مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC

این بار مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC

با رشد روزافزون استریمینگ ویدئوها در بستر اینترنت از طریق وب سایت های معروف مانند Netflix و YouTube و همچنین با توجه به رزولوشن های بالای دوربین های فعلی، نیاز به فضای ذخیره سازی و همچنین پهنای باند، بیش از پیش احساس می شود. لذاHEVC /H.265  برای کاهش حجم داده ها معرفی شد. اما اکنون، از یک استاندارد جدید رمزگذاری ویدئویی به نام Versatile Video Coding (VVC)، که تحت عنوان MPEG-I Part 3 یا H.266 نیز شناخته می شود، جهت بازدهی بیشتر کدگذاری تا حدود 50 درصد در مقایسه با H.265 HEVC  رونمایی شده است . تفاوت بین  HEVC و جانشین آن VVC چیست؟

با ما در مقایسه H  .266 VVC با H.265 HEVC همراه باشید.

محتوای این مقاله

• تاریخچه
• کارایی فشرده سازی
• اجرای کد گذاری
• مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC از لحاظ فنی
• تطبیق فناوری

تاریخچه H.266 VVC و H.265 HEVC

H.264 AVC  به مدت 17 سال از طریق بستر اینترنت، تلفن های همراه، تلویزیون هایHD، رایانه ها، سایر حافظه ها و سایر پلتفرم های انتقال داده به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است و از رزولوشن SD تا 4K (4096 × 2304)  نیز پشتیبانی می کند. اما با رشد سریع و قابل توجه 4K  و رزولوشن های بالاتر، H.264 همیشه نمی تواند بازدهی مورد نیاز ما را تأمین نماید. لذا جهت پاسخگویی به نیاز برنامه های چندرسانه ای در حال ظهور، یک استاندارد جدید کدگذاری ویدئویی با نسبت فشرده سازی بالاتر مورد نیاز است.

10 سال پس از انتشار H.264، H.265 HEVC  به عنوان جانشینی برای آن ظاهر شد. H.265 HEVC کاهش 50 درصدی پهنای باند را برای ویدئوهایی با کیفیت یکسان نسبت به H.264 ارائه نمود. از سوی دیگر، این فناوری قابلیت پشتیبانی از فیلم های UHD تا 8K با سرعت 120 فریم در ثانیه را نیز دارا است.

VVC چیست؟ آیا این یک استاندارد انقلاب گونه جهت کدگذاری ویدئو است؟ خیر، VVC اساسا تکاملی است که بر اساس فن آوری های استفاده شده در HEVC ساخته شده است. به طور خلاصه، VVC H.266  گامی به سمت فشرده سازی رزولوشن های 8K و  بالاتر است. از سال 2015، JVC  شروع به بررسی استانداردهای کدگذاری ویدیویی با قابلیت هایی فراتر از HEVC  کرده و در سال 2020، فرانهوفر HHI  نیز همراه با شرکایی مانند اپل، اریکسون، اینتل، هواوی ، مایکروسافت، کوالکام و سونی، تحقیقاتی را در این زمینه آغاز نموده است.

تفاوت های  VVC و HEVC

مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC: بازدهی فشرده سازی

در مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC ،H.265 HEVC می تواند بدون تخریب کیفیت تصویر، حجم داده ها را با نرخ بیتی تا حدود 50٪ کاهش دهد. به طور ویژه، دپارتمان تحقیق و توسعه BBC  دریافت که عملکرد  VVC به میزان 27٪  بهتر از HEVC برای سکانس های  HD و 35٪ برای سکانس هایUHD  می باشد. با طراحی ویژه برای  پخش 4K و 8K ، کاهش حجم داده ها کمک قابل توجهی به بازپخش و پخش محتوای ویدئویی 8K HDR در تلویزیون های آینده، تلفن های هوشمند و سایر دستگاه ها می نماید. به هر حال، امروز مشاهده یک فیلم سینمایی 8K HDR  معمولی در Netflix نیاز به مصرف حجمی معادل 6 تا 20 گیگابایت در ساعت دارد. کاهش این رقم به نصف یا یک چهارم، به معنای فیلم های بیشتر و محدودیت اطلاعات کمتر است.

بازدهی H.266VVC  در مقابل H.265 HEVC

VVC  قرار است از موارد زیر پشتیبانی نماید:

• وضوح تصویر از 4K تا 16K و همچنین فیلم های 360 درجه
• فضاهای رنگی YCbCr با نمونه برداری 4:2:0، 10 بیتی
• YCbCr/RGB 4:4:4  و YCbCr4:2:2
• کانالهای کمکی (شفافیت، عمق و غیره)
• رنج دینامیکی بالا (HDR) و گستره رنگی بالاتر
• عمق بیت تا 16 بیت در هر جزء
• نرخ فریم ثابت و متغیر
• اسکن های متوالی

شکل 3. مشخصات H.226 VVC

کدگذاری

در مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC مزایای بازدهی فشرده سازی بالاتر در H.266 VVC نسبت به پیچیدگی رمزگذاری 10 برابر یا بیشتر در قیاس با H.265 HEVC قابل بررسی است. نتایج آزمایش های حاصل از نرم افزار مرجع VVC VTM نشان می دهد که کدگذاری H.266 نسبت به H.265  حدود 10 برابر پیچیده تر بوده و رمزگشایی آن حدود 1.7 برابر پیچیده تر است. طبق اظهارات دپارتمان تحقیق و توسعه  BBC، رمزگذاری  VVC  حدود 6.5 برابر بیشتر از HEVC طول می کشد و مدت زمان رمزگشایی آن نیز حدود 1.5 برابر بیشتر است.

باید به این نکته  توجه کرد که کدگذاری HEVC با بهره گیری از منابع پردازشی موجود در سخت افزارهای امروزی نیز از چنان سرعت بالایی برخوردار نیست، از آنجا که استفاده از H.266  به طور مثال برای  دستگاه های تلفن همراه نیاز به منابع پردازشی قدرتمندتری نسبت به HEVC دارد. در نتیجه تولید سخت افزاری که بتواند از VVC پشتیبانی کند، خود یک چالش است.

مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC از لحاظ فنی

برای دستیابی به بازده فشرده سازی بهتر، H.266 VVC  رویکردهای متعددی جهت بهبود الگوریتم فشرده سازی در مقایسه با H.265 HEVC ایجاد نموده است. در مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC می‌توان به دو مورد اشاره کرد:

• مسدود کردن پارتیشن بندی

هر فریم ویدئویی کدگذاری شده به بلوک های بزرگتر یا کوچکتر تقسیم می شوند که در HEVC / H.265 واحدهای کدگذاری درختی (CTU) نامیده می شوند. CTU یکی از اصلی ترین ابزارهای برنامه نویسی HEVC است و اندازه آن می تواند از 4 × 4 تا 64 × 64 پیکسل باشد. حداکثر اندازه CTU در VVC برابر با 128 × 128   پیکسل است و یک CPU با یک درخت چهارتایی با طرح درخت های متنوع تودرتو (QTMT) تقسیم می شود. در HEVC ، چندین مفهوم پارتیشن بندی وجود دارد، از جمله CU ،PU و VVC  .TU این مفاهیم را با CU یکی دانسته و این انعطاف پذیری، امکان مدل سازی دقیق محتوای ویدئویی را فراهم می نماید.

شکل 4. الگوریتم کدینگ HEVC در مقابل VVC

• Intra Prediction

مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC در حالت Intra preiction در H.265 /HEVC ، 35 حالت Intra Prediction وجود دارد. H.266 / VVC حالت های داخلی را به 67 مورد افزایش داده است. HEVC اکنون علاوه بر بلوک های مربع شکل از بلوک های مستطیل شکل نیز پشتیبانی می کند. به این ترتیب می توان دقت بالای پیش بینی را به عنوان مزیتی جهت چشم پوشی از پیچیدگی محاسباتی بالای این روش در نظر گرفت .

Transform and Quantization

H.266 VVC  حداکثر اندازه بلوک تبدیل را از  4×4  در H.265 HEVC به 64×64  افزایش می دهد. این مورد به ویژه در خصوص محتوای HD و Ultra-HD بسیار مفید است. علاوه بر آن، دو نوع DCT و DST اضافه شده است تا به رمزگذار اجازه دهد بهترین تبدیل ها را انتخاب نماید. حداکثر پارامتر کمی سازی نیز از 51 در H.265 HEVC  به 63 در H.266 VVC افزایش یافته و یک مقدار جدید اسکالر وابسته نیز معرفی می گردد. جدول مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC بصورت زیر است:

ابزار	HEVC	VVC
ابعاد پارتیشن	واحد کدگذاری: 8×8 تا 64×64	واحد کدگذاری: 4×4  تا 128×128
پارتیشن بندی	تبدیل: QT پیش بینی: QTBT	QTBT + TT (NS, QT, BTx2, TTx2= 6 partitions)
پیش بینی درونی	35 پیش بینی کننده	81 مد: 65 مثلثی+ تخت+ DC+ Sub 6-MPM MRL پیش بینی ماتریس وزنی Luma, PDPC,، ترکیبی، رنج زاویه ای گسترده، پارتیشن بندی درونی
پیش بینی میانی	1/4 Pixel luma MV 2  فیلتر درون یابی برای MC	1/16 Pixel luma MV 2 تا فیلتر درون یابی برای MC DMVR Sub-PU MV Pred (ATMVP, Affine) GBi, BDOF, Triangular, Multi-hyp MMVD, HMVP, Pairwise Enhanced MV coding, AMVR, SMVD
تبدیل	تبدیل های مبتنی بر DCT مربعی 1 تبدیل مبتنی بر DST4x4	DCT2 (up to 64×64) + MTS (<=32×32, DST7, DCT8, independent H/V) ضریب کدینگ :  HEVC + طراحی  DQ
کدگذاری آنتروپی	CABAC	CABAC + کمی سازی وابسته اسکالر+ LUT مبتنی بر CAE
فیلترهای حلقوی	Deblocking SAO	Deblocking SAO ALF LMCS

مقایسه H.266 VVC با H.265 HEVC از لحاظ تطابق

H.265 در اکثر موبایل های مدرن و دوربین های  4K استفاده می شود و تقریبا همه سخت افزارهای جدید، اکنون GPU مورد نیاز برای HEVC را فراهم می کنند. نرم افزارها و سخت افزارها برای پشتیبانی از H.266 VVC نیاز به توسعه بیشتری دارند. همچنین تراشه های جدید در دست توسعه هستند. بعید است که حداقل تا سال 2021 شاهد کدک های H.266 بر روی تلفن های هوشمند و دوربین ها باشیم. اما پس از اجرا، VVC می تواند منجر به کاهش شدید ترافیک در سرویس هایی مانند Amazon Prime Video ،Hulu و Netflix  گردد.