การเข้ารหัสวิดีโออเนกประสงค์ (VVC / H.266)

เมื่อการบริโภคสื่อดิจิทัลเพิ่มขึ้นสู่ความละเอียดระดับอัลตร้าฮายเดฟินิชัน 4K, 8K, และความเป็นจริงเสมือน 360 องศาที่ดื่มด่ำ, ความต้องการแบนด์วิดท์กำลังผลักดันมาตรฐานการบีบอัดที่มีอยู่ให้ถึงขีดจำกัด Versatile Video Coding (VVC), ซึ่งยังมีชื่ออย่างเป็นทางการว่า ITU-T H.266 และ ISO/IEC 23090-3 (MPEG-I Part 3), เป็นการก้าววิวัฒนาการล่าสุดในเทคโนโลยีการบีบอัดวิดีโอ. พัฒนาโดยทีมผู้เชี่ยวชาญวิดีโอร่วม (JVET) — ความร่วมมือระหว่าง ITU-T SG 16 WP 3 และ ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 — VVC เสร็จสมบูรณ์ในเดือนกรกฎาคม 2020 ด้วยเป้าหมายเดียวที่ชัดเจน: ลดอัตราบิตของข้อมูลประมาณ 50% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า HEVC (H.265) ในขณะที่คงคุณภาพภาพเหมือนเดิม.

1. VVC (การเข้ารหัสวิดีโออเนกประสงค์) คืออะไร?

Versatile Video Coding เป็นโค้ดค์วิดีโอแบบบล็อก-เบสและไฮบริดที่ออกแบบมาเพื่อรองรับสเปกตรัมเต็มของการใช้งานวิดีโอ. แตกต่างจากโค้ดค์เก่าที่ปรับให้เหมาะสมหลักสำหรับการกระจายสัญญาณและสตรีมมิ่งแบบดั้งเดิม, VVC ถูกออกแบบตั้งแต่ต้นเพื่อรองรับ:

• วิดีโออัตราเฟรมสูง (HFR) (สูงสุดถึง 120 fps และมากกว่า)
• ช่วงไดนามิกสูง (HDR) และสีกว้าง (BT.2020)
• การเข้ารหัสเนื้อหาหน้าจอ (ข้อความ, กราฟิกที่สร้างโดยคอมพิวเตอร์, การเรนเดอร์ UI)
• วิดีโอแบบหลายทิศทาง $360^\circ$ สำหรับสภาพแวดล้อม AR/VR
• การสลับความละเอียดแบบปรับตัวโดยไม่ทำให้การเล่นวิดีโอหยุดชะงัก
• การสื่อสารแบบโต้ตอบแบบเรียลไทม์ที่มีความหน่วงต่ำ (เกม, การประชุมทางวิดีโอ)

ด้วยการบรรลุอัตราการบีบอัดที่ไม่เคยมีมาก่อน VVC ทำให้ผู้กระจายสัญญาณ ผู้ให้บริการสตรีมมิ่ง และเครือข่ายมือถือสามารถส่งมอบประสบการณ์ภาพระดับพรีเมียมผ่านการเชื่อมต่อเครือข่ายที่จำกัดได้

2. คุณลักษณะสำคัญของ VVC / H.266

ข้อได้เปรียบด้านสถาปัตยกรรมหลัก:

1. ประหยัดแบนด์วิดท์: ส่งวิดีโอ 4K ที่คมชัดโดยอัตราบิตที่โดยปกติจำเป็นสำหรับ 1080p Full HD.
2. ความยืดหยุ่นหลายวัตถุประสงค์ที่แท้จริง: โปรไฟล์เนทีฟที่ออกแบบมาสำหรับการเล่นเกม, การแชร์หน้าจอ, วิดีโอทรงทรงกลมแบบดื่มด่ำ, และการเฝ้าระวัง.
3. ปรับให้เหมาะกับการส่งมอบผ่านคลาวด์และ CDN: ลดภาระการกระจายและการจัดเก็บอย่างมากสำหรับแพลตฟอร์มสตรีมวิดีโอหลัก.

3. คุณลักษณะทางเทคนิคเชิงลึกของ VVC

VVC รวมการปรับปรุงเชิงอัลกอริทึมที่ซับซ้อนในทุกขั้นตอนของกรอบการเข้ารหัสวิดีโอแบบไฮบริด:

A. การแบ่งบล็อกขั้นสูง (โครงสร้าง QTMT)

ในขณะที่ HEVC พึ่งพาโครงสร้างบล็อก Quad-Tree (QT) ที่มีขนาดหน่วยต้นไม้การเข้ารหัส (CTU) สูงสุด $64 \times 64$, VVC แนะนำ Quad-Tree with Multi-Type Tree (QTMT).

• ขนาด CTU สูงสุดขยายเป็น $128 \times 128$ พิกเซล.
• อนุญาตให้แยกย่อยแบบเรียกซ้ำเป็นต้นไม้ไบนารี (แนวนอน/แนวตั้ง) และต้นไม้เทอร์นารี (การแบ่งเป็นสามทาง).
• ทำให้ตัวเข้ารหัสสามารถกำหนดขอบเขตการแบ่งบล็อกให้สอดคล้องกับขอบเขตวัตถุที่ซับซ้อน, เนื้อผิวละเอียด, และการไล่ระดับสีที่ราบรื่น.

B. การทำนายภาพภายในที่เพิ่มประสิทธิภาพ

สำหรับเฟรมแต่ละเฟรม (I-frames), VVC เพิ่มความหลากหลายของการจำลองทิศทางเชิงพื้นที่อย่างมาก:

• 67 โหมดการทำนายภายใน: ขยายจาก 35 โหมดของ HEVC เพื่อจับทิศทางขอบที่แม่นยำ.
• การทำนายมุมกว้าง: จำลองมุมที่เกินเส้นทแยงมุม 45 องศาแบบดั้งเดิมอย่างราบรื่นสำหรับบล็อกที่ไม่เป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส.
• โมเดลเชิงเส้นข้ามส่วนประกอบ (CCLM): ทำนายตัวอย่างโครม่า (สี) โดยตรงจากตัวอย่างลูม่า (ความสว่าง) ที่ถูกสร้างใหม่ ลดภาระการส่งโครม่า.
• หลายเส้นอ้างอิง (MRL): ใช้เส้นพิกเซลขอบที่ไม่ต่อเนื่องเพื่อทำนายพื้นที่พื้นหลังที่ซับซ้อน.

C. การทำนายภาพระหว่างที่แม่นยำ & การชดเชยการเคลื่อนที่

สำหรับเฟรมที่ทำนายตามเวลา (P-frames และ B-frames) VVC แนะนำ:

• การทำนายเวกเตอร์การเคลื่อนที่ตามเวลาในซับบล็อก (SbTMVP): แบ่งบล็อกออกเป็นซับบล็อกขนาด $8 \times 8$ และกำหนดเวกเตอร์การเคลื่อนที่ที่ไม่ซ้ำกันให้กับแต่ละส่วนย่อย.
• การทำนายการเคลื่อนที่แบบออฟฟายน์: จำลองการแปลงที่ซับซ้อนในโลกจริง เช่น การซูม, การหมุน, การยืด, และการเอียงแบบมุมมองโดยใช้โมเดล 4 พารามิเตอร์หรือ 6 พารามิเตอร์.
• การไหลของแสงแบบสองทิศทาง (BDOF): ปรับปรุงการชดเชยการเคลื่อนที่ในระดับตัวอย่างแต่ละตัวโดยไม่เพิ่มภาระสัญญาณ.
• Decoder-Side Motion Vector Refinement (DMVR): ปรับจูนเวกเตอร์การเคลื่อนที่โดยตรงบนด้านดีโคเดอร์ เพื่อประหยัดบิตการส่งข้อมูล.

D. การกรองในลูปขั้นสูง

เพื่อขจัดศิลปะภาพ (blocking, ringing, และการเบลอสี), VVC ใช้กระบวนการกรองแบบ 4 ขั้นตอน:

1. Deblocking Filter (DBF): ทำให้ความต่อเนื่องของขอบบล็อกเรียบเนียนขึ้น.
2. Sample Adaptive Offset (SAO): ปรับแก้การเยื้องของขอบและแถบ.
3. Adaptive Loop Filter (ALF): ใช้รูปแบบฟิลเตอร์รูปเพชร 25 แบบเพื่อสร้างรายละเอียดพื้นผิวความถี่สูงใหม่.
4. Cross-Component ALF (CC-ALF): ปรับปรุงรายละเอียดของโครม่าโดยใช้ข้อมูลช่องแสง (luma).

E. ซับพิกเจอร์พื้นเมือง & การสนับสนุนแบบหลายทิศทาง

VVC กำหนด Subpictures เป็นพื้นที่สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่สามารถถอดรหัสได้อย่างอิสระภายในแคนวาสวิดีโอ ซึ่งทำให้หูฟัง VR สามารถสตรีมเฉพาะมุมมองความละเอียดสูงที่ผู้ใช้กำลังมองเห็นในขณะที่ส่งภาพส่วนรอบข้างในคุณภาพต่ำกว่า (foveated streaming) ช่วยประหยัดแบนด์วิธการสตรีม VR ได้สูงถึง 70%.

4. วิธีสร้างและเข้ารหัสไฟล์ VVC

การเข้ารหัสเนื้อหา VVC ต้องใช้ไลบรารีซอฟต์แวร์ที่ดำเนินมาตรฐาน H.266 ตัวเข้ารหัสโอเพนซอร์สที่พัฒนามากที่สุดคือ VVenC, พัฒนาโดย Fraunhofer Heinrich Hertz Institute (HHI).

วิธีที่ 1: ใช้ Fraunhofer VVenC (CLI แบบสแตนด์อโลน)

1. ดาวน์โหลดไบนารี VVenC ที่คอมไพล์ล่วงหน้าหรือสร้างจากซอร์สผ่าน GitHub (https://github.com/fraunhoferhhi/vvenc).
2. เรียกใช้คำสั่งเพื่อเข้ารหัสสตรีมวิดีโอ YUV ที่ไม่ได้บีบอัดหรือวิดีโอดิบ:

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

วิธีที่ 2: การเข้ารหัสด้วย FFmpeg (พร้อมเปิดใช้งาน libvvenc)

การสร้าง FFmpeg แบบกำหนดเองสมัยใหม่ที่คอมไพล์ด้วยการสนับสนุน libvvenc ช่วยให้แปลงโดยตรงจากไฟล์วิดีโอมาตรฐาน (.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

ค่ากำหนดการเข้ารหัสคีย์:

• faster / fast: เหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการทดสอบแบบสด.
• medium: สมดุลที่แนะนำระหว่างอัตราการบีบอัดและเวลาเข้ารหัส.
• slow: คุณภาพภาพสูงสุดและการบีบอัดข้อมูลสูงสุดสำหรับการเก็บถาวรและการแจกจ่าย VOD.

5. วิธีเปิดและเล่นไฟล์วิดีโอ VVC

เนื่องจาก VVC เป็นมาตรฐานล้ำสมัย ซอฟต์แวร์เครื่องเล่นสื่อและตัวถอดรหัสฮาร์ดแวร์กำลังเปิดตัวการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง นี่คือวิธีการเล่นเนื้อหา VVC วันนี้:

1. Fraunhofer VVdec Player

Fraunhofer HHI ให้บริการ VVdec, ตัวถอดรหัสซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สแบบมัลติเทรดที่เร็วมาก.

• ดาวน์โหลด vvdecapp จาก GitHub.
• เล่นหรือถอดรหัสบิตสตรีม:

vvdecapp -b output.266 -o decoded_output.yuv

2. MPV Media Player (แนะนำ GUI/CLI Player)

บิลด์ล่าสุดของ MPV ที่คอมไพล์ด้วย libvvdec หรือแบ็กเอนด์ FFmpeg ล่าสุดสามารถเล่นวิดีโอ VVC ภายในคอนเทนเนอร์ .mp4 หรือ .mkv ได้ทันที:

mpv output_vvc.mp4

3. VLC Media Player

• VLC กำลังผสานการสนับสนุน VVC เข้าไปในเวอร์ชัน 4.0 ของมัน
• ดาวน์โหลด VLC 4.0 Nightly Build, เปิดโปรแกรมเล่น, แล้วลากและวางไฟล์วิดีโอ .mp4 หรือ .vvc ลงในหน้าต่างการเล่นโดยตรง.

4. MPC-HC / MPC-BE พร้อม LAV Filters (Windows)

ผู้ใช้ Windows สามารถเล่นไฟล์ VVC ด้วย MPC-HC (Media Player Classic Home Cinema) ร่วมกับบิลด์ nightly ล่าสุดของ LAV Filters ที่รวมการสนับสนุนการถอดรหัส VVC.

การเปรียบเทียบ VVC vs. HEVC vs. AV1

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

**Q1: ข้อได้เปรียบหลักของรูปแบบวิดีโอ VVC (H.266) เมื่อเทียบกับ HEVC คืออะไร? A1: VVC ให้การประหยัดข้อมูลประมาณ 50% เมื่อเทียบกับ HEVC ในขณะที่ยังคงคุณภาพภาพที่เหมือนเดิมอย่างแม่นยำ.

**Q2: VVC / H.266 เป็นรูปแบบวิดีโอฟรีและโอเพนซอร์สหรือไม่? A2: ไม่, VVC เป็นมาตรฐานที่ต้องเสียค่าลิขสิทธิ์ของ ISO/ITU ซึ่งได้รับอนุญาตผ่านกลุ่มสิทธิบัตรเช่น Access Advance แม้ว่าจะมีตัวเข้ารหัส/ถอดรหัสโอเพนซอร์สอยู่ก็ตาม.

**Q3: รูปแบบคอนเทนเนอร์วิดีโอใดบ้างที่รองรับบิตสตรีม VVC? A3: บิตสตรีม VVC ส่วนใหญ่จะถูกบรรจุอยู่ในไฟล์คอนเทนเนอร์มาตรฐานเช่น .mp4, .mkv (Matroska) และ .ts (MPEG Transport Stream).

**Q4: VVC สามารถจัดการการแชร์หน้าจอและการสตรีมเกมวิดีโอได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่? A4: ใช่, VVC มีเครื่องมือ Screen Content Coding (SCC) พิเศษที่บีบอัดอินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์, ข้อความ, และกราฟิกสังเคราะห์ด้วยความคมชัดที่ยอดเยี่ยม.

**Q5: มือถือและสมาร์ททีวีจะเริ่มรองรับการถอดรหัส VVC ด้วยฮาร์ดแวร์แบบเนทีฟเมื่อใด? A5: ผู้จำหน่ายซิลิกอนหลักและผู้ผลิตสมาร์ททีวีเริ่มนำตัวถอดรหัส VVC แบบฮาร์ดแวร์เข้ามาในชิปเซ็ตระดับพรีเมี่ยมตั้งแต่ปี 2023–2024 โดยการยอมรับในระดับหลักสากลขยายอย่างรวดเร็วจนถึงปี 2026.

สรุปและแนวโน้มในอนาคต

Versatile Video Coding (VVC / H.266) กำหนดมาตรฐานทองคำสำหรับประสิทธิภาพการบีบอัดและความหลากหลายเชิงโครงสร้าง โดยการลดความต้องการแบนด์วิดท์ของเครือข่ายลงครึ่งหนึ่งสำหรับ 4K และเปิดช่องทางการส่งมอบที่เป็นจริงสำหรับ 8K, 16K, ความเป็นจริงเสมือนแบบโฟเวท (foveated virtual reality) และการเล่นเกมบนคลาวด์ VVC พร้อมที่จะขับเคลื่อนทศวรรษถัดไปของประสบการณ์ภาพดิจิทัลทั่วโลก

อ้างอิง

• การเข้ารหัสวิดีโออเนกประสงค์ (VVC): มาตรฐานการบีบอัดวิดีโอรุ่นต่อไป