Як працює стиснення Відео
Принципи стиснення відео засновані на тому, щоб зменшити обсяг даних, зберігши при цьому максимально можливу якість зображення. Це робиться двома основними способами: просторовим і часовим зменшенням інформації.
Базові принципи
Просторове зменшення даних пов'язане з аналізом кожного окремого кадру. Всередині кадру багато повторюваних або схожих елементів — наприклад, великі однотонні області або плавні переходи кольору. Кодек використовує математичні методи (найчастіше дискретне косинусне перетворення або в сучасних варіантах вейвлет-перетворення), щоб представити такі області більш компактно.
По суті, це схоже на JPEG-стиснення для зображень: ми прибираємо надлишкові деталі, які людське око майже не помічає, і тим самим скорочуємо розмір кадру.
Часове зменшення даних працює з послідовністю кадрів. У відео сусідні кадри часто дуже схожі один на одного: фон залишається незмінним, а рухається тільки частина об'єктів.
Кодек не зберігає кожен кадр цілком, а описує зміни відносно попереднього.
Це дозволяє значно скоротити обсяг інформації, адже замість повного кадру достатньо записати тільки те, що змінилося.
Звідси з'являються два ключові типи кадрів:
- Intra-frame (I-кадр) — це кадр, закодований повністю, без опори на інші. Він служить як точка відліку, і його можна відтворити окремо.
- Inter-frame (P-кадр, B-кадр) — це кадри, які кодуються на основі інших. P-кадри використовують дані з попередніх, а B-кадри — з попередніх і наступних одночасно. Вони містять тільки інформацію про відмінності, що робить їх набагато легшими за розміром.
Таким чином, комбінація просторового та часового зменшення даних дозволяє кодеку ефективно балансувати між якістю та ступенем стиснення: всередині кадру прибирається зайва деталізація, а між кадрами зберігаються тільки зміни.
Різниця між стиснутим і не стиснутим відео
Стиснення даних ділиться на два великих підходи — з втратами і без втрат, і вони застосовуються в різних ситуаціях залежно від того, що важливіше: якість чи економія місця.
Стиснення без втрат
Зберігає всю вихідну інформацію. Після декодування дані повністю збігаються з оригіналом, без найменших змін. Такий метод використовується там, де точність критична: наприклад, у текстових документах, програмному коді, базах даних або архівних форматах на кшталт ZIP і RAR.
У відео та аудіо без втрат теж зустрічається — наприклад, формати FLAC для музики або Apple ProRes для відео — але вони займають набагато більше місця і вимагають більше ресурсів для зберігання та передачі.
Обмеження тут очевидне: файли залишаються великими, тому без втрат застосовують тільки тоді, коли якість важливіше за все.
Стиснення з втратами
Стиснення з втратами працює інакше: воно прибирає частину інформації, яка вважається несуттєвою для сприйняття людиною.
В аудіо це можуть бути звуки за межами чутного діапазону, в зображеннях — дрібні колірні нюанси, у відео — деталі, які око майже не розрізняє.
Такий підхід дозволяє значно зменшити розмір файлів, але при багаторазовому перестисненні або занадто сильній компресії якість помітно падає.
Стиснення з втратами використовується повсюдно: H.264 або HEVC кодеки є найпоширенішими.
Обмеження тут в тому, що відновити оригінал неможливо — частина даних назавжди зникає.
В підсумку вибір між цими методами залежить від завдання: якщо потрібно архівувати мастер-записи або зберігати юридично важливі документи, застосовують без втрат; якщо ж пріоритет — компактність і зручність передачі, використовують втрачене стиснення.
Ефективність сучасних кодеків
Сучасні кодеки розвиваються від H.264 до більш ефективних H.265, VP9, AV1 і VVC. Кожен новий крок дає кращу якість при меншому бітрейті, але вимагає більше обчислювальних ресурсів і підтримки з боку пристроїв і платформ.
Кодеки
H.264 (AVC)
Найпоширеніший і універсальний кодек. Він забезпечує хорошу якість при помірному бітрейті і підтримується практично всіма пристроями та браузерами. Обмеження: за сучасними мірками він менш ефективний, особливо для 4K і стрімінгу.
H.265 (HEVC)
Наступник H.264, дає приблизно в два рази краще стиснення при тій же якості. Використовується в 4K‑відео, Blu‑ray UHD і стрімінгу. Мінус — ліцензування та висока навантаження на процесор при кодуванні.
VP9
Розробка Google як альтернатива HEVC. Безкоштовний і відкритий, широко застосовується в YouTube. Ефективність близька до H.265, але кодування повільніше.
AV1
Новий відкритий стандарт від консорціуму AOMedia (Google, Netflix, Microsoft та ін.). Він забезпечує на 30–40% краще стиснення порівняно з VP9 і HEVC, особливо для 4K і HDR. Обмеження: кодування дуже важке, але поступово з'являється апаратна підтримка у відеокартах і процесорах.
VVC (H.266)
Найсвіжіший стандарт, розроблений Fraunhofer. Обіцяє до 50% економії бітрейту відносно HEVC при тій же якості. Ідеальний для 8K, VR і стрімінгу майбутнього. Обмеження: поки мало апаратної підтримки і складне ліцензування.
Порівняння компресії
Full HD фільм (дві години)
| Кодек | Бітрейт (Мбіт/с) | Розмір файлу |
|---|---|---|
| H.264 | ~9 | 9 ГБ |
| H.265 | ~4.5 | 4.5 ГБ |
| VP9 | ~5 | 5 ГБ |
| AV1 | ~3.5 | 3.5 ГБ |
| VVC | ~2.5 | 2.5 ГБ |
Короткий ролик в 4K (десять хвилин)
| Кодек | Бітрейт (Мбіт/с) | Розмір файлу |
|---|---|---|
| H.264 | ~40 | 3.5 ГБ |
| H.265 | ~20 | 1.7 ГБ |
| VP9 | ~22 | 2 ГБ |
| AV1 | ~12 | 1.1 ГБ |
| VVC | ~9 | 0.8 ГБ |
Онлайн‑стрімінг Full-HD (одна година)
| Кодек | Бітрейт (Мбіт/с) | Розмір файлу |
|---|---|---|
| H.264 | ~5 | 2.2 ГБ |
| H.265 | ~2.5 | 1.1 ГБ |
| VP9 | ~3 | 1.3 ГБ |
| AV1 | ~2 | 0.9 ГБ |
| VVC | ~1.5 | 0.7 ГБ |
Роль формату в стисненні відео
Різниця в результаті стиснення від формату контейнера практично відсутня. Контейнер — це всього лише «оболонка», яка об'єднує всередині себе відеопотік, аудіопотік, субтитри і службові дані. Він не займається самим процесом стиснення, а лише визначає, як ці елементи будуть зберігатися і синхронізуватися.
Стиснення і якість відео визначаються саме кодеком, який працює з кадрами і послідовностями, зменшуючи обсяг даних. Контейнер же тільки «упаковує» результат роботи кодека. Наприклад, один і той же відеопотік, закодований H.265, може бути збережений у MP4, MKV або MOV — і якість, і ступінь стиснення будуть однаковими, тому що вони залежать від кодека, а не від контейнера.
Різниця може проявлятися лише в зручності використання:
- деякі контейнери підтримують більше функцій (наприклад, MKV легко зберігає декілька доріжок субтитрів і аудіо)
- інші краще сумісні з пристроями і програмами (MP4 відтворюється майже всюди)
Іншими словами, контейнер впливає на сумісність і функціональність, але не на ефективність стиснення.