H.265 در مقابل H.264؛ نگاهی به بهتری‌های استاندارد تازه فشرده‌سازی ویدئو (قسمت اول)

 هر موقع که فیلم یا سریالی را دانلود می‌کنید، به تماشای یک فیلم بلو-ری می‌نشینید و یا ویدئوهای اینترنتی را می بینید، احتمالا ویدئویی که می‌بینید با استاندارد H.264 کدگذاری شده است.

اگر بخواهیم جمع بندی کنیم تمام ویدئوهایی که با آن‌ها سروکار داریم، از قبل به نحوی فشرده شده‌اند تا برای مصارف معمول حجم معقولی داشته باشند. از ویدئوهای بدون نزول کیفیت (Lossless) تنها در مصارف مخصوصی مانند تولید فیلم در استودیو‌های فیلم‌سازی استفاده می‌شود. ممکن است دوست داشته باشید که بدانید هر دقیقه از یک ویدئوی فشرده‌ نشده‌ی فول اچ‌دی، ۷ GB فضا اشغال خواهد نمود و از این جهت یک فیلم دو ساعته در صورتی که فشرده نشده باشد ۸۴۰ GB حجم خواهد داشت.

تمام ویدئوهایی که با آن‌ها سروکار داریم، از قبل به نحوی فشرده شده‌اند

قبل از اینکه به معرفی استاندارد تازه و مقایسه‌ی آن با استاندارد قدیمی بپردازیم، خوب است ابتدا ببینیم کدگذاری ویدئویی به چه معنا است و با اصطلاحات مرتبط به استانداردهای فشرده‌سازی ویدئو بهتر آشنا شویم.

فرمت‌های کدگذاری ویدئو

فرمت‌های کدگذاری بر روی ویدئو (video coding format) که با اسم «استانداردهای فشرده‌سازی ویدئویی» نیز شناخته می‌شوند، قالب‌هایی برای معرفی، ذخیره‌سازی و یا انتقال محتوای دیجیتال هستند. مثال‌هایی از فرمت‌های کدگذاری عبارتند از MPEG-2 Part 2, MPEG-4 Part 2, H.264 (MPEG-4 Part 10), HEVC, Theora, Dirac, RealVideo RV40, VP8, و VP9. باید به این نکته توجه داشت که این فرمت‌های کدگذاری تنها برای ویدئو هستند و فایل‌های صوتی را نمی‌توان به وسیله‌ی آن‌ها فشرده کرد. ویدئویی که به وسیله یکی از این استاندارد‌ها کدگذاری شود، باید همراه با یک فایل صوتی که با استاندارد مرتبط به خودش کدگذاری شده است، در یک «ظرف حمل محتوای دیجیتال» یا کانتِینر بسته‌بندی شود. پیشتر راجع به کانتینرها بیشتر شرح خواهیم داد.

کُدِک های ویدئویی

نباید فرمت‌های کدگذاری ویدئویی را با کدک‌های ویدئویی اشتباه گرفت. نرم‌افزار یا سخت‌افزار مخصوصی که قادر به فشرده‌سازی و یا غیر فشرده‌سازی با بهره برداری از یک استاندارد کدگذاری ویدئویی ویژه باشد، کُدِک ویدئویی (Video Codec) نامیده می‌شود. برای نمونه می‌توان به کدک Xvid اشاره نمود که با بهره برداری از استاندارد MPEG-4 Part 2 ویدئوها را فشرده می‌کند. برای مقایسه‌ی دو اصلاح مطرح شده می‌توان از این مثال استفاده کرد: نسبت «فرمت کدگذاری» به یک «کدک ویدئویی» مانند نسبت «زبان برنامه نویسی C» به یک «کامپایلر» مانند GCC است.

پس این میان تکلیف پسوند فایل‌ها، مانند پسوند مشهور mkv چه می‌شود؟

ظروف حمل محتوای دیجیتال یا کانتِینرها

یکی از اشتباهات رایج دیگر، اشتباه گرفتن «ظروف حمل محتوای دیجیتال» با استانداردهای کدگذاری و یا کدک‌های ویدئویی است. حتماً تا این لحظه تعریف و تمجید از «فرمت mkv» و کیفیت برتر آن درمقایسه با دیگر «فرمت‌ها و یا کدک‌های ویدئویی» را شنیده‌اید. حال آنکه چنین جملاتی از پایه غلط هستند. یک ظرف حمل محتوای دیجیتال (digital container format)، تنها قالبی برای در بر گرفتن ویدئو، صدا، منو، زیرنویس و موارد اینچنینی است. از نمونه ظروف حمل محتوای دیجیتال می‌توان به نمونه‌های پایین اشاره نمود:

(mkv) Matroska، (flv) Flash Video، (avi) AVI، (mov) QuickTime File Format، (mp4) MPEG-4 ، (wmv) Windows Media Video، (۳gp) 3GPP و (vob) Vob

این ظروف یا کانتینرها، تنها قادر اند معلومات محدودی پیرامون‌ی اینکه ویدئو و صدای موجود در فایل به چه فرمتی امکان دارد باشند به ما معرفی دهند. برای نمونه ظرف flv تنها قادر به نگهداری از چند نوع فرمت‌ کدگذاری مانند H.264 است. به علاوه از طرف دیگر فرمت‌های صوتی که این ظرف از آن‌ها خدمات رسانی می‌کند نیز انگشت‌شمار هستند.

mkv اساساً یک ظرف حمل محتوا است، نه یک استاندارد فشرده سازی و یا کدک ویدئویی

این درحالی است که ظرف mkv می‌تواند حدوداً هر فرمت ویدئویی و یا صوتی را در بر بگیرد و در عین حال توانایی‌هایی مانند منو، داشتن چندین فایل صوتی و داشتن چند زیرنویس را نیز معرفی می‌دهد. پس دلیل شهرت mkv ربطی به کیفیت و یا میزان فشرده‌سازی آن ندارد؛ چرا که mkv اساساً یک ظرف حمل محتوا است، نه یک استاندارد فشرده‌سازی و یا کدک ویدئویی.

نرخ بیت یا بیت‌رِیت

اگر بخواهیم جمع بندی کنیم، نرخ بیت یا بیت رِیت (Bit rate) یکی از مهمترین عوامل تعیین‌کننده‌ی کیفیت فایل‌های صوتی و تصویری است. حجم فایل‌های ویدئویی با واحد بیت بر ثانیه بیان می‌شود. نرخ بیت می‌تواند در طول ویدئو ثابت (Constant BitRate) یا متغیر (Variable BitRate) باشد. حتماً از قبل می‌دانید که هر بایت از ۸ بیت تشکیل شده است؛ پس ویدئویی که هر ثانیه از آن ۱ مگابایت فضا اشغال کند، بیت ریتی برابر با ۸ مگابیت بر ثانیه (۸ mbps) خواهد داشت. برای نمونه نرخ بیت ویدئوهای بلو-ری برابر با ۲۰ mbps، DVD استاندارد برابر با ۶ mbps و ویدئوهای ۷۲۰p یوتیوب برابر با ۲.۵ mbps است. با شرایطی که متوجه شده‌اید، نرخ بیت یا به بیان بهتر «حجم فایل ویدئو» تنها عامل تعیین‌کننده‌ی کیفیت آن نیست؛ چرا که به روش تجربی می‌دانیم ویدئوهای HD یوتیوب کیفیت بهتری درمقایسه با DVD دارند.

در حقیقت تمام هنر استانداردهای کدگذاری ویدئویی هم در این است که در یک نرخ بیت ویژه، کیفیت بهتری معرفی کنند. بدین جهت لحظه مقایسه‌ی کیفیت دو فرمت کدگذاری، آن‌ها را در بیت رِیت برابر با هم مقایسه می‌کنند.

اکنون که با اصطلاحات مقدماتی مبحث فشرده‌سازی ویدئو آشنا شدیم، خوب است به مسئله اصلی بازگردیم؛ استاندارد تازه H.265.

هر آنچه پیرامون‌ی HEVC/H.265 باید بدانید

از نمونه دلایل موفقیت و شهرت استاندارد پیشین (H.264) در سال‌های واپسین می‌توان به کیفیت بالای آن در نرخ بیت پایین و خدمات رسانی گسترده‌ی ابزار‌های پخش از آن اشاره نمود؛ بطوری که حدوداً تمامی ابزار‌هایی که ظرف ۵ تا ده سال قبلی ساخته شده‌اند قادرند فایل‌های ویدئویی که با این استاندارد کدگذاری شده‌ باشند را پخش کنند. این استاندارد به علاوه از طرف دیگر بسیار منعطف است و غیر از استفاده در ویدئوهای با نرخ بیت پایین، در ویدئوهای با کیفیت و حاوی نرخ بیت بالا مانند بلو-ری هم استفاده می‌شود.

همزمان با اینکه استاندارد H.264 بازهم کارایی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد، استاندارد تازه ای آمده است تا مرزهای کارآمدی و بهینه بودن کدگذاری ویدئویی را باز هم جابجا کند. این استاندارد که اولین بار در سال ۲۰۱۳ معرفی شد، HEVC یا «کدگذاری ویدئویی پربازده» (High Efficiency Video Coding) اسم گذاری شده و ازآنجایی که آمده است تا جانشین شایسته‌ای برای H.264 باشد، با اسم H.265 نیز شهرت دارد. (در این متن برای جلوگیری از بروز اشتباه، لحظه اشاره به استاندارد تازه از HEVC استفاده خواهیم کرد.)

بهتری اصلی HEVC درمقایسه با H.264 در این است که در کیفیت‌های یکسان، نرخ فشرده‌سازی دوبرابری معرفی می‌کند. این یعنی ویدئویی که با بهره برداری از HEVC فشرده شود، حجمی برابر با نصف ویدئوی مشابهی که با بهره برداری از استاندارد H.264 فشرده شده است اشغال خواهد نمود و در چنین شرایطی ست که که کیفیت هر دو ویدئو حدوداً یکسان خواهد بود.

HEVC بسیاری از خصوصیت‌های خود را از H.264 وام گرفته است؛ برای نمونه در هر دو این استانداردها از تکنیکی با اسم «پیش‌بینی جبرانی حرکت» (motion compensated prediction) برای پیدا کردن فضاهای زائد در یک فریم استفاده می‌شود. منظور از فضاهای زائد، قسمت‌هایی از تصویر است که در چندین فریم تغییری نمی‌کنند و می‌توان به جای تکرار آن‌ها در هر فریم و اختصاص حجم اضافه به این بخش‌ها، تنها یک ورژن از آن‌ها را نگه داشته و در فریم‌های مختلف از همان یک ورژن استفاده کرد. در استاندارد H.264 اندازه‌ی این بخش‌ها به قطعات مربعی شکل ۱۶ در ۱۶ پیکسل محدود می‌شد؛ با اینحال با گسترش این اندازه به ۶۴ در ۶۴ پیکسل در استاندارد HEVC، مقدار فشرده‌سازی ویدئو گسترش چشمگیری خواهد داشت.

دیگر بهبودهای HEVC درمقایسه با استاندارد قبلی که اجازه‌ی فشرده‌سازی بیش از قبل را به آن می‌دهند عبارتند از تقسیم‌بندی بلوک‌ها با سایز متغییر (ariable-block-size segmentation)، فیلتر‌های جبران حرکت (motion compensation filters)، فیلترینگ تطبیقی آفست (adaptive offset filtering) و پیش‌بینی برداری حرکتِ افزایش یافته (motion vector prediction).

اگر دوست دارید با جزئیات فنی هر یک از عبارات بالا آشنا شوید، میتوانید به این صفحه از وبسایت گروه x265 که مسئولیت پیشرفت‌ی استاندارد تازه را بر عهده دارند مراجعه کنید.

از آنجایی که HEVC استاندارد نسبتاً تازه ای به شمار می‌رود، هنوز به اندازه‌ی H.264 با ابزار‌های پخش‌کننده سازگار نیست. بسیاری از ابزار‌ها، «سخت افزار» ویژه برای کدگشایی از ویدئوهای H.264 دارند، همزمان با اینکه سخت‌افزارهایی که قادر به کدگشایی از HEVC باشند بسیار کمتر متداول هستند. با این وجود این به معنای عدم توانایی پخش HEVC بر روی ابزار‌های حال حاضر نیست؛ چرا که غیر از شیوه سخت‌افزاری، به روش نرم‌افزاری نیز می‌توان ویدئوهای HEVC را کدگشایی و پخش کرد. با اینحال مسئله‌ی اصلی اینجاست که کدگشایی نرم‌افزاری از ویدئو هیچگاه به اندازه‌ی کدگشایی سخت‌افزاری بهینه نخواهد بود و اگر می‌خواهید پخش روان و بدون سخت فایل‌های ویدئویی HEVC را تجربه کنید، بهتر از سخت‌افزار شما از آن خدمات رسانی کند.

در اینجا به لیستی از سخت‌افزارهایی که قسمت مخصوصی برای کدگشایی از HEVC در آنها مقرر کرده شده است اشاره می‌کنیم:

• پردازشگر‌های نسل ۶ «اسکای‌لیک» اینتل و یا نمونه‌های تازه تر
• APUهای نسل ۶ «کاریزو» AMD و یا نمونه‌های تازه تر
• کارت‌های گرافیک سری «فیجی» AMD (Radeon R9 Fury/Fury X/Nano) و یا نمونه‌های تازه تر
• کارت‌های گرافیک سری GM206 (GeForce GTX 960/950) و یا نمونه‌های تازه تر
• پردازشگر‌های اسنپدراگون ۸۰۵/۶۱۵/۴۱۰/۲۰۸ کوالکام و یا نمونه‌های تازه تر
• چیپ‌های انویدیا تگرا X1 و یا نمونه‌های تازه تر
• پردازشگر اکسینوس ۵ Octa 5430 سامسونگ یا نمونه‌های تازه تر
• پردازشگر A8 اپل یا نمونه‌های تازه تر

با شرایطی که ملاحظه می‌کنید، اکثر سخت‌افزارهای رایانه های دسکتاپ که در سال ۲۰۱۵ معرفی شده‌اند و همینطور بیشتر سخت‌افزارهای موبایل که از انتهای سال ۲۰۱۴ معرفی شده‌اند از پخش سخت‌افزاری HEVC خدمات رسانی می‌کنند. دلیل اینکه تولیدکنندگان تمرکز خود را ابتدا بر روی خدمات رسانی از HEVC در پردازشگر‌های تلفن هوشمندی معطوف کرده‌اند، قدرت کمتر این پردازشگر‌ها درمقایسه با نمونه‌های شبیه به دسکتاپ است. پردازشگر‌های دسکتاپ حتی اگر به روش سخت‌افزاری هم از HEVC خدمات رسانی نکنند، با استناد به قدرت بالای خود قادر اند ناکارآمدی ناشی از کدگشایی را به شیوه نرم‌افزاری را جبران کنند.

خدمات رسانی سخت‌افزاری از HEVC برای تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها اهمیت بینهایت زیادی دارد؛ چرا که آن‌ها به راحتی نمی‌توانند تنها به وسیله نرم‌افزار HEVC را پخش کنند. با شرایطی که در قسمت پایین سمت راست تصویر پایین می‌بینید، کوالکام در پوستر معرفی اسنپدراگون ۸۱۰ به توانایی خدمات رسانی از HEVC اشاره کرده است.

 اگر رایانه یا لپ‌تاپ شما به روش سخت‌افزاری از HEVC خدمات رسانی نمی‌کند، به معنای عدم توانایی شما در پخش فایل‌های ویدئویی نیست. حتی کامپیوترهایی با سخت‌افزار سال ۲۰۱۱ و پردازشگر سلرون (Celeron) اینتل هم قادر به پخش فایل‌های HEVC هستند. در صورت کلی اگر رایانه شما «خیلی قدیمی» نباشد، در پخش ویدئوهای استاندارد تازه به مشکلی بر نخواهید خورد.

چیزی که بیشتر باید نگرانش باشید، خدمات رسانی نکردن ابزار‌های پخش و تلویزیون‌ها (منظور پخش از روش حافظه‌ی جانبی به وسیله خود تلویزیون است) از استاندارد تازه است. سخت چنین ابزار‌هایی اغلب پردازشگر ضعیف، عدم وجود نرم‌افزار خوب برای کدگشایی به روش نرم‌افزاری یا ترکیبی از این دو دلیل است.

لیست ابزار‌هایی که از HEVC خدمات رسانی نمی‌کنند:

• کروم کست گوگل (نسل یک و دو)
• اپل TV (در چنین موقعیتی بر طبق عده ای گزارش‌ها با بهره برداری از اپ VLC بر روی نسل چهار این ابزار امکان پخش HEVC می باشد)
• رکو (Roku) نسل سه به قبل
• فایر TV آمازون (نمونه ۲۰۱۴)
• تمامی تولیدات تلویزیونی وسترن دیجیتال
• تمامی کنسول‌های پلی‌استیشن
• ایکس‌باکس ۳۶۰

لیست ابزار‌هایی که از HEVC خدمات رسانی می‌کنند:

• Roku 4
• فایر TV آمازون (نمونه ۲۰۱۵)
• ایکس‌باکس وان

لیست بالا ممکن است کامل نباشد، با اینحال نشان می‌دهد که تعداد ابزار‌هایی که از HEVC خدمات رسانی می‌کنند انگشت شمار هستند. ایکس‌باکس وان تنها کنسولی است که قادر به پخش ویدئوی HEVC است؛ که با این وجود آن هم با یک آپدیت و به روش نرم‌افزاری در دست مالکین این کنسول قرار گرفته است.

همزمان با اینکه HEVC مزایای فراوانی دارد، هم اینک تنها کامپیوترها، تلفن‌های هوشمند پیشرفته و طیف کمی از پخش‌کننده‌ها و کنسول‌ها قادر به پخش آن هستند و این یکی از معایب استاندارد تازه درمقایسه با استاندارد قدیمی به شمار می‌رود.

از سخت‌افزار که بگذریم، هر نرم‌افزاری نیز قادر به پخش فایل های کدگذاری شده به شیوه HEVC نست. ویندوز ۱۰ به روش پیش‌فرض قادر به پخش فایل‌های HEVC از روش اپ Films & TV و یا نرم‌افزار Windows Media Player است. به علاوه از طرف دیگر در ورژن‌های قدیمی‌تر ویندوز نیز میتوانید از نرم‌افزارهای VLC و یا MPC-HC (مدیا پلیر کلاسیک) برای پخش این فایل‌ها استفاده کنید.

اگر از Mac OS X یا iOS استفاده می‌کنید، VLC بهترین انتخاب برای شما است. در اندروید نیز اگر سخت‌افزار ابزار شما به نسبت قوی است، می‌توان از MX Player برای پخش HEVC به روش نرم‌افزاری استفاده کرد.

در قسمت‌های بعد به مقایسه‌ی عملکرد HEVC لحظه پخش در مقایسه با H.264، چگونگی مبدل فایل‌ها به وسیله استاندارد تازه و مقایسه‌ی کیفیت ویدئوهایی که به وسیله این دو استاندارد فشرده شده‌اند خواهیم پرداخت.

این مقاله ادامه دارد…