Se espera que el más reciente estándar de compresión no patentado, el códec de video de alta eficiencia (HEVC, por sus siglas en inglés), también conocido como H.265, se convierta en el estándar de video preferido en la próxima década.
Keith Wymbs
Igual que todas las generaciones anteriores de tecnología de compresión de video, el estándar HEVC promete reducir el costo global de difusión y almacenamiento de activos de video y al mismo tiempo mantener o incrementar la calidad de la experiencia del espectador.
En este artículo se examinan principalmente las implicaciones técnicas y comerciales de la adopción del códec HEVC en la creación de contenido y en el mercado de la difusión.
Técnicas de compresión más eficientes
Sin sacrificar la calidad del video, el HEVC puede reducir el tamaño de un archivo de video o flujo de bits hasta en un 50%, en comparación con el estándar AVC/H.264 o hasta en 75%, en comparación con los estándares MPEG-2. El resultado es una reducción en los costos de almacenamiento y transmisión de video. De igual manera, el nuevo códec prepara el camino para difundir contenido de más alta definición a fin de ofrecer al consumidor una experiencia de más alta calidad.
El HEVC, diseñado para el avance de la industria de compresión de video, tiene el propósito de:
- Proporcionar un promedio de reducción de la tasa de bits de 50% para obtener una calidad de video fija, en comparación con el H.264
- Proporcionar mayor calidad con la misma tasa de bits
- Definir una sintaxis estándar para simplificar la implementación y maximizar la interoperabilidad
- Seguir propiciando el trabajo en red, es decir, en flujos de transporte MPEG
Compresión de tasa de bits esperada en el momento de la estandarización.
50% de ahorro esperado en la tasa de bits
Mientras que el H.264 tenía siete perfiles (conjuntos definidos de herramientas de codificación empleados para crear un flujo de bits que cumpla con los estándares), el HEVC define actualmente tres: Main, Main 10 y Main Still Picture. Se espera que futuras extensiones del códec HEVC incluyan un aumento de la profundidad de bits, muestreos de color 4:2:2 y 4:4:4, MVC (codificación de video multivista) y SVC (codificación de video escalable).
El perfil Main del HEVC permite una profundidad de bits de 8 bits por color, mientras que Main 10 permite 8 bits o 10 bits por color. Debido a la opción adicional de profundidad de bits, el perfil Main 10 tiene la capacidad de ofrecer una mejor calidad de video que el Main. Finalmente, el perfil Main Still Picture permite codificar una sola imagen fija con las mismas exigencias del perfil Main.
La especificación HEVC también define 13 niveles, que son conjuntos de restricciones que indican el rendimiento requerido del decodificador para reproducir un flujo de bits del perfil especificado. Los niveles están, a su vez, divididos en dos niveles: el Main, que incluye los niveles 1 - 3.1, y el High, que incluye los niveles 4 - 6.2 y está diseñado para aplicaciones muy exigentes. Los niveles del HEVC comparten ciertas similitudes con los del H.264, con la diferencia fundamental de la adición de los niveles 6, 6.1 y 6.2, que definen los requerimientos para video con resolución 8K.
Qué diferencia al HEVC
El principal objetivo del nuevo estándar HEVC es proporcionar las herramientas necesarias para transmitir la cantidad más pequeña de información requerida para un determinado nivel de calidad de video.
Modos/macrobloque
Aunque hay varias diferencias entre los estándares H.264 y HEVC para codificar cada macrobloque, vale la pena mencionar dos de ellas: el aumento de los modos de intra predicción y una partición refinada para la inter predicción.
Intra predicción y codificación: En el estándar H.264 existen nueve modos de predicción en un bloque de 4 x 4 para la intra predicción dentro de un determinado cuadro y nueve modos de predicción en el nivel de 8 x 8. Es menor en el nivel del bloque de 16 x 16, donde se reduce a solo cuatro modos de predicción. La intra predicción busca calcular el estado de los bloques adyacentes en una dirección que minimiza el error del cálculo.
En el HEVC existe una técnica similar, pero el número de modos posibles es 35 (acorde con la complejidad adicional del códec). Esto implica la participación de un número enormemente alto de puntos de decisión en el análisis, ya que hay casi dos veces el número de tamaños de intra predicción espacial en el HEVC, en comparación con el H.264, y casi cuatro veces el número de direcciones de intrapredicción espacial.
Comparación de los modos de predicción entre H.264 y HEVC
Inter predicción y codificación
El H.264 usa compensación de movimiento a partir de bloques, el tamaño y la forma de los bloques es ajustable para buscar redundancia temporal en los cuadros de un video. La compensación de movimiento suele ser considerada la porción más exigente del proceso de codificación. La habilidad para implementarla de forma inteligente dentro del espacio de decisión tiene una gran incidencia en la eficiencia del códec. El HEVC lleva esta capacidad a otro nivel.
El HEVC reemplaza la estructura de macrobloque del H.264 por un conjunto de bloques en estructura de árbol más eficientes, pero también complejos. Cada bloque puede ser más grande (hasta 64 x 64) que el macrobloque estándar de 16 x 16, y puede ser dividido de forma eficiente usando un quadtree. Este sistema permite al codificador una gran flexibilidad para usar grandes particiones cuando predicen bien y particiones pequeñas cuando se necesitan predicciones más detalladas.
Esto permite una mayor eficiencia en la codificación, ya que se pueden codificar a bajo costo grandes unidades de predicción (incluido el tamaño del bloque en estructura de árbol) cuando se adaptan al contenido. Del mismo modo, cuando algunas partes del bloque necesitan predicciones más detalladas, estas también pueden describirse de forma eficiente.
Impacto en la aplicación
Hay varios casos en los que la mejor calidad en la proporción de la tasa de bits del HEVC tendrá incidencia en las aplicaciones de la industria. Teniendo en cuenta que la difusión de video de alta calidad demanda enorme capacidad de red, los siguientes son algunos de los beneficios proyectados:
- Utilización de más canales en redes satelitales, de cable y de televisión IPTV
- Menor costo de difusión de video gestionado y no gestionado.
- Mayor alcance para los operadores móviles y de televisión IPTV con restricciones de ancho de banda.
- Mejor calidad de la experiencia de los servicios de transmisión libre (OTT) de modo que estén al mismo nivel de la difusión tradicional.
En el mercado de la transmisión móvil, la reducción de la tasa de bits del HEVC de 30 – 50%, para alcanzar una calidad comparable al H.264, se materializa en ahorros en los costos de la difusión en las redes. Los operadores móviles no tendrán que distribuir tantos datos para un determinado nivel de calidad, reduciendo los costos y haciendo la reproducción más confiable, a condición de que el hardware del dispositivo pueda decodificar sin problemas el HEVC.
El HEVC también se suma a la tendencia hacia video de 4K y 8K Ultra HD de alta resolución en el mercado dominante. Gracias a que la resolución 4K presenta cuatro veces el número de pixeles que la 1080p, la eficiencia que brinda el HEVC hace mucho más viable la difusión de 4K.
Las empresas de medios con bibliotecas de contenido de tamaño considerable también sentirán el impacto positivo del ahorro en la tasa de bits. Gracias a que el HEVC reduce a la mitad los tamaños de los archivos, hacer la transición al nuevo códec duplicará la capacidad de almacenamiento en el futuro.
HEVC y procesamiento paralelo
El HEVC ha sido diseñado teniendo en mente mejoras del procesamiento paralelo. Este procesamiento representa adelantos tanto en la codificación como en la decodificación, algunos de los cuales tienen relación específicamente con:
- Divisiones (tiles).
- El filtro de eliminación de bloques en bucle.
- Procesamiento paralelo de frente de onda.
Las divisiones (tiles) permiten que una imagen sea fraccione en una matriz de regiones rectangulares que pueden ser simultáneamente decodificadas y codificadas de manera independiente. También permiten el acceso aleatorio a regiones específicas de una imagen de una transferencia de video.
En el caso del filtro de eliminación de bloques en bucle, ha sido definido de tal manera que solamente se aplica a bordes alineados en una matriz de 8 x 8 a fin de reducir el número de interacciones entre bloques y simplificar las metodologías de procesamiento paralelo. Adicionalmente, el orden de procesamiento ha sido especificado como un filtrado horizontal en bordes verticales seguido por un filtrado vertical en bordes horizontales. Esto permite que múltiples hilos paralelos de cálculos del filtro de eliminación de bloques funcionen de forma simultánea.
Finalmente, el procesamiento paralelo de frente de onda (WPP, por sus siglas en inglés) permite que cada corte sea dividido en unidades de codificación en estructura de árbol (CTU, por sus siglas en inglés) y cada unidad CTU pueda ser decodificada con base en información de la unidad CTU precedente. La primera hilera es decodificada normalmente, pero cada hilera adicional requiere que se hagan decisiones en la hilera anterior.
GPU ideales para el HEVC
Las técnicas y los algoritmos empleados en el HEVC son considerablemente más complejos que los de los estándares H.264 y MPEG-2. Se deben tomar más decisiones al codificar un determinado flujo o archivo de video y, en consecuencia, es necesario hacer más cálculos al comprimir activos de video.
La intensidad computacional del HEVC permite beneficiarse del rendimiento del procesamiento que se obtiene con las unidades de procesamiento gráfico (GPU). Aunque las herramientas del HEVC están diseñadas para mejorar las funcionalidades del procesamiento paralelo, la cantidad de herramientas que tienen una mayor complejidad es muy grande.
Elemental ha estimado que la codificación con el estándar HEVC requerirá hasta diez veces más de capacidad de procesamiento que la codificación con el H.264. Por ejemplo, con 500 maneras distintas de codificar cada macrobloque, los requerimientos de la capacidad de procesamiento son considerablemente mayores para el HEVC, en comparación con la codificación con el H.264.
El hecho de que se dupliquen los tamaños de intra predicción espacial, se doble el número de tamaños de transformación, casi se cuadriplique el número de direcciones de intra predicción espacial y se aumente el espacio de búsqueda de la inter predicción, implica una presión adicional para muchas plataformas de hardware existentes y acentúa el valor que tiene el potente procesamiento de video basado en GPU para el empeño de las empresas de medios en el sentido de lograr la compatibilidad con el nuevo códec.
La introducción de contenido 4k y 8k de ultra resolución al mercado de consumo, junto con la búsqueda de compatibilidad con estas resoluciones planteará desafíos adicionales para la mayoría de soluciones de codificación del mercado. Una vez más, las unidades de GPU representan una ventaja en este caso, ya que estos potentes procesadores están optimizados para manejar aumentos en la resolución.
Con una arquitectura flexible basada en software, las soluciones de procesamiento de video de Elemental ofrecen soporte del HEVC a través de una actualización de software sin inconvenientes. Elemental tiene una amplia experiencia en el desarrollo de codecs de video, desde especificaciones abiertas hasta la implementación completa usando arquitecturas programables para propósitos generales (GPU y CPU).
Facilitando la transición al HEVC dentro de las infraestructuras MPEG-2 y H.264 existentes, soluciones actualizables como las de Elemental pueden incorporar nuevos métodos de compresión de forma mucho más rápida que las plataformas de codificación y decodificación fijas existentes de hardware fijo, como ASIC y DSP.
Elemental espera que antes de finalizar la década, el HEVC sea ampliamente adoptado en distintas aplicaciones, como la transferencia y difusión de video, video satelital, video por cable, IPTV, video vigilancia, video corporativo y videojuegos.
Keith Wymbs, es vicepresidente de marketing de Elemental.
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