Домой Сделай сам! Кодек XAVC и XAVC S: почему не HEVC и как с ними...

Кодек XAVC и XAVC S: почему не HEVC и как с ними работать

От
Владимир Бахур
-
Кодек XAVC и XAVC S

В начале 2011 года группой экспертов VCEG (ITU-T Video Coding Experts Group) и MPEG (ISO/IEC Moving Picture Experts Group) был представлен новый на тот момент стандарт кодирования видео AVCHD 2.0 (MPEG4-MVC H.264/AVC), основным прорывом которого относительно первой версии стандарта стало появление поддержки полноценной прогрессивной развёртки для кадра Full HD на скорости до 60 к/с, а также дебют многоканального (в частном случае стереоскопического) кодирования видео MVC.

Sony PXW-FS7

Сегодня, глядя на спецификации этого стандарта, мы можем с чистосердечным сожалением сказать, что возможности AVCHD 2.0 были слишком слабы даже для технологий 4-летней давности и даже с точки зрения любительской записи, потому что жёсткое ограничение битрейта 28 Мбит/с при цветовой структуре выборки 4:2:0 с качеством до 1080/60p – это, простите, слёзы. Мы, конечно, все прекрасно понимаем, что ограничения вводились ради совместимости с родственным AVC/MVC-форматом записи на диски Blu-ray, но задачу съёмки  и записи качественного контента это понимание никому не облегчает.

Однако всё это было ещё в доисторическую эпоху видео с максимальным качеством Full HD. Как только на горизонте замаячила нужда работы с кадром формата 4K (4096 x 2160) и UltraHD (3840 x 2160), стало ясно, что возможности обычного AVC/MVC/H264, равно как и профессионального AVC Intra, для работы с 4-кратным разрешением картинки не подходят — ни по разумным скоростям битрейта и глубины цветовой выборки, ни по совместимости с носителями, ни вообще по чему бы там ни было.

Кодек Sony XAVC и его сын XAVC S: почему не HEVC и как с ними работать

Настала пора двигаться дальше.

XAVC, HEVC или AVCHD?

Для продвижения к новым, более крупным форматам кадра, более высокой скорости смены картинки (до 120 кадров в секунду и выше), большей глубине цвета и, как следствие, к большим битрейтам и/или более эффективным кодекам сжатия видео, можно использовать два пути: усовершенствовать, доводить до ума уже существующие стандарты с обратной совместимостью, или разрабатывать совершенно новые — более эффективные, но не совместимые с прежними. Из этого следует первое, самое простое определение XAVC:

Стандарт (кодек) XAVC (eXtended AVC) представляет собой дальнейшее развитие спецификаций H.264/MPEG-4 Part-10 и полностью совместим с профилем уровня 5.2 кодека H.264. Главная идея разработки формата XAVC заключается в создании недорогой среды для создания и обработки цифрового изображения для 4K и контента с высокой частотой кадров. Несмотря на тот факт, что XAVC очевидно разрабатывался для работы с 4K-видео, он позиционируется не как замена нынешним кодекам MPEG2 и MPEG4 SStP, а как дополнение, пригодное, в том числе, для работы с HD-контентом. Кодек XAVC Intra лучше или сравним по качеству с MPEG-2 Long GOP из-за 10-битной разрядности и лучшего алгоритма сжатия, но проигрывает MPEG-2 Long GOP по размеру файлов и требованиям к производительности оборудования, так что оба эти формата какое-то время будут существовать параллельно.

Иными словами, XAVC — это наглядный пример эволюционного развития технологии, в данном случае — стандарта H.264/MPEG-4 Part-10. В то же время, новоявленный стандарт HEVC/H265 представляет собой пример революционного перехода на следующий уровень производительности с большими перспективами в будущем, но и с большими затратами на адаптацию сегодня:

Стандарт HEVC (High Efficiency Video Coding), или H.265, представляет собой новый формат сжатия данных по рекомендациям ITU-T H.265 и ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2, разработанный экспертами ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) и MPEG для передачи данных с большим разрешением и большей степенью сжатия. В стандарт HEVC/H.265 изначально заложена поддержка очень большого разрешения кадра, включая 8192×4320 точек (8K/Ultra HD), так что в отличие от XAVC, поддержка разрешения 4K является для HEVC в каком-то смысле подмножеством, промежуточным этапом на пути будущего развития. Эффективность сжатия кодека HEVC без потерь качества очень высока и только возрастает с увеличением размера кадра, кроме того, сам стандарт всё ещё развивается и в перспективе обещает коэффициент сжатия до 1:1000.

Вот теперь, пожалуй, самое время задать философский, чисто гипотетический вопрос: может быть, компании Sony стоило подождать-перетерпеть и дождаться нормального распространения HEVC/H265, нежели выпускать XAVC на базе прежнего кодека H264? Частично на этот вопрос мы уже ответили: эволюционное развитие значительно дешевле чем полное революционное аппаратно-программное переоснащение. То есть, рано или поздно всё равно все перейдут на HEVC/H.265, но в ближайшие несколько лет XAVC в разных его проявлениях будет актуален как для любительской, так и для профессиональной съёмки и обработки видео.

В этой статье мы больше не будем останавливаться на особенностях HEVC/H265, по этому кодеку у нас будет отдельная публикация. Однако прежде чем перейти к рассказу об XAVC, хотелось бы окончательно закрыть вопрос противопоставления с другими сравнимыми форматами, поэтому — вот вам для лучшего понимания сути ещё одно определение:

Основная разница между H264-форматами XAVC и AVCHD заключается в том, что XAVC поддерживает разрешение 4K/HD с 8-, 10- и даже 12-битной разрядностью, структурой выборки цвета 4:4:4, 4:2:2 или 4:2:0 и высокими битрейтами. Для AVCHD 2.0, в свою очередь, потолком является 24 Мбит/с битрейт для качества 1080 50i/50i и 28 Мбит/с для качества 1080 50P/60P/3D-MVC, при 8-битной разрядности и структуре 4:2:0. Весь смысл AVCHD 2.0 на сегодняшний день, по сути, сводится к совместимости с дисками Blu-ray, где работает тот же кодек, но с другими контейнерами (M2TS/SSIF). Форматы XAVC и AVCHD похожи алгоритмом сжатия видео MPEG-4 AVC/H.264, но на этом сходство заканчивается.

Немного теории: структура и характеристики Sony XAVC

Для максимальной совместимости файлов с продукцией других компаний, в кодеке XAVC компания Sony сохранила традиционную структуру ключевых элементов битового потока KLV, включая покадровую интеграцию параметров последовательности (Sequence Parameter Set, SPS) и параметров изображения (Picture Parameter Set, PPS), что позволило динамически оптимизировать качество с привязкой к файлу изображения.

XAVC и XAVC S

Процесс кодирования XAVC при записи 4K-видео или работе с высокой частотой кадров представляет собой 2-ступенчатый процесс с использованием технологии предварительной выборки и предварительного кодирования для максимального сжатия, при этом задействована как программная, так и аппаратная стадия обработки видео.

Кодек Sony XAVC и XAVC S

Формат Sony XAVC на базе кодека MPEG-4 AVC/H.264 уровня 5.2 позволяет обеспечивать формату XAVC поддержку разрешения 4K (4096 x 2160), QFHD/Ultra HD (3840 x 2160), 2K, HD, SD или proxy при 12, 10 и 8-разрядной глубине цвета и цветовой дискретизации 4:4:4, 4:2:2 или 4:2:0, с внутрикадровым кодированием и кодеком Long GOP. Для разрешения 4K и QFHD возможна поддержка скорости до 60 кадров в секунду, для 2K и HD до 180 кадров в секунду. Контейнер формата XAVC аналогичен существующим контейнерам Sony MXF – файлам SStP MXF OP-1a форматов MPEG2 и MPEG4.

Отдельно стоит упомянуть различные варианты битрейта для различных типов камер. Так, например, профессиональная камера PMW-F55 от Sony пишет 4K-видео с кодеком XAVC и внутренним кодированием кадров с битрейтом от 240Mбит/сек (@24P) до 600 Мбит/сек (@60P). Камеры PMW-F5/F55 кроме форматов XAVC и MPEG2 также поддерживают MPEG4 SStP и RAW.

На сегодняшний день многие телевещательные компании работают с компактным HDTV-форматом MPEG2 HD Long GOP, обеспечивающим высокое качество при битрейте 50 Мбит/с или даже 35 Мбит/с, и при этом, как показано на графике ниже, обеспечивающим самую высокую скорость в секунду по сравнению с другими кодеками на одной и той же вычислительной платформе без использования аппаратных ускорителей и графических процессоров.

Кодек Sony XAVC и XAVC S

Тем не менее, процесс перевода вещания на формат H.264 уже начался, поскольку таким образом есть возможность подвести все используемые видео файлы под единый кодек в едином стандартном контейнере с 10-битной выборкой (против 8 бит у MPEG-2).

Кодек Sony XAVC и XAVC S

Формат XAVC с внутренним кодированием кадров поддерживает скорость до 440 Мбит/с может заполнить пустующий на сегодня сегмент рынка HD 50p/60p производства между высококачественными форматами MPEG4 SStP и HDCAM-SR с одной стороны и обычным MPEG2 с другой стороны.

Кроме того, вспомним, что кодек XAVC при качестве 2K/HD способен работать с высокой частотой кадров. Например, камера Sony PMW-F55 пишет 10-битное 4:2:2 видео 1920×1080 со скоростью до 180 кадров в секунду даже без внешнего рекордера, на внутреннюю карту SxS PRO+, при этом при использовании двух 128-Гб карт время непрерывной съемки при такой скорости достигает 40 минут. Формат Long GOP останется для тех случаев, когда понадобится сохранение компактных 1080-50p/60p файлов для передачи со скоростью 35-50 Мбит/с.

Любительский XAVC S и профессиональный XAVC: детям мороженое, бабе цветы

Кто-нибудь ещё помнит такой стандарт – AVCHD Lite? По сравнению с полноценным AVCHD 2.0, в AVCHD Lite накладывался ряд ограничений, в частности, на число строк – до 720p. Кодек XAVC S – это тоже в каком-то смысле «урезанный» XAVC, только не по размеру строк, а по ряду других параметров, но с той же целью: сделать сжатый сигнал более «плотным», уместить в ограниченный битрейт максимальное качество большой 4K-картинки, пусть и с упрощёнными до любительского уровня параметрами.

Кодек XAVC S представляет собой упрощённую версию XAVC, поддерживающую в максимальном разрешении исключительно формат кадра QFHF / Ultra HD (3840 х 2016 точек) с фиксированным соотношением сторон 16:9 (XAVC, помимо этого, также работает с кадром 4K, имеющим размер 4096 х 2016 и соотношение сторон 17:9). Качество кодирования XAVC S ограничено 8-битным сэмплированием со структурой 4:2:0 и битрейтом не более 150 Мбит/с. Некоторые ограничения кодека XAVC S также выявляются в процессе нелинейного монтажа. С кодеком XAVC для всех случаев (4K и HD) применяется контейнер .MXF (Material eXchange Format), в то время с кодеком XAVC S, согласно требованиям MPEG-4 Part 14, используется исключительно контейнер .MP4, поддерживающий, в числе прочего, прямую потоковую передачу через интернет.

Таким образом, компания Sony чётко разграничила области применения этих кодеков:

  • XAVC – профессиональная работа с видеокамерами PMW-F5/F55, PMW-X500, PXW-FS7, PXW-X70, PXW-X180, PXW-Z100, фотокамерами A7S (ICLE-7S) и другими
  • XAVC S – любительская UHD-съёмка для просмотра на 4K-телевизорах такими камерами как FDR-AX1, FDR-AX100, а также фотоаппаратами класса Sony RX100 Mark III, A5100 (ILCE-5100), камерами для экстремальной съёмки Action Cam вроде HDR-AS100VR, HDR-AZ1VR, и подобными любительскими устройствами
Кодек Sony XAVC и XAVC S
Кодек Sony XAVC и XAVC S

Формат XAVC: как с ним бороться

Компания Sony позиционирует формат XAVC в качестве открытого формата, с возможностью разработки аппаратных и программных продуктов сторонними компаниями. По данным на начало сентября 2014, стандарт XAVC в той или иной степени поддерживали своими аппаратными и программными решениями уже 65 компаний:

Кодек Sony XAVC и XAVC S

Из наиболее известных можно перечислить следующие компании и их продукты (по данным на март 2014):

  • Adobe: Premiere Pro CC, Premiere Pro CS
  • Apple: Final Cut Pro-X (плагин PDZK-LT2 от Sony), Final Cut Pro 7 (MXF Import от Calibrated Software)
  • ASSIMILATE: SCRATCH/ SCRATCH Lab/ SCRATCH Play
  • Autodesk: Flame Premium/ Flame/ Smoke Advanced/ Flare / Lustre
  • Avid: Media Composer (плагин XAVC PDZK-MA2 от Sony)
  • CyberLink: Director Suite 2, PowerDirector 12
  • FilmLight: Baselight 4.4
  • Grass Valley: EDIUS Pro 7
  • Pegasys: TMPGEnc Video Mastering Works 5 (только XAVC S)
  • Rohde & Schwarz: CLIPSTER, VENICE
  • Sony Vegas Pro 12, Vegas Pro 13
  • Sony Media Cloud: Ci

Кодек Sony XAVC и XAVC S

Иными словами, проблем с поддержкой кодека XAVC не было изначально и уж точно нет сегодня (чего, например, до сих пор не сказать о MVC). От себя также хотелось бы добавить, что на собственном опыте испытано: Youtube принимает файлы с кодеком XAVC S в контейнере MP4 охотно и без всяких предварительных конвертаций. В ближайшее время мы расскажем об этом подробнее на примере небольшого тестирования камеры Sony FDR-AX100.

Ссылки по теме:

 

Смотрите такжеЕще от автора