Сьогодні актуальними є два передові формати стиснення – відкритий стандарт MPEG4 AVC (H.264) і стандарт VC-1 створений на базі відеокодека Windows Media Video 9 від Microsoft.
Стандарт MPEG-4 AVC. Розроблений об'єднаною командою відеоекспертів міжнародної організації по стандартизації (ISO) і міжнародного союзу телекомунікацій (ITU), MPEG-4 AVC був в липні 2003 формально затверджений як стандарт, відомий також як Part 10, H.264.
Особливості MPEG4 AVC:
складніший алгоритм надає вищу ефективність стиснення і вищу якість;
вимагає швидкості потоку більш ніж в 2 рази меншою в порівнянні з MPEG-2 при рівній якості картинки;
підтримує ефективні інструменти додаткової ентропії такі як CABAC (context adaptive binary and arithmetic coding);
розмір блоку компенсації руху від 4×4 до 16×16;
множинність опорних кадрів;
мовний рівень – головний профайл ( main profile);
включений як формат стиснення для Blu-ray диска і HD DVD.
SMPTE VC-1. Цей формат стиснення відео є “апаратною” реалізацією відеокодека пакету Windows Media 9 Series, розробленого спочатку корпорацією Microsoft. В даний час VC-1 стандартизований організацією SMPTE (суспільство інженерів кіно і телебачення). VC-1 підтримує кодування як прогресивного так і черезстрокового відео. Для кодування використовуються компонентні складові відеоданих (яскравістний і кольорорізностні сигнали). Схема оцифрування (дискретизація) яскравістних і хроматичних даних 4:2:0, кожен компонент оцифровується 8 бітами на відлік. VC-1 забезпечує дуже високу ефективність компресії відео і аудіо та високу візуальну якість. Крім того VC-1 / WMV9 також стандартизований як можливий формат компресії для новітніх форматів відеодисків таких як HD DVD і Blu-ray.
Особливості Windows Media VC-1:
менш складний алгоритм, чим у MPEG4, вимагає менше циклів обробки і простіше реалізується;
вимагає меншої, ніж MPEG-2, швидкості потоку (більш ніж в 2 рази) при рівній якості картинки;
використовується кодування VLC (variable length coding);
розмір блоку компенсації руху 16×16;
використовується схема опорного кадру, подібна MPEG-2;
мовний рівень – передовий профайл (advance profile);
включений як формат стиснення для Blu-ray диска і HD DVD.
Передові відеокодеки (AVC) засновані на принципах, використовуваних в стандарті MPEG-2 і мають багато загальних з ним елементів, зокрема:
звичайна схема оцифрування яскравістних і хроматичних даних 4:2:0;
скорочення надмірних відеоданих, використовуючи IPB кадри;
розбиття зображення на блоки пікселів;
визначення наявності динаміки (рухи) на основі аналізу блоків;
скалярне оцифрування даних.
Проте в AVC було додано багато важливих алгоритмічних новацій:
змінний розмір рухомих блоків (16×16, складається з 4×4);
пошук руху четвірок пікселів;
множинність опорних кадрів;
можливість використання B-кадра як опорного;
зважений прогноз;
ціле перетворення 4×4 (на відміну від 8×8 DCT для MPEG2);
більш “дрібнозернисте” квантування при оцифруванні відео;
використання високоефективних алгоритмів кодування CA-VLC і CABAC (context adaptive binary arithmetic coding);
вбудований фільтр de-blocking filter для підвищення візуальної якості.
Порівняння найважливіших принципів кодування MPEG2 і MPEG4 AVC приведені в таблиці 1.
Таблиця 1
Порівняння принципів кодування стандартів MPEG2 і MPEG4 AVC
| MPEG-2 | MPEG-4 AVC |
| Для передбачених P-кадрів тільки один опорний кадр і два опорні кадри для B | Множинні опорні кадри. Двонаправлений режим для P і B кадрів |
| Макроблоки великої площі, 16×16 | Змінна геометрія блоку, зниження розміру до 4×4 |
| Точність вектора руху 1/2 піксела | Точність вектора руху 1/4 піксела |
| Дискретне косинусное перетворення (DCT) 8×8 | Ціле перетворення 4×4 |
| Один просторовий спосіб прогнозу | Безліч способів прогнозу |
| Немає вбудованого de-blocking фільтру | Вбудований de-blocking фільтр |
| Фіксований коефіцієнт квантування | Розширене і якісне управління квантуванням. |
| Алгоритм кодування VLC (variable length coding, Huffman) | Передові алгоритми кодування: VLC і CABAC |
Не вдаючись до принципів алгоритму кодування, відзначимо тільки істотні для операторів найважливіші особливості двох передових форматів MPEG-4 AVC (H.264) і VC-1:
H.264 має складніший в порівнянні з MPEG-2 алгоритм, надає вищу ефективність стиснення і вищу якість;
VC-1 має менш складний алгоритм, чим у MPEG4, вимагає менше циклів обробки і простіше реалізується;
H.264 і VC-1 вимагають швидкості транспортного потоку більш ніж в 2 рази меншу в порівнянні з MPEG-2 при збереженні якості картинки;
для H.264 мовний рівень – головний профайл (main profile);
для VC-1 мовний рівень – передовий профайл (advance profile);
обидва формати мають вбудований фільтр придушення блокової структури зображення (de-blocking filter) для підвищення візуальної якості.
обидва формати стиснення включено як що рекомендуються для Blu-ray диска і HD DVD.
устаткування MPEG4 сьогодні доступніше, ніж для VC-1.
Об'єм трафіку при використанні передових методів відеокомпресії падає більш ніж в 2 рази. Проте ситуація на ринку в частині устаткування для цих нових стандартів поки набагато гірша. Вибір устаткування менший, ціни набагато вищі. Проте, на ринку вже є якийсь мінімальний вибір устаткування для H.264 і більшості виробників оголосили про свої плани на підтримку H.264 в самий найближчий час. Із стандартом VC-1, який тільки півроку тому отримав офіційний статус, ситуація поки дещо гірша.
Ухваливши рішення використовувати передовий формат стиснення і роблячи вибір між H.264 і VC-1, оператор повинен враховувати не тільки ефективність стиснення, яка приблизно рівна, але також повинен враховувати порядок і вартість ліцензійних відрахувань.
Також стоїть питання, а чи слідує взагалі операторові орієнтуватися на передові формати. З одного боку, IP-TV устаткування для MPEG-2, як головне, так і абонентське є достатньо широко поширеним, доступним і, крім того, має приємну для оператора динаміку зниження цін за короткий час. Оператор може вибирати устаткування серед великої кількості вендерів і добиватися якнайкращих цін і умов постачання. І з цієї точки зору, використання MPEG-2 як базового стандарту стиснення представляється і абсолютно розумним, і повністю виправданим. Недоліком даного рішення є підвищені вимоги до транспортної мережі для надання сервісів, що припускають unicast трафік, перш за все такі популярні як “відео за замовленням”. Дані сервіси дуже швидко “з'їдають” резерви смуги пропускання магістральної частини мережі у міру зростання числа абонентів. Неможливим стає використання формату HDTV, який вимагає подвоєння смуги пропускання магістральної частини мережі.
Передові стандарти стиснення, будучи дорогим рішенням сьогодні, завтра поза сумнівом вимагатимуть набагато менших витрат. Готового універсального рішення немає. Оператор повинен сам його знайти.
Висновки
В результаті проведення аналізу компонентів рішення системи IP-телебачення визначені основні функції і сформульовані вимоги до елементів архітектури досліджуваної технології. Встановлено, що основними частинами архітектури IP-TV є: комплекс сигналоутворення і управління послугами, компоненти мережі передачі даних і клієнтське устаткування. Всі ці компоненти, за винятком систем прийому первинного телесигналу, функціонують в IP-середовищі і будуються поверх існуючої мережі передачі даних.
Комплекс сигналоутворення і управління послугами виконує функції прийому відеопотоків в різних форматах, формування контента (переформатування і інкапсуляція) з подальшою трансляцією вихідного потоку відеоданих в мережі передачі даних, забезпечення безпеки (захист від несанкціонованого доступу до відеоконтента) і управління всіма видами послуг. До основних вимог, що пред'являється до комплексу, відносяться гнучкість в обробці відеопотоку, високий рівень безпеки і якість управління контентом і послугами.
Компоненти мережі передачі даних виконують функції розподілу, виділення необхідної пропускної спроможності і забезпечення QоS. У разі розгортання послуги IP-TV на існуючій мережі – це опорна мережа провайдера. Канали доступу абонентів повинні будуватися на високошвидкісних широкосмугових технологіях. Оператори можуть використовувати комбінацію технологій “останньої милі”. Основною вимогою повинно бути забезпечення параметрів пропускної спроможності і затримки, необхідних для передачі відеотрафіку спільно з іншими даними.
Клієнтське устаткування забезпечує функціональну обробку, яка припускає установку з'єднання і рівня QоS з вузлом обслуговування, декодування відеопотоків, зміну каналів, управління користувальницьким дисплеєм і під'єднання до пристроїв користувача, таким як телевізори із стандартною (SDTV) або високою чіткістю (HDTV). Основною вимогою є функціональна гнучкість.
В результаті проведення порівняльного аналізу класичного і передових методів стиснення даних, вказані особливості кожного із стандартів відеокомпресії, які можуть послужити опорою операторові при плануванні організації IP-TV мережі.