H.264/MPEG-4 AVC

AVC (ang. Advanced Video Coding) – standard kodowania sekwencji wizyjnych przyjęty w roku 2003 jako 10. część standardu ISO MPEG-4 oraz jako rekomendacja ITU-T H.264. Projekt x264 zajmuje się stworzeniem otwartej implementacji tego standardu w postaci kodera. Istnieje również OpenH264 autorstwa Cisco na licencji Simplified BSD License^[1].

Schemat blokowy warstwy kodowania wideo kodera H.264 z oceną jakości percepcyjnej

Efektywność kompresji formatu AVC dzięki wprowadzeniu nowych rozwiązań jest o wiele większa niż poprzednich standardów: MPEG-1, MPEG-2 czy MPEG-4 część 2 (którego popularne implementacje to DivX i Xvid).

Innowacje

Do najważniejszych innowacji AVC można zaliczyć:

• predykcja międzyobrazowa z adaptacyjnym podziałem obrazu na bloki o rozmiarze 4×4, 4×8, 8×4, 8×8, 8×16, 16×8 lub 16×16 punktów,
• transformacja całkowitoliczbowa,
• predykcyjne kodowanie wewnątrzobrazowe,
• estymacja wektorów ruchu z dokładnością do 1/4 odstępu próbkowania,
• długookresowa pamięć obrazów,
• kodowanie entropijne uniwersalnymi kodami o zmiennej długości (UVLC) lub adaptacyjne kodowanie arytmetyczne (CABAC).

Profile kompresji

• Profil Podstawowy – Baseline Profile (BP) Głównie dla aplikacji o najniższym wykorzystaniu kodera, ten profil wykorzystywany jest przede wszystkim do wideokonferencji oraz urządzeń i aplikacji przenośnych.
• Profil Główny – Main Profile (MP) Uniwersalny dla klientów przekazów strumieniowych np. satelitarnych DVB-S2 oraz naziemnych DVB-T i DVB-T2 o rozdzielczości nieprzekraczającej 720×576 pikseli.
• Profil Wysoki – High Profile (HiP) Głównie wykorzystywany dla klientów przekazów strumieniowych o wysokiej rozdzielczości np. satelitarnych DVB-S2 oraz naziemnych DVB-T i DVB-T2. Skuteczniejszy od Main Profile, ponieważ jest w stanie w pełni skorzystać z rozdzielczości 1280×720i, 1280×720p oraz 1920×1080i. Stosowany jest również do kompresji filmów na dyskach HD DVD i Blu-ray.

Charakterystyka

	Ograniczony Podstawowy	Podstawowy	Rozszerzony	Główny	Wysoki	Wysoki 10	Wysoki 4:2:2	Wysoki 4:4:4 Predykcyjny
I and P Slices	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
B Slices	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
SI and SP Slices	Nie	Nie	Tak	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie
Multiple Reference Frames	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
In-Loop Deblocking Filter	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
CAVLC Entropy Coding	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
CABAC Entropy Coding	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
Flexible Macroblock Ordering (FMO)	Nie	Tak	Tak	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie
Arbitrary Slice Ordering (ASO)	Nie	Tak	Tak	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie
Redundant Slices (RS)	Nie	Tak	Tak	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie
Data Partitioning	Nie	Nie	Tak	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie
Interlaced Coding (PicAFF, MBAFF)	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
4:2:0 Chroma Format	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
Monochrome Video Format (4:0:0)	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak
4:2:2 Chroma Format	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak
4:4:4 Chroma Format	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak
8 Bit Sample Depth	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak
9 and 10 Bit Sample Depth	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak
11 to 14 Bit Sample Depth	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak
8x8 vs. 4x4 Transform Adaptivity	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak
Quantization Scaling Matrices	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak
Separate Cb and Cr QP control	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak	Tak	Tak	Tak
Separate Color Plane Coding	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak
Predictive Lossless Coding	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Nie	Tak
	Ograniczony Podstawowy	Podstawowy	Rozszerzony	Główny	Wysoki	Wysoki 10	Wysoki 4:2:2	Wysoki 4:4:4 Predykcyjny

Poziomy

Numer poziomu	Max liczba makrobloków na sekundę	Max rozmiar klatki (makrobloków)	Max bit rate wideo (VCL) dla profili Podstawowego, Rozszerzonego i Głównego	Max bit rate wideo (VCL) dla profilu Wysokiego	Max bit rate wideo (VCL) dla profilu Wysokiego 10	Max bit rate wideo (VCL) dla profili Wysoki 4:2:2 i Wysoki 4:4:4 Predykcyjny	Przykłady najwyższych możliwych rozdzielczości @ liczby klatek (max pomieszczenie klatek) w Poziomie
1	1485	99	64 kbit/s	80 kbit/s	192 kbit/s	256 kbit/s	128×96@30.9 (8) 176×144@15.0 (4)
1b	1485	99	128 kbit/s	160 kbit/s	384 kbit/s	512 kbit/s	128×96@30.9 (8) 176×144@15.0 (4)
1.1	3000	396	192 kbit/s	240 kbit/s	576 kbit/s	768 kbit/s	176×144@30.3 (9) 320×240@10.0 (3) 352×288@7.5 (2)
1.2	6000	396	384 kbit/s	480 kbit/s	1152 kbit/s	1536 kbit/s	320×240@20.0 (7) 352×288@15.2 (6)
1.3	11880	396	768 kbit/s	960 kbit/s	2304 kbit/s	3072 kbit/s	320×240@36.0 (7) 352×288@30.0 (6)
2	11880	396	2 Mbit/s	2.5 Mbit/s	6 Mbit/s	8 Mbit/s	320×240@36.0 (7) 352×288@30.0 (6)
2.1	19800	792	4 Mbit/s	5 Mbit/s	12 Mbit/s	16 Mbit/s	352×480@30.0 (7) 352×576@25.0 (6)
2.2	20250	1620	4 Mbit/s	5 Mbit/s	12 Mbit/s	16 Mbit/s	352×480@30.7(10) 352×576@25.6 (7) 720×480@15.0 (6) 720×576@12.5 (5)
3	40500	1620	10 Mbit/s	12.5 Mbit/s	30 Mbit/s	40 Mbit/s	352×480@61.4 (12) 352×576@51.1 (10) 720×480@30.0 (6) 720×576@25.0 (5)
3.1	108000	3600	14 Mbit/s	14 Mbit/s	42 Mbit/s	56 Mbit/s	720×480@80.0 (13) 720×576@66.7 (11) 1280×720@30.0 (5)
3.2	216000	5120	20 Mbit/s	25 Mbit/s	60 Mbit/s	80 Mbit/s	1280×720@60.0 (5) 1280×1024@42.2 (4)
4	245760	8192	20 Mbit/s	25 Mbit/s	60 Mbit/s	80 Mbit/s	1280×720@68.3 (9) 1920×1080@30.1 (4) 2048×1024@30.0 (4)
4.1	245760	8192	50 Mbit/s	62.5 Mbit/s	150 Mbit/s	200 Mbit/s	1280×720@68.3 (9) 1920×1080@30.1 (4) 2048×1024@30.0 (4)
4.2	522240	8704	50 Mbit/s	62.5 Mbit/s	150 Mbit/s	200 Mbit/s	1920×1080@64.0 (4) 2048×1080@60.0 (4)
5	589824	22080	135 Mbit/s	168.75 Mbit/s	405 Mbit/s	540 Mbit/s	1920×1080@72.3 (13) 2048×1024@72.0 (13) 2048×1080@67.8 (12) 2560×1920@30.7 (5) 3680×1536@26.7 (5)
5.1	983040	36864	240 Mbit/s	300 Mbit/s	720 Mbit/s	960 Mbit/s	1920×1080@120.5 (16) 4096×2048@30.0 (5) 4096×2304@26.7 (5)
5.2	2073600	36864	240 Mbit/s	300 Mbit/s	720 Mbit/s	960 Mbit/s	1,920×1,080@172.0 (16) 3,840×2,160@66.8 (5) 4,096×2,160@60.0 (5)
Numer poziomu	Max liczba makrobloków na sekundę	Max rozmiar klatki (makrobloków)	Max bit rate wideo (VCL) dla profili Podstawowego, Rozszerzonego i Głównego	Max bit rate wideo(VCL) dla profilu Wysokiego	Max bit rate wideo(VCL) dla profilu Wysokiego 10	Max bit rate wideo(VCL) dla profili Wysokiego 4:2:2 i Wysokiego 4:4:4 Predykcyjny	Przykłady najwyższych możliwych rozdzielczości @ liczby klatek (max pomieszczenie klatek) w Poziomie

Współczesność

Obecnie standard kodowania H.264/AVC wykorzystywany jest do transmisji telewizji wysokiej rozdzielczości w wielu cyfrowych platformach satelitarnych, oraz, między innymi, jako jeden z podstawowych formatów w oprogramowaniu QuickTime.

Głównym konkurentem H.264/AVC jest WMV firmy Microsoft, przyjęty przez amerykańskie stowarzyszenie SMPTE jako standard VC-1, oraz AVS opracowany przez konsorcjum stworzone przez rząd chiński.

W wyniku rezultatów badań nad udoskonalaniem formatu H.263, grupa JVT (Joint Video Team), łącząca zespoły ekspertów z organizacji ISO oraz ITU, rozpoczęła prace nad standardem kodowania H.26L, który uległ tak dalekim modyfikacjom w porównaniu do algorytmu H.263, że został następnie przemianowany na H.264.

Polski Komitet Normalizacyjny opracował polskie tłumaczenie normy ISO/IEC 14496-10:2004 (standardu kodowania H.264/AVC)^[2].

Patenty

Ostatni patent wygasa 29 listopada 2027^[3]. Dlatego też istnieją kampanie promujące porzucenie tego formatu na rzecz Ogg Theora i WebM. Powodem jest także fakt, że o ile użycie do transmisji niekomercyjnej filmu zapisanego w tym formacie w Internecie jest bezpłatne, to samo oprogramowanie do odtworzenia musi pokryć opłatę licencyjną. Inną propozycją (np. Nokii)^[4] jest wykorzystanie formatu ITU h.261, którego część została zdefiniowana w lub przed listopadem 1988. Definicja z 1990 H.261 miała pozostałe fragmenty niezawarte w definicji z 1988^[5].

Przypisy

1. OpenH264. www.openh264.org. [dostęp 2017-11-23].
2. PN-ISO/IEC 14496-10:2009: Technika informatyczna -- Kodowanie obiektów audiowizyjnych -- Część 10: Zaawansowane kodowanie wizji.
3. OSNews.com. www.osnews.com. [dostęp 2017-11-23].
4. Use software and functionality from 20 years ago – software patents wiki (en.swpat.org). en.swpat.org. [dostęp 2017-11-23]. (ang.).
5. MPEG LA – software patents wiki (en.swpat.org). en.swpat.org. [dostęp 2017-11-23]. (ang.).

Linki zewnętrzne

• Zalecenia ITU-T serii H
• Serwer ftp z archiwalnymi dokumentami grupy JVT. ftp3.itu.int. [zarchiwizowane z tego adresu (2010-07-20)].

Encyklopedie internetowe (ITU-T Recommendation):

• Catalana: 0522835