Mã hoá Video Cần thiết (MPEG-5 EVC): Tiêu chuẩn video thế hệ mới thân thiện với doanh nghiệp

Như các nền tảng streaming, các đài truyền hình kỹ thuật số và các mạng di động tiếp tục mở rộng việc cung cấp nội dung độ phân giải cao (4K, 8K và HDR), hiệu quả nén video chỉ là một phần của cuộc chiến. Sự không chắc chắn về giấy phép và các khoản tiền bản quyền bằng sáng chế phức tạp đã trong lịch sử cản trở việc áp dụng codec trong toàn ngành truyền thông. Để giải quyết nút thắt này, Nhóm các Chuyên gia Hình ảnh Động (MPEG) đã phát triển Essential Video Coding (EVC), chính thức được chỉ định là ISO/IEC 23094-1 (MPEG-5 Phần 1).

Hoàn thiện vào năm 2020, MPEG-5 EVC cung cấp một khung nén video tinh gọn, hiệu suất cao, được thiết kế với các mô hình cấp phép minh bạch, dự đoán được nhằm đáp ứng các yêu cầu kinh doanh và kỹ thuật hiện đại.

1. MPEG-5 Essential Video Coding (EVC) là gì?

Essential Video Coding (EVC) là một tiêu chuẩn nén video tiên tiến do MPEG tạo ra để phục vụ các nền tảng streaming, phát sóng và Over-The-Top (OTT) hiện đại. Không giống như các tiêu chuẩn thế hệ trước có môi trường bằng sáng chế phức tạp gây khó khăn trong việc triển khai, EVC được kiến trúc dựa trên hai hồ sơ vận hành được định nghĩa rõ ràng:

• Baseline Profile: Một cấp độ hoàn toàn không bản quyền được xây dựng nghiêm ngặt bằng các công nghệ đã hơn 20 năm tuổi hoặc được đóng góp với tuyên bố không bản quyền không thể thu hồi.
• Main Profile: Một cấp độ hiệu năng cao tích hợp một tập hợp chọn lọc các công cụ nén tiên tiến được thiết kế để đạt hoặc vượt hiệu suất của HEVC (H.265), trong đó mỗi công cụ độc quyền có thể được bật riêng lẻ hoặc tắt nếu phát sinh vấn đề cấp phép.

EVC mang lại sự cân bằng sạch sẽ giữa khả năng xử lý tính toán cao, nén băng thông xuất sắc và tính minh bạch về sở hữu trí tuệ.

2. Các đặc điểm chính của MPEG-5 EVC

Lợi thế chiến lược cốt lõi:

1. Giảm rủi ro IP: Các pool cấp phép trong suốt đảm bảo các nhà cung cấp streaming có thể triển khai nén thế hệ mới mà không gặp kiện tụng bản quyền đột ngột.
2. Chuyển đổi công cụ mô-đun: Các công cụ mã hóa tiên tiến trong hồ sơ Main có thể được bật tắt riêng lẻ mà không làm mất tính tuân thủ của luồng bit tổng thể.
3. Thân thiện với Phần cứng & Phần mềm: Được thiết kế từ đầu để thực thi phần mềm đa luồng nhanh trên CPU máy tính để bàn/di động và triển khai ASIC đơn giản.

3. Các tính năng kỹ thuật chi tiết của EVC

Kiến trúc của EVC tối ưu hoá quy trình mã hoá video lai truyền thống dựa trên khối thông qua các đổi mới thuật toán hiện đại trên cả hai hồ sơ:

A. Kiến trúc hồ sơ hai tầng

• Hồ sơ Baseline: Cung cấp hiệu quả nén tương đương với H.264/AVC (đạt chất lượng hình ảnh tương đương với tiết kiệm bitrate khoảng 30% so với các baseline AVC cũ) đồng thời duy trì trạng thái miễn phí bản quyền nghiêm ngặt.
• Hồ sơ Main: Thêm lên tới 26 công cụ mã hoá tiên tiến giúp tăng hiệu quả nén để đạt hoặc vượt HEVC (H.265) khoảng 25% đến 30% ở chất lượng chủ quan tương đương.

B. Phân chia khối linh hoạt (Cây nhị phân & Cây tam phân)

• Sử dụng cấu trúc Coding Tree Unit (CTU) hỗ trợ các kích thước khối lớn lên tới $64 \times 64$ (và lên tới $128 \times 128$ trong các khung mở rộng).
• Thay thế việc chia Quad-Tree cứng nhắc bằng phân vùng linh hoạt Binary-Tree (BT) và Ternary-Tree (TT), cho phép bộ mã cắt các khối dọc theo các vectơ chuyển động thực và các đường viền hình ảnh không đều.

C. Các chế độ dự đoán nội bộ nâng cao

• Mở rộng dự đoán intra truyền thống để cung cấp các góc hướng đa dạng và các chế độ phẳng.
• Sử dụng Advanced Intra Prediction (AIP) và phân vùng sub-block intra trong Main Profile để mô hình hoá các mẫu foreground phức tạp và gradient nền mịn mà không gây hiện tượng block.

D. Cải thiện dự đoán liên khung & tinh chỉnh chuyển động

• Affine Motion Compensation: Dự đoán hiệu quả các động lực chuyển động phức tạp như thu phóng, biến dạng phối cảnh và chuyển động quay.
• Merge Mode with MVD (MMVD): Kết hợp các ứng cử viên hợp nhất chuyển động tiêu chuẩn với các khác biệt vectơ chuyển động nhỏ để tín hiệu chuyển động siêu hiệu quả.
• Adaptive Motion Vector Resolution (AMVR): Cho phép bộ mã chuyển đổi độ chính xác chuyển động một cách động giữa các độ phân giải quarter-pel, full-pel và 4-pel tùy thuộc vào độ phức tạp của video.

E. Bộ lọc xử lý hậu kỳ trong vòng lặp

• Deblocking Filter (DBF): Loại bỏ các gián đoạn biên giới dọc theo các cạnh khối.
• Bộ lọc vòng lặp nâng cao (ALF) & Bộ lọc miền biến đổi Hadamard (HTDF): Hồ sơ chính có các bộ lọc vòng lặp tinh vi giúp tái tạo chi tiết kết cấu tần số cao, giảm tiếng ồn nén ở bitrate thấp.

4. Cách tạo và mã hoá tệp EVC

Các luồng video EVC được tạo ra bằng cách sử dụng thư viện mã nguồn mở chính thức XEVE (eXtra-fast Essential Video Encoder) hoặc các bản dựng hiện đại của FFmpeg được cấu hình với libxeve.

Phương pháp 1: Sử dụng bộ mã hoá XEVE CLI độc lập

1. Sao chép và biên dịch kho lưu trữ XEVE:

git clone https://github.com/mpeg5/xeve.git
cd xeve && mkdir build && cd build
cmake .. && make

2. Mã hoá video YUV thô thành luồng bit EVC:

# Baseline Profile (Royalty-Free)
./xeve_app -i input_1080p.yuv -w 1920 -h 1080 -z 60 -p baseline -o output_baseline.evc

# Main Profile (High Compression)
./xeve_app -i input_1080p.yuv -w 1920 -h 1080 -z 60 -p main --preset medium -q 28 -o output_main.evc

Phương pháp 2: Mã hoá EVC bằng FFmpeg (libxeve)

Các phiên bản FFmpeg hiện đại (được biên dịch với --enable-libxeve) cho phép mã hoá một bước trực tiếp từ các nguồn MP4, MKV hoặc ProRes:

ffmpeg -i input_video.mp4 -c:v libxeve -xeve-params "profile=main:preset=medium:qp=28" -c:a aac output_evc.mp4

5. Cách mở và phát tệp video EVC

Vì EVC được thiết kế cho kiến trúc hiện đại, việc giải mã được hỗ trợ thông qua các bộ giải mã phần mềm và bộ công cụ phát media:

1. Sử dụng XEVD Chính Thức (Bộ Giải Mã Video Thiết Yếu Siêu Nhanh)

Bộ giải mã mã nguồn mở chính thức của MPEG giải mã các luồng .evc thô trở lại video không nén:

git clone https://github.com/mpeg5/xevd.git
cd xevd && mkdir build && cd build && cmake .. && make
./xevd_app -i output_main.evc -o decoded.yuv

2. Giải mã & Phát lại với FFmpeg / FFplay

Nếu môi trường FFmpeg của bạn được xây dựng với --enable-libxevd, bạn có thể giải mã hoặc xem trước các luồng video EVC trực tiếp:

# Playback using FFplay
ffplay -vcodec libxevd output_main.evc

# Transcode EVC to standard H.264/MP4 for wide viewing
ffmpeg -c:v libxevd -i output_main.evc -c:v libx264 -c:a copy output_preview.mp4

3. Trình phát Video tích hợp

Các luồng EVC được ghép vào các tệp tiêu chuẩn .mp4 hoặc .mkv có thể được phát lại bằng các bản dựng tùy chỉnh của MPV hoặc các trình phát media tích hợp LAV Filters đã cập nhật hỗ trợ libxevd.

So sánh EVC vs. HEVC vs. VVC vs. AV1

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

**Q1: Mục đích chính của việc phát triển MPEG-5 EVC là gì? A1: EVC được tạo ra để cung cấp nén video thế hệ tiếp theo với giấy phép dự đoán được, minh bạch và một hồ sơ cơ bản không có phí bản quyền.

**Q2: Hồ sơ Cơ bản của EVC khác gì so với hồ sơ Chính? A2: Hồ sơ Cơ bản hoàn toàn không có phí bản quyền, sử dụng các công nghệ đã được thiết lập từ trước, trong khi hồ sơ Chính bổ sung các công cụ tiên tiến có thể chuyển đổi để đạt hiệu quả nén tối đa.

**Q3: Các công cụ mã nguồn mở nào được sử dụng để mã hóa và giải mã video EVC? A3: XEVE (eXtra-fast Essential Video Encoder) được sử dụng để mã hóa, trong khi XEVD (eXtra-fast Essential Video Decoder) xử lý việc giải mã.

**Q4: MPEG-5 EVC có thể được đóng gói trong các định dạng container video tiêu chuẩn không? A4: Có, các luồng bit EVC có thể được ghép vào các định dạng container media phổ biến bao gồm MP4 (.mp4), Matroska (.mkv), và các luồng truyền tải MPEG.

**Q5: Hiệu suất nén của EVC so sánh như thế nào với HEVC (H.265)? A5: Trong Main Profile, EVC đạt chất lượng hình ảnh tương đương với HEVC đồng thời giảm 25% đến 30% bitrate tổng thể.

Kết luận

MPEG-5 Essential Video Coding (EVC) giải quyết các thách thức thương mại và vận hành đã historically làm chậm việc áp dụng codec thế hệ tiếp theo. Bằng cách kết hợp một lớp Baseline được đảm bảo không có bản quyền với Main Profile hiệu suất cao, mô-đun, EVC cung cấp cho các dịch vụ truyền phát video, các nhà phát sóng và các nhà phát triển phần mềm một sự cân bằng lý tưởng giữa hiệu năng kỹ thuật, tốc độ tính toán và tính minh bạch về sở hữu trí tuệ.

Tham khảo

• EVC: MPEG-5 Mã Hóa Video Cần Thiết (EVC)