Как развитие видеокомпрессии влияет на индустрию развлечений

Сжатие видео в высоком качестве всегда было довольно ресурсоемким процессом, однако бурный рост вычислительных мощностей компьютерного оборудования за последние несколько лет позволил перевести некоторые операции обработки видео в программную среду. Программный подход, в отличие от аппаратного, значительно более гибок и позволяет сократить финансовые вложения в инфраструктуру. 

В современных реалиях, когда производительность пользовательских устройств продолжает расти, а модели потребления контента изменяться, перед медиакомпаниями то и дело встают непростые задачи — удовлетворить растущие требования доступа к контенту в любое время, в любом месте и на любом устройстве. В этой статье мы постараемся разобраться в вопросах построения комплексной стратегии, обеспечивающей оптимальный баланс между гибкостью, качеством и стоимостью сжатия видео.

Аппаратное сжатие традиционно считалось лучшим способом компрессии для платформ с высоким качеством видео, поскольку процессоры аппаратных энкодеров разработаны исключительно для выполнения заданных алгоритмов. Преимуществом таких энкодеров является низкая задержка обработки сигнала, которая на практике зависит от формата и профиля кодирования (см. таблицу ниже).

В состав аппаратных энкодеров входят интегральные схемы специального назначения ASIC (Application Specific Integrated Circuits), отвечающие за процесс кодирования, и программируемые пользователем интегральные схемы FPGA (Field Programming Gate Arrays), обеспечивающие поддержку дополнительного транспортного потока TS или анализ видеосигнала. Однако ASIC лишены гибкости, их нельзя запрограммировать повторно, и здесь проявляется основной недостаток таких энкодеров — под каждый вновь появившийся кодек нужно разрабатывать новую аппаратную платформу. Энкодер на основе FPGA перепрограммировать можно, однако он требует дополнительных вложений и обладает большим энергопотреблением.

Аппаратные энкодеры, как правило, используют в статичных системах, построенных по типу точка-точка, которые перенастраиваются крайне редко или никогда. Их стоимость заметно выше аналогичных программных решений, однако низкие расходы на эксплуатацию, включая обслуживание и энергопотребление, с течением времени компенсируют разницу.

Основное отличие программных энкодеров от аппаратных заключается в том, что первые используют стандартные компьютерные и серверные платформы, распространенные очень широко. Они способны выполнять множество процессов одновременно. Принято считать, что программные энкодеры уступают аппаратным в качестве сжатия, однако, по мере роста производительности современных процессоров, это отличие ощущается все меньше. Качество финального видео здесь достаточно сильно разнится, так как разработчики программных энкодеров сосредоточены исключительно на создании функционального ПО.

Операции компрессии на серверных платформах гибкие и универсальные. Можно, к примеру, изменить или расширить систему прямо во время работы, перенаправить вычислительную мощность туда, где она более необходима. Программную компрессию широко применяют в облачных и OTT-приложениях, которые требуют транскодирования одного и того же контента в несколько адаптивных ABR (Adaptive Bit Rate)-потоков для различных пользовательских устройств.

Задержка обработки в программных энкодерах может сильно зависеть от типа кодека (MPEG-2, H.264, HEVC). Также влияет и задержка самой системы из-за приложений, взаимодействующих с программной компрессией: она в значительно степени определяется типом используемого протокола потоковой передачи. К примеру, для видео, сжатого в H.264/AVC, передающегося по протоколу RTMP, задержка может составлять пару секунд с момента подачи сигнала на энкодер и до поступления к пользователю. В свою очередь, для протоколов HLS/HSS задержка может составлять порядка 30 секунд в зависимости от настроек. Здесь, как и в случае с аппаратным сжатием, настройка энкодера может влиять как на задержку, так и на конечное качество видео.

Комбинирование программных и аппаратных решений сжатия дает возможность построить систему видеокомпрессии на основе собственной стратегии сжатия и, как следствие, добиться идеального баланса между качеством видео, гибкостью решения и затратами на его реализацию. К примеру, гибридный подход позволяет возложить сложные функции компрессии на аппаратные узлы ASIC, а обработку транспортного потока или анализ видеосигнала поручить программным средствам без использования аппаратных узлов FPGA.

Гибридная компрессия дает компаниям возможность апгрейда, расширения их функциональных возможностей, сохраняя качество видео на высоком уровне благодаря высокой вычислительной мощности «железа». Данный вид компрессии позволяет в кратчайшие сроки задействовать все необходимые инструменты для решения поставленной задачи.

Попробуем разобраться, какие факторы оказывают влияние на развитие рынка аппаратных и программных решений компрессии.

Основатель компании Intel Гордон Мур в 1965 году отрыл, а в 1975 году скорректировал собственную закономерность, согласно которой количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Несмотря на предположения, что вычислительные возможности полупроводников в конечном итоге достигнут точки насыщения, прогрессирующая производительность процессоров продолжает повышать мощность и эффективность программного сжатия.

Совокупное влияние закона Мура привело к выходу на рынок компьютерного оборудования на базе серийных процессоров, материнских плат и прочих составных узлов. Главными преимуществами данного вида оборудования стали гибкость и универсальность, благодаря которым большинство современных медиакомпаний предпочитают переводить процессы производства, воспроизведения и распространения контента именно на перспективные вычислительные и сетевые платформы.

Новые привычки потребления появляются вслед за ростом числа пользовательских устройств для просмотра контента. Современный пользователь хочет иметь доступ к нему в любое время и в любом месте, что заставляет вещателей и производителей отдавать предпочтение программным платформам с повышенной гибкостью, способным идти в ногу с индустрией развлечений.

Переход от специализированного вещательного оборудования к программным или виртуализованным средам — довольно сложный и растянутый во времени процесс, требующий для своей реализации еще и значительных финансовых вложений. Согласно данным отчета Focus Forward Technology Report по состоянию на 2016 год, порядка 15% из 700 опрошенных представителей крупных медиакомпаний заявили, что смогли перевести в программную и виртуализованную среду более половины своих рабочих процессов. Около 43% опрошенных перешли менее чем на четверть, а полностью «виртуализировались» всего 2%.

Производство и распространение контента в популярном ныне формате сверхвысокой четкости UHD требует более эффективной и качественной технологии сжатия. На смену популярному кодеку H.264 пришел HEVC (он же H.265), способный обеспечить существенно лучшее качество видео при том же битрейте, что и у H.264, но требующий очень высоких вычислительных мощностей. Гибридный подход к компрессии в формате HEVC позволяет сохранить гибкость и качество видео, одновременно экономя вычислительные ресурсы, а в ближайшем будущем добиться снижения задержки обработки сигналов.

Разработка стратегии сжатия, позволяющей обеспечить идеальный баланс между оборудованием и программным обеспечением, зависит от ряда переменных, уникальных для любой отдельно взятой медиакомпании. Вещатели, производители контента и прочие игроки рынка при построении собственной стратегии должны акцентировать внимание на гибкости, плотности, качестве конечного видео и ценовой эффективности системы сжатия. Помимо этого, медиакомпаниям необходимо пристально следить за второстепенными факторами, вроде усовершенствования кодеков сжатия, последними достижениями в области вычислительных мощностей и изменениями в потреблении контента.

В таблице ниже приведены сравнительные преимущества и возможности программных и аппаратных стратегий сжатия, а также указаны примеры приложений, в которых на сегодняшний день применяют тот или иной метод компрессии.

В современных динамично развивающихся рыночных условиях тщательно отлаженная стратегия сжатия бесспорно является конкурентным преимуществом. Способность гибко и экономически эффективно переориентировать существующий контент под OTT- и ABR-платформы позволяет его производителям и дистрибьюторам увеличить доходы и долю рынка. Независимо от того, занимаетесь ли вы линейным наземным или спутниковым вещанием или же предоставляете сотни услуг для различных устройств, комплексная и оптимизированная стратегия сжатия важна как никогда.