Daudzpusīgā video kodēšana (VVC / H.266)

Kad digitālo mediju patēriņš pieaug uz ultraaugstas izšķirtspējas 4K, 8K un iespaidīgu 360 grādu virtuālo realitāti, joslas platuma prasības spiež esošos saspiešanas standartus līdz to robežām. Versatile Video Coding (VVC), arī oficiāli apzīmēts kā ITU-T H.266 un ISO/IEC 23090-3 (MPEG-I Part 3), pārstāv jaunāko evolūcijas soli video saspiešanas tehnoloģijā. Kopīgi izstrādāts Joint Video Experts Team (JVET) — sadarbība starp ITU‑T SG 16 WP 3 un ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 — VVC tika pabeigts 2020. gada jūlijā ar vienu skaidru mērķi: samazināt datu bitreitu aptuveni 50 % salīdzinājumā ar tā priekšgājēju, HEVC (H.265), saglabājot identisku vizuālo kvalitāti.

1. Kas ir VVC (Daudzpusīgā video kodēšana)?

Versatile Video Coding ir bloku balstīts, hibrīds video kodeks, kas izstrādāts, lai aptvertu visu video lietojumu spektru. Atšķirībā no vecākiem kodekiem, kas galvenokārt optimizēti tradicionālajam pārraidīšanai un straumēšanai, VVC tika izveidots no pamata, lai atbalstītu:

• Augstas kadru frekvences (HFR) video (līdz 120 kadriem sekundē un vairāk)
• Augsta dinamiskā diapazona (HDR) un plaša krāsu gama (BT.2020)
• Ekrāna satura kodēšana (datorizveidots teksts, grafika, UI renderēšana)
• Vispārvirziena $360^\circ$ video AR/VR vidēm
• Adaptīva izšķirtspējas pārslēgšana bez video atskaņošanas apturēšanas
• Zemas latentuma reāllaika interaktīvā komunikācija (spēles, video konferencēšana)

Panākot nepieredzētus saspiešanas attiecību līmeņus, VVC ļauj pārraidītājiem, straumēšanas pakalpojumu sniedzējiem un mobilo tīklu operatoriem nodrošināt augstas kvalitātes vizuālo pieredzi ierobežotu tīklu savienojumu apstākļos.

2. Galvenās VVC / H.266 īpašības

Pamatarchitektūras priekšrocības:

1. Joslas platuma ekonomija: Nodrošina nevainojamu 4K video ar bitreitiem, kas tradicionāli bija nepieciešami 1080p Full HD.
2. Patiesa daudzfunkcionāla elastība: Dzimtīgie profili, kas veltīti spēlēm, ekrāna koplietošanai, iespaidīgai sfēriskajai videoklipam un uzraudzībai.
3. Optimizēts mākoņa un CDN piegādei: Ļoti samazina izplatīšanas un glabāšanas pārklājumu galvenajām video straumēšanas platformām.

3. Dziļas tehniskās VVC funkcijas

VVC ietver izsmalcinātus algoritmiski uzlabojumus katrā hibrīdvideo kodēšanas struktūras posmā:

A. Uzlabota bloku sadalīšana (QTMT struktūra)

Kamēr HEVC balstījās uz kvadrātkoka (QT) bloku struktūru ar maksimālu kodēšanas koka vienības (CTU) izmēru $64 \times 64$, VVC ievieš Quad-Tree with Multi-Type Tree (QTMT).

• Maksimālais CTU izmērs tiek paplašināts līdz $128 \times 128$ pikseļi.
• Ļauj rekursīvu sadalīšanu binārajās koku struktūrās (horizontāli/vertikāli) un ternārajās koku struktūrās (trīsveida sadalīšana).
• Ļauj kodētājam precīzi veidot partīciju blokus ap sarežģītām objektu robežām, smalkām tekstūrām un gludām krāsu pārejas.

B. Uzlabota iekšējā attēla prognoze

Atsevišķiem kadriem (I‑kadri), VVC būtiski bagātina telpiskās virziena modelēšanu:

• 67 Intra prognozēšanas režīmi: Paplašināts no HEVC 35 režīmiem, lai precīzi uztvertu malas orientācijas.
• Plašā leņķa prognozēšana: Vienmērīgi modelē leņķus, kas pārsniedz tradicionālās 45° diagonāles, nečetrstūrveida blokiem.
• Krusto-komponentu lineārais modelis (CCLM): Prognozē chroma (krāsa) paraugus tieši no atjaunotiem luma (gaismas) paraugiem, samazinot krāsas pārraides pārpalikumu.
• Vairāku atsauču līnija (MRL): Izmanto neblakus esošas robežpikseļu līnijas, lai prognozētu sarežģītas fona zonas.

C. Precīza starppattēlu prognoze un kustības kompensācija

Laikā prognozētām kadriem (P‑kadriem un B‑kadriem) VVC ievieš:

• Apakšbloka temporālā kustības vektora prognozēšana (SbTMVP): Sadalot bloku $8 \times 8$ apakšblokos, piešķir katram apakšapgabalam unikālus kustības vektorus.
• Afināla kustības starp prognozēšana: Modelē sarežģītas reālās pasaules transformācijas, piemēram, pietuvināšanu, rotāciju, stieptību un perspektīvas slīpumu, izmantojot 4‑parametru vai 6‑parametru modeļus.
• Divvirziena optiskā plūsma (BDOF): Uzlabo kustības kompensāciju individuāla parauga līmenī, nepievienojot signālu pārpalikumu.
• Dekodera Puses Kustības Vektoru Precizēšana (DMVR): Precīzi pielāgo kustības vektorus tieši dekodera pusē, taupot pārraides bitus.

D. Uzlabota cilpfiltrēšana

Lai likvidētu vizuālos artefaktus (bloku veidošanos, ziedēšanu un krāsu izplūdumu), VVC izmanto 4 posmu filtrēšanas kaskādi:

1. Deblocking filtrs (DBF): Gludina bloku robežu nepilnības.
2. Parauga adaptīvā nobīde (SAO): Koriģē malu un joslu nobīdes.
3. Adaptīvais cikla filtrs (ALF): Izmanto 25 dimanta formas filtrus, lai rekonstruētu augstas frekvences tekstūras detaļas.
4. Krusto komponentu ALF (CC-ALF): Precizē hroma detaļas, izmantojot luma kanāla informāciju.

E. Iebūvēts apakšattēls un vispusējs atbalsts

VVC definē Subpictures kā neatkarīgi atkodējamas taisnstūra zonas video audeklā. Tas ļauj VR brilles pārraidīt tikai augstas izšķirtspējas skatlogu, uz kuru lietotājs skatās, kamēr perifērais redzes lauks tiek pārraidīts zemākas kvalitātes (foveatīvā straumēšana), taupot līdz pat 70 % VR straumēšanas joslas platuma.

4. Kā izveidot un kodēt VVC failus

VVC satura kodēšanai nepieciešamas programmatūras bibliotēkas, kas īsteno H.266 standartu. Visattīstītākais atvērtā koda enkoders ir VVenC, ko izstrādājis Fraunhofer Heinrich Hertz institūts (HHI).

Metode 1: izmantojot Fraunhofer VVenC (atsevišķs CLI)

1. Lejupielādējiet iepriekš kompilētās VVenC binārijas vai izveidojiet no avota, izmantojot GitHub (https://github.com/fraunhoferhhi/vvenc).
2. Izpildiet komandu, lai kodētu nesaspiestu YUV vai neapstrādātu video straumi:

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

Metode 2: kodēšana ar FFmpeg (ar libvvenc iespējotu)

Mūsdienīgi pielāgotie FFmpeg būvējumi, kas kompilēti ar libvvenc atbalstu, ļauj tiešu konvertēšanu no standarta video failiem (.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

Galvenie kodēšanas priekšiestatījumi:

• faster / fast: Vislabāk piemērots ātrai prototipu izstrādei un tiešraides testēšanai.
• medium: Ieteicamais līdzsvars starp saspiešanas attiecību un kodēšanas laiku.
• slow: Maksimāla vizuālā kvalitāte un visaugstākais datu saspiežums arhivēšanai un VOD izplatīšanai.

5. Kā atvērt un atskaņot VVC video failus

Tā kā VVC ir modernākais standarts, multivides atskaņotāju programmatūra un aparatūras dekoderi aktīvi izplata atbalstu. Šeit ir norādīts, kā šodien atskaņot VVC saturu:

1. Fraunhofer VVdec atskaņotājs

Fraunhofer HHI nodrošina VVdec, ultraātru, daudzpavedienu atvērtā koda programmatūras dekoderi.

• Lejupielādējiet vvdecapp no GitHub.
• Atskaņojiet vai atkodējiet bitplūsmas:

vvdecapp -b output.266 -o decoded_output.yuv

2. MPV multivides atskaņotājs (ieteiktais GUI/CLI atskaņotājs)

Jaunākie MPV būvējumi, kas kompilēti ar libvvdec vai jaunāko FFmpeg aizmuguri, var atskaņot VVC video .mp4 vai .mkv konteineros uzreiz:

mpv output_vvc.mp4

3. VLC multivides atskaņotājs

• VLC integrē VVC atbalstu savās 4.0 versijās.
• Lejupielādējiet VLC 4.0 Nightly Build, atveriet atskaņotāju un velciet‑nometiet .mp4 vai .vvc video failu tieši atskaņošanas logā.

4. MPC-HC / MPC-BE ar LAV filtriem (Windows)

Windows lietotāji var atskaņot VVC failus, izmantojot MPC-HC (Media Player Classic Home Cinema) kopā ar jaunākajiem LAV Filters nakts būvējumiem, kas ietver VVC atkodēšanas atbalstu.

VVC vs. HEVC vs. AV1 salīdzinājums

Biežāk uzdotie jautājumi (BUJ)

**Q1: Kāda ir galvenā VVC (H.266) video formāta priekšrocība salīdzinājumā ar HEVC? A1: VVC nodrošina aptuveni 50% datu ietaupījumu salīdzinājumā ar HEVC, saglabājot tieši tādu pašu vizuālo kvalitāti.

**Q2: Vai VVC / H.266 ir brīvs, atvērtā koda video formāts? A2: Nē, VVC ir ISO/ITU maksas standarts, licencēts caur patentu grupām, piemēram, Access Advance, lai gan pastāv atvērtā koda enkodētāji/dekodētāji.

**Q3: Kādi video konteineru formāti atbalsta VVC video bitplūsmas? A3: VVC bitplūsmas galvenokārt tiek pakotas standarta .mp4, .mkv (Matroska) un .ts (MPEG Transport Stream) konteineru failos.

**Q4: Vai VVC var efektīvi apstrādāt ekrāna koplietošanu un video spēļu straumēšanu? A4: Jā, VVC ietver specializētus ekrāna satura kodēšanas (SCC) rīkus, kas saspiest datorinterfeisus, tekstu un sintētisko grafiku ar izcilu asumu.

**Q5: Kad mobilie telefoni un viedteleskopes atbalstīs iebūvēto aparatūras VVC atkodēšanu? A5: Lielie silīcija piegādātāji un viedtēlu ražotāji sāka iekļaut aparatūras VVC dekoderus premium mikroshēmu komplektos, sākot no 2023.–2024. gada, un galvenā pieņemšana strauji paplašinājās līdz 2026. gadam.

Kopsavilkums & nākotnes perspektīva

Daudzpusīgā video kodēšana (VVC / H.266) nosaka zelta standartu saspiešanas efektivitātei un struktūras daudzveidībai. Samazinot tīkla joslas platuma prasības par pusi 4K gadījumā un atverot reālistiskus piegādes kanālus 8K, 16K, fokālu virtuālajai realitātei un mākoņspēlēm, VVC ir gatavs nodrošināt nākamo desmitgadi digitālu vizuālo pieredžu visā pasaulē.

Atsauces

• Daudzpusīgā video kodēšana (VVC): Nākamās paaudzes video saspiešanas standarts