HEVC – chuẩn nén chất lượng cao trong tương lai
1. HEVC là gì?
HEVC – High Efficiency Video Coding là định dạng chuẩn nén video mới với khả năng nén video cho chất lượng hình ảnh tốt hơn các chuẩn trước đó như H.264/AVC.
Một chuỗi các khung hình từ video nguồn sẽ được mã hoá hoặc nén lại bởi bộ mã hoá HEVC, kết quả là tạo ra một bitstream video đã được nén. Bitstream đã nén này có thể được lưu trữ hoặc truyền đi. Sau đó một bộ giải mã video sẽ giải nén bitstream này thành một chuỗi các khung hình để có thể trình chiếu video.
- HEVC cơ bản có cấu trúc tương tự như các tiêu chuẩn trước đó như MPEG-2 và H.264/AVC. Tuy nhiên, HEVC có nhiều cải tiến mới như:
- Phân vùng (Partition) linh hoạt hơn, với kích cỡ từ lớn đến nhỏ
- Linh hoạt hơn trong các chế độ dự báo (prediction modes) và chuyển đổi kích thước khối (transform block)
- Bộ lọc nội suy và bộ lọc khử khối (interpolation and deblocking) tinh vi hơn
- Các chế độ dò tìm/dự báo và phát tín hiệu (prediction and signalling of modes), chuyển động của các vector (motion vectors) phức tạp hơn
- Được trang bị tính năng hỗ trợ xử lý song song hiệu quả
Kết quả là HEVC cung cấp một tiêu chuẩn mã hoá video có khả năng nén tốt hơn giúp tăng khả năng xử lý hình ảnh.
Với HEVC, chúng ta có thể lưu trữ hoặc truyền tải video hiệu quả hơn so với các công nghệ trước đó như H.264:
- Với kích thước và chất lượng hình ảnh tương đương, video nén bởi HEVC chiếm ít dung lượng hơn so với video nén bằng H.264
- Với cùng dung lượng lưu trữ hoặc băng thông, chất lượng và độ phân giải của video nén bởi HEVC cao hơn video tương ứng nén bởi
H.264
2. HEVC hoạt động như thế nào?
HEVC được dựa trên cấu trúc chung giống như tiêu chuẩn trước đó. Video nguồn bao gồm một chuỗi các khung hình video được mã hóa hay nén bởi một bộ mã hóa video để tạo ra bitstream video nén. Bitstream nén được lưu trữ hoặc truyền đi. Một bộ giải mã video giải nén bitstream để tạo ra một chuỗi các khung giải mã.
Các bước thực hiện bởi một bộ mã hóa video (hình 2) bao gồm:
- Phân vùng mỗi bức ảnh thành nhiều đơn vị
- Dự đoán mỗi đơn vị bằng cách sử dụng liên hoặc nội dự đoán, và trừ các dự đoán từ các đơn vị
- Chuyển đổi lượng tử còn sót lại (sự khác biệt giữa các đơn vị hình ảnh ban đầu và dự đoán)
- Entropy mã hóa các biến đổi đầu ra, thông tin dự báo, chế độ thông tin và các tiêu đề
- Entropy giải mã và trích xuất các yếu tố của chuỗi mã
- Thay đổi tỉ lệ và đảo ngược giai đoạn chuyển đổi
- Dự đoán từng đơn vị và thêm các dự đoán cho đầu ra của nghịch đảo
- Xây dựng lại một hình ảnh video giải mã
Một bộ giải mã video đảo ngược các bước :
Các định nghĩa tiêu chuẩn HEVC (i) các cú pháp hoặc định dạng của một chuỗi video nén (ii) và một phương pháp giải mã một chuỗi nén. Thiết kế thực tế của bộ mã hóa không được tiêu chuẩn hóa. 2.1 Phân vùng HEVC hỗ trợ phân vùng rất linh hoạt của một chuỗi video liên tục (hình 3). Mỗi khung hình video hoặc hình ảnh đã được mã hóa được phân chia thành Titles và Slices và được tiếp tục phân chia thành Coding Tree Units (CTUs). CTU là đơn vị cơ bản của mã hóa, tương tự như các macroblock trong các tiêu chuẩn trước đó, và kích thước có thể lên đến 64×64 pixel. Một CTU có thể được chia thành các vùng ô vuông được gọi là Coding Units (CUS) sử dụng cấu trúc Quadtree.
Hình 3: khung hình thể hiện Slices và CTU (code Tree unit) ( nguồn: Parabola Research)
2.2 Dự đoán (Prediction)
Một Coding Unit (CU) được phân chia thành một hoặc nhiều Prediction Unit (PU), mỗi đơn vị được dự đoán sử dụng dự đoán Inter hoặc Intra
Dự đoán Intra: Mỗi PU được dự đoán từ dữ liệu hình ảnh lân cận trong cùng một hình ảnh, sử dụng dự đoán DC (giá trị trung bình cho PU), dự đoán phẳng (lắp một bề mặt phẳng với PU) hoặc dự đoán hướng (ngoại suy từ dữ liệu lân cận) Dự đoán Inter: Mỗi PU được dự đoán từ dữ liệu hình ảnh trong một hoặc hai hình ảnh tài liệu tham khảo (trước hoặc sau khi hình ảnh hiện tại được hiển thị), sử dụng dự đoán bù trừ chuyển động. Vector chuyển động có độ phân giải lên đến quarter – sample (thành phần luma)
2.3.Chuyển đổi và lượng tử
Bất kỳ dữ liệu dư còn lại sau khi dự đoán được chuyển đổi bằng phép biến đổi cosine rời rạc (DCT) hoặc phép biển đổi sin rời rạc (DST). Một hoặc nhiều khối biến đổi kích thước 32×32, 16×16, 8×8 và 4×4 được áp dụng cho dữ liệu còn lại trong mỗi CU.
2.4 Mã hóa en-trô-pi (hệ số nhiễu loạn)
Một bitstream HEVC được mã hóa bao gồm chuyển đổi hệ số lượng tử, thông tin dự đoán như chế độ dự báo và vectơ chuyển động, thông tin phân vùng và dữ liệu khác… Tất cả những yếu tố này được mã hóa bằng cách sử dụng mà hóa nhị phân số học (CABAC).
3. HEVC tốt như thế nào?
Hình 4 là ảnh cận cảnh của 2 khung video đã được giải mã. Cùng một trình tự (Kristen và Sara, độ phân giải 720p) được mã hoá bằng cách sử dụng “high profile” H.264 (trái) và HEVC (phải) tại khoảng “bitrate” (420kbps). Chất lượng của clip HEVC rõ ràng là tốt hơn. Ví dụ: Cận cảnh H.264 mmất nhiều chi tiết của tóc và có biến dạng rõ ràng trong vùng mặt.
Hình 4: Khung mẫu mã hoá 420kbps sử dụng H.264 (trái) và HEVC (phải)
Như thế nào là tốt hơn nhiều so với tiêu chuẩn HEVC trước đó? Điều này phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của video clip, thiết kế của bộ mã hoá video cũng như ý kiến của người xem. Một số nghiên cứu trước đó đã kết luận rằng HEVC có thể cung cấp chất lượng tương tự như H.264 một khoảng một nửa bitrate.
Lời cảm ơn.
Nhờ nghiên cứu Parabola cho phép sử dụng ảnh chụp màn hình của “Parabola Explorer”. Kiểm chứng tại http://www.parabolaresearch.com
Về tác giả: Vcodex được dẫn dắt bởi giáo sư Richardson, một chuyên gia nổi tiếng quốc tế về những tiêu chuẩn nén video MPEG và H264. Trụ sở được đặt tại Aberdeen, Scotland, ông thường xuyên đến Mỹ và châu Âu. Giáo sư Richardson là tác giả của “Tiêu chuẩn nén Video nâng cao H264” – một tác phẩm được trích dẫn rộng rãi trong các tài liệu nghiên cứu. Ông đã viết hơn 3 quyển sách hơn 80 bài viết trên tạp chí và trong các buổi hội nghị về việc nén hình ảnh và video. Ông thường xuyên tư vấn các công ty về công nghệ giải mã video, bằng sáng chế và sáp nhập mua bán lại video mã hoá trong ngành công nghệ mã hoá video.
Theo saigohd
