در این مقاله به توضیح ساده نحوه عملکرد فرمت ویدیویی کدگذاری پربازده یا HEVC/H.265 میپردازیم و از دلایل اهمیت آن در ویدیوهای 4K میگوییم.
استفاده از تلوزیونهای 4K روزبهروز در حال گسترش است و ویدیوهای 4K هرروز رواج بیشتری مییابند؛ اما فضای زیادی اشغال میکنند و به همین علت دانلود و استریم آنلاین آنها با بالاترین کیفیت، کار دشواری است. خوشبختانه توسعه یک فناوری درحال تغییر این وضعیت است. این فناوری با نام کدگذاری ویدیویی پربازده یا HEVC/H.265 شناخته میشود.
البته این فناوری هنوز آنطور که باید فراگیر نشده؛ اما بهتدریج در حال شناخته شدن است. امروزه بلوریهای 4K UHD از فناوری HEVC استفاده میکنند، نسخه 3.0 نرمافزار VLC امکان مشاهده ویدیو با فرمت HEVC و 4K را روی کامپیوتر مهیا میسازد و آیفون هم امکان ذخیرهسازی ویدیو با فرمت HEVC را فراهم کرده است تا فایلهای ویدیویی فضای کمتری اشغال کنند. اما نحوه عملکرد این فناوری چگونه است و چرا تا این حد در مورد ویدیوهای 4K اهمیت دارد؟
استاندارد فعلی AVC/H.264
وقتی از طریق دیسک بلوری، یوتیوب یا آیتونز به تماشای ویدیویی میپردازید، این ویدیو مشابه نسخه خامی نیست که در اتاق تدوین تهیه شده است. برای این که حجم فایلها متناسب با دیسکهای بلوری باشد یا به اندازه کافی کوچک شود تا از طریق اینترنت قابل دانلود باشد؛ باید ویدیو را فشرده کرد. کدگذاری پیشرفته ویدیو یا AVC/H.264، در حال حاضر متداولترین استاندارد فشردهسازی است و از طریق روشهای مختلف، حجم فایل ویدیو را کاهش میدهد.
کدگذاری پیشرفته ویدیو، در هر فریم به دنبال نقاطی میگردد که تقریباً همرنگ هستند. برای مثال در عکس زیر، بیشتر بخشهای قسمت بالای عکس که به آسمان مربوط میشود، آبیرنگ است. الگوریتم فشردهسازی، تصویر را به بخشهایی که به آن ماکروبلاک گفته میشود، تقسیم میکند و به جای اینکه رنگ هر پیکسل را جداگانه ذخیره کند، رنگ همه بخشهای بالایی عکس را آبی در نظر میگیرد. این کار نسبت به ذخیرهسازی رنگ تکتک پیکسلهای یک فریم بسیار کارآمدتر است و حجم نهایی فایل را کاهش میدهد. به این روش، فشردهسازی درون فریمی میگویند. درواقع در این شیوه، فشردهسازی اطلاعات بر اساس هر فریم صورت میگیرد.
AVC همچنین از روش فشردهسازی بین فریمی هم استفاده میکند. الگوریتم فشردهسازی در این روش، با بررسی چندین فریم، به متحرک یا ثابت بودن بخشهای مختلف فریمها پی میبرد. بهعنوان مثالی دیگر، تصویر زیر از فیلم کاپیتان آمریکا: جنگ داخلی را در نظر بگیرید. در این تصویر پسزمینه تغییر چندانی نمیکند و تفاوت فریمها در چهره و بدن آیرونمن است. درنتیجه الگوریتم فشردهسازی، فریم را به ماکروبلاکهایی تقسیم میکند و با توجه به اینکه این بخشها در ۱۰۰ فریم تغییر نمیکنند، بهجای ۱۰۰ بار ذخیرهسازی کامل هر فریم، تنها بخشهای ثابت آن را تکرار میکند. این شیوه حجم فایل را به شکل چشمگیری کاهش میدهد.
اینها تنها دو مثال بسیار ساده برای توضیح شیوه عملکرد AVC/H.264 بودند. هدف اصلی فناوری AVC/H.264 کاهش حجم فایلها بدون قربانی کردن کیفیت نهایی تصویر است. باید توجه داشت که هر فایل ویدیویی با فشردهسازی بیش از حد، دچار کاهش کیفیت میشود و هرچه الگوریتمهای فشردهسازی هوشمندانهتر طراحی شده باشند؛ امکان فشردهسازی فایلها تا جای ممکن مقدور میشود.
فشردهسازی کارآمد ویدیوها به وسیله HEVC/H.265
کدگذاری ویدیویی پربازده که با عنوان HEVC یا H.265 هم شناخته میشود، الگوریتمهای پیش از خود را تکامل بخشیده است. این روش برای فشردهسازی کارآمدتر ویدیوها، بسیاری از شیوههای AVC/H.264 را به شکل بهینهتر استفاده میکند. برای مثال هنگامی که AVC در فریمهای متعدد به دنبال تغییرات میگردد، این ماکروبلاکها با شکلها و اندازه مختلف، حداکثر میتوانند تا سقف ۱۶ در ۱۶ پیکسل باشند؛ اما در HEVC اندازه این بخشها تا ۶۴ در ۶۴ پیکسل افزایش یافته است. با این شیوه الگوریتم تعداد بخشهای کمتری را ذخیره میسازد و این باعث کاهش اندازه ویدیوی نهایی میشود. برای توضیحات فنی بیشتر در مورد این شیوهها میتوانید به این لینک مراجعه کنید.
توضیحات ارائهشده تنها بخشی از عملکرد HEVC را تشریح میکنند؛ با بیان این مقدمات اگر بخواهیم به نتیجه خروجی این الگوریتم نگاهی داشته باشیم، باید گفت که HEVC قابلیت کاهش حجم فایلها تا دو برابر بیشتر از AVC و حفظ کیفیت تصویر در همان حد را دارد. این موضوع بهخصوص در مورد ویدیوهای 4K، از اهمیت بالایی برخوردار است؛ زیرا با استاندارد AVC حجم این ویدیوها بسیار زیاد میشود. HEVC باعث میشود ویدیوهای 4K بهسادگی استریم یا دانلود شوند و مشکل کمبود فضای هارددیسک کاربران تا حدی حل شود.
HEVC بدون رمزگشایی از طریق شتابدهی سختافزاری، کند است
با وجود اینکه HEVC از سال ۲۰۱۳ بهعنوان یک استاندارد شناخته میشود؛ اما هنوز همه ویدیوها از این فناوری استفاده نمیکنند. الگوریتمهای فشردهسازی پیچیدگی بالایی دارند و برای اجرای آنها محاسبات بسیار زیادی باید هنگام پخش ویدیو بهصورت بلادرنگ انجام شود. کامپیوترها عمدتا به دو روش قادر به رمزگشایی این ویدیوها هستند. روش نخست رمزگشایی نرمافزاری است که در آن برای انجام محاسبات مورد نیاز از پردازنده مرکزی استفاده میشود و دومین روش رمزگشایی سختافزاری است که وظیفه رمزگشایی در این شیوه بر عهده کارت گرافیک یا تراشه گرافیکی پردازنده مرکزی است. قابل ذکر است که کارتهای گرافیک در این زمینه بسیار کارآمدتر هستند؛ زیرا بهصورت پیشفرض از کدکهای لازم برای پخش ویدیو پشتیبانی میکنند.
HEVC با حفظ کیفیت تصویر، امکان کاهش حجم فایلها تا دو برابر بیشتر از AVC را دارد
بسیاری از کامپیوترها و برنامهها میتوانند اقدام به پخش ویدیوهای HEVC کنند؛ اما فرایند پخش بدون وجود شتابدهنده سختافزاری ممکن است با وقفههای پیدرپی یا سرعت پایین مواجه شود. درنتیجه بدون داشتن یک کارت گرافیک و نرمافزار پخشکننده ویدیویی که از رمزگشایی سختافزاری HEVC پشتیبانی کند، این فناوری کارایی چندانی برای کاربران ندارد.
این موضوع برای دستگاههای مخصوص پخش ویدیوی 4K مانند آنچه در Xbox One به کار رفته است مشکلی ایجاد نمیکند؛ زیرا همه این دستگاهها با در نظر گرفتن استاندارد HEVC ساخته شدهاند. اما زمانی که صحبت از پخش ویدیوی HEVC در کامپیوتر میشود موضوع کمی پیچیدهتر است. زیرا کامپیوتر کاربر برای رمزگشایی سختافزاری این ویدیوها، به یکی از سختافزارهای زیر نیاز دارد:
نسل ششم پردازندههای اینتل اسکایلیک یا مدلهای جدیدتر
نسل ششم پردازندههای AMD کاریزو یا مدلهای جدیدتر
NVIDIA GeForce GTX 950, 960 یا مدلهای جدیدتر
AMD Radeon R9 Fury, R9 Fury X, R9 Nano یا مدلهای جدیدتر
علاوه بر اینها، کاربران برای پخش فایلهای HEVC، به سیستمعامل و نرمافزار پخشکننده ویدیویی نیاز دارند تا نهتنها از پخش ویدیوهای HEVC ؛ بلکه از فناوری رمزگشایی سختافزاری HEVC هم پشتیبانی کند. بسیاری از پخشکنندهای ویدیویی هنوز در حال افزودن قابلیت پشتیبانی از رمزگشایی سختافزاری HEVC به نرمافزارهای خود هستند و برخی از آنها فقط با تراشههای خاصی از لیست بالا کار میکنند. در زمان نگارش این مقاله VLC 3.0 ،Kodi 17 و Plex Media Server 1.10 به شکل محدود و در برخی از تراشههای خاص از این فناوری پشتیبانی میکنند. اگرچه ممکن است برای پخش درست این ویدیوها، کاربر مجبور به فعالسازی قابلیت شتابدهی سختافزاری در پخشکننده مد نظر خود باشد.
همانطور که امروز فرمت ویدیویی AVC به شکل گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد، قطعا با گذشت زمان کامپیوترها و پخشکنندههای بیشتری قادر به پشتیبانی از فرمت ویدیویی HEVC خواهند بود و بالاخره یک روز گستردگی HEVC به اندازه AVC خواهد رسید. اما کاربران تا رسیدن آن زمان مجبورند همچنان ویدیوهای 4K را با فایلهایی حجیم و فرمت AVC/H.264 ذخیره یا با فشردهسازی بیش از اندازه این فایلها، از کیفیت تصاویر صرف نظر کنند.