H.265 — маркетинговый трюк или что-то большее? Что несёт с собой грядущая смена стандарта кодирования

За прошедшие четыре года доминирующим видеокодеком в отрасли безопасности стал Н.264, но в последнее время ряд производителей и экспертов принялись весьма интенсивно «продавливать» Н.265. В связи с приходом нового кодека возникает ряд вопросов. Прежде всего общественность интересуется двумя: когда HEVC станет общеупотребительным и надолго ли всё это. Однако редакцию интересуют чуть более глубоко зарытые вещи: например, кто получит основные выгоды от перехода на новый стандарт кодирования, и не является ли это очередным маркетинговым трюком, позволяющим сдвинуть рыночный баланс в сторону определённых игроков. Несомненно, с технической стороны новый формат отличается от своих предшественников. Просто хотелось бы убедиться в том, что все резервы «старого» Н.264 уже исчерпаны. Ведь смена формата — это, по сути, революция. Для успеха которой, как говорил дедушка Ленин, необходимо, чтобы «низы не хотели, а верхи не могли».

Заявляемые ключевые маркетинговые отличия — или, говоря простым языком, «фишка» кодека, называемого одновременно HEVC и H.265, состоят в том, что при том же самом качестве изображения видеопоток H.265 имеет вдвое меньший битрейт, чем поток, сжатый кодеком H.264. К примеру, если для передачи сжатого кодеком Н.264 видеопотока разрешением 1080p с частотой кадров 30 кадров в секунду битрейт составляет примерно 4 мегабита в секунду, то у изображения эквивалентного качества, сжатого новым кодеком Н.265, битрейт упадёт до 2 мегабит в секунду. Выглядит привлекательно, однако, как всегда, возникает вопрос о цене этого перехода.

Стоит ли овчинка выделки — решать, к сожалению, не нам с вами. Позиция редакции Security News известна. Мы выступаем за создание специализированного кодека, который учитывал бы все особенности и специфические требования, накладываемые на передачу видеоданных в системах безопасности. Удивительно, но, несмотря на «мультимедийное» происхождение кодека Н.265, кое-что из «наших» потребностей здесь оказалось учтено (об этом читайте ниже). Последнее слово, как водится в серьёзных отраслях, всегда — за крупными производителями оборудования и систем. А «киты» индустрии безопасности вовсе не торопятся прибавлять единичку к имени кодека: с одной стороны, не так высока маневренность производственных мощностей, а с другой — слишком много средств в последние годы было инвестировано в раскрутку Н.264. Не пропадать же добру...

Технические отличия Н.265

Более высокая производительность нового кодека по сравнению с предшественниками обусловлена несколькими значительными структурными улучшениями. Определяющими из них являются три — изменение максимального размера блока, введение параллельного декодирования и реализация произвольного доступа к изображениям внутри видеопотока.

Максимальный размер блока в стандарте H.264 составляет 256 пикселов (16 x16), а в стандарте H.265 он может быть в 16 раз больше (4096 = 64 x 64). Интересно, что в стандарте Н.265 размер блока выбирается самим алгоритмом в процессе кодирования в зависимости от содержания кодируемого изображения. По утверждениям сторонников нового стандарта, изменяемый размер блоков и увеличение максимального предела этого размера позволят более эффективно обрабатывать изображения с высоким разрешением. Кстати, новый стандарт поддерживает пиксельные разрешения вплоть до 8192 х 4320 (35 мегапикселов) — самого высокого из современных телевизионных стандартов, также называемого 8К.

Возможность параллельного декодирования, предусмотренная в декодерах H.265, позволяет раздельно и одновременно обрабатывать различные части одного и того же кадра. Такая обработка может существенно ускорить воспроизведение и предоставляет возможность воспользоваться преимуществами многоядерных процессоров, завоевавших сегодня большую популярность на IT-ориентированных рынках. Кодек H.264 таких возможностей не предусматривал.

В новом стандарте предусмотрен произвольный доступ к изображениям (Clean Random Access). Это означает, что декодирование произвольно выбранного кадра видеопоследовательности производится без необходимости декодирования каких-либо предшествующих ему в потоке изображений. Для мультимедиа произвольный доступ не является критичным, а вот для видеонаблюдения, в особенности мониторинга в реальном времени, такая возможность весьма желательна: переключившись на определённый видеопоток из соображений оперативной необходимости, оператор должен мгновенно получить изображение на своём экране: в охранных приложениях одна-две секунды могут иметь решающее значение. Опустив сложные технические подробности того, как это реализовано в новом кодеке, стоит упомянуть, что здесь не требуется обязательная вставка в видеопоток промежуточных опорных кадров (I-frames), за счёт которых заметно увеличивается битрейт.

С точки зрения технических характеристик кодируемого видеосигнала, его «верхний» профиль Main 10 обеспечивает более высокое качество цветопередачи, поскольку предусматривает 10-битное цветовое кодирование, в то время как все существующие стандарты, включая «нижний» профиль Main 8 самого H.265, отводят на цветовой атрибут пиксела всего 8 бит.

В стандарте предусмотрены средства автоматического определения типа развёртки, однако, в отличие от предшественников, кодек изначально ориентирован на обработку видеоизображений, полученных путём прогрессивного сканирования. Но это не означает, что H.265 неспособен работать с чересстрочной развёрткой — разработчики учли тот факт, что достаточно большое количество находящихся в эксплуатации систем генерируют кадры из двух полей.

А вот чего существенно не хватает кодеку H.265: масштабируемого кодирования. Его планировалось реализовать ещё в H.264, однако по каким-то причинам сделать этого не удалось ни в одном из этих стандартов. Наличие масштабирования позволило бы без лишних затрат вычислительной мощности на дополнительную обработку передавать изображения клиентам, использующим относительно медленные подключения к сети. В какой-то степени масштабирование способствует и более рациональному использованию средств хранения видеоданных в системах. В настоящее время масштабируемое кодирование стоит в ряду плановых расширений стандарта. По мнению экспертов, требование масштабируемости во многом продиктовано начинающимся бумом облачных технологий хранения и обработки данных.

Что способствует повышению качества изображения

Большое количество производителей IT-продукции преподносят формат сжатия H.265 как средство повышения качества изображений. Следует отметить, что это в определённой мере является лукавством. В реальности у изображений, сжатых кодером H.265, качество ничуть не выше, чем у обработанных алгоритмом H.264, который, в свою очередь, с точки зрения качества ничуть не лучше, чем MPEG-4. Поскольку во всех упомянутых кодеках предусмотрена возможность произвольно устанавливать степень сжатия, качество сжатой картинки зависит лишь от предпочтений пользователя. Другое дело — вписать видеоизображение в реалии технического окружения. Прежде всего это касается ресурсов пропускной способности сетей.

Если пропускная способность вашей сети передачи данных достаточна для передачи изображений, сжатых по стандарту H.264, то переход на компрессию H.265 не повлечёт за собой каких-либо улучшений в качестве изображения. Такой переход может лишь снизить битрейт, то есть несколько разгрузить вашу сеть. Единственный случай, когда переход на новый кодек будет способствовать повышению качества изображений — если из соображений экономии битрейта изображения сжимались кодеком Н.264 заведомо чрезмерно, и артефакты компрессии мешали эффективному считыванию деталей операторами и видеоаналитикой.

Сомнения и ограничения

Как и большинство современных видеокодеков, Н.265 максимально эффективен (то есть способен подтвердить маркетинговые ожидания) в относительно несложных сценах наблюдения, где отсутствуют резкие перепады контрастности и не наблюдается интенсивных перемещений объектов и фона. Обещанная экономия битрейта/объёма средств хранения в 50% прежде всего касается именно таких сцен. То есть в реальных условиях — на оживлённом перекрёстке или в торговом зале супермаркета — цифры экономии окажутся существенно меньшими.

Кроме этого, на сегодняшний день толком не востребованы все «экономические» преимущества кодека-предшественника. Большинство производителей оборудования и систем, в частности, так и не осуществили переход на более продвинутые варианты профилей H.264. В видеонаблюдении чаще всего используются три профиля этого стандарта. Базовый профиль (Baseline) — это минимальная экономия полосы пропускания и минимальная нагрузка на вычислительные ресурсы. В последние несколько лет он приобрёл наибольшую популярность у вендоров. Главный профиль (Main) обеспечивает, согласно результатам независимых тестов, 10-30% улучшение показателей по сравнению с базовым. В последние несколько месяцев производители проявляют всё больший интерес именно к этому профилю. Высокий профиль (High) предоставляет ещё более существенные преимущества, однако на сегодняшний день вендоров, которые обеспечили совместимость с этим профилем, можно буквально пересчитать по пальцам.

Иными словами, производителям и без нового кодека есть куда развиваться, при этом не испытывая лишних рисков и двигаясь по относительно накатанному пути. Поскольку отрасль с переходом на IP-видео всё в большей степени становится «айтишной», здесь начинают работать соображения, свойственные сисадминам: то, что нормально работает, лучше не менять и вообще не трогать.

Есть ещё одна проблема, стоящая несколько особняком. Касается она физической реализации кодеков. Как показала практика, многие решения дешёвых одночиповых кодеров H.264 совершенно не приспособлены к продолжительной обработке видеопотоков с полной частотой кадров. Поэтому в большинстве спецификаций содержится лукавое утверждение «до 30 кадров в секунду», которое вовсе не означает, что видеокодер окажется в состоянии обеспечивать стабильную передачу потоков заявленного максимального разрешения со скоростью 30 к/с. Поскольку кодек Н.265 предъявляет ещё более высокие требования к вычислительной мощности, весьма вероятно, что проблема сохранится или даже усилится. Как показывает отраслевая практика, производители определённого уровня всегда ведут игру на снижение цен, и в этой игре неминуемы потери качества и/или функциональности.

Иллюстрация из опубликованной 1-й версии стандарта: структурная схема типичной реализации
кодека HEVC. Серыми прямоугольниками отмечены элементы, моделирующие декодер.

Организационные трудности, связанные с переходом на H.265

Несмотря на то, что аргументированных сомнений в том, что в конце концов новый стандарт станет общеупотребительным, отраслевая общественность не испытывает, внедрение кодека H.265 не будет таким уж лёгким и комфортным для пользователей систем видеонаблюдения. Вот лишь некоторые из трудностей, с которыми придётся столкнуться на этом пути — причём здесь не учтены потенциальные неожиданности: весь список фактически позаимствован из ещё свежего опыта внедрения в практику стандарта H.264.

1. Необходимость приобретения новых камер. Предположение, что кому-либо из производителей удастся перепрошить существующие модели на новый кодек, выглядит крайне маловероятным. По крайней мере, в процессе перехода на H.264 ни одной промышленно выпускаемой камеры, «заточенной» под стандарт MPEG-4, этим способом заапгрейдить не удалось.

2. Нехватка нового оборудования. Камер, поддерживающих новый стандарт, на сегодняшний день буквально наперечёт. Первые продукты с кодеком Н.265 появились на рынке в конце лета 2013 года. Одним из пионеров оказалась компания AventuraCCTV, разославшая пресс-релизы о выпуске целой линейки IP-камер с компрессией H.265 (отдельно отметим: эти камеры не поддерживают «старый» формат H.264). Примерно в то же время появились декодеры промышленного класса для персональных компьютеров, реализованные в виде плат PCIe; о начале их производства сообщила компания Vitec. В отличие от камер (см. пункт 1), эти платы оказались лишь перепрошивкой «математики» в уже имеющемся продукте — декодере HDM850. Поставщики программных продуктов также принялись проявлять разного рода реакции на появление стандарта HEVC. Например, компания Vanguard Video предложила SDK для кодирования и декодирования в новом формате.

Утверждать, что на этом пятачке рынка началась серьёзная давка, не будем. Интереса к продуктам на базе нового кодека пока немного, и это вполне оправданно. Отрасль безопасности обладает значительной инерцией, что подтверждают истории внедрения кодеков-предшественников. По оценке отраслевых экспертов, более-менее приемлемый выбор моделей появится не раньше, чем к концу 2014 года. Читая эти прогнозы в открытых источниках, конечники начинают относиться к новым продуктам с определённой долей скепсиса. И в результате занимают выжидательную позицию.

3. Потребность в обновлении управляющего программного обеспечения. Поскольку новый стандарт компрессии является не доработкой существующего, а принципиально новым форматом, производители управляющего ПО оказываются перед необходимостью обеспечить его поддержку в новых версиях своих продуктов. А это довольно значительные трудозатраты — прежде всего на разработку и тестирование. Задержек такого рода избежать не удастся, пока поддерживающие кодек Н.265 камеры не станут достаточно распространёнными, а производители софта сочтут экономически выгодным обеспечить поддержку стандарта в своих VMS-продуктах.

4. Повышение требований к вычислительной мощности процессоров. Уменьшение нагрузки на пропускную способность сетей передачи данных в новом кодеке достигается за счёт более интенсивной работы «математики». В связи с этим нагрузка на процессор возрастает по сравнению со сжатием Н.264 — увеличение это составляет от 50% до 300% в зависимости от содержания сжимаемого видеопотока. Следствием повышения нагрузки на вычислительные мощности может стать увеличение времени задержки сигнала в системах. На стадии предварительного тестирования нового алгоритма сжатия компания Qualcomm провела публичные сравнительные испытания кодеков H.264 и H.265. Тесты проводились публично во время проведения Всемирного мобильного конгресса в Барселоне. На одинаковых устройствах и видеозаписях идентичного качества показатели объёмов файлов и битрейта подтвердились. Однако при этом кодирование в новый формат ощутимо «тормозило». Интересно, что для производителей бытовой мобильной электроники этот фактор влияет на продажи скорее положительно, чем отрицательно: сообщая о проблемах с производительностью, потребителю одновременно подсовывают стимул к приобретению устройств с более новыми и мощными процессорами.

5. Наличие у нового кодека патентных обременений. Как и его предшественник Н.264, новый кодек подлежит лицензированию — то есть пользователи продуктов, его поддерживающих, в той или иной форме обязаны платить какие-то деньги организации, представляющей интересы правообладателей. Для предыдущего кодека эту роль исполняла институция под названием MPEG LA; возможно, ей же будет поручен и сбор отчислений в интересах владельцев патентов, использованных в стандарте Н.265.

В общем, пока накопится определённый опыт эксплуатации систем и оборудования с использованием нового кодека, пока разработчики оборудования, проектировщики систем и инсталляторы научатся решать возникающие проблемы и выходить из затруднительных ситуаций, пройдёт некоторое время.

Переходить или нет, в конце концов?!

Даже если принимать на веру всё, что обещают производители устами своих маркетологов, потенциально полезные конечнику преимущества кодека H.265 перед H.264 не так уж и существенны. В лучшем случае выигрыш будет сопоставим с тем, что был достигнут при переходе от MPEG-4 к H.264. О таком скачке, какой произошёл у мегапиксельных камер между Motion JPEG и H.264, мечтать уже не приходится; сегодня многие склоняются к мнению, что именно этот скачок решил судьбу «IP-революции» и окончательно отодвинул в прошлое аналоговое CCTV. Судя по техническим показателям, столь мощного прорыва новый кодек не совершит. То есть суперэкономии средств хранения и ресурсов пропускной способности сетей от нового стандарта сжатия ожидать не следует.

C другой стороны, по поводу кодека H.265 уже раздута весьма интенсивная маркетинговая шумиха, которая в ближайшие годы будет лишь усиливаться. Производители камер находятся в постоянном поиске аргументов, которые заставили бы клиента приобретать новейшие модели камер — и новый стандарт, несомненно, будет использован в этом качестве на все сто процентов. Такое давление на конечника может привести к тому, что в условиях тендерных торгов станет фигурировать обязательное требование поддержки нового кодека. А тогда в игру уже включатся крупные игроки, и кодек стремительно распространится по всей мировой отрасли. Тем не менее, поскольку стандарт, очевидно, пока ещё отчаянно молод, навряд ли это произойдёт раньше 2015 года.

В любом случае, в отсутствие специализированной альтернативы эта технология сжатия обладает более мощным потенциалом для решения отраслевых задач, чем предшествующие кодеки. Поэтому, если вы ждёте однозначного ответа на Главный Вопрос — да, переходить. А чтобы ненароком не совершить ошибку, перечитайте ещё раз этот материал и взвесьте все преимущества и риски.