Mã hoá video đa năng (VVC / H.266)

Khi việc tiêu thụ phương tiện kỹ thuật số tăng lên hướng tới độ phân giải siêu cao 4K, 8K và thực tế ảo 360 độ, nhu cầu băng thông đang đẩy các tiêu chuẩn nén hiện có đến giới hạn. Versatile Video Coding (VVC), còn được gọi chính thức là ITU-T H.266 và ISO/IEC 23090-3 (MPEG-I Part 3), đại diện cho bước tiến tiến hóa mới nhất trong công nghệ nén video. Được phát triển chung bởi Nhóm Chuyên gia Video Chung (JVET) — một sự hợp tác giữa ITU-T SG 16 WP 3 và ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 — VVC đã được hoàn thiện vào tháng 7 năm 2020 với một mục tiêu duy nhất, rõ ràng: giảm bitrate dữ liệu khoảng 50% so với tiền nhiệm của nó, HEVC (H.265), trong khi duy trì chất lượng hình ảnh giống hệt.

1. VVC (Mã hoá video đa năng) là gì?

Versatile Video Coding là một bộ mã video lai, dựa trên khối, được thiết kế để đáp ứng toàn bộ dải ứng dụng video. Không giống các bộ mã cũ được tối ưu chủ yếu cho phát sóng và truyền tải truyền thống, VVC được kiến trúc từ đầu để hỗ trợ:

• Video tốc độ khung cao (HFR) (lên tới 120 fps và hơn thế nữa)
• Dải động cao (HDR) và gam màu rộng (BT.2020)
• Mã hoá nội dung màn hình (văn bản, đồ họa, hiển thị UI được tạo bằng máy tính)
• Video omnidirectional $360^\circ$ cho môi trường AR/VR
• Chuyển đổi độ phân giải thích ứng mà không làm gián đoạn phát video
• Giao tiếp tương tác thời gian thực độ trễ thấp (trò chơi, hội nghị video)

Bằng cách đạt được tỷ lệ nén chưa từng có, VVC cho phép các đài truyền hình, nhà cung cấp dịch vụ streaming và mạng di động cung cấp trải nghiệm hình ảnh cao cấp trên các kết nối mạng hạn chế.

2. Các đặc điểm chính của VVC / H.266

Ưu điểm kiến trúc cốt lõi:

1. Tiết kiệm băng thông: Cung cấp video 4K nguyên bản ở bitrate thường chỉ cần cho 1080p Full HD.
2. Tính linh hoạt đa mục đích thực sự: Các hồ sơ gốc dành riêng cho trò chơi, chia sẻ màn hình, video cầu tròn nhập vai và giám sát.
3. Tối ưu cho việc phân phối qua Cloud & CDN: Giảm đáng kể chi phí phân phối và lưu trữ cho các nền tảng phát video lớn.

3. Các tính năng kỹ thuật chi tiết của VVC

VVC tích hợp các cải tiến thuật toán tinh vi trên mọi giai đoạn của khung mã hoá video lai:

A. Phân chia khối nâng cao (Cấu trúc QTMT)

Trong khi HEVC dựa vào cấu trúc khối Quad-Tree (QT) với kích thước tối đa của Đơn vị Cây Mã (CTU) là $64 \times 64$, VVC giới thiệu Quad-Tree với Cây Đa Kiểu (QTMT).

• Kích thước CTU tối đa được mở rộng lên $128 \times 128$ pixel.
• Cho phép phân tách đệ quy thành cây nhị phân (ngang/dọc) và cây tam phân (phân chia ba chiều).
• Cho phép bộ mã hoá tạo các khối phân vùng sát quanh các ranh giới đối tượng phức tạp, kết cấu tinh tế và độ dốc mượt mà.

B. Dự đoán nội khung nâng cao

Đối với các khung hình riêng lẻ (I-frames), VVC làm phong phú đáng kể việc mô hình hoá hướng không gian:

• 67 Chế độ Dự đoán Nội bộ: Được mở rộng từ 35 chế độ của HEVC để nắm bắt các hướng cạnh chính xác.
• Dự đoán Góc Rộng: Mô hình hoá một cách liền mạch các góc vượt quá đường chéo 45 độ thông thường cho các khối không vuông.
• Mô hình Tuyến tính Thành phần Giao nhau (CCLM): Dự đoán các mẫu chroma (màu) trực tiếp từ các mẫu luma (độ sáng) đã được tái tạo, giảm tải truyền chroma.
• Dòng Tham chiếu Nhiều (MRL): Sử dụng các dòng pixel biên không kề nhau để dự đoán các vùng nền phức tạp.

C. Dự đoán liên khung chính xác & Bù trừ chuyển động

Đối với các khung được dự đoán theo thời gian (khung P và khung B), VVC giới thiệu:

• Dự đoán Véc-tơ Chuyển động Thời gian Con khối (SbTMVP): Chia một khối thành các con khối $8 \times 8$, gán các vectơ chuyển động duy nhất cho mỗi vùng con.
• Dự đoán Chuyển động Affine: Mô hình hoá các biến đổi thực tế phức tạp như phóng to/thu nhỏ, quay, kéo dài và nghiêng phối cảnh bằng các mô hình 4 tham số hoặc 6 tham số.
• Luồng Quang học Hai chiều (BDOF): Tinh chỉnh bù chuyển động ở mức mẫu riêng lẻ mà không tăng tải tín hiệu.
• Decoder-Side Motion Vector Refinement (DMVR): Tinh chỉnh các vectơ chuyển động trực tiếp trên phía giải mã, tiết kiệm bít truyền.

D. Lọc trong vòng lặp nâng cao

Để loại bỏ các hiện tượng hình ảnh không mong muốn (khối, tiếng vang và mờ màu), VVC sử dụng chuỗi lọc 4 giai đoạn:

1. Deblocking Filter (DBF): Làm mịn các sự không liên tục tại ranh giới khối.
2. Sample Adaptive Offset (SAO): Điều chỉnh các độ lệch cạnh và dải.
3. Adaptive Loop Filter (ALF): Sử dụng 25 hình lọc dạng kim cương để tái tạo chi tiết kết cấu tần số cao.
4. Cross-Component ALF (CC-ALF): Tinh chỉnh chi tiết màu sắc bằng cách sử dụng thông tin kênh độ sáng.

E. Hỗ trợ phụ khung gốc & Đa hướng

VVC định nghĩa Subpictures là các vùng hình chữ nhật có thể giải mã độc lập trong một khung video. Điều này cho phép tai nghe VR chỉ truyền luồng viewport độ phân giải cao mà người dùng đang nhìn, trong khi truyền tầm nhìn ngoại vi ở chất lượng thấp hơn (phát trực tiếp foveated), tiết kiệm tới 70% băng thông truyền phát VR.

4. Cách tạo và mã hoá tệp VVC

Mã hóa nội dung VVC yêu cầu các thư viện phần mềm triển khai tiêu chuẩn H.266. Bộ mã nguồn mở trưởng thành nhất là VVenC, được phát triển bởi Viện Fraunhofer Heinrich Hertz (HHI).

Phương pháp 1: Sử dụng Fraunhofer VVenC (CLI độc lập)

1. Tải xuống các tệp nhị phân VVenC đã biên dịch sẵn hoặc biên dịch từ mã nguồn qua GitHub (https://github.com/fraunhoferhhi/vvenc).
2. Chạy lệnh để mã hoá một luồng video YUV chưa nén hoặc raw:

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

Phương pháp 2: Mã hoá bằng FFmpeg (với libvvenc được bật)

Các bản dựng tùy chỉnh hiện đại của FFmpeg được biên dịch với hỗ trợ libvvenc cho phép chuyển đổi trực tiếp từ các tệp video tiêu chuẩn (.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

Các Cài Đặt Mã Hóa Khóa:

• faster / fast: Tốt nhất cho việc tạo mẫu nhanh và kiểm tra trực tiếp.
• medium: Cân bằng đề xuất giữa tỷ lệ nén và thời gian mã hoá.
• slow: Chất lượng hình ảnh tối đa và mức nén dữ liệu cao nhất cho lưu trữ và phân phối VOD.

5. Cách Mở và Phát Tập Tin Video VVC

Vì VVC là một tiêu chuẩn tiên tiến, phần mềm trình phát media và bộ giải mã phần cứng đang tích cực triển khai hỗ trợ. Dưới đây là cách phát nội dung VVC hiện nay:

1. Trình Phát Fraunhofer VVdec

Fraunhofer HHI cung cấp VVdec, một bộ giải mã phần mềm mã nguồn mở siêu nhanh, đa luồng.

• Tải xuống vvdecapp từ GitHub.
• Phát hoặc giải mã các luồng bit:

vvdecapp -b output.266 -o decoded_output.yuv

2. Trình Phát MPV Media (Trình Phát GUI/CLI Được Đề Xuất)

Các bản dựng mới nhất của MPV được biên dịch với libvvdec hoặc backend FFmpeg mới nhất có thể phát video VVC trong các container .mp4 hoặc .mkv ngay lập tức:

mpv output_vvc.mp4

3. Trình Phát VLC Media

• VLC đang tích hợp hỗ trợ VVC vào các phiên bản 4.0 của mình.
• Tải xuống VLC 4.0 Nightly Build, mở trình phát và kéo-thả tệp video .mp4 hoặc .vvc trực tiếp vào cửa sổ phát.

4. MPC-HC / MPC-BE với Bộ Lọc LAV (Windows)

Người dùng Windows có thể phát các tệp VVC bằng MPC-HC (Media Player Classic Home Cinema) kết hợp với các bản dựng đêm mới nhất của LAV Filters có hỗ trợ giải mã VVC.

So Sánh VVC vs. HEVC vs. AV1

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

**Q1: Lợi thế chính của định dạng video VVC (H.266) so với HEVC là gì? A1: VVC mang lại khoảng 50% tiết kiệm dữ liệu so với HEVC trong khi vẫn duy trì chất lượng hình ảnh chính xác như nhau.

**Q2: VVC / H.266 có phải là định dạng video miễn phí, mã nguồn mở không? A2: Không, VVC là tiêu chuẩn ISO/ITU có phí bản quyền, được cấp phép thông qua các nhóm bằng sáng chế như Access Advance, mặc dù vẫn có các bộ mã hoá/giải mã mã nguồn mở.

**Q3: Các định dạng container video nào hỗ trợ luồng bit VVC? A3: Các luồng bit VVC chủ yếu được đóng gói trong các tệp container tiêu chuẩn .mp4, .mkv (Matroska) và .ts (MPEG Transport Stream).

**Q4: VVC có thể xử lý chia sẻ màn hình và truyền phát trò chơi video một cách hiệu quả không? A4: Có, VVC bao gồm các công cụ mã hoá nội dung màn hình (SCC) chuyên biệt, nén giao diện máy tính, văn bản và đồ họa tổng hợp với độ sắc nét vượt trội.

**Q5: Khi nào điện thoại di động và TV thông minh sẽ hỗ trợ giải mã VVC phần cứng gốc? A5: Các nhà cung cấp silicon lớn và các nhà sản xuất TV thông minh đã bắt đầu tích hợp bộ giải mã VVC phần cứng trong các chip cao cấp từ năm 2023–2024, với việc áp dụng rộng rãi đang mở rộng nhanh chóng đến năm 2026.

Tóm Tắt & Triển Vọng Tương Lai

Mã hoá video đa năng (VVC / H.266) đặt tiêu chuẩn vàng cho hiệu quả nén và tính đa dạng cấu trúc. Bằng cách giảm một nửa nhu cầu băng thông mạng cho 4K và mở ra các kênh truyền tải thực tế cho 8K, 16K, thực tế ảo foveated và chơi game đám mây, VVC sẵn sàng cung cấp sức mạnh cho thập kỷ tiếp theo của các trải nghiệm hình ảnh kỹ thuật số trên toàn cầu.

Tham khảo

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