UpALL
leftbotoms
 
articles

Общая оценка подбора битрейта для HD телевидения
(версия для журнала)

cover

Эти Великие и Ужасные 8 mb/s...
CUT Version

С 12 по 16 мая 2008 года в Москве в Экспоцентре проходила выставка «ТВЧ Россия 2008». В рамках этой выставки  была проведена Конференция "Телевидение Высокой Четкости как перспектива развития цифрового телевизионного вещания в России". Наверное, так как переход на HDTV все-таки произойдет, было бы крайне неверно пропустить такое событие. Тем более, что надо отдать должное организаторам, вопросы на конференции  разбираются серьезные и список докладчиков вызывает уважение.
Вот именно один из вопросов, который настойчиво и очень часто преподносится как некая аксиома, и хотелось бы рассмотреть подробней.
Вопрос этот касается скорости передачи цифрового потока, а именно этой неоднозначной величины в 8 Мбит/сек, которую преподносят как нечто абсолютно утвержденное и удовлетворяющее всем нуждам зрителей ТВЧ (или может быть только вещателей).
В качестве некоторого предисловия к проблеме, хотелось бы сделать одно очень важное замечание.
При определении потока кодирования с потерями всегда выбирается одно из двух главных направлений, определяющих качество.

1-е направление.
Получение максимально возможного качества. При этом подбирается поток с минимумом предпроцессинга и при этом качество кодирования сравнивается с оригиналом.
2-е направление.
Подбирается предпроцессинг под жестко лимитированный поток. При этом сравнение с оригиналом не предусматривается.
В свое время, а именно при появлении формата DVD пришлось серьезно заниматься всеми аспектами кодирования в MPEG и условиями получения максимального качества при минимальном значении потока. Естественно первая попытка была очень простой – путем подбора кодека. После нескольких попыток «на свалку» были выброшены аппаратные кодеки. Их сферу применения можно охарактеризовать где-то так - «Если у вас совсем нет времени, тогда вы применяете аппаратные кодеки, во всех остальных случаях – применяются программные кодеки».
Главное преимущество программных кодеков в их гибкости. Вы получаете возможность подбирать фильтрацию (а качество фильтрации очень высокое), шкалы квантования, количество проходов (до 20 проходов) и самое главное – вы получаете возможность пофрагментно перекодировать отдельные участки потока для минимизации артефактов.
Для проведения тестов на качество кодирования мы сделали синтетический тест на основе двухмерной графики. Тест был сделан с учетом визуальной оценки качества кодирования не только яркостного канала, но и позволял понять, как кодируются каналы цветности. Так как мы не являемся производителями кодеков, то тест был задуман как крайне жесткий, с минимально возможной избыточностью.
Результат применения этого теста дал очень показательные данные. Без использования low-pass фильтра и сокращения шкалы квантования тест проходил с минимумом артефактов, начиная с 14 Мбит/сек при многопроходном кодировании, причем многопроходность переставала влиять уже после 3-х проходов. Результаты оценивались на профессиональном телевизионном мониторе 21 дюйм и компьютерном ЖК-дисплее также 21 дюйм с расстояния около 30-40 см.
Все это говорит о том, что условно качественный сигнал в полной полосе и стандартном разрешении в MPEG2 SDTV можно получить, начиная с 16 Мбит/сек при наличии некомпрессированного сигнала на входе.
Следующим этапом была задача понять, какой поток MPEG2 без применения предпроцессинга и сокращения квантования позволяет получить вид несжатого сигнала SDTV. Пробовались только программные кодеки, которые позволяют работать с потоками выше 16 Мбит/сек. Результат получился очень интересный – пиковое значение – 40 – 50 Мбит/сек, среднее – около 30 Мбит/сек. Лучше всего, если GOP = 3 – 6.
Таким образом, получилось значение очень похожее на формат BETACAM IMX.
Все эти мини исследования проводились в принципе для решения еще одной практической задачи.
Довольно часто приходится создавать рекламные видеоматериалы для показа на выставках. Бюджет таких роликов не очень большой, так как они используются чаще всего один-два раза. Съемка соответственно производится на DVCAM SONY DSR-400 (для своей цены имеет отличную управляемость динамическим диапазоном, детализацию и цвет в области хайлайтов, конечно при соответствующей настройке). Видеоматериал же на выставке показывается на довольно большой плазменной панели. Это сегодня можно поставить недорогой компьютер и показывать 50 Мбит/сек, а до появления SATA-2 жестких дисков самым простым решением были DVD. Но сам формат DVCAM естественно в силу его 25 Мбит/сек не очень подходит для прямого кодирования в DVD с необходимой детализацией. Можно конечно все замылить, но вас просят сделать рекламу, со всеми присущими ей визуальными особенностями.
Вот с этого момента стало понятно, что самую главную роль в кодировании играет не само кодирование или процессы по убиванию качества перед кодированием. Самым важным является качество исходного материала (вернее насколько он был сжат, поскольку даже шум на несжатом видео проще кодируется без предпроцесса).
Очень больший эффект дает планирование и организация съемок с учетом алгоритмов работы формата MPEG. Наверное, здесь можно сразу отметить некоторые особенности – недопустимость работы трансфокатором, движение строго по горизонтали или вертикали, работа с маленькой глубиной резкости и т.д. В целом – как можно меньше движения на экране. Лучший вариант вообще - просто показывать фотографии (а это уже любимые кадры изготовителей демо-материалов для показа качества работы кодеков и сжатых видеоформатов). Вот такую творческую несвободу мы имеем из за увлечения сжать все до невообразимых состояний.
Кстати на сайте британской телекомпании BBC в свободном доступе вы можете найти один любопытный документ. Это рекомендации отдела R&D ВВС касательно того, что желательно и что нежелательно делать, если дальше все превращается в MPEG. Да, да знаю, какое выражение лица бывает у некоторых наших работников телевидения при упоминании BBC. Ну а у кого еще есть такой эффективный отдел R&D?
Так вот теперь о телевидении высокой четкости (ТВЧ).
Из всего этого опыта работы в стандартном разрешении (ТСЧ) вывод может быть один – по принципу работы кодирование ТВЧ не может чем-то отличаться от кодирования ТСЧ.
Да, я понимаю, что сейчас массированно продвигается формат H.264 под различными названиями и обещаниями чудес с минимальными потоками.
Если вы внимательно прочитаете спецификации этого метода кодирования, то получите где-то 20 – 25% выигрыша по сравнению с MPEG2, чуть лучше в области 2-4 Мбит/сек.Но при таком потоке это будет с трудом напоминать даже профессионально конвертированный в 720p сигнал стандартного разрешения.
Для одной московской компании, планирующей выпуск Blue-Ray, мы проводили ряд экспериментов в области апконвертинга сигналов ТСЧ в ТВЧ с последующим кодированием в форматы, поддерживаемые Blue-Ray.
Вот некоторые результаты при просмотре на 26 дюймовом компьютерном мониторе с расстояния 30 см при среднем потоке 15 Мбит/сек и максимальном 30 Мбит/сек.

  1. без предпроцессинга появляются артефакты даже на статичных сценах в силу остаточного шума от аналогового сигнала BETACAM.
  2. При использовании low-pass фильтра пропадают очень заметные артефакты, но и падает общее ощущение четкости на неконтрастных сценах.
  3. при использовании low-pass фильтра и аппаратного шумоподавителя Snell & Wilcox получается в целом неплохая чистая картинка, но иногда есть некоторое ощущение пластилина (при этом все равно в отдельных сценах артефакты есть)

   Здесь нелишне упомянуть, что кодирование проводилось в форматах MPEG2, H.264 и VC-1 с использованием двухпроходного программного кодека с возможностью последующего пофрагментного перекодирования для оптимизации качества. Кодек создавался одной очень известной компанией специально для профессионального авторинга дисков Blue-Ray и по нашему мнению великолепно работает для коэффициента сжатия 1:50 (наверное, такую избыточность может иметь только черный квадрат).
Результат, который мы получили, почти не зависит от применения различных форматов кодирования (MPEG2, H.264, МС-1). Если качество сигнала высокое, то и качество кодирования минимально отличается от формата к формату. Так же себя ведут кодеки и при агрессивном предпроцессинге. Разница проявляется только на экстремально низких битрейтах, где отличить получаемое качество ТВЧ от ТСЧ можно только по размеру кадра.
Всё-таки, надо признать, что при использовании H.264 качество было несколько лучше. Но, скорее всего без сравнения рядовой потребитель на бытовом мониторе вряд ли сможет увидеть разницу в качестве, скажем по сравнению с MPEG2.
И вот здесь нелишне напомнить, что это был сигнал, полученный из ТСЧ.
При тестовых кодированиях сигнала XDCAM HD (Мбит/сек,1440Х1080i50), например, ситуация развивалась заметно хуже – артефакты при перекодировании с меньшим потоком на сложных фрагментах резко возрастали (фотовспышки на фэшн-шоу). Это говорит о том, что при съемках такого рода событий вы всегда должны помнить о дополнительных планах, минимизирующих общее количество движения в кадре.
Вообще есть довольно странный и не очень простой способ, как из сжатого видео получить иллюзию несжатого видео, по крайней мере, для некоего обмана кодека. Этот метод является одной из разновидностей постпроцесса. Кстати именно так поступают на BBC, Discovery Channel и ряде других зарубежных каналах, для которых качество является фирменным знаком, как в плане качества изображения, так и в плане содержания программ. Производится стилизация видео, в результате которой вы максимально изменяете динамические параметры картинки. В свое время именно так мы решили проблему использования DVCAM для создания рекламных материалов под относительно большие экраны с применением DVD. Все это конечно не дело пяти минут, но при отработанном процессе главное утвердить с заказчиком направление стилизации.
Очень часто можно услышать, что постпроцесс это очень дорого. К сожалению, для того чтобы выглядеть сегодня на рынке видеопроизводства адекватно, приходится и этим заниматься тоже. Ну а если у вас есть заказчики рекламных материалов, которые не требуют небо голубее, траву зеленее и загорелые лица еще более загорелыми, тогда храните, берегите и ублажайте их. Они уникальны и просто несут золотые яйца.
Итак, вернемся к потокам.
Конечно самая главная статья по сокращению потока это разрешение. И цифровое телевидение просто как будто создано для этих фокусов. Обычно никто никогда не упоминает про эту возможность.
Да, действительно, глаз человека видит не количество пикселей, а динамический диапазон. И посему все очень небрежно обращаются с разрешением, тем более что бытовые телевизоры в ТСЧ частенько показывают не более 2-3 МГц. Имеется большое количество примеров принудительного уменьшения разрешения. Pixel-shift в видеокамерах, сокращение разрешения даже в профессиональных видеоформатах, и просто вещание на эфирных и спутниковых каналах со значительным сокращением размеров кадра. При просмотре у потребителя все равно любые высокочастотные артефакты маскируются низкой полосой пропускания самих телевизоров.
Исходя из всего этого становится понятно, почему в США средний поток для неспортивного ТВЧ составляет 19 Мбит/сек (по данным из просмотра видеофрагментов со взломанных каналов). Может быть, это среднее значение меньше, но видимо тогда каналы с низким потоком никто не взламывает и не выкладывает контент в интернет, что само по себе показательно.
Если предположить, что при этом используется несжатое видео на входе, адаптируются планы с высоким текстурированием, не используют сложные задние планы, то, наверное, можно получить при таком потоке в целом терпимую картинку на выходе (но все равно, не для ЖК дисплея с диагональю 52 дюйма).
Наверное, соблюдая некоторые правила и разумно ухудшая качество на входе кодека, можно добиться вполне пристойного качества видео неспортивной тематики, применяя еще и H.264 на потоке около13 Мбит/сек при 720р25 (поток меньше еще и за счет того, что в России не 30, а 25 кадров в секунду). Но все-таки самым важным станет размер экрана и расстояние до зрителя.
Так как нам приходится снимать еще и концерты, то по нашим сегодняшним представлениям поток для дальнейшего кодирования концертов (на фоне светодиодных экранов и с высыпающимися сверху металлизированными конфетти) должен быть в итоге у потребителя не хуже 35 Мбит/сек. Естественно при кодировании из сигнала с минимальной компрессией. Это позволит смотреть такие видеосигналы на экранах наверно до 52 дюймов с расстояния 4-5 метров без сильно заметных артефактов (хотя low-pass фильтрацию в любом случае придется подбирать).

В целом же если переходить на ТВЧ, то в первую очередь необходимо решать главный вопрос – мы хотим сделать так, чтобы ТВЧ было у людей в домах, или чтобы ТВЧ было только у нас на телецентрах  и в студиях, а у зрителей было только то, что они будут с недоумением называть ТВЧ. Выбрав направление в решении этой дилеммы, мы и выберем соответствующий поток.
У маленького потока, конечно же, есть масса плюсов. Вы можете не сильно думать о контенте, потому что вполне подойдет и апконвертинг из ТСЧ, при съемке не надо тратиться, например, на дорогой макияж (если не снимать много детальных и крупных планов), всё равно компрессия убьет динамический диапазон в оттенках телесных тонов и т.д. Ну и главное – маленький поток легче передавать и проще хранить. А вот на световом оборудовании сэкономить не удастся, хотя телепередачи уже давно пытаются убедить нас в обратном.
Может быть, для бесплатного канала, низкий поток решение вынужденное. Но не для платного. Наверное, для того чтобы заставить зрителей платить за 8 mbit/s, сначала надо показывать людям года два поток 0,5 Мбит/сек в ТСЧ, отобрать у них все домашние камкордеры, отключить интернет, а уж потом давать им такое низкопоточное ТВЧ.
Кстати лично мне кажется, что именно интернет сегодня определяет продвижение ТВЧ в нашей стране. В интернете вы можете найти большое количество фильмов и музыкальных программ в различных форматах ТВЧ. Учитывая то, что их смотрят на компьютерных мониторах, то и требования к потокам этого контента невысоки, так как в основном это мониторы  не более 24 дюймов. В дальнейшем же качество этих видеоматериалов из интернета будет расти вплоть до оригинального, соответствующего спутниковому первоисточнику или диску Blue-Ray. Возможно, что при входящей скорости интернета около 6 Мбит/сек. продвинутый пользователь  просто будет, уходя на работу оставлять компьютер на закачку, а прийдя с работы на ужин с пивом будет смотреть свежескачанный фильм с качеством Blue-Ray. В Москве сегодня это уже реальность. Стоимость – только месячная плата за безлимитный интернет, ну и конечно мозги, работающие на получение халявы. А с изобретательностью в России всегда было все в порядке. У тех же кто не силен в интернет- технологиях, всегда есть друзья, которые с радостью сбросят вам на переносной жесткий диск то, что они скачали за прошлые сутки. Тоже чисто наша Российская особенность.
И все-таки надо сказать, что поступление к рядовому потребителю высококачественного видеосигнала удерживается, видимо не техническими аспектами. Скорее маркетинговыми.
В эпоху «развитого телевидения стандартной четкости», в которую мы сейчас и живем, схема доступности качества выглядит где-то так:

  1. сигналы, которые раньше назывались «вещательным качеством» (от несжатого до 25 Мбит/сек)
  2. DVD (максимальный поток 8-9 Мбит/сек, программные кодеки высокого качества, кодирование из несжатых видеосигналов или Digital BETACAM)
  3. Спутниковые цифровые потоки (поток обычно не более 6 Мбит/сек и доходят до 1.5 Мбит/сек, аппаратные кодеки или реал-тайм программные кодеки)
  4. Эфирное вещание (на входе любой уровень, но качество у зрителя определяется в основном качеством канала распространения)

При, вдруг, переходе на ТВЧ, структура доступности качества останется такой же. Но визуально, в силу существующих тенденций, качество изображения станет, скорее всего, только хуже, изменится только размер экрана.

Кстати для справки. Когда вы приходите в магазин покупать ЖК панель, в торговом зале, как правило, с жесткого диска воспроизводят видеоматериал, предоставленный для демонстрационных целей одним из производителей ЖК дисплея. Нам удалось получить эти файлы различных производителей. Так вот, производители мало того, что подбирают специальный видеоряд, так еще и проводят специфический пост-продакшн для минимизации потерь при кодировании. Это видно при детальном просмотре. И потока ниже 25 Мбит/сек мы в этих файлах не нашли, большинство 36-38 Мбит/сек. Вот такая забота о том, чтобы мы приобретали лучшее, и не сомневались в качестве дисплеев.
При этом есть еще одно интересное наблюдение.
Максимальный поток для Blue-ray диска около 40 Мбит/сек. Но с потоками от 30 до 38 Мбит/сек нам удалось увидеть только демонстрационные диски. Все коммерческие релизы это-15-22 Мбит/сек. Максимальные пики потока не более 30 Мбит/сек. Опять же это только по тем потокам, которые попадали к нам в руки. Комментарии, что называется излишни.


 
Дизайн сайта - Волович Григорий
     
contacts
 
 
 
 
 
 
news videocameras equipment software optics articles files links vkgbyandex videokgbgmail dvcampromail