الترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات (VVC / H.266)

مع تصاعد استهلاك الوسائط الرقمية نحو الدقة الفائقة 4K و8K والواقع الافتراضي الغامر بزاوية 360 درجة، تدفع متطلبات النطاق الترددي معايير الضغط الحالية إلى حدودها. ترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات (VVC)، المعروف أيضًا رسميًا باسم ITU-T H.266 وISO/IEC 23090-3 (MPEG-I Part 3)، يمثل القفزة التطورية الأخيرة في تقنية ضغط الفيديو. تم تطويره بشكل مشترك من قبل فريق خبراء الفيديو المشترك (JVET) — وهو تعاون بين ITU-T SG 16 WP 3 وISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 — وتم الانتهاء من VVC في يوليو 2020 بهدف واحد واضح: تقليل معدل البت للبيانات بنحو 50% مقارنةً بسابقه HEVC (H.265)، مع الحفاظ على جودة بصرية متطابقة.

1. ما هو VVC (الترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات)؟

ترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات هو برنامج ترميز فيديو هجين قائم على الكتل صُمم لمعالجة كامل طيف تطبيقات الفيديو. على عكس برامج الترميز القديمة التي تم تحسينها أساسًا للبث التقليدي والبث المتدفّق، تم تصميم VVC من الصفر لاستيعاب:

• فيديو عالي الإطار (HFR) (حتى 120 إطارًا في الثانية وما فوق)
• النطاق الديناميكي العالي (HDR) ونطاق الألوان الواسع (BT.2020)
• ترميز محتوى الشاشة (نصوص، رسومات، وعرض واجهة المستخدم مُولدة حاسوبيًا)
• فيديو شامل الاتجاهات $360^\circ$ لبيئات AR/VR
• تبديل دقة متكيف دون إيقاف تشغيل الفيديو
• اتصالات تفاعلية في الوقت الحقيقي منخفضة الكمون (الألعاب، مؤتمرات الفيديو)

من خلال تحقيق نسب ضغط غير مسبوقة، يتيح VVC للمذيعين ومزودي البث وشبكات الهواتف المحمولة تقديم تجارب بصرية متميزة عبر اتصالات شبكة محدودة.

2. الخصائص الرئيسية لـ VVC / H.266

المزايا المعمارية الأساسية:

1. اقتصاد النطاق الترددي: يقدم فيديو 4K نقيًا بمعدلات بت عادةً ما تُطلب لـ 1080p Full HD.
2. مرونة متعددة الأغراض حقيقية: ملفات تعريف أصلية مخصصة للألعاب، مشاركة الشاشة، الفيديو الكروي الغامر، والمراقبة.
3. محسّن للتسليم عبر السحابة وشبكات توزيع المحتوى (CDN): يقلل بشكل كبير من عبء التوزيع والتخزين لمنصات بث الفيديو الرئيسية.

3. الميزات التقنية المتعمقة لـ VVC

يُدمج VVC تحسينات خوارزمية متقدمة عبر كل مرحلة من إطار الترميز الفيديو الهجين:

A. تقسيم الكتل المتقدم (QTMT Structure)

في حين اعتمد HEVC على بنية كتلة شجرة رباعية (QT) بأقصى أحجام وحدة شجرة الترميز (CTU) تبلغ $64 \times 64$, يُقدّم VVC شجرة رباعية مع شجرة متعددة الأنواع (QTMT).

• تم توسيع الحد الأقصى لحجم CTU إلى $128 \times 128$ بكسل.
• يسمح بالتقسيم المتكرر إلى أشجار ثنائية (أفقية/عمودية) وأشجار ثلاثية (تقسيم ثلاثي الاتجاهات).
• يمكن المشفر من تشكيل كتل التقسيم لتتبع حدود الكائنات المعقدة، القوام الدقيقة، والتدرجات السلسة.

B. تحسين التنبؤ داخل الصورة

بالنسبة للإطارات الفردية (I-frames)، يُثري VVC نمذجة الاتجاه المكاني بشكل كبير:

• 67 وضعيات التنبؤ الداخلي: تم توسيعها من 35 وضعية في HEVC لالتقاط توجيهات الحواف الدقيقة.
• التنبؤ بزاوية واسعة: نماذج بسلاسة الزوايا التي تتجاوز القطرات التقليدية بزاوية 45 درجة للكتل غير المربعة.
• نموذج خطي عابر للمكوّنات (CCLM): يتنبأ بعينات اللون (chroma) مباشرةً من عينات اللمى (luma) المعاد بناؤها، مما يقلل من عبء نقل اللون.
• خط مرجعي متعدد (MRL): يستخدم خطوط بكسل حدودية غير متجاورة لتنبؤ بمناطق الخلفية المعقدة.

C. تنبؤ بين الصور بدقة وتعويض الحركة

للإطارات المتنبأة زمنياً (إطارات P وإطارات B)، يقدم VVC:

• تنبؤ متجه الحركة الزمني للكتل الفرعية (SbTMVP): يقسم الكتلة إلى كتل فرعية $8 \times 8$، ويُعيّن متجهات حركة فريدة لكل منطقة فرعية.
• تنبؤ الحركة المتجانسة (Affine Motion Inter Prediction): يُنمذج التحولات المعقدة في العالم الحقيقي مثل التكبير، الدوران، التمدد، وإمالة المنظور باستخدام نماذج ذات 4 معلمات أو 6 معلمات.
• تدفق بصري ثنائي الاتجاه (BDOF): يُحسّن تعويض الحركة على مستوى كل عينة دون إضافة عبء إشارة.
• تحسين متجه الحركة على جانب المُفكك (DMVR): يقوم بضبط متجهات الحركة مباشرةً على جانب المُفكك، مما يوفر بتات النقل.

D. ترشيح داخل الحلقة المتقدم

لإزالة العيوب البصرية (التقطيع، الرنين، وتشويش اللون)، يستخدم VVC سلسلة ترشيح مكوّنة من 4 مراحل:

1. مرشح إزالة التقطيع (DBF): يُنعّم الانقطاعات على حدود الكتل.
2. إزاحة عينة متكيفة (SAO): يصحّح إزاحات الحواف والنطاقات.
3. مرشح الحلقة المتكيفة (ALF): يستخدم 25 شكلًا من أشكال الفلتر على شكل ماسة لإعادة بناء تفاصيل النسيج ذات التردد العالي.
4. ALF عبر المكوّنات (CC-ALF): يُحسّن تفاصيل اللون باستخدام معلومات قناة اللمّا.

E. دعم الصور الفرعية الأصلية والاتجاهات المتعددة

يعرّف VVC الصُوَر الفرعية كمناطق مستطيلة قابلة للفك بشكل مستقل داخل لوحة الفيديو. يتيح ذلك لسماعات الواقع الافتراضي بث الجزء عالي الدقة من المشهد الذي ينظر إليه المستخدم فقط مع نقل الرؤية الطرفية بجودة أقل (البث المتباين)، مما يوفر ما يصل إلى 70٪ من عرض النطاق الترددي لبث الواقع الافتراضي.

4. كيفية إنشاء وترميز ملفات VVC

يتطلب ترميز محتوى VVC مكتبات برمجية تُطبق معيار H.266. أكثر المشفرات المفتوحة النضج هو VVenC، الذي طوره معهد فراونهوفر هاينريش هرتز (HHI).

الطريقة 1: استخدام Fraunhofer VVenC (CLI مستقل)

1. قم بتنزيل ملفات VVenC الثنائية المجمعة مسبقًا أو ابنِها من المصدر عبر GitHub (https://github.com/fraunhoferhhi/vvenc).
2. شغّل الأمر لتشفير تدفق فيديو غير مضغوط بصيغة YUV أو RAW:

vvencapp --input input_yuv420p.yuv --size 1920x1080 --fps 60 --preset medium --qp 28 --output output.266

الطريقة 2: الترميز باستخدام FFmpeg (مع تمكين libvvenc)

تسمح إصدارات FFmpeg المخصصة الحديثة المجمعة بدعم libvvenc بالتحويل المباشر من ملفات الفيديو القياسية (.mp4, .mov, .mkv):

ffmpeg -i input.mov -c:v libvvenc -preset medium -b:v 2500k -tag:v vvc1 -c:a aac -b:a 128k output_vvc.mp4

إعدادات الترميز المسبقة للمفتاح:

• faster / fast: الأفضل للنمذجة السريعة والاختبار المباشر.
• medium: التوازن الموصى به بين نسبة الضغط ووقت التشفير.
• slow: أقصى جودة بصرية وأعلى ضغط للبيانات لأغراض الأرشفة وتوزيع الفيديو حسب الطلب (VOD).

5. كيفية فتح وتشغيل ملفات فيديو VVC

نظرًا لأن VVC معيار متقدم، فإن برامج تشغيل الوسائط ومفككات الأجهزة تعمل على توفير الدعم بنشاط. إليك كيفية تشغيل محتوى VVC اليوم:

1. مشغل Fraunhofer VVdec

توفر Fraunhofer HHI برنامج VVdec، وهو مفكك شفرة مفتوح المصدر فائق السرعة ومتعدد الخيوط.

• قم بتنزيل vvdecapp من GitHub.
• تشغيل أو فك ترميز تدفقات البت:

vvdecapp -b output.266 -o decoded_output.yuv

2. مشغل MPV Media (المشغل الموصى به بواجهة GUI/CLI)

الإصدارات الحديثة من MPV المجمعة مع libvvdec أو أحدث نسخة خلفية من FFmpeg يمكنها تشغيل فيديو VVC داخل حاويات .mp4 أو .mkv مباشرةً دون الحاجة لأي إعداد إضافي:

mpv output_vvc.mp4

3. مشغل VLC Media

• يقوم VLC بدمج دعم VVC في إصداراته 4.0.
• قم بتنزيل VLC 4.0 Nightly Build، افتح المشغل، واسحب وأسقط ملف الفيديو .mp4 أو .vvc مباشرةً إلى نافذة التشغيل.

4. MPC-HC / MPC-BE مع فلاتر LAV (ويندوز)

يمكن لمستخدمي Windows تشغيل ملفات VVC باستخدام MPC-HC (Media Player Classic Home Cinema) مع أحدث إصدارات LAV Filters الليلية التي تتضمن دعم فك ترميز VVC.

مقارنة VVC مقابل HEVC مقابل AV1

الأسئلة المتكررة (FAQ)

**Q1: ما هي الميزة الرئيسية لتنسيق الفيديو VVC (H.266) مقارنةً بـ HEVC؟ A1: يقدّم VVC توفيرًا في البيانات بنحو 50% مقارنةً بـ HEVC مع الحفاظ على نفس جودة الصورة تمامًا.

**Q2: هل VVC / H.266 تنسيق فيديو مجاني ومفتوح المصدر؟ A2: لا، VVC هو معيار يحمل حقوق ملكية من ISO/ITU مرخص عبر مجموعات براءات الاختراع مثل Access Advance، رغم وجود مشفرات/فكّ مشفرات مفتوحة المصدر.

**Q3: ما هي صيغ حاويات الفيديو التي تدعم تدفقات بيانات VVC؟ A3: تُعبّأ تدفقات بيانات VVC أساسًا داخل ملفات الحاوية القياسية .mp4، .mkv (Matroska)، و.ts (MPEG Transport Stream).

**Q4: هل يمكن لـ VVC التعامل مع مشاركة الشاشة وبث ألعاب الفيديو بفعالية؟ A4: نعم، يتضمن VVC أدوات ترميز محتوى الشاشة (SCC) المتخصصة التي تضغط واجهات الحاسوب والنصوص والرسومات الاصطناعية بحدة استثنائية.

**Q5: متى ستدعم الهواتف المحمولة وأجهزة التلفاز الذكية فك ترميز VVC الأصلي على مستوى العتاد؟ A5: بدأ كبار موردي السيليكون ومصنّعو التلفزيونات الذكية في دمج فكّ تشفير VVC المعياري في الشرائح الفاخرة بدءًا من 2023–2024، مع توسّع الاعتماد السائد بسرعة حتى عام 2026.

الملخص وآفاق المستقبل

يضع ترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات (VVC / H.266) المعيار الذهبي لكفاءة الضغط والمرونة الهيكلية. من خلال خفض متطلبات عرض النطاق الترددي للشبكة إلى النصف بالنسبة للفيديو بدقة 4K وفتح قنوات توصيل واقعية لدقة 8K و16K والواقع الافتراضي المتبّع للعين، وكذلك الألعاب السحابية، فإن VVC جاهز لتشغيل العقدة القادمة من التجارب البصرية الرقمية حول العالم.

المراجع

• ترميز الفيديو المتعدد الاستخدامات (VVC): معيار ضغط الفيديو للجيل التالي