Формат h 264 что это за формат
Цифровой формат для сжатия видео H.264 (MPEG4 AVC)
Что такое H.264
Почему важно сжатие?
Представьте слона, пытающегося пробраться в мышиную норку. Исходный формат видео HD (высокой четкости), используемый при записи веб-камерой или цифровой камерой, может занимать очень много места на жестком диске — гигабайты, которые могли бы пригодиться для других файлов. Веб-сайты, включая Facebook и YouTube, а также поставщики интернет-услуг, такие как Comcast и ATT, устанавливают ограничения по размеру файлов. Файл видео высокой четкости в исходном формате зачастую может оказаться слишком велик для сайтов и поставщиков интернет-услуг.
Как работает H.264?
Видео — это поток отдельных изображений или кадров. H.264 удаляет из потока избыточную информацию. Каждый кадр делится на маленькие блоки размером в 4×4 пикселя для высокоточного анализа. При обработке кадра средство сжатия (кодировщик) ищет блоки в предыдущем кадре, только что записанном, и в следующем кадре в последовательности. Оно находит, что изменилось, а что осталось прежним. Затем избыточная информация удаляется. Этот процесс повторяется на протяжении всего потока.
Благодаря этому размер файла уменьшается эффективнее, чем даже при использовании формата MPEG-4. При воспроизведении видео декодер в устройстве воспроизведения извлекает информацию из нескольких кадров, чтобы получить полное изображение высокой четкости.
Как работает H.264 с веб-камерой?
Изображения захватываются датчиком веб-камеры, оцифровываются и сжимаются в формат H.264. Все кодирование видео выполняется в камере, так что вся нагрузка не ляжет на процессор компьютера. Затем видеоданные передаются по USB-кабелю для просмотра на компьютере, для видеообщения в реальном времени, для роликов Facebook и YouTube, для компактного хранения на диске.
Что для пользователя означает поддержка формата H.264 в камере?
Поскольку H.264 оптимизирован для видео высокого разрешения (например, с количеством строк 720 или 1080), некоторые функции камер, не поддерживающих H.264, больше недоступны с таким высоким разрешением.
Примечание. Эти функции по-прежнему можно использовать (только для видеозаписей), если выбрать более низкое разрешение видео вместо 720p или 1080p.
Особенности стандарта сжатия видеоданных H.264
Преимущества H.264
По сравнению с MPEG2 (DVD-Video) и MPEG4 ASP (DivX, XviD), сжатие H.264 работает существенно более эффективно, обеспечивая лучшее качество изображения (вплоть до недостижимого для MPEG2 и MPEG4 ASP уровня) и меньший объём файла.
Недостатки H.264
Главным недостатком H.264 являются заметно более высокие требования к оборудованию для кодирования и воспроизведения видеофайлов.
Например, на компьютере на основе процессора Intel Pentium 4 с частотой 3,2 ГГц комфортно (плавно, без рывков) при использовании декодера ffdshow tryouts под Windows Vista воспроизводится лишь видео в «среднем» HD-разрешении — 1280×720. Так называемое Full-HD-видео (1920×1080) в зависимости от сложности сцен может уже заметно «притормаживать». Следует заметить, впрочем, что в Windows предыдущего поколения — XP — Full-HD-видео на том же оборудовании во многих случаях воспроизводится вполне плавно.
Эффективность использования ресурсов компьютера при воспроизведении в некоторой степени зависит от используемого декодера.
Декодеры H.264
Поддержка H.264
H.264 принят в качестве стандарта для сжатия видео высокой чёткости (HD, HDTV), распространяемого на оптических носителях нового поколения — Blu-ray и HD DVD, используется в мобильных устройствах, поддерживается в Apple QuickTime, получает распространение в системах цифрового телевещания, видеоконференцсвязи, видеонаблюдения и проч. Adobe Flash Player, являющийся стандартом де-факто для мультимедийных web-приложений и онлайн-видеохостингов вроде YouTube, поддерживает прямое воспроизведение H.264-видео начиная с версии 9.0.115, вышедшей в конце 2007 г.
Стандарты, форматы, кодеки, контейнеры
Кодек и стандарт — не одно и то же. Стандарт — это спецификация (описание) алгоритма сжатия (например, H.264), кодек — конкретная его программная реализация (например, x264).
Не следует также путать формат данных и формат контейнера, в котором эти данные могут храниться. Одни и те же данные (например, сжатые по алгоритму H.264 кодером x264) могут быть упакованы в разные контейнеры (например, Matroska, MP4 или AVI). И наоборот, в контейнере одного и того же формата (например, MKV) не обязаны находиться видеоданные в формате H.264 — можно легко столкнуться с MKV-файлом, внутри которого будет обычное DivX-видео.
Форматы контейнеров данных
Существует несколько распространённых форматов контейнеров, основные из них — MP4, Matroska (MKV) и AVI.
MP4 Официальный стандарт контейнера для видео H.264. Главный недостаток MP4 состоит в том, что, по спецификации, такой файл может содержать звук только в формате AAC. Это приводит к вынужденным потерям качества звука, например, при создании резервных копий DVD-фильмов из-за необходимости перекодирования из одного формата сжатия с потерями (AC3, Dolby Digital) в другой (AAC). Чисто технически в контейнер MP4 можно поместить поток любого формата, но возможность воспроизведения такого файла в любом плеере не будет гарантированной. Matroska (Матрёшка, MKV) Открытый формат контейнера, официально не принят какой-либо организацией по стандартизации, но является чрезвычайно гибким, а потому широко используется и поддерживается как программными, так и аппаратными плеерами известных производителей: как выполненными в виде самостоятельных устройств — например, WD TV Live, так и встроенными в современные телевизоры. В отличие от MP4, контейнер Matroska может содержать звук в любом формате — например, AC3, являющемся стандартным для DVD-Video. Это даёт возможность, создавая, например, резервную копию DVD-фильма, закодировать видео в H.264, но звук при этом оставить в исходном формате AC3, исключив потери качества звука, связанные с перекодированием. AVI В контейнере AVI обычно представлено видео в популярных форматах DivX и XviD (MPEG4 ASP). Для хранения данных, закодированных по стандарту H.264, контейнер AVI формально не предназначен и потому для этих целей обычно не используется, а в редких случаях такого, некорректного, его применения возможность воспроизведения соответствующих файлов не гарантируется.
Воспроизведение H.264-видеофайлов
Для воспроизведения видеофайлов формата H.264 есть несколько возможностей.
Воспроизведение видео на компьютере возможно следующими способами (все указанные программные продукты бесплатны):
Магия H.264
H.264 — стандарт сжатия видео. И он вездесущ, его используют для сжатия видео в интернете, на Blu-ray, телефонах, камерах наблюдения, дронах, везде. Все сейчас используют H.264.
Нельзя не отметить технологичность H.264. Он появился в результате 30-ти с лишним лет работы с одной единственной целью: уменьшение необходимой пропускной способности канала для передачи качественного видео.
С технической точки зрения это очень интересно. В статье будут поверхностно описаны подробности работы некоторых механизмов сжатия, я постараюсь не наскучить с деталями. К тому же, стоит отметить, что большинство изложенных ниже технологий справедливы для сжатия видео в целом, а не только для H.264.
Видео в несжатом виде это последовательность двумерных массивов, содержащих информацию о пикселях каждого кадра. Таким образом это трёхмерный (2 пространственных измерения и 1 временной) массив байтов. Каждый пиксель кодируется тремя байтами — один для каждого из трёх основных цветов (красный, зелёный и синий).
1080p @ 60 Hz = 1920x1080x60x3 =>
Этим практически невозможно было бы пользоваться. Blu-ray диск на 50Гб мог бы вмещать всего около 2 мин. видео. С копированием так же будет не легко. Даже у SSD возникнут проблемы с записью из памяти на диск.
Поэтому да, сжатие необходимо.
Обязательно отвечу на этот вопрос. Но сперва я покажу кое-что. Взгляните на главную страницу Apple:
Я сохранил изображение и приведу в пример 2 файла:
Эмм… что? Размеры файлов кажется перепутали.
Нет, с размерами всё в порядке. Видео H.264 с 300 кадрами весит 175 Кб. Один единственный кадр из видео в PNG — 1015 Кб.
Кажется, мы храним в 300 раз больше данных в видео, но получаем файл весом в 5 раз меньше. Получается H.264 эффективнее PNG в 1500 раз.
Как такое возможно, в чём заключается приём?
А приёмов очень много! H.264 использует все приёмы о которых вы догадываетесь (и уйму о которых нет). Давайте пройдёмся по основным.
Избавляемся от лишнего веса.
Представьте, что вы готовите машину к гонкам и вам нужно её ускорить. Что вы сделаете в первую очередь? Вы избавитесь от лишнего веса. Допустим, машина весит одну тонну. Вы начинаете выбрасывать ненужные детали… Заднее кресло? Пфф… выбрасываем. Сабвуфер? Обойдёмся и без музыки. Кондиционер? Не нужен. Коробка передач? В мусо… стойте, она еще пригодится.
Таким образом вы избавитесь от всего, кроме необходимого.
Этот метод отбрасывания ненужных участков называется сжатием данных с потерями. H.264 кодирует с потерями, отбрасывая менее значимые части и сохраняя при этом важные.
PNG кодирует без потерь. Это означает, что вся информация сохраняется, пиксель в пиксель, и поэтому оригинал изображения можно воссоздать из файла, закодированного в PNG.
Важные части? Как алгоритм может определять их важность в кадре?
Существует несколько очевидных способов урезания изображения. Возможно, верхняя правая четверть картинки бесполезна, тогда можно удалить этот угол и мы уместимся в ¾ исходного веса. Теперь машина весит 750 кг. Либо можно вырезать кромку определенной ширины по всему периметру, важная информацию всегда ведь по середине. Да, возможно, но H.264 всего этого не делает.
Что же на самом деле делает H.264?
H.264, как и все алгоритмы сжатия с потерями, уменьшает детализацию. Ниже, сравнение изображений до и после избавления от деталей.
Видите как на сжатом изображении исчезли отверстия в решётке динамика у MacBook Pro? Если не приближать, то можно и не заметить. Изображение справа весит всего 7% от исходного и это при том, что сжатия в традиционном смысле не было. Представьте машину весом всего лишь 70 кг!
7%, ого! Как возможно так избавиться от детализации?
Для начала немного математики.
Информационная энтропия
Мы подходим к самому интересному! Если вы посещали теорию информатики, то возможно вспомните про понятие информационной энтропии. Информационная энтропия это количество единиц для представления некоторых данных. Заметьте, что это вовсе не размер самих данных. Это минимальное количество единиц, которое нужно использовать, чтобы представить все элементы данных.
Например, если в виде данных взять один бросок монеты, то энтропия получится 1 единица. Если же бросков монетки 2, то понадобятся 2 единицы.
Предположим, что монета весьма странная — её подбросили 10 раз и каждый раз выпадал орёл. Как бы вы кому нибудь рассказали об этом? Вряд ли как-то вроде ОООООООООО, вы бы сказали «10 бросков, все орлы» — бум! Вы только что сжали информацию! Легко. Я вас спас от многочасовой утомительной лекции. Это, конечно же, огромное упрощение, но вы преобразовали данные в некое короткое представление с той же информативностью. То есть уменьшили избыточность. Информационная энтропия данных не пострадала — вы только преобразовали представление. Такой способ называется энтропийным кодированием, который подходит для кодирования любого вида данных.
Частотное пространство
Теперь, когда мы разобрались с информационной энтропией, перейдем к преобразованию самих данных. Можно представить данные в фундаментальных системах. Например, если использовать двоичный код, будут 0 и 1. Если же использовать шестнадцатеричную систему, то алфавит будет состоять из 16 символов. Между вышеупомянутыми системами существует взаимно однозначная связь, поэтому можно легко преобразовывать одно в другое. Пока всё понятно? Идём дальше.
А представьте, что можно представить данные, которые изменяются в пространстве или времени, в совершенно иной системе координат. Например, яркость изображения, а вместо системы координат с x и y, возьмём частотную систему. Таким образом, на осях будут частоты freqX и freqY, такое представление называется частотным пространством[Frequency domain representation]. И существует теорема, что любые данные можно без потерь представить в такой системе при достаточно высоких freqX и freqY.
Хорошо, но что такое freqX и freqY?
freqX и freqY всего лишь другой базис в системе координат. Так же как можно перейти из двоичной системы в шестнадцатеричную, можно перейти из X-Y в freqX и freqY. Ниже изображён переход из одной системы в другую.
Мелкая решётка MacBook Pro содержит высокочастотную информацию и находится в области с высокими частотами. Таким образом мелкие детали имеют высокую частоту, а плавные изменения, такие как цвет и яркость низкую. Всё, что между, остаётся между.
В таком представлении, низкочастотные детали находятся ближе к центру изображения, а высокочастотные в углах.
Пока всё понятно, но зачем это нужно?
Потому что теперь, можно взять изображение, представленное в частотных интервалах, и обрезать углы, иными словами применить маску, понизив тем самым детальность. А если преобразовать изображение обратно в привычное, можно будет заметить, что оно осталось похожим на исходное, но с меньшей детализацией. В результате такой манипуляции, мы сэкономим место. Путём выбора нужной маски, можно контролировать детализацию изображения.
Ниже знакомый нам ноутбук, но теперь уже с, применёнными к ней, круговыми масками.
В процентах указана информационная энтропия относительно исходного изображения. Если не приближать, то разница не заметна и при 2%! — машина теперь весит 20 кг!
Именно таким образом нужно избавляться от веса. Такой процесс сжатия с потерями называется Квантованием.
Это впечатляет, какие еще приёмы существуют?
Цветовая обработка
Человеческий глаз не особо хорошо различает близкие оттенки цвета. Можно легко распознавать наименьшие различия в яркости, но не цвета. Поэтому должен существовать способ избавления от лишней информации о цвете и сэкономить ещё больше места.
В телевизорах, цвета RGB преобразуются в YCbCr, где Y это компонента яркости (по сути яркость черно-белого изображения), а Cb и Cr компоненты цвета. RGB и YCbCr эквиваленты в плане информационной энтропии.
Зачем же тогда усложнять? RGB разве не достаточно?
Во времена чёрно-белых телевизоров, была только компонента Y. А с началом появления цветных телевизоров у инженеров встала задача о передаче цветного RGB изображения вместе с чёрно-белым. Поэтому вместо двух каналов для передачи, было решено кодировать цвет в компоненты Cb и Cr и передавать их вместе с Y, а цветные телевизоры уже сами будут преобразовывать компоненты цвета и яркости в привычный им RGB.
Но вот в чём хитрость: компонента яркости кодируется в полном разрешении, а компоненты цвета лишь в четверть. И этим можно пренебречь, т.к. глаз/мозг плохо различает оттенки. Таким образом можно уменьшить размер изображения в половину и с минимальными отличиями. В 2 раза! Машина будет весить 10 кг!
Данная технология кодирования изображения со снижением цветового разрешения называется цветовой субдискретизацией. Она используется повсеместно уже давно и относится не только к H.264.
Это самые значительные технологии в уменьшении размера при сжатии с потерями. Нам удалось избавиться от большинства детализации и сократить информацию о цвете в 2 раза.
Да. Обрезание картинки это лишь первый шаг. До этого момента мы разбирали отдельно взятый кадр. Пришло время взглянуть на сжатии во времени, где нам предстоит работать с группой кадров.
Компенсация движения
H.264 стандарт, который позволяет компенсировать движения.
Представьте, что вы смотрите теннисный матч. Камера зафиксирована и снимает с определенного угла и единственное что движется это мячик. Как бы вы закодировали это? Вы бы сделали что и обычно, да? Трёхмерный массив пикселей, две координаты в пространстве и один кадр за раз, так?
Но зачем? Большая часть изображения одинакова. Поле, сетка, зрители не меняются, единственное что движется это мячик. Что если определить единственное изображение фона и одно изображение мячика, движущегося по нему. Не сэкономило бы это значительно места? Вы видите к чему я клоню, не так ли? Компенсация движения?
И это именно то, что H.264 делает. H.264 разбивает изображение на макроблоки, обычно 16х16, которые используются для расчёта движения. Один кадр остаётся статичным, обычно его называют I-кадр [Intra frame], и содержит всё. Последующие кадры могут быть либо P-кадры [predicted], либо B-кадры [bi-directionally predicted]. В P-кадрах вектор движения кодируется для каждого макроблока на основе предыдущих кадров, таким образом декодер должен использовать предыдущие кадры, взяв последний из I-кадров видео и постепенно добавляя изменения последующих кадров пока не дойдёт до текущего.
Ещё интереснее обстоят дела с B-кадрами, в которых расчёт производится в обоих направлениях, на основании кадров идущих до и после них. Теперь вы понимаете почему видео в начале статьи весит так мало, это всего лишь 3 I-кадра, в которых мечутся макроблоки.
При такой технологии кодируется только различия векторов движения, тем самым обеспечивая высокую степень сжатия любого видео с перемещениями.
Мы рассмотрели статическое и временное сжатия. С помощью квантования мы во много раз уменьшили размер данных, затем с помощью цветовой субдискретизации ещё вдвое сократили полученное, а теперь еще компенсацией движения добились хранения лишь 3х кадров из 300, которые были первоначально в рассматриваемом видео.
Выглядит впечатляюще. Теперь что?
Теперь мы подведём черту, используя традиционное энтропийное кодирование без потерь. Почему нет?
Энтропийное кодирование
После этапов сжатия с потерями, I-кадры содержат избыточные данные. В векторах движения каждого из макроблоков в P-кадрах и B-кадрах много одинаковой информации, так как зачастую они двигаются идентично, как это можно наблюдать в начальном видео.
От такой избыточности можно избавиться энтропийным кодированием. И можно не переживать за сами данные, так как это стандартная технология сжатия без потерь, а значит всё можно восстановить.
Вот теперь всё! В основе H.264 лежат вышеупомянутые технологии. В этом и заключаются приёмы стандарта.
Отлично! Но меня разбирает любопытство узнать, сколько же весит теперь наша машина.
Исходное видео было снято в нестандартном разрешении 1232×1154. Если посчитать, то получится:
5 сек. @ 60 fps = 1232x1154x60x3x5 => 1.2 Гб
Сжатое видео => 175 Кб
Если соотнести результат с оговорённой массой машины в одну тонну, то получится вес равный 0.14 кг. 140 граммов!
Конечно же я в очень упрощённом виде изложил результат десятилетних исследований в этой сфере. Если захотите узнать больше, то страница в википедии вполне познавательна.
H.264, чем открыть?
Что такое файл стандарта H.264?
Говоря простым языком, файл H.264 (MPEG-4 AVC) – это видеофайл, закодированный в лицензируемом стандарте сжатия видео H.264, обеспечивающем высокий уровень компрессии (низкий битрейт) при отличном качестве получаемого изображения.
Справка! Битрейт – количество бит (единиц информации), передающихся за единицу времени. Для фильмов стандарта Full HD (1080 p) битрейт видеофайла составляет около 10 Мбит/сек.
Из-за высокого уровня компрессии и других своих достоинств кодек H.264 заменил собой предыдущий кодек MPEG-4 ASP и широко применяется в видеокамерах AVCHD, на дисках Blu-ray и HD DVD, на ТВ HDTV и т.д.
Преимущества H.264 AVC:
Существует множество медиаплееров в ОС Windows, проигрывающих файлы формата h.264.
Некоторые лучшие из них:
Воспроизведение файлов H.264 с помощью медиаплеера VLC
Узнайте о проверенных способах конвертирования видео, из нашей новой статьи — «Как переформатировать видео».
Шаг 1. Открыть интернет-браузер, перейти по ссылке: http://www.videolan.org/vlc/index.html и нажать «Download VLC» («Скачать») для загрузки последней версии VLC плеера.
Примечание! Скачанный файл можно найти в «Настройках» браузера, перейдя в его «Загрузки».
Шаг 2. Запустить скачанный файл.
Шаг 3. Выбрать язык и нажать «OK».
Шаг 4. Трижды нажать «Далее».
Шаг 5. Нажать «Установить».
Шаг 6. После установки программного обеспечения нажать «Готово».
Шаг 7. После запуска программы нажать «Инструменты» и щелкнуть «Настройки».
Шаг 8. Раскрыть слева щелчками мыши пункт «Ввод/кодеки» и выбрать «Демультиплексоры».
Шаг 9. Выбрать справа в выпадающем списке «Модуль демультиплексора» вариант «Демультиплексор H264» и нажать «Сохранить».
Теперь можно открывать и просматривать файлы H.264 в медиаплеере VLC. Для этого необходимо:
Шаг 1. Нажать «Медиа» и щелкнуть «Открыть файл…».
Шаг 2. Выбрать в раскрывающемся списке «все файлы», щелкнуть мышью в окне на нужном файле и нажать «Открыть».
Также можно просто перетащить нужный файл из папки Windows в окно медиаплеера для открытия файла.
Видео откроется в окне видеоплеера.
После просмотра видео можно вернуть автоматический выбор демультиплексора.
Установка медиа декодера ffdshow
Если файл не проигрывается, в операционную систему можно установить универсальный медиа декодер ffdshow.
Шаг 1. Перейти по адресу: http://ffdshow-tryout.sourceforge.net/download.php и нажать на ссылку с 32- или 64-bit ОС, в зависимости от установленной у пользователя версии Windows.
Шаг 2. Запустить скачанный файл из папки «Загрузки» или из другой папки, в которую сохранили при скачивании.
Шаг 3. Нажать «OK».
Шаг 4. Шесть раз нажать «Далее».
Шаг 5. Нажать «Установить».
Шаг 6. Снять галочки с пунктов настройки декодера и нажать «Завершить».
После установки медиа декодера он сможет проигрывать видеопоток H.264 в любом DirectShow-совместимом медиаплеере автоматически.
Видео — Как открыть формат H.264?
Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!