VERSUS FONTE DA IMAGEM DE FUNDO: HTTP://WWW.DRIVEDOMINION.COM/WP-CONTENT/UPLOADS/2014/10/VIDEO.JPG 24-NOV-2014
SUMÁRIO O QUE É A COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL COMO FUNCIONA A COMPRESSÃO DE VÍDEO TÉCNICAS E CONCEITOS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL MPEG-4 MPEG-4 PART 2 INTRODUÇÃO DEFINIÇÃO PERFIS & NÍVEIS H.264/AVC INTRODUÇÃO & PROPÓSITO ALGUMAS DAS NOVAS FUNCIONALIDADES PRINCIPAIS PERFIS & VANTAGENS COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO ENTRE MPEG-4 E H.264/AVC H.265/HEVC: O SUCESSOR DO H.264/AVC CONCLUSÃO REFERÊNCIAS 2/38
O QUE É A COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL? É A REDUÇÃO DA REDUNDÂNCIA DA INFORMAÇÃO DE ÁUDIO & VÍDEO RESULTA EM BITRATES INFERIORES E TAMANHOS DE FICHEIRO REDUZIDOS É USADA PARA O ARMAZENAMENTO E TRANSMISSÃO DE CONTEÚDOS DE VÍDEO DIGITAIS PODE SER: LOSSLESS SEM PERDA DE INFORMAÇÃO LOSSY COM PERDA DE INFORMAÇÃO MÉTODOS LOSSY RECORREM A: SUBAMOSTRAGEM CROMÁTICA COMPRESSÃO ESPACIAL COMPENSAÇÃO DE MOVIMENTO 3/38
COMO FUNCIONA A COMPRESSÃO DE VÍDEO APLICAM-SE ALGORITMOS PARA RETIRAR O MÁXIMO POSSÍVEL DE INFORMAÇÃO REDUNDANTE, EMBORA PROCURANDO MINIMIZAR O IMPACTO SOBRE A QUALIDADE DO VÍDEO REALIZA-SE COM CODECS, QUE REALIZAM: SUBAMOSTRAGEM CROMÁTICA REDUÇÃO DE REDUNDÂNCIA ESPACIAL REDUÇÃO DE REDUNDÂNCIA TEMPORAL OS CODECS IMPLEMENTAM UM TRADE-OFF ENTRE: QUALIDADE DA IMAGEM E DO ÁUDIO TAXA DE COMPRESSÃO (BITRATE E TAMANHO DOS FICHEIROS) COMPLEXIDADE COMPUTACIONAL PARA CODIFICAR/DESCODIFICAR 4/38
TÉCNICAS E CONCEITOS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL 5/38
TÉCNICAS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL SUBAMOSTRAGEM CROMÁTICA SINAIS DE VÍDEO SÃO SEPARADOS EM: 1 COMPONENTE DE LUMINOSIDADE (LUMA) 2 COMPONENTES DE COR (CHROMA OU CROMINÂNCIA) IMAGEM ORIGINAL SEM CHROMA SUBSAMPLING IMAGEM COM CHROMA SUBSAMPLING O OLHO HUMANO É MENOS SENSÍVEL À COR QUE AO BRILHO Guarda-se menos informação para as componentes de cor em prol da informação para o brilho Consegue-se uma redução de 33% da largura de banda ao reduzir-se para metade a taxa de amostragem da cor O ser humano não identifica perdas notáveis na qualidade de imagem FONTE DAS IMAGENS: HTTP://EN.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/FILE:COLOR-BARS-ORIGINAL.GIF HTTP://EN.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/FILE:COLOR-BARS-ORIGINAL.GIF 6/38
TÉCNICAS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL REDUNDÂNCIA ESPACIAL CADA FRAME POSSUI INFORMAÇÃO ESPACIALMENTE REDUNDANTE OS PIXÉIS VIZINHOS SÃO ALTAMENTE CORRELACIONADOS Espacialmente, uma imagem contém pixéis com valores similares aos seus vizinhos Esta característica permite prever os pixéis vizinhos com uma precisão razoável Pode-se codificar e transmitir menos informação FONTES DAS IMAGENS: HTTP://WWW.CS.DARTMOUTH.EDU/~GEELONG/SPATIAL/ELVISGS2SPOTS.JPG HTTP://P1.PICHOST.ME/640/45/1685047.JPG 7/38
TÉCNICAS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL REDUNDÂNCIA TEMPORAL ENTRE FRAMES, GRANDE PARTE DA INFORMAÇÃO É TAMBÉM REDUNDANTE FRAMES SUCESSIVAS SÃO MUITO SIMILARES Os Vídeos têm, tipicamente, entre 25-30 imagens/s Pouco muda em 1/30 de um segundo Os valores do brilho e da cor dos pixéis de uma determinada imagem tendem a ser muito semelhantes aos valores da imagem anterior Em vez de se codificar individualmente cada imagem, codifica-se apenas as diferenças entre imagens sucessivas FONTE DAS IMAGENS: HTTP://SIMPLY5.QUORA.COM/VIDEO-COMPRESSION-TEMPORAL-REDUNDANCY-SIMPLIFIED 8/38
CONCEITOS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL MACRO-BLOCOS MACRO-BLOCO: UNIDADE DE PROCESSAMENTO BASEADA EM TRANSFORMADAS LINEARES DE BLOCOS (EX.: DCT) AS IMAGENS SÃO DIVIDIDAS EM MACRO-BLOCOS, COM TAMANHOS TÍPICOS DE 8X8 OU 16X16 PIXÉIS, QUE SÃO PROCESSADOS SEPARADAMENTE: APENAS AS DIFERENÇAS ENTRE MACRO-BLOCOS SÃO CODIFICADAS OS REQUISITOS DE BITRATE SÃO MINIMIZADOS SE A DIFERENÇA ENTRE BLOCOS É TÃO PEQUENA QUE NÃO FAZ SENTIDO CODIFICÁ-LA FONTE DA IMAGEM: HTTP://IMG.TOMSHARDWARE.COM/US/1999/09/24/VIDEO_GUIDE_PART_3/DCT.GIF 9/38
CONCEITOS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL TIPOS DE FRAME I-FRAMES (INTRA-CODED IMAGE) A codificação da informação da frame é independente das restantes frames. P-FRAMES (PREDICTED IMAGE) Frames codificadas com base em I-Frames prévias. B-FRAMES (BI-DIRECTIONALLY INTERPOLATED IMAGE) Frames interpoladas a partir de frames I ou P, prévias ou posteriores. FONTE DA IMAGEM: HTTP://IMG.TOMSHARDWARE.COM/US/1999/09/24/VIDEO_GUIDE_PART_3/IPB_FRAMES.GIF 10/38
CONCEITOS DE COMPRESSÃO DE VÍDEO DIGITAL VÍDEO ENTRELAÇADO TÉCNICA PARA AUMENTAR A FRAME RATE PERCECIONADA SEM CONSUMIR LARGURA DE BANDA ADICIONAL CADA FRAME DE VÍDEO É QUEBRADA EM DOIS FIELDS COM METADE DAS LINHAS DE RESOLUÇÃO: FIELD ÍMPAR FIELD PAR A SUCESSÃO RÁPIDA DOS FIELDS PROVOCA UMA SENSAÇÃO DE MOVIMENTO MAIS SUAVE (FENÓMENO PHI) FONTE DAS IMAGENS: HTTP://WWW.KENSTONE6.NET/FCP_HOMEPAGE/IMAGES_24P_IN_FCP_NATTRESS/INTERLACE_DIAGRAM_INTERLACE.JPG 11/38
MPEG-4 & MPEG-4 PART 2 / H.263 12/38
QUE SOLUÇÕES DE CODIFICAÇÃO DE VÍDEO EXISTEM? MPEG-1, MPEG-2 Part 2 H.264 (MPEG-4 Part 10) VC1, Theora VP9, RealVideo RV40 MPEG-4 Part 2 H.265 HEVC 13/38
MPEG-4: PORQUÊ MAIS UM STANDARD? MPEG-4 IS THE NEW WORLDWIDE STANDARD FOR INTERACTIVE MULTIMEDIA CREATION, DELIVERY, AND PLAYBACK FOR THE INTERNET. WHAT MPEG-1 AND ITS DELIVERY OF FULL-MOTION, FULL- SCREEN VIDEO MEANT TO THE CD-ROM INDUSTRY AND MPEG-2 MEANT TO THE DEVELOPMENT OF DVD, MPEG-4 WILL MEAN TO THE INTERNET. IN HTTP://WWW.APPLE.COM/QUICKTIME/PDF/MPEG4_V3.PDF 14/38
MPEG-4: DEFINIÇÃO CONJUNTO EXTENSIVO DE ESPECIFICAÇÕES TECNOLÓGICAS, TENDO O ÁUDIO E O VÍDEO COMO BASE Introduzido em 1998 e designado como standard para um grupo de formatos de compressão de áudio e vídeo Acordado pelo grupo ISO/Moving Picture Experts Group (MPEG) sob o standard ISO/IEC 14496 Coding of audio-visual objects Engloba várias funcionalidades do MPEG-1 e MPEG-2 entre outros standards Foi desenhado para cobrir o workflow completo da média digital Captura, edição, codificação, distribuição, reprodução e armazenamento Ainda está em desenvolvimento e está dividido em diversas partes As empresas que promovem compatibilidade com o MPEG-4 nem sempre especificam que partes usam Partes importantes: MPEG-4 Part 2 e MPEG-4 Part 10 A implementação da maior parte das funcionalidades fica ao critério dos developers Provavelmente não existe uma implementação total do MPEG-4 15/38
MPEG-4 MELHORIAS NA EFICIÊNCIA DE CODIFICAÇÃO Eficiente para taxas de bits desde poucos Kbps até vários Mbps Eficiência melhorada face ao MPEG-2 (até 1.5x melhor [18] ) Codificação conjunta de diferentes dados Resiliência contra erros para permitir uma transmissão mais robusta Interação com o cenário Audiovisual gerado no recetor FONTE DA IMAGEM: HTTPS://WWW1.ETHZ.CH/REPLAY/DOCS/WHITEPAPER_MPEGIF.PDF 16/38
PERFIS E NÍVEIS PERFIS SUBCONJUNTOS DO STANDARD MPEG-4 DEFINIDOS PARA DETERMINADAS APLICAÇÕES. ESPECIFICAM O CONJUNTO DE FUNCIONALIDADES QUE OS DESCODIFICADORES TÊM QUE IMPLEMENTAR. NÍVEIS RESTRINGEM A COMPLEXIDADE COMPUTACIONAL. EXISTEM UM OU MAIS NÍVEIS POR PERFIL. PERFIS + NÍVEIS PERMITEM QUE SE IMPLEMENTE NUM CODEC APENAS O SUBCONJUNTO NECESSÁRIO DO STANDARD. ASSEGURAM A COMPATIBILIDADE COM OUTROS DISPOSITIVOS QUE SUPORTEM MPEG-4 E QUE USEM A MESMA COMBINAÇÃO. 17/38
MPEG-4 Parts MPEG-4 É UM CONJUNTO DE STANDARDS IDENTIFICADOS COMO PARTS PARTE NÚMERO PRIMEIRO ÚLTIMO ÚLTIMA TÍTULO DESCRIÇÃO LANÇAMENTO LANÇAMENTO CORREÇÃO PÚBLICO PÚBLICO PART 1 PART 2 PART 3 ISO/IEC 14496-1 ISO/IEC 14496-2 ISO/IEC 14496-3 1999 2010 2010 SYSTEMS SINCRONIZAÇÃO E MULTIPLEXAGEM DE ÁUDIO E VÍDEO 1999 2004 2009 VISUAL FORMATO DE COMPRESSÃO PARA DADOS VISUAIS 1999 2009 2010 ÁUDIO CONJUNTO DE FORMATOS DE COMPRESSÃO PARA A CODIFICAÇÃO DE SINAIS DE ÁUDIO (EX. AAC) PART 10 ISO/IEC 14496-10 2003 2012 2010 ADVANCED VIDEO CODING FORMATO DE COMPRESSÃO DE VÍDEOS H.264/AVC 18/38
MPEG-4 PART 2 FORMATO DE COMPRESSÃO DE VÍDEO BASEADO EM DCT (DISCRETE COSSINE TRANSFORM) SIMILAR AOS SEUS ANTECESSORES MPEG-1 PART 2 E MPEG-2 PART 2/H.262 USADO PELOS CODECS MAIS POPULARES: DIVX, XVID E NERO DIGITAL TEM APROXIMADAMENTE 21 PERFIS: SIMPLE, ADVANCED SIMPLE, CORE, MAIN,... 19/38
MPEG-4 PART 2 Simple Profile Maioritariamente usado em dispositivos que estão limitados a baixos bitrates e baixas resoluções Ex.: Telemóveis, Vídeo Conferência Low-End, Sistemas de Vigilância... Advanced Simple Profile As funcionalidades mais notáveis do Advanced Simple Profile face ao Simple Profile: Suporte para quantização MPEG-style Suporte para vídeo entrelaçado Suporte para B-frames Quarter-pixel motion compensation (Qpel) Global Motion Compensation (GMC) 20/38
H.264/AVC MPEG-4 PART 10 / ADVANCED VIDEO CODING 21/38
H.264/AVC MPEG-4 PART 10 INTRODUÇÃO TORNOU-SE UM DOS FORMATOS MAIS UTILIZADOS PARA GRAVAÇÃO, COMPRESSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE CONTEÚDOS DE VÍDEO SURGIU EM 2003, RESULTADO DE UMA PARCERIA ENTRE: ITU-T VIDEO CODING EXPERTS GROUP MOVING PICTURE EXPERTS GROUP É UM DOS STANDARDS USADOS NOS DISCOS BLU-RAY [19] E NA WEB EM HTML5 É EXTREMAMENTE POPULAR EM SERVIÇOS DE STREAMING OU PARTILHA DE VÍDEOS COMO O YOUTUBE [20] DEVIDO À SUA RELAÇÃO BITRATE / QUALIDADE DE IMAGEM, É TAMBÉM USADO EM TRANSMISSÕES HDTV COMO A TDT PORTUGUESA [21] 22/38
H.264/AVC MPEG-4 PART 10 PROPÓSITO [2] OFERECER: CODIFICAÇÃO DE VÍDEO MAIS EFICIENTE E ROBUSTA SUPORTAR: LARGA VARIABILIDADE DE REQUISITOS DE LARGURA DE BANDA E DE FORMATOS DE IMAGEM AMBIENTES DE REDE COM PERDA DE PACOTES E LARGURA DE BANDA IRREGULAR 23/38
H.264: ALGUMAS DAS NOVAS FUNCIONALIDADES PREDIÇÃO TEMPORAL (INTER-FRAME) MELHORADA COM ATÉ 16 FRAMES DE REFERÊNCIA PREDIÇÃO ESPACIAL (INTRA-FRAME) MAIS NÍTIDA: MACRO-BLOCOS DE TAMANHO VARIÁVEL E PRECISÃO ¼ PIXEL CODIFICAÇÃO LOSSLESS DE MACRO-BLOCOS UTILIZA NOVAS TRANSFORMADAS, PARA ALÉM DA DCT, QUE PROPORCIONAM MELHORES TAXAS DE COMPRESSÃO RECORRE À QUANTIZAÇÃO LOGARÍTMICA PARA UMA GESTÃO OTIMIZADA DA BITRATE INCLUI UM FILTRO DEBLOCKING (ANTI-BLOCOS) PARA MINIMIZAR ARTEFACTOS VISUAIS IMPLEMENTA NOVAS TÉCNICAS DE CODIFICAÇÃO BASEADA NA ENTROPIA DA FONTE (LOSSLESS) : CABAC: CONTEXT-ADAPTIVE BINARY ARITHMETIC CODING (MAIS EFICAZ) CAVLC: CONTEXT-ADAPTIVE VARIABLE-LENGTH CODING (MENOS EXIGENTE COMPUTACIONALMENTE) EXPONENTIAL-GOLOMB CODING INTRODUZ FUNCIONALIDADES PARA LIDAR COM PERDAS DE FRAMES (EX.: SLICES REDUNDANTES) 24/38
H.264: PRINCIPAIS PERFIS BASELINE PROFILE É a implementação mais básica do standard Indicado para vídeo não-entrelaçado (videoconferência e vídeo sobre IP) Recomendado para dispositivos com capacidade de processamento limitada MAIN PROFILE Indicado para sinais de SDTV entrelaçados: pressupõe que os canais são fiáveis e que a baixa latência não é fator determinante HIGH PROFILE Perfil destinado à transmissão de sinais HDTV e armazenamento de vídeo HD (Blu-Ray) EXTENDED PROFILE Adiciona suporta a slices redundantes, úteis em canais de débito variável onde é comum a perda de frames e a resincronização. Limita a propagação de erros inter-frame. Indicado para servidores com aplicações de streaming 25/38
H.264: VANTAGENS FACE A STANDARDS ANTERIORES PRESERVA A QUALIDADE DE IMAGEM, REDUZINDO A LARGURA DE BANDA PARA 50% Proporciona a viabilidade de uma oferta de canais e serviços mais variada por parte dos operadores HDTV INTRODUZ MECANISMOS DE TOLERÂNCIA A ERROS E A LATÊNCIAS ELEVADAS Facilita a proliferação de conteúdos de streaming de vídeo de alta qualidade em redes IP FACILITA A PARTILHA E ARMAZENAMENTO DE CONTEÚDOS HD A redução da largura de banda significa também uma redução do tamanho dos ficheiros na mesma proporção PERMITE OFERECER MAIOR QUALIDADE DE IMAGEM EM REDES MÓVEIS Ou reduzir o consumo de tráfego / suportar larguras de banda inferiores AS VANTAGENS SÃO RESULTADO DE UM ALGORITMO DE CODIFICAÇÃO: MAIS EFICIENTE MAS TAMBÉM MAIS EXIGENTE DO PONTO DE VISTA COMPUTACIONAL 26/38
COMPARATIVO 27/38
MPEG-4 (Part 2) vs H.264 FONTE DA IMAGEM: HTTP://WWW.AVENTURACCTV.COM/USERFILES/IMAGE/CAMERA%20TUTORIAL/H264VSMPEG4(1).JPG 28/38
MPEG-4 (Part 2) vs H.264 COMPARAÇÃO ENTRE O ESPAÇO OCUPADO PELO MESMO VÍDEO USANDO FORMATOS DIFERENTES [3] COMPARAÇÃO ENTRE A LARGURA DE BANDA UTILIZADA PELO MESMO VÍDEO USANDO FORMATOS DIFERENTES [3] FONTES DAS IMAGENS: HTTP://WWW.AVENTURACCTV.COM/TECHNOLOGY/ 29/38
MPEG-4 (Part 2) vs H.264 FONTE DA IMAGEM: HTTP://WWW.AVENTURACCTV.COM/TECHNOLOGY/ 30/38
MPEG-4 (Part 2) vs H.264 FONTE DA IMAGEM: HTTP://WWW.VELLEMAN.EU/DOWNLOADS/3/H264_VS_MPEG4_EN.PDF 31/38
H.265/HEVC O SUCESSOR DO H.264 32/38
HEVC/H.265: O sucessor do H.264 H.265 VS H.264 (VALORES TÍPICOS PARA QUALIDADE DE IMAGEM IDÊNTICA) AVALIAÇÃO OBJETIVA (PSNR): bitrate 25% a 35% inferior [15] AVALIAÇÃO SUBJETIVA: bitrate 49% a 66% inferior [16] [17] COMPLEXIDADE DE COMPUTAÇÃO: 5x a 10x mais exigente [15] FONTES DAS IMAGENS: HTTP://WWW.EXTREMETECH.COM/WP-CONTENT/UPLOADS/2013/07/HEVC-ENCODE.JPG HTTP://WWW.EXTREMETECH.COM/WP-CONTENT/UPLOADS/2013/07/H265-264FILESIZE.PNG 33/38
CONCLUSÃO STANDARDS DE CODIFICAÇÃO DE VÍDEO MAIS EFICIENTES SERÃO SEMPRE BEM-VINDOS O aumento de capacidade de processamento dos dispositivos e as limitações das redes IP favorecem o trade-off do aumento da complexidade computacional pelaredução de largura de banda Isto é especialmente importante em cenários de utilização móvel onde o tráfego disponível é limitado O PARADIGMA DE CONSUMO DE VÍDEO ATUAL ASSENTA SOBRE A INTERNET Reforça-se assim a importância da utilização de codecs eficientes e tolerantes a erros e perda de pacotes A REDUÇÃO DA BITRATE TAMBÉM OFERECE VANTAGENS NA TRANSMISSÃO CONVENCIONAL DE TELEVISÃO Permite a proliferação de conteúdos HD sem que seja necessário ocupar uma maior largura de banda, garantindo-se uma utilização mais eficiente do limitado espetro eletromagnético EM BREVE, MESMO O H.264 SERÁ SUBSTITUÍDO POR STANDARDS AINDA MAIS EFICIENTES, AINDA QUE COMPUTACIONALMENTE MAIS EXIGENTES 34/38
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