يعد البث بدقة 4K هو المعيار الجديد ، ولكن مع نقل معلومات تزيد عن 8.2 مليون بكسل كل 16 مللي ثانية - لا يعد تخزين ونقل فيديو 4K على الإنترنت مهمة سهلة.
فيلم مدته ساعتان يستهلك أكثر من 1.7 تيرابايت من التخزين عند فك ضغطه. لذا ، كيف يمكن لعمالقة البث مثل YouTube و Netflix تخزين وبث مقاطع الفيديو التي تشغل مساحة كبيرة؟
حسنًا ، لا يفعلون ذلك لأنهم يستخدمون برامج ترميز الفيديو لتقليل حجم الأفلام ، ولكن ما هو برنامج ترميز الفيديو ، وأيها هو الأفضل؟
ما هو برنامج ترميز الفيديو؟
قبل التعمق في تعقيدات برامج ترميز الفيديو ، من الضروري فهم كيفية إنشاء الفيديو. ببساطة ، الفيديو ليس سوى مجموعة من الصور الثابتة التي تحل محل بعضها البعض بسرعة.
بسبب هذه السرعة المتغيرة العالية ، يعتقد الدماغ البشري أن الصور تتحرك ، مما يخلق الوهم بمشاهدة مقطع فيديو. لذلك ، عند مشاهدة مقطع فيديو بدقة 4K ، فأنت تنظر فقط إلى مجموعة من الصور بدقة 2160 × 3840. تتيح هذه الدقة العالية للصور تصوير فيديو بدقة 4K لتقديم تجربة فيديو رائعة. ومع ذلك ، فإن هذه الدقة العالية للصور تزيد من حجم الفيديو ، مما يجعل من المستحيل البث عبر القنوات ذات النطاق الترددي المحدود ، مثل الإنترنت.
لحل هذه المشكلة ، لدينا برامج ترميز الفيديو. اختصار لـ المبرمج / وحدة فك التشفير أو الضغط / إلغاء الضغط ، يقوم برنامج ترميز الفيديو بضغط دفق الصور إلى أجزاء من البيانات. يمكن أن يقلل هذا الضغط من جودة الفيديو أو لا يؤثر عليه بناءً على خوارزميات الضغط المستخدمة.
كما يوحي الاسم ، فإن بت الضغط في برنامج الترميز يقلل من حجم كل صورة. وللقيام بالشيء نفسه ، تستغل خوارزمية الضغط الفروق الدقيقة للعين البشرية - مما يمنع الناس من معرفة أن مقاطع الفيديو التي يشاهدونها مضغوطة.
على العكس من ذلك ، يعمل إلغاء الضغط بشكل معاكس ويعرض الفيديو باستخدام المعلومات المضغوطة.
على الرغم من أن برامج الترميز تقوم بعمل رائع عندما يتعلق الأمر بضغط المعلومات ، إلا أن أداء نفس الشيء يمكن أن يؤدي إلى فرض ضرائب على وحدة المعالجة المركزية الخاصة بك. نتيجة لهذا ، من الطبيعي أن ترى تقلبات في أداء النظام عند تشغيل خوارزميات ضغط الفيديو على نظامك.
لحل هذه المشكلة ، تأتي وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات مع أجهزة خاصة يمكنها تشغيل خوارزميات الضغط هذه. تمكين وحدة المعالجة المركزية من أداء المهام في متناول اليد بينما تعالج الأجهزة المخصصة برامج ترميز الفيديو ، مما يحسن الكفاءة.
كيف يعمل برنامج ترميز الفيديو؟
الآن بعد أن أصبح لدينا فهم أساسي لما يفعله برنامج ترميز الفيديو ، يمكننا النظر في كيفية عمل برنامج الترميز.
أخذ عينات صبغية
كما تم توضيحه سابقًا ، تتكون مقاطع الفيديو من صور ، ويقلل الاختزال الفرعي للصفاء المعلومات الموجودة في كل صورة. للقيام بذلك ، فإنه يقلل من معلومات الألوان الموجودة في كل صورة ، ولكن كيف يتم اكتشاف هذا الانخفاض في معلومات اللون بواسطة العين البشرية؟
حسنًا ، كما ترى ، العيون البشرية رائعة في اكتشاف التغيرات في السطوع ، لكن لا يمكن قول الشيء نفسه عن الألوان. وذلك لأن العين البشرية بها عدد أكبر من القضبان (خلايا المستقبلات الضوئية المسؤولة عن اكتشاف التغيرات في السطوع) عند مقارنتها بالمخاريط (خلايا المستقبلات الضوئية المسؤولة عن تمييز الألوان). يمنع الاختلاف في القضبان والأقماع العين من اكتشاف تغيرات اللون عند مقارنة الصور المضغوطة وغير المضغوطة.
لإجراء أخذ عينات فرعية من اللون ، تقوم خوارزمية ضغط الفيديو بتحويل معلومات البكسل في RGB إلى بيانات السطوع واللون. بعد ذلك ، تقلل الخوارزمية مقدار اللون في الصورة بناءً على مستويات الضغط.
إزالة معلومات الإطار الزائدة
تتكون مقاطع الفيديو من عدة إطارات للصور ، وفي معظم الحالات ، تحتوي كل هذه الإطارات على نفس المعلومات. على سبيل المثال ، تخيل مقطع فيديو مع شخص يتحدث على خلفية ثابتة. في مثل هذه الحالة ، كل الإطارات في الفيديو لها نفس التكوين. لذلك ليست هناك حاجة إلى جميع الصور لتقديم الفيديو. كل ما نحتاجه هو صورة أساسية تحتوي على جميع المعلومات والبيانات المتعلقة بالتغيير عند الانتقال من إطار إلى آخر.
وبالتالي ، لتقليل حجم الفيديو ، تقسم خوارزمية الضغط إطارات الفيديو إلى إطارات I و P (الإطارات المتوقعة). أنا هنا الإطارات هي الحقيقة الأساسية وتستخدم لإنشاء إطارات P. يتم بعد ذلك تقديم الإطارات P باستخدام المعلومات الموجودة في الإطارات I ومعلومات التغيير لهذا الإطار المحدد. باستخدام هذه المنهجية ، يتم تقسيم الفيديو إلى مجموعة من إطارات I متداخلة في إطارات P لضغط الفيديو بشكل أكبر.
ضغط الحركة
الآن بعد أن قمنا بتقسيم الفيديو إلى إطارات I و P ، نحتاج إلى النظر في ضغط الحركة. جزء من خوارزمية ضغط الفيديو التي تساعد في إنشاء إطارات P باستخدام الإطارات I. للقيام بذلك ، تقوم خوارزمية الضغط بتقسيم الإطار I إلى كتل تعرف باسم كتل الماكرو. ثم يتم إعطاء هذه الكتل متجهات الحركة التي تحدد الاتجاه الذي تتحرك فيه هذه الكتل عند الانتقال من إطار إلى آخر.
تساعد معلومات الحركة هذه لكل كتلة خوارزمية ضغط الفيديو على التنبؤ بموقع كل كتلة في إطار قادم.
إزالة بيانات الصور عالية التردد
تمامًا مثل التغييرات في بيانات اللون ، لا تستطيع العين البشرية اكتشاف التغييرات الطفيفة في العناصر عالية التردد في صورة ما ، ولكن ما هي العناصر عالية التردد؟ حسنًا ، كما ترى ، تتكون الصورة المعروضة على شاشتك من عدة وحدات بكسل ، وتتغير قيم هذه البكسلات بناءً على الصورة التي يتم عرضها.
في بعض مناطق الصورة ، تتغير قيم البكسل تدريجيًا ، ويقال إن هذه المناطق ذات تردد منخفض. من ناحية أخرى ، إذا كان هناك تغيير سريع في بيانات البكسل ، يتم تصنيف المنطقة على أنها تحتوي على بيانات عالية التردد. تستخدم خوارزميات ضغط الفيديو تحويل جيب التمام المنفصل لتقليل المكون عالي التردد.
هنا كيف يعمل. أولاً ، تعمل خوارزمية DCT على كل كتلة ماكرو ثم تكتشف المناطق التي يكون فيها التغيير في كثافة البكسل سريعًا جدًا. يقوم بعد ذلك بإزالة نقاط البيانات هذه من الصورة - لتقليل حجم الفيديو.
التشفير
الآن بعد أن تمت إزالة جميع المعلومات الزائدة عن الحاجة في الفيديو ، يمكننا تخزين أجزاء البيانات المتبقية. للقيام بذلك ، تستخدم خوارزمية ضغط الفيديو مخطط ترميز مثل ترميز Huffman ، والذي يربط جميع بتات البيانات في إطار لعدد مرات ظهورها في الفيديو ثم ربطها بطريقة تشبه الشجرة. يتم تخزين هذه البيانات المشفرة على نظام ، مما يمكّنه من عرض الفيديو بسهولة.
تستخدم برامج ترميز الفيديو المختلفة تقنيات مختلفة لضغط مقاطع الفيديو ، ولكن على مستوى أساسي للغاية ، فإنها تستخدم الطرق الأساسية الخمس المحددة أعلاه لتقليل حجم مقاطع الفيديو.
AV1 مقابل. HEVC مقابل. VP9: ما هو برنامج الترميز الأفضل؟
الآن بعد أن فهمنا كيفية عمل برامج الترميز ، يمكننا تحديد الأفضل من AV1 و HEVC و VP9.
الانضغاط والجودة
إذا كان لديك مقطع فيديو بدقة 4K يشغل مساحة كبيرة على نظامك ولا يمكنك تحميله على منصة البث المفضلة ، قد تبحث عن برنامج ترميز فيديو يوفر أفضل ضغط نسبة. ومع ذلك ، تحتاج أيضًا إلى مراعاة أن الجودة التي يقدمها تتناقص مع استمرار ضغط الفيديو. لذلك ، أثناء اختيار خوارزمية ضغط ، من الضروري النظر إلى الجودة التي تقدمها بمعدل بت معين ، ولكن ما هو معدل البت للفيديو؟
ببساطة ، يتم تعريف معدل البت للفيديو على أنه عدد البتات التي يحتاجها الفيديو لتشغيلها لمدة ثانية. على سبيل المثال ، يبلغ معدل البت 11.9 جيجابت / ثانية لفيديو 4K غير المضغوط 24 بت الذي يتم تشغيله عند 60 إطارًا. لذلك ، إذا قمت ببث فيديو 4K غير مضغوط على الإنترنت ، فيجب أن توفر شبكة Wi-Fi 11.9 جيجا بايت من البيانات كل ثانية - مما يستنفد حصتك الشهرية من البيانات في دقائق.
على العكس من ذلك ، فإن استخدام خوارزمية ضغط يقلل من معدل البت إلى كمية صغيرة جدًا بناءً على معدل البت الذي تختاره دون التقليل من الجودة.
عندما يتعلق الأمر بأرقام الجودة / الانضغاط ، فإن AV1 يتصدر الحزمة ويقدم أفضل بنسبة 28.1 بالمائة ضغط مقارنة بـ H.265 وتوفير 27.3 بالمائة مقارنة بـ VP9 أثناء تقديم مماثل جودة.
لذلك ، إذا كنت تبحث عن أفضل ضغط دون تدهور الجودة ، فإن AV1 هو نسبة الضغط المناسبة لك. نظرًا لنسبة الضغط إلى الجودة الكبيرة لبرنامج ترميز AV1 ، يتم استخدامه بواسطة Google في ملف تطبيق مؤتمرات الفيديو Google Duo وبواسطة Netflix أثناء نقل الفيديو على اتصال بيانات منخفض النطاق الترددي.
التوافق
كما أوضحنا سابقًا ، تقوم خوارزمية ضغط الفيديو بترميز مقطع فيديو بمجرد ضغطه. الآن لتشغيل هذا الفيديو ، يحتاج جهازك إلى فك تشفير نفسه. لذلك ، إذا كان جهازك لا يحتوي على دعم الأجهزة / البرامج لفك ضغط الفيديو ، فلن يتمكن من تشغيله.
وبالتالي ، من المهم فهم جانب التوافق في خوارزمية الضغط لأن ما الهدف من إنشاء وضغط المحتوى الذي لا يمكن تشغيله على العديد من الأجهزة؟
لذلك ، إذا كان التوافق هو الشيء الذي تبحث عنه ، فيجب أن يكون VP9 هو برنامج الترميز المناسب لك إنه مدعوم على أكثر من ملياري نقطة نهاية ويمكن تشغيله على كل متصفح وهاتف ذكي وذكاء تلفزيون.
لا يمكن قول الشيء نفسه عن AV1 لأنه يستخدم خوارزميات أحدث وأكثر تعقيدًا لتقليل حجم ملف الفيديو ولا يمكن تشغيله على الأجهزة القديمة. فيما يتعلق بدعم المستعرض ، لا يمكن لـ Safari تشغيل AV1 ، لكن المتصفحات مثل Firefox و Chrome يمكنها تشغيل مقاطع فيديو AV1 دون أي مشاكل.
فيما يتعلق بدعم الأجهزة ، فإن SoCs ووحدات معالجة الرسومات الجديدة مثل Snapdragon 8 Gen 2 و Samsung Exynos 2200 و MediaTek Dimensity 1000 5G و تدعم Google Tensor G2 و RTX 4000-Series من Nvidia و Intel Xe و Arc GPU فك تشفير الأجهزة المتسارع لبرنامج ترميز AV1. لذلك ، إذا كنت تمتلك أجهزة مدعومة بهذه الشرائح ، فيمكنك الاستمتاع ببث المحتوى المضغوط باستخدام برامج ترميز AV1 دون استنفاد طاقة وحدات المعالجة المركزية / وحدات معالجة الرسومات.
عندما يتعلق الأمر ببرنامج الترميز H.265 ، يمكن لمعظم المتصفحات الشائعة مثل Safari و Firefox و Google Chrome تشغيل مقاطع فيديو مشفرة باستخدام خوارزمية الضغط دون أي مشاكل. ومع ذلك ، بالمقارنة مع AV1 و VP9 ، فإن H.265 ليس مفتوح المصدر ، ويجب الحصول على التراخيص لاستخدام برنامج الترميز H.265. لهذا السبب ، لا يمكن لتطبيقات مثل مشغل فيديو الأفلام والتلفزيون من Microsoft ، والتي تأتي مع نظام التشغيل ، تشغيل مقاطع الفيديو المشفرة باستخدام H.265 افتراضيًا. بدلاً من ذلك ، يجب على المستخدمين تثبيت وظائف إضافية إضافية من متجر Windows لتشغيل مقاطع الفيديو هذه.
سرعة الترميز
تقلل برامج ترميز الفيديو حجم الفيديو إلى حد كبير ، ولكن لتقليل حجم الفيديو ، يجب معالجة الفيديو غير المضغوط باستخدام برنامج ، الأمر الذي يستغرق وقتًا. لذلك ، إذا كنت ترغب في تقليل حجم الفيديو ، فعليك إلقاء نظرة على الوقت الذي يستغرقه ضغط الفيديو باستخدام خوارزمية ضغط.
فيما يتعلق بكفاءة التشفير ، يتصدر VP9 الحزمة ، ووقت ترميز ضغط مقاطع الفيديو أقل بكثير من H.265 و AV1. من ناحية أخرى ، يعد AV1 هو الأبطأ في وقت التشفير ويمكن أن يستغرق أكثر من ثلاث مرات لترميز مقطع فيديو مقارنةً بـ H.265.
ما هو برنامج الترميز الذي يجب أن تختاره؟
عندما يتعلق الأمر ببرامج ترميز الفيديو ، فإن العثور على برنامج ترميز مثالي أمر شخصي للغاية ، حيث يقدم كل برنامج ترميز ميزات مختلفة.
إذا كنت تبحث عن أفضل جودة للفيديو ، فانتقل إلى AV1. من ناحية أخرى ، إذا كنت تبحث عن برنامج ترميز الفيديو الأكثر توافقًا ، فسيكون VP9 هو الأنسب لك.
أخيرًا ، يعد برنامج الترميز H.265 مناسبًا جدًا إذا كنت بحاجة إلى جودة عالية وضغط دون ترميز النفقات العامة.
