Định dạng video AV1 (.av1 / .ivf): Giải thích codec thế hệ mới không bản quyền

Khi streaming 4K, 8K và HDR chiếm ưu thế trong truyền thông web hiện đại, nhu cầu băng thông đã vượt quá các tiêu chuẩn nén lạc hậu như H.264 (AVC) và các codec có phí bản quyền như H.265 (HEVC). AOMedia Video 1 (AV1)—thường được lưu dưới dạng bitstream thô với phần mở rộng .av1 hoặc .ivf (Indeo Video Framework)—là một tiêu chuẩn nén video mở, không có phí bản quyền, được thiết kế đặc biệt cho việc truyền tải video trên internet, hội nghị video và streaming hiệu suất cao.

Được phát triển bởi Alliance for Open Media (AOMedia)—một liên minh bao gồm Google, Netflix, Amazon, Apple, Microsoft, Meta, Intel, Mozilla và các công ty khác—AV1 cung cấp khả năng nén dữ liệu tiên tiến mà không có phí cấp phép hay sự không chắc chắn về bằng sáng chế.

1. Video AV1 / IVF là gì?

Một tệp AV1 chứa các bitstream video sơ cấp được mã hoá bằng thuật toán nén AOMedia Video 1. Dưới dạng thô, một luồng video AV1 sơ cấp có thể sử dụng phần mở rộng .av1, nhưng thường được đóng gói vào định dạng container nhẹ IVF (.ivf). IVF là một định dạng khung đơn giản, được các công cụ mã nguồn mở sử dụng rộng rãi để truyền tải các khung video thô chưa được mux kèm theo các tiêu đề cơ bản về kích thước khung, thời gian cơ sở và tốc độ khung hình.

Đối với việc phân phối và phát lại cho người dùng cuối, video AV1 thường được ghép (mux) vào các định dạng container tiêu chuẩn như:

• MP4 (.mp4) qua ràng buộc ISO Base Media File Format (ISOBMFF)
• Matroska (.mkv)
• WebM (.webm) cho việc truyền video trong trình duyệt HTML5

AV1 cung cấp hiệu quả nén cao hơn khoảng 30% so với HEVC (H.265) và VP9, và tiết kiệm lên tới 50% hoặc hơn so với H.264 (AVC) với chất lượng hình ảnh chủ quan tương đương.

2. Các đặc điểm chính của AV1 (.av1 / .ivf)

Lợi thế chiến lược cốt lõi:

1. Không phí bản quyền: Các nhà cung cấp streaming và nhà sản xuất trình duyệt có thể phân phối video độ phân giải cao mà không phải trả phí phức tạp cho các nhóm bằng sáng chế.
2. Hiệu suất web vượt trội: Giảm đáng kể việc tiêu thụ dữ liệu di động và thời gian đệm video cho các nền tảng như YouTube và Netflix.
3. Tổng hợp hạt phim: Tạo hạt khi phát lại thay vì mã hoá các bit hạt nhiễu, giúp tiết kiệm băng thông lớn cho nội dung điện ảnh.

3. Các tính năng kỹ thuật chi tiết của AV1

AV1 tối ưu hoá kiến trúc mã hoá video lai truyền thống dựa trên khối với các cải tiến thuật toán hiện đại:

A. Phân chia khối linh hoạt (Superblocks lên tới $128 \times 128$)

• AV1 giới thiệu $128 \times 128$ Siêu khối (mở rộng từ $64 \times 64$ của VP9).
• Hỗ trợ phân tách đệ quy với cây phân vùng 10 nhánh (bao gồm các phân tách ngang/dọc, các phân tách hình chữ nhật tỉ lệ 1:4 và 4:1, và các phân chia dạng chữ T).
• Cho phép bộ mã điều chỉnh ranh giới khối một cách chính xác với các cạnh mịn, độ chuyển màu mượt mà và chuyển động không ổn định.

B. Các chế độ dự đoán nội bộ phong phú

• Có 56 góc dự đoán nội bộ định hướng để mô hình hoá hướng cạnh với độ chính xác vi mô.
• Bộ dự đoán Smooth và Paeth: Tái tạo các độ chuyển màu mềm mại và độ sáng bề mặt phức tạp mà không gây hiện tượng banding.
• Chroma từ Luma (CFL): Dự đoán các kênh màu chroma trực tiếp từ các mẫu độ sáng đã tái tạo, giảm thiểu dư thừa màu.

C. Dự đoán liên khung nâng cao & Bù trừ chuyển động

• Bù trừ chuyển động biến dạng (Mô hình Affine): Mô hình hoá chính xác chuyển động không dịch chuyển như quét ngang, quay máy ảnh, phóng to/thu nhỏ và biến dạng phối cảnh bằng các biến đổi affine 6 tham số.
• Bù trừ chuyển động khối chồng chéo (OBMC): Làm mượt các vector chuyển động qua các biên khối lân cận để loại bỏ hiện tượng khối.
• Chế độ dự đoán hợp hợp: Kết hợp hai khung tham chiếu riêng biệt bằng các mặt nạ dạng hình nêm và trọng số chênh lệch.

D. Quy trình xử lý hậu kỳ trong vòng lặp nâng cao

Để duy trì chất lượng khung hình nguyên vẹn ở bitrate thấp, AV1 áp dụng hệ thống lọc vòng lặp 4 giai đoạn:

1. Bộ lọc giảm khối: Làm mịn các đường nối lưới qua các phân vùng khối.
2. Bộ lọc Cải thiện Hướng có Ràng buộc (CDEF): Phân tích các mẫu pixel theo hướng để làm sắc nét các cạnh và giảm thiểu hiện tượng vòng (ringing).
3. Bộ lọc Khôi phục Vòng lặp (LR): Sử dụng bộ lọc Wiener và khôi phục tự hướng dẫn để phục hồi các chi tiết kết cấu tần số cao bị mất trong quá trình lượng tử hoá.
4. Tổng hợp hạt phim: Loại bỏ hạt analog nhiễu trước khi nén và chỉ dẫn bộ giải mã tái tạo lại các tham số hạt tương ứng một cách cục bộ trong quá trình phát.

4. Cách tạo và mã hoá tệp AV1 / IVF

Các tệp AV1 có thể được tạo bằng các bộ mã nguồn mở như SVT-AV1 (Công nghệ Video mở rộng cho AV1, đồng phát triển bởi Intel và AOMedia), libaom, hoặc rav1e, thường được điều khiển qua FFmpeg.

Phương pháp 1: Mã hoá bằng FFmpeg và SVT-AV1 (Nhanh nhất & Sẵn sàng cho sản xuất)

Để mã hoá một tệp video thành container .mp4 nén bằng AV1:

ffmpeg -i input.mp4 -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 28 -c:a libopus -b:a 128k output_av1.mp4

Phương pháp 2: Tạo luồng bit AV1 thô hoặc container IVF

Để tạo một luồng độc lập .ivf hoặc .av1 cho việc kiểm thử hoặc các chuỗi công cụ streaming:

# Export to IVF raw container
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 28 -an output.ivf

# Export to raw AV1 bitstream
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 28 -an -f av1 output.av1

Các tham số mã hoá chính:

• --preset (0 đến 12): Preset 4–6 cung cấp sự cân bằng tối ưu giữa hiệu quả nén cao và tốc độ mã hoá.
• -crf (Hệ số Tốc độ Không đổi, 0 đến 63): Giá trị từ 24 đến 32 là tiêu chuẩn cho phân phối web và độ nét cao.

5. Cách Mở và Phát Tập Tin Video AV1 / IVF

AV1 được tích hợp rộng rãi vào các trình duyệt web chính, bộ công cụ truyền thông và hệ điều hành:

1. Trình Duyệt Web (Phát Trực Tiếp)

Các trình duyệt web hiện đại giải mã video AV1 một cách nguyên bản với tăng tốc phần cứng:

• Google Chrome, Microsoft Edge, Mozilla Firefox, Brave và Apple Safari (trên các thiết bị được hỗ trợ).
• Chỉ cần kéo và thả tệp output_av1.mp4 hoặc output_av1.webm trực tiếp vào tab trình duyệt.

2. VLC Media Player (Đa Nền Tảng)

1. Tải xuống phiên bản mới nhất của VLC Media Player (Windows, macOS, Linux, Android, iOS).
2. Mở VLC, vào Media > Open File…, và chọn tệp .av1, .ivf, .webm, hoặc .mp4 của bạn.
3. VLC sử dụng thư viện giải mã dav1d tích hợp sẵn để phát lại nhanh bằng phần mềm và phần cứng.

3. MPV Player

MPV bao gồm hỗ trợ tích hợp cho dav1d và các bộ giải mã phần cứng:

mpv output.ivf
# or
mpv output_av1.mp4

4. Windows Media Player / Ứng Dụng Phim & TV

• Người dùng Windows 10 và 11 có thể tải xuống AV1 Video Extension miễn phí trực tiếp từ Microsoft Store để bật phát lại AV1 gốc trong các ứng dụng media mặc định của Windows.

6. So Sánh AV1 vs. HEVC (H.265) vs. AVC (H.264)

7. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

**Q1: Sự khác biệt chính giữa tệp .av1 và tệp .ivf là gì? A1: Một tệp .av1 chứa các luồng video nguyên thủy AV1, trong khi tệp .ivf là một container khung tối thiểu bao bọc các khung AV1 thô với siêu dữ liệu thời gian và độ phân giải.

**Q2: AV1 có hoàn toàn miễn phí để sử dụng mà không có phí bản quyền không? A2: Có, AV1 là một codec mã nguồn mở, không có phí bản quyền, được tạo ra bởi Liên minh Truyền thông Mở nhằm loại bỏ phí cấp phép bằng sáng chế cho các nhà phát triển và nhà phân phối.

**Q3: Bộ mã hóa nào là tốt nhất để mã hoá video AV1 một cách hiệu quả hiện nay? A3: SVT-AV1 là bộ mã hóa mã nguồn mở tiêu chuẩn công nghiệp, cung cấp hiệu năng đa luồng nhanh và hiệu quả nén cấp sản xuất.

**Q4: Các smartphone và máy tính hiện đại có thể phát video AV1 bằng tăng tốc phần cứng không? A4: Có, GPU và SoC hiện đại từ Intel, AMD, NVIDIA, Apple, Qualcomm và MediaTek đều có silicon chuyên dụng cho việc giải mã AV1 tăng tốc phần cứng.

**Q5: Các định dạng container tiêu chuẩn nào thường chứa các luồng video AV1? A5: Các luồng video AV1 thường được đóng gói trong các tệp container MP4 (.mp4), WebM (.webm), và Matroska (.mkv).

8. Tóm tắt

AOMedia Video 1 (AV1) đánh dấu một bước chuyển quan trọng trong việc truyền tải video kỹ thuật số hiện đại. Bằng cách tập hợp các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp phía sau một kiến trúc nén mở, không có bản quyền và siêu hiệu quả, AV1 loại bỏ các rào cản giấy phép đồng thời cung cấp chất lượng video vượt trội với băng thông thấp hơn trên hàng tỷ thiết bị kết nối trên toàn thế giới.

Tham khảo

• Mã hóa Video Đa năng (VVC): Tiêu chuẩn Nén Video Thế hệ Tiếp theo