Comparação de codecs HEVC da Universidade Estadual de Moscou. Como melhorar os resultados

 

  By Olga Krovyakova - modified October 6, 2023, created April 3, 2019.

 

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Em outubro de 2015, o Graphics & Media Lab Video Group do Departamento de Ciência da Computação da Universidade Estadual de Moscou (CS MSU Graphics & Media Lab) publicou outra revisão comparativa do codec , desta vez incluindo vários codecs de formato HEVC.

 

O ponto de partida para esta pesquisa foi percebermos a diferença nas predefinições dos testes AVC e HEVC. Para AVC, foi utilizado um perfil rápido não modificado com um único GOP, enquanto um perfil modificado com vários GOP foi empregado para testes HEVC. Além disso, o codificador x264 apresentou melhores resultados que o x265 na transcodificação rápida em diagramas de correlação SSIM/taxa de bits, independentemente da velocidade de codificação – para “Apple Tree”, o único arquivo descrito no relatório aberto. Uma questão surgiu imediatamente: e se estas ou algumas outras opções evidentes pudessem mudar o quadro?

O relatório compara predefinições, mas’não recomenda nenhuma melhoria relacionada. Neste artigo, conduzimos uma revisão semelhante e desenvolvemos recomendações para modificar as predefinições do codificador x265. Para a sequência de vídeo idêntica à analisada na versão gratuita do relatório, nossas alterações sugeridas nos parâmetros de codificação ajudam a aumentar a eficiência da compactação e a reabilitar o codificador x265 na construção do diagrama do relatório.

As predefinições modificadas não têm qualquer pretensão de universalidade, uma vez que o teste em múltiplas sequências de vídeo está além do escopo desta pesquisa. No entanto, eles podem ser recomendados como ponto de partida para buscar oportunidades para melhorar a eficiência da codificação x265.

Sobre o projeto

A tarefa de codificação de vídeo no processo de processamento multimídia, seja transmissão, corte, edição ou armazenamento, é onipresente no desenvolvimento e configuração de aplicações/serviços no decorrer da operação. Devido à grande quantidade de codecs de vídeo populares disponíveis, muitas vezes do mesmo tipo,’não é fácil escolher o melhor e depois aplicar as configurações corretas. É mais provável que’essas considerações tenham encorajado o projeto de comparação de vídeo em andamento iniciado e operado pelo Laboratório de Computação Gráfica e Multimídia do CMC MSU nos anos 2000. Em outubro de 2015, eles emitiram um relatório comparativo de codecs que registrou vários formatos HEVC codecs e outros codecs em desenvolvimento ativo. x264 foi escolhido como modelo de compressor em seu relatório. Um dos outros compressores interessantes mencionados foi o x265. É este formato que constituirá o tema principal do nosso estudo.

A ferramenta para análise é o SolveigMM Zond 265, um analisador HEVC/H.265 e AVC/H.264.

A metodologia de comparação de codecs e seleção de parâmetros

Deixe’descrever a metodologia. A comparação é realizada com base nestes critérios: qualidade da taxa de bits – (SSIM, PSNR) – desempenho. A metodologia para comparar a correlação taxa de bits/qualidade métrica (ver ponto C4) é a seguinte.
Selecionamos vários valores de taxa de bits (por exemplo, 7 valores: 1, 2, 4, 6, 8, 10 e 12 Mbps) e calculamos todas as métricas de qualidade necessárias para cada codec.

Colocamos os valores de saída no diagrama: métrica de qualidade (eixo horizontal) – taxa de bits (eixo vertical).

1. Fazemos uma interpolação linear.
2. Selecionamos um intervalo máximo onde todos os diagramas são definidos e detectamos áreas sob todos os diagramas nele contidos.
3. Como uma medida de qualidadede um codec específico (ou predefinido), tomamos a relação de sua área com a área do codec modelo. Quanto menor for o valor recebido, mais eficaz será o codec.

Como modelo selecionamos x265 com o preset escolhido no relatório (tabela 1). O relatório usa uma versão anterior do compressor que pode ser encontrada aqui: x265 1.5+460-ac85c775620f. No entanto, a versão mais recente’não traz quaisquer alterações radicais.
Os presets de compressores utilizados estão indicados na tabela 1 (para a plataforma desktop).

Rasgando	x265 -p muito lento --taxa de bits %BITRATE_KBPS% %SOURCE_FILE% -o %TARGET_FILE% --input-res %WIDTH%x%HEIGHT% --fps %FPS%
Codificação universal	x265 -p médio --taxa de bits %BITRATE_KBPS% %SOURCE_FILE% -o %TARGET_FILE% --input-res %WIDTH%x%HEIGHT% --fps %FPS%
Transcodificação rápida	x265 -p ultra-rápido --ref 3 --taxa de bits %BITRATE_KBPS% %SOURCE_FILE% -o %TARGET_FILE% --input-res %WIDTH%x%HEIGHT% --fps %FPS%

Para sugerir recomendações de modificação de predefinições, realizamos um teste de todas as configurações de formação de predefinições para avaliar seu impacto individual na qualidade e no desempenho. Aqui está o plano de ação:

1. Codificamos o arquivo alterando todos os parâmetros predefinidos: da transcodificação rápida ao universal, do universal à extração, economizando tempo de codificação.
2. Calculamos a medida de qualidade (da mesma forma que a área acima) e tempo de codificação referencial (o valor mínimo de codificação FPS para o arquivo "parâmetro modificado predefinido" em relação a todos os valores de taxa de bits selecionados).
3. A partir da tabela composta por parâmetro alterável, medida de qualidade e FPS mínimo, escolhemos os parâmetros que podem ser utilizados para melhorar os presets.

Limitamo-nos às predefinições para codificação e extração universal (tabela 2), desbloqueando os parâmetros "-p médio" e "-p ultrarrápido". Também adicionamos mais dois que foram omitidos no relatório: "--keyint -1 --tune ssim". Complementamos as predefinições com os parâmetros mencionados para transcodificação rápida e universal, respectivamente.

Tabela 2. Parâmetros – candidatos à modificação das predefinições do relatório de comparação de codec de vídeo MSU HEVC.

Codificação universal	--rc-lookahead 20 --scenecut 40 --ctu 64 --min-cu-size 8 --bframes 4 --b-adapt 2 --subme 1 --me hex --early-skip --sao -- assinarhide --weightp --rd 3 --aq-strength 1.0 --aq-mode 1 --cutree --no-fast-intra
"Rasgando"	--weightb --amp --rect --rc-lookahead 40 --bframes 8 --tu-inter-profundidade 3 --tu-intra-profundidade 3 --rd 6 --rdoq 2 --psy-rdoq 1.0 - -subme 4 --max-merge 4 --me estrela --ref 5 --b-intra --lookahead-slices 0

 

Teste

Não há link para download da sequência de testes “Macieira” (foto 1) utilizada na versão gratuita do relatório. Nós’escolheremos um semelhante usando sua característica principal – close-up, uma grande quantidade de pequenos detalhes. Por exemplo "big_buck_bunny_1080p_h264.mov", o intervalo de 338 quadros do segundo 24:

ffmpeg -i big_buck_bunny_1080p_h264.mov -ss 00:00:24 -frames:v 338 -c:v rawvideo -pix_fmt yuv420p sample.yuv

Foto. 1. Características da sequência “Macieira”"

Para realizar três etapas do plano acima e economizar tempo copiando os números necessários da interface do Zond 265, é conveniente’usar o recurso de operação de linha de comando (tabela 3):

zond265_x64%COMPRESSED_FILE% -iref%REFERENCE_420P_FILE% -nowait -report t=qualidade,statstream qm=SSIM o=%TARGET_CSV_FILE%

Você pode ver a lista de todos os parâmetros e sua descrição completa em na página do Zond 265.

Tabela 3. Parâmetros da linha de comando do Zond 265 necessários para compilação do script.

Parâmetro	Descrição
-iref	Configurando o arquivo YUV de referência
-relatório	Indicando o modo de operação do Zond 265 na linha de comando
t=qualidade,statstream	Geração de dois relatórios selecionados: estatísticas de qualidade e fluxo de vídeo.
qm=SSIM	Métrica de qualidade para cálculo
ó	Caminho para o arquivo de relatório em formato CSV
-não espere	Sem pausa. O Zond 265 navega automaticamente de um arquivo para outro sem demora.

Aqui estão dois scripts para Python 2.7: um para codificação  266 arquivos (20 configurações para o primeiro, 18 configurações para a segunda predefinição, para 7 valores de taxa de bits: 1, 2, 4, 6, 8 , 10, 12 Mbps), outro para compilar um relatório em formato CSV (o arquivo – a relação da codificação FPS com a configuração do modelo – a relação da métrica SSIM com a configuração do modelo). 

Como você pode ver nas tabelas de relatório do fragmento do arquivo "big_buck_bunny_1080p_h264.mov" (tabelas 5 e 6), as configurações podem ser modificadas, por exemplo, conforme’está indicado na tabela 4. Basta um lembrete, para melhores resultados o valor da "Medida de Qualidade" deve ser menor que a unidade, e o valor do "Tempo Relativo de Codificação" – maior que a unidade.

O teste foi realizado usando a seguinte configuração de hardware: Intel Core i7-2600@3,4 GHz, 16 GB de RAM. A maior melhoria de qualidade para configurar a codificação rápida é renderizada pelo parâmetro "--min-cu-size 8", no caso de codificação universal’é o parâmetro "--rdoq-level 2" (no entanto, ele fica mais lento codificação mais).

Tabela 4. Modificando as predefinições do relatório MSU HEVC Video Codec Comparison para melhorar a eficiência da codificação com a mesma velocidade de codificação.

Transcodificação rápida	x265 -p ultrarrápido --ref 3 --rc-lookahead 20 --min-cu-size 8 --bframes 4 --early-skip --cutree --tune ssim --taxa de bits %BITRATE_KBPS% %SOURCE_FILE% -o %TARGET_FILE% --input-res %WIDTH%x%HEIGHT% --fps %FPS%
Codificação universal	x265 -p médio --weightb --bframes 8 --tu-intra-profundidade 3 --psy-rdoq 1.0 --b-intra --lookahead-slices 0 --tune ssim --taxa de bits% BITRATE_KBPS% %SOURCE_FILE% -o %TARGET_FILE% --input-res %WIDTH%x%HEIGHT% --fps %FPS%

Tabela 6. O relatório sobre a modificação da predefinição de codificação universal.

Configuração	Medida de qualidade	Tempo de codificação relativo
Transcodificação rápida (modelo)	1	1
Transcodificação rápida (modificada)	0,69	0,97
Transcodificação universal (modelo)	1	1
Transcodificação universal (modificada)	0,85	0,94

Deixe’avaliar o impacto da modificação das opções  – no Zond 265 abrimos o arquivo codificado com o preset modificado no modo de transcodificação rápida para a taxa de bits de 8 Mbps e comparamos com o arquivo codificado com a predefinição não modificada. O tamanho da maior unidade de codificação permanece inalterado e é igual a 32x32 (campo "--ctu 32"). No entanto, o tamanho da unidade mínima diminui de 16 para 8 (campo "-min-cu-size 8"). É este parâmetro que proporcionou a maior melhoria de qualidade. O número de quadros B aumentou de 3 para 4 (campo "—bframes"), porém o número máximo de quadros de referência (campo "--ref 4") também aumentou. O campo “SSIM” marca dois valores máximos para os diagramas SSIM/PSNR para três componentes: brilho (Luma) e dois componentes de cor (Cb, Cr). Seus valores aumentaram de 0,9623-0,9966 para 0,9771-0,9991. Os parâmetros adicionais restantes (--rc-lookahead 20 --early-skip --cutree) influenciam o algoritmo de codificação, mas não o tipo de vídeo de saída, isso se reflete principalmente na velocidade de codificação (consulte a tabela 5). Vale ressaltar’que a imagem do quadro decodificado mudou visualmente. – os artefatos de codificação não são mais exibidos.

Foto. 2. Captura de tela de um arquivo Zond 265 codificado usando a configuração de codificação rápida modificada

Você também pode verificar os parâmetros do arquivo codificado com uma predefinição de codificação universal modificada e não modificada (figura 3). O tamanho das partições TU mínimas’t mudou e permanece igual a 4x4 (campo "--tu-intra-profundidade 3"), o número de quadros B também permaneceu inalterado e é igual a 3 (campo "--bframes 3"). SSIM aumentou de 0,9789-0,9994 para 0,9811-0,9992. Comparado à configuração de transcodificação rápida, o tamanho da unidade máxima aumentou e agora é igual a 64x64 (campo "--ctu 64"), o filtro SAO foi adicionado (campo "--sao").

Foto. 3. Captura de tela do arquivo Zond 265 codificado usando configuração de codificação universal modificada

Como resultado dos testes realizados, sugerimos uma lista de opções para melhorar a eficiência da codificação (melhoria do valor da métrica SSIM com a mesma taxa de bits e velocidade de codificação) para as configurações de codificação rápida e universal. Usando as alterações sugeridas para o arquivo com uma grande quantidade de pequenos detalhes, o valor da "medida de qualidade" integral do relatório MSU HEVC Video Codec Comparison melhorou em 31% na transcodificação rápida e em 15% na transcodificação universal, com um valor insignificante. mudança de velocidade de codificação. Como o teste foi feito separadamente para cada opção, na prática só faz sentido escolher várias opções convenientes em vez de toda a lista sugerida.

Referências

1. Comparação de codecs de vídeo HEVC
2. Fundação Blender | www.blender.org
3. Página inicial do Zond 265

 

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 About the author

Olga Krovyakova is the Technical Support Manager in Solveig Multimedia since 2010.

She is the author of many text and video guidelines of company's products: Video Splitter, HyperCam, WMP Trimmer Plugin, AVI Trimmer+ and TriMP4.

She works with programs every day and therefore knows very well how they work. Сontact Olga via support@solveigmm.com if you have any questions. She will gladly assist you!