPUs in Computern usw.), es entwickelt sich zum Großartiger Kandidat für Verringern Sie die erforderliche Bandbreite um Inhalte zu verteilen UHD in den kommenden Jahren.

MPEG5-LCEVC ist eine greifbare Realität, ist seine Implementierung derzeit machbar, und durch das Hinzufügen von Softwareschichten sowohl bei der Kodierung als auch bei der Dekodierung bietet es eine signifikante Verbesserung der Leistung jedes Systems, das auf früheren Standards basiert. Dank der Kompatibilität, die es bietet, kann es unter Verwendung der aktuellen Infrastruktur und ohne die Notwendigkeit, einen parallelen Datenfluss zu erstellen, bereitgestellt werden, was eine erhebliche Kostenreduzierung im Vergleich zur Implementierung eines Standards bedeutet, der aufgrund von Inkompatibilitätsproblemen die Anwendung von Flows erfordert. Obwohl VVC Derzeit gibt es keine Geräte, die eine Dekodierung durch Hardwarebeschleunigung durchführen (Handys, Set-Top-Boxen, GPUs in Computern usw.), es entwickelt sich zum ein großartiger Kandidat, um die für die Verbreitung von UHD-Inhalten erforderliche Bandbreite in den kommenden Jahren zu verringern.

Am Ende werden es die Wetten von sein Rundfunkanstalten, Hersteller und Zulieferer, sowie spezifische Bedürfnisse in dem immer breiter werdenden Konzept übertragen, der den Sieger in einem Kampf mit Zwei sehr leistungsfähige Technologien die viele der Herausforderungen lösen, die mit dem Streaming von Inhalten verbunden sind HD und UHD.