Новое поколение видеокомпрессии: MPEG-4 AVC

По материалам фирмы Scopus Network Technologies

В течение нескольких последних лет в индустрии вещания наметилась тенденция более эффективного использования существующей полосы пропускания. Для этого есть несколько причин:

• кабельные операторы стремятся обеспечить потребителю большее количество услуг, что требует большой полосы пропускания;
• телекоммуникационные компании также увеличивают портфель услуг и начинают вторгаться на рынок вещания, предлагая потребителям телевизионные каналы в дополнение к телефонии и передаче данных;
• спутниковые операторы борются за снижение расходов, а значит, — стоимости своих услуг.

Следует отметить, что уже сформировался ряд стандартов компрессии, и эти стандарты достигли того уровня, когда способны составить серьезную конкуренцию используемому в настоящее время стандарту MPEG-2. Одними из основных кандидатов в этой области являются стандарты WM9 (Windows Media 9) и MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding, известный также под названием MPEG-4 Part 10). Вследствие высокой эффективности кодирования стандарта MPEG-4 AVC предсказывается расширение сферы его применения в рамках существующих стандартных приложений, например DVB. В этой статье рассматривается процесс создания и улучшения MPEG-4 AVC.

Основные положения компрессии цифрового видео

Процесс стандартизации в сфере компрессии цифрового видео идет под руководством двух организаций: ISO (International Standards Organization) и ITU (International Telecommunications Union).

Большинство стандартов компрессии видео базируется на принципах стандарта H.261, разработанных ITU. Несколько лет спустя был представлен развивающий положения документа H.261стандарт H.263, существенно улучшенный относительно первого.

В 1995 году, после завершения разработки стандарта передачи видео H.263, группа экспертов по кодированию видео (Video Coding Experts Group — VCEG) ITU-T начала работать над долгосрочным проектом по разработке нового стандарта для визуальных коммуникаций с малой скоростью потока. Эта работа привела к появлению чернового варианта стандарта H.26L, позволявшего выполнять сжатие видео гораздо более эффективно, чем это предполагали предыдущие стандарты.

Параллельно с этими работами группа экспертов ISO Motion Picture Experts Group (ISO-MPEG) представила стандарт MPEG-1, предназначенный для использования в сфере PC/CD (компьютеры и компакт-диски). Следующий за ним стандарт MPEG-2 уже был предназначен для сферы вещания, где применяются изображения высокого разрешения и скорости потоков в диапазоне от средних до высоких. В дополнение к кодированию видео стандарт MPEG-2 включает кодирование звука и транспортный уровень для передачи нескольких программ. Сегодня стандарт MPEG-2 является для вещания основным и представляет собой один из кирпичиков, из которых созданы такие стандарты, как DVB и ATSC.

В течение нескольких лет стандарт MPEG-2 постоянно улучшался, но сегодня он подходит к границам своих возможностей. Предпринимались попытки его дальнейшего улучшения с использованием других технологий, например фракталов и сверточных кодов, но эти попытки не дали заметного улучшения сжатия видео. На рис.1 показана хронология развития стандартов.

Рис. 1. Прогресс развития стандартов для вещания

Изначально стандарт MPEG-4 был создан в качестве попытки перенести объектно-ориентированную философию в мир компрессии, однако это не дало существенного положительного результата ввиду сложности задачи. В 2001 году группа ISO-MPEG осознала потенциальные преимущества стандарта ITU-T H.26L, и была создана совместная группа Joint Video Team (JVT), в которую вошли эксперты из MPEG и VCEG. Основная задача JVT состояла в разработке двух идентичных стандартов: ISO MPEG-4 Part 10 и ITU-T H.264. Официальное название нового стандарта — MPEG Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC). Тем не менее, этот стандарт по-прежнему широко известен и под своим первоначальным названием H.26L, а также под именем группы его разработчиков — JVT.

Новый стандарт MPEG-4 AVC вышел в 2003 году, и его создатели заявили более чем двукратное повышение эффективности сжатия по сравнению MPEG-2. В MPEG-4 AVC будет использоваться звуковое определение AAC (MPEG-эквивалент Dolby AC-3) и определения MPEG-2 и MPEG-4 для транспортного уровня.

Требования к стандарту видеокомпрессии нового поколения

Принятие стандарта видеокомпрессии MPEG-2 и соответствующей технологии сжатия видео было фактором, определяющим успех телевизионного вещания в течение последних семи лет. Эта технология обеспечила резкий скачок роста числа каналов, вещание которых стало экономически оправданным.

За последние годы были также реализованы значительные улучшения (вне рамок стандарта) в плане достижения меньших скоростей потока. Сюда вошли предварительная обработка, шумопонижение и технологии коррекции ошибок за счет предсказания и двойного прохода (look ahead/dual pass).

Однако существует мнение, что нынешний стандарт практически достиг своего предела в плане степени сжатия и не позволит обеспечить качественную передачу видео на скоростях менее 1 Мбит/с. Однако вследствие того, что большинство используемых ныне абонентских приставок (set-top-boxes — STB) поддерживают стандарт MPEG-2, он, видимо, в течение нескольких последующих лет останется широко распространенным.

Ограничение полосы пропускания всегда было слабым местом сферы цифрового вещания. Необходимость более широкой полосы для телевизионного вещания всегда была актуальной как для сферы доставки конечному потребителю (Direct to Home — DTH), так и для сферы распределения и доставки сигнала (Contribution and Distribution — C&D).

Сфера DTH предполагает передачу контента от вещательной станции (головной станции) непосредственно до потребителя (подписчика), то есть прямо к нему в квартиру или дом. Эта сфера функционально делится на спутниковую, кабельную и телекоммуникационную. Каждый из этих сегментов по-своему откликается на применение стандартов компрессии видео нового поколения.

Спутниковый сегмент DTH

Спутниковый сегмент DTH требует более эффективного использования полосы пропускания, что обусловлено высокой стоимостью транспондеров. Новый стандарт компрессии позволит существенно уменьшить необходимую ширину полосы пропускания, а значит, значительно снизить общие расходы на предоставление каждой из услуг, например, станет возможным обеспечить для каждой из услуг полосу в среднем менее 1 Мбит/с.

Кабельный сегмент DTH

К этому сегменту предъявляются повышенные требования, поэтому он, вероятно, будет развиваться в двух направлениях. Во-первых, это обеспечение качественной телефонии и передача данных. Во-вторых, использование имеющейся полосы частот для предоставления высококачественных услуг: «видео по запросу» (xVOD), ТВЧ и «ТВЧ по запросу» (HD-VOD), а также возможность вещания с временной задержкой (time shifting) услуги iTV. Все эти услуги требуют огромной полосы пропускания. Поэтому кабельный сектор нуждается в эффективном методе использования полосы частот для предотвращения дорогостоящих изменения и модернизации инфраструктуры.

Телекоммуникационный сегмент DTH

Существующие ограничения полосы частот для телекоммуникационных инфраструктур препятствуют предоставлению подписчикам эффективной полосы пропускания. Даже при наличии существующих технологий реально доступная для подписчика полоса частот находится ниже значения 2 Мбит/с (для видео, звука и данных). Новые технологии сжатия должны позволить телекоммуникационным компаниям обеспечить качественную доставку видеоуслуг, включая собственно вещание и дополнительный сервис.

Сфера C&D

Сфера C&D предполагает перемещение информации в рамках сети между производящими студиями и различными головными станциями с применением сетевых технологий доставки сигнала.

Для сферы C&D период времени до того момента, когда использование полосы пропускания станет критичным фактором, является более длительным. Однако как только новые стандарты достигнут уровня эффективности, вдвое превышающего уровень, обеспечиваемый стандартом MPEG-2, переход на новые стандарты станет простым и быстрым, поскольку сфера C&D не зависит от применяемых STB и не предполагает больших инвестиций в это абонентское оборудование.

Более того, стандарт MPEG-4 AVC будет использовать ту же транспортную среду, что и MPEG-2. Можно также предположить, что в течение некоторого времени, необходимого для перехода на новый стандарт, при вещании будет использоваться мультиплексированный поток, состоящий из программ, сжатых как по стандарту MPEG-2, так и по MPEG-4 AVC.

Существующий стандарт сжатия видео MPEG-2

Стандарт сжатия видео MPEG-2 основан на удалении избыточной информации. Для удаления пространственной и временной избыточной информации на основе схожести элементов используются такие процессы, как дискретно-косинусное преобразование (DCT), предсказание движения, квантизация и статистическое кодирование.

В нынешнем стандарте MPEG-2 в качестве «строительных» блоков используются последовательности, группы изображений (GOP), кадры, сегменты (slices), макроблоки и блоки. Для уменьшения скорости потока при сохранении высокого качества видео применяются и дополнительные технологии. Сюда включаются предварительная обработка, двойной проход и последующая обработка. Так что стандарт MPEG-2 представляет собой достаточно высокое технологическое достижение. На рис. 2 показано, как кодер MPEG-2 использует технологию MPEG-2 и «строительные» блоки кодирования.

Рис. 2. Кодирование по стандарту MPEG-2

Стандарт сжатия MPEG-4 AVC

Как и предыдущие стандарты (MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4), черновой стандарт H.264 не определяет жестко кодек (пара «кодер/декодер»). Стандарт скорее определяет синтаксис потока кодированного видео вместе с методом декодирования этого потока.

Новый стандарт MPEG-4 AVC вышел в 2003 году и предназначен для более чем двукратного повышения степени сжатия по сравнению с MPEG-2. В новом стандарте нет попыток справиться с такими проблемами, как масштабируемость, работа с объектом, сложными программными слоями и т. д. Основные функциональные элементы MPEG-4 AVC (предсказание, преобразование, квантизация и энтропийное кодирование) отличаются от предыдущих стандартов.

Наиболее важные отличия MPEG-4 AVC становятся понятными при детальном рассмотрении каждого функционального элемента.

Рис. 3 иллюстрирует адаптивную структура макроблоков при кодировании по стандарту MPEG-4 AVC.

Рис. 3. Структура макроблока

Изменилась и улучшилась структура традиционного макроблока: теперь применяется гибкое адаптивное деление. Нашли применение улучшенные технологии предсказания движения, что позволяет использовать кадры с многократной ссылкой и повысить временную избыточность. Добавлены также встроенная фильтрация, более совершенные предсказания, адаптивное энтропийное кодирование, улучшенная система квантизации. В результате достигнуты улучшения в сфере компрессии и качества видео. Рис. 4 иллюстрирует применение кадров с многократной ссылкой для реализации предсказания движения по технологии кодирования MPEG-4 AVC.

Рис. 4. Кадры с многократной ссылкой

В стандарте MPEG-4 AVC на сегодня предусмотрено три профиля: вещательный (Broadcast), сотовый (Cellular) и для потокового вещания (X). В дальнейшем возможно добавление новых профилей. Для звука и транспортировки MPEG-4 AVC будет использовать представления AAC. Таким образом, движение в направлении сферы DVB является понятным и относительно точно определенным.

Кодек Microsoft Windows Media (WM9)

Компания Microsoft демонстрирует все возрастающий интерес к сфере вещания. Компания разрабатывает свой собственный кодек Windows Media версии 9 (WM9), базирующийся на исходном стандарте MPEG-4. Однако для обеспечения более высокой по сравнению с MPEG-4 эффективности инженеры Microsoft разработали соответствующий кодек, в котором используются собственные патенты Microsoft.

Есть тенденция применения WM9 в некоторых вещательных приложениях, однако вещатели проявляют к WM9 определенное недоверие, поскольку этот кодек представляет собой нечто вроде «черного ящика», в случае использования которого поставщики не могут внести никаких изменений в кодек, когда такие изменения необходимы.

Тем не менее, полное описание преимуществ и недостатков WM9 не входит в задачу этой статьи и требует отдельного обсуждения.

Барьер, который необходимо преодолеть

Барьером, который сдерживает развитие и применение стандарта компрессии нового поколения, является огромное количество абонентских приставок STB, поддерживающих стандарт MPEG-2.

Более того, поскольку новый стандарт гораздо сложнее, чем MPEG-2, производители новых STB должны изменить конструкцию аппаратного обеспечения приставок и сделать инвестиции в обеспечение более высокой мощности обработки.

И, наконец, переход к новому стандарту требует изменений во всех звеньях цепи. Нужны изменения аппаратного обеспечения, включая кодеры, декодеры, мультиплексоры, преобразователи скорости потока и другое вещательное оборудование.

В сфере C&D переход на новые стандарты должен быть относительно простым, поскольку здесь применяется профессиональное оборудование в сравнительно ограниченном количестве. В сфере же DTH, где задействовано большое число абонентских приставок, расположенных в домах подписчиков, расходы будут огромными, поэтому резкий переход на новые технологии невозможен.

Постепенное движение вперед

В сфере DTH новый стандарт будет использоваться в основном в рамках «последней мили». Телекоммуникационные и кабельные компании обеспечат постепенное проникновение в новые регионы с новыми подписчиками, и этот процесс будет непосредственно связан со стоимостью абонентских приставок следующего поколения.

Телекоммуникационные компании смогут использовать новый стандарт, поскольку они не связаны с абонентскими приставками и работают с транспортной средой с постоянным потоком. Телекоммуникационный сектор, где нет жесткой привязки к стандартам, может использовать и MPEG-4 AVC, и WM9.

Кабельные операторы смогут применять новый стандарт для расширения спектра предоставляемых услуг, например xVOD, предлагая подписчикам заменить старые приставки новыми, чтобы получить дополнительные услуги. В ближайшем обозримом будущем оборудование будет поддерживать старые стандарты в сочетании с новыми. Аппаратные платформы будут одновременно обрабатывать потоки MPEG-2, MPEG-4 AVC и, возможно, WM9.

Заключение

В вещательной индустрии стандарт MPEG-2 будет неизбежно вытеснен новыми стандартами, причем это произойдет в течение ближайших нескольких лет. Скорее всего это будут стандарты MPEG-4 AVC или WM9. Переход будет постепенным, и системы будут поддерживать несколько стандартов одновременно. На сегодня вещатели пока не решили, какой из стандартов выбрать, и многие из них ждут, какая из технологий окажется самой эффективной.

Общепризнанным является факт, что и MPEG-4 AVC, и WM9 обеспечивают в сферах DTH и C&D более высокую эффективность, чем существующие стандарты.

Телекоммуникационным компаниям понадобится меньше всего времени и усилий, чтобы последовать выбору, который сделают спутниковые и кабельные операторы.