4K и 8K - вопросы сжатия

Разрешение видеороликов стремительно растет. Автор этих строк еще помнит свою юность 90-х годов, когда далеко не у всех в России были дома аналоговые видеомагнитофоны или видеокамеры, а что уж говорить про цифровые форматы VideoCD и DVD, второй из который только набирал популярность в конце 90-х. Также редки были тогда в широких потребительских массах и цифровые пленочные форматы вроде DV/MiniDV или тем более какой-нибудь D-VHS. Аналоговый (либо аналогово-цифровой) носитель LaserDisc также был редок в России (да и не только в ней) даже в 90-е годы, а уж экзотический формат (хоть и высокого разрешения) W-VHS - тем более. Бытовая компьютерная техника в 90-е годы также была довольно слаба по своим возможностям, поэтому для распространения и просмотра видео (тем более хорошего разрешения) часто не слишком подходила. Стандарт сжатия видео MPEG-1 появился только в 1993 году, MPEG-2 - в середине 90-х. Другие популярные стандарты сжатия появились еще позже.

Т.е. в 90-е годы для широких масс понятие "видео высокого разрешения" было чем то малопонятным. Отличные возможности по разрешению конечно же хранит в себе такая аналоговая вещь как кинопленка. Но рядовой обыватель даже сейчас в России, да и не только в ней, вряд ли сможет позволить себе такое недешевое удовольствие как съемка и монтаж 1 и более часов видео на кинопленку. А если и решится, вынужден будет серьезно на этой потратиться.

Но мы являемся свидетелями стремительного развития технологий, прогресс ускоряется со страшной силой. В начале 00-х цифровые форматы все больше места стали занимать на массовом рынке. Как известно, тогда же в начале 00-х цифровые камеры повышенного разрешения стали более активно применяться в кинематографе. Также полки магазинов в первой половине-середине 00-х годов стали активно занимать цифровые фотоаппараты с уже довольно большим разрешением кадра. Что же касается цифровых видеокамер высокой четкости для массового сегмента пользователей, пожалуй, их активное распространение началось во второй половине 00-х. Здесь и знаменитые линейки моделей от Sony и некоторые модели Panasonic, а также некоторые более дешевые варианты от других фирм.

Прошло не так много времени, но в середине 10-х годов уже появился достаточно заметных выбор различных видеокамер для массового потребителя (т.е. не слишком дорогих) с разрешением 4K. Не отставали и производители мониторов, иначе как же, снимать в 4K и не насладиться заснятым? Вероятно, формат 4K какое то время будет еще перевариваться массовым потребителем, но возможно, уже где-нибудь году к 2020-2023 для широких потребительских масс начнется активное внедрение и распространение 8K.

Продолжится ли такое стремительное ускорение появления и развития форматов разрешения видео? Сложно сказать. Можно провести аналогию с качеством аудиоданных. Форматы заоблачного качества вроде 192 кГц, 24 бит (без сжатия) предпочитает довольно узкая прослойка потребителей. Массовый обыватель вполне удовлетворяется сжатием на уровне mp3 с потоком в 128-192 кбт/с (44,1 кГц, 16 бит) и даже если в его плеере или компьютере диск или файл с более высокими параметрами, он вряд ли уловит разницу.

Наверное, не исключено замедление гонки и в качестве видеопотока. Зрение далеко не у всех идеально. Да и здоровый глаз среднестатистического потребителя контента имеет некоторые ограничения. Всем ли будут нужны заоблачные параметры в 16K, 32K, 64K? Конечно, искушенный ценитель хорошо знает, что такое кинематограф, и для него качества DVD будет маловато, но форматы 4K, 8K скорее всего вполне достаточны для кинозалов с большими экранами. Хотя для цифровых кинопроекторов это не предел, и их разрешения в новых моделях могут также расти далее. Как известно, помимо повышения разрешения, уделяется внимание повышению цветности (более 8 bit на цвет), а также повышению частоты кадров. Будет ли разумный предел у этой гонки? Возможно все эти устремления слегка затормозит отвлечение на массовое появление и развитие объемного видео (т.е объемная проекция в виде голограммы или иным способом), а также на дальнейшее развитие VR видео. Хотя и в этих направлениях гонка за повышением качества возможна.

Увеличение разрешения кадра, цветности (более 8 bit на цвет), частоты кадров неминуемо ведет к увеличению объема видеофайлов. Заоблачные параметры приведут к тому, что даже объемные Blu-ray диски (BDXL например) не смогут вмещать желаемые форматы. Безусловно, на подходе и новые носители и методы хранения объемных данных (хотя для Blu-ray уже есть разработки с числом слоев больше 4). Но вопрос, насколько они будут надежны? CD и DVD - уже достаточно проверенные временем форматы, показавшие, что качественно изготовленный и записанный CD или DVD диск может без каких либо потерь хранить информацию достаточно долго, десятки лет точно во всяком случае. Blu-ray более молод, но учитывая его понятные отличия (и положительные, и отрицательные) от упомянутых форматов, а также некоторые нововведения для увеличения надежности, можно предположить, что также, если у вас в руках экземпляр качественного производства и запишите вы его (если это не уже записанный или отштампованный диск с данными) также правильно, то прослужит он достаточно заметный срок.

Но не будем забегать слишком далеко в будущее. Постараемся разобраться пока с 4K и 8K. Как сейчас сжимаются эти форматы, легко ли умещаются на тот же Blu-ray, какие еще вопросы возникают вокруг них.

Для понимания масштабов вернемся в прошлое к SD формату видео. Видеофайл длительностью 1 час с разрешением 720x576 пикселей с частотой кадров в секунду 25 (довольно распространенной для такого разрешения в связи с отголосками системы PAL) и глубиной цветности 8 бит на цвет будет занимать в несжатом виде (без учета аудиоданных) около 112 Гб.

А что же с 4K и 8K? Надо сказать, что под эти общие обозначения подпадает несколько схожих разрешений, различающихся в зависимости от области применения. Например, в 4K различают:
- полнокадровый 4K - 4096 × 3072 - соотношение 1,33:1 (4:3, 12:9)
- академический 4K - 3656 × 2664 - соотношение 1,37:1
- Ultra HD - 3840 × 2160 - соотношение 1,78:1 (16:9)
- кашетированный 4K - 3996 × 2160 - соотношение 1,85:1 (Flat)
- DCI 4K - 4096 x 2160 - соотношение 1,89:1 (256:135)
- широкоэкранный 4K - 4096 × 1716 - соотношение 2,39:1 (Scope)
Данные взяты с ru.wikipedia.org/wiki/4K_(разрешение)

Возьмем для расчетов более близкий потребителю Ultra HD (3840 × 2160). Допустим, наш файл, длительностью 1 час с таким разрешением, несжатый, будет также иметь глубину цветности 8 бит на цвет и частоту кадров 25 в секунду. Тогда мы получим, что занимать он будет примерно 2,2394 Терабайта.

Учитывая принятый стандарт, что формат 8K с соотношением сторон 16:9 имеет разрешение 7680 × 4320, которое ровно в 4 раза больше, чем у формата Ultra HD, несжатый файл 8K длительностью 1 час с таким разрешением и всё теми же параметрами (8 бит на цвет, кадров 25 в секунду) будет занимать примерно 8,9576 Терабайта.

Что ж числа довольно большие. Если собираетесь монтировать у себя на компьютере 4K и 8K видео - учитывайте эти данные. Что важно понимать, и что уже вкратце упоминалось, с повышением разрешения, увеличивают и другие параметры - глубину цветности и частоту кадров. Для 4K и 8K стоит говорить о цветности 10 и 12 бит на цвет (стандарт Rec. 2020) и частоте кадров 50p, 59.94p, 60p, более высокая частота кадров применяется скорее в профессиональной сфере, нежели в бытовой. Такие расширенные параметры безусловно повлияют на общий объем данных. И объем файла, о котором мы рассуждали, может заметно увеличиться. Например, увеличение частоты кадров в 2 раза и цветности до 10 бит увеличит объем упомянутых нами файлов до 5,5985 Терабайта (4K) и 22,394 Терабайта (8K).

Как же такие объемы сжимаются? Да так, чтобы хорошо и эффективно. В отношении Blu-ray дисков с разрешением не выше FullHD и 2K, как об этом обычно указывается в технических статьях, применяется кодек (формат) MPEG-4 H.264/AVC, иногда VC-1 и MPEG-2. А вот для Blu-ray 4K (Ultra HD Blu-ray) да и в целом для файлов 4K и 8K обычно используется уже H.265 (или HEVC). Хотя для работы с видео таких разрешений также имеются и другие кодеки, например VP9 от Гугл и Daala.

На бытовых носителях на момент марта 2018 года мы пока формат 8K не видим, Blu-ray возможно для такого разрешения не подойдет и вовсе. Да и тот же Netflix вроде бы не предлагает к просмотру фильмы в таком разрешении. В конце концов мониторы и телевизоры такого разрешения пока еще не слишком распространены. Поэтому пока обсудим вопросы сжатия 4K. На его примере не сложно будет прикинуть примерные параметры обработки 8K.

Какое же качество приемлемо для массового потребителя? Фильмы и видео на Blu-ray как правило продаются в коробке с 1 диском. Диск может иметь несколько слоев. На массовом рынке пока в основном присутствуют диски с числом слоев до 4. 3-слойный диск имеет емкость около 100 Гб, 4-слоный - около 128 Гб. Диски Ultra HD Blu-ray имеют как правило не менее 2 слоев, поскольку объем информации действительно велик, помимо видеоданных у фильмов иногда имеется и несколько языковых версий озвучания в многоканальном формате.

А что же с битрейтом. Для обычного Blu-ray битрейт обычно составляет от 30 до 55 Мбит/c, а вот для Ultra HD Blu-ray это пожалуй цифры в районе 50 - 120 Мбит/c (в спецификации обычно указывается 82-128 Мбит/c, но скорее это относится к скорости чтения и передачи данных, хотя определенную связь с битрейтом контента диска это конечно иметь должно). Оговоримся о том, что кодек H.265 (HEVC) имеет достаточно широкий диапазон доступных битрейтов для сжатия данных. Что ж, прикинем для примера, что у нас 3-слойный диск Ultra HD Blu-ray (а это примерно 100 Гб) с 2-часовым фильмом. Также прикинем, что это обычный 2D фильм, а не 3D. Вероятно несколько Гигабайт уйдет на звуковые данные (пусть это будет около 5 Гб), остальное остается на видео - 95 Гб. То есть 47,5 Гб на 1 час видео. Допустим, что видео у нас с параметрами 50 кадров в секунду и глубиной цветности 10 бит на цвет. Мы уже рассчитывали, что 1 час такого видео в несжатом виде будет занимать 5,5985 Терабайта. А у нас, как вы помните - 47,5 Гб. Делим первое на второе. Получаем, что сжатие данных составляет примерно 117,8 раза. Что ж, довольно серьезная компрессия. Видимо кодек H.265 позволяет использовать такое сжатие без заметных для глаза потерь, видимых при просмотре на большом мониторе. Все таки видео с дисков Ultra HD Blu-ray смотрят на больших экранах либо близко сидя к ним. Наверняка кодек достаточно умен при обработке динамичных и статичных сцен, экономя битрейт на вторых, выделяет его больше на первые. Если же фильм на диске содержится в формате 3D, то сжатие придется удвоить, либо разделить фильм на 2 диска. Как чаще поступают в таком случае, сказать сложно, пока такой статистической информацией мы не обладаем.

1 апр 2018