ОПТИМАЛЬНЫЙ ВИДЕОКОДЕК ДЛЯ ВИДЕОПОДСИСТЕМЫ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

Настоящая статья написана в рамках проведения исследования передачи видеопотоков в роботизированной системе. Её целью является отражение ныне достигнутых результатов в виде оценки возможности применения некоторого видеокодека в ходе проектирования мобильного робота.

Исследование передачи видеопотоков в роботизированной системе предполагает разработку видеоподсистемы (рис. 1).

Рисунок 1. Структурная схема роботизированной системы

Видеоподсистема в себя включает камеру, блок обработки видео (предварительная обработка для дальнейшего распознавания объектов уже на станции) и видеокодек, как программный модуль, реализующий компрессор видеопотока.

На входе видеоподсистемы происходит видеосъемка окружения в обзоре камеры, а на выходе поток попадает в передатчик, вещающий на станцию, также производится частичная запись сжатого видео в память робота, доступ к которой имеется у станции.

В ходе работы под разрабатываемой системой имеется в виду видеоподсистема мобильного робота в общем случае, а в частном – умного автомобиля, как ключевого звена V2E.

Немного о видеокодеках. H.264 или MPEG-4-10, Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC) – это блочно-ориентированный стандарт сжатия видео на основе компенсации движения. С 2014 года это один из наиболее часто используемых форматов для записи, сжатия и распространения видеоконтента. Он поддерживает разрешение до 8192 × 4320, включая 8K UHD.

Цель проекта H.264 / AVC состояла в том, чтобы создать стандарт, способный обеспечить хорошее качество видео при существенно более низких скоростях передачи по сравнению с предыдущими стандартами (т. е. половину или менее скорости передачи MPEG-2, H.263 или MPEG-4-2), без увеличения сложности конструкции настолько, что это будет нецелесообразно или чрезмерно дорого для реализации. Дополнительная цель состояла в том, чтобы обеспечить достаточную гибкость, позволяющую применять стандарт к широкому спектру приложений в самых разных сетях и системах, включая низкую и высокую скорость передачи данных, видео с низким и высоким разрешением, широковещательную передачу, хранение DVD, RTP. Стандарт H.264 можно рассматривать как «семейство стандартов», состоящее из нескольких различных профилей. H.264 обычно используется для сжатия с потерями.

H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding – высокоэффективное кодирование видеоизображений) – формат видеосжатия с применением более эффективных алгоритмов по сравнению с H.264/MPEG-4 AVC. Рекомендация МККТТ H.265, а также стандарт ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Часть 2, – совместная разработка экспертной группы по видеокодированию МККТТ (ITU-T Video Coding Experts Group – VCEG) и экспертной группы по движущемуся изображению MPEG. Стандарт разработан в связи с растущей потребностью в более высокой степени сжатия движущихся изображений для самых разных приложений, таких как потоковая передача в интернете, передача данных, видеоконференц-связь, цифровые запоминающие устройства и телевизионное вещание. Поддерживаются форматы кадра до 8K (UHDTV) с разрешением 8192×4320 пикселей.

VP9 – открытый и бесплатный для потребителя стандарт сжатия видео, разрабатываемый корпорацией Google. Раньше разрабатывался под названием Next Generation Open Video (NGOV) и VP-Next. Является эволюционным развитием и преемником стандарта VP8. Оба стандарта используются с контейнером WebM. VP9 имеет много улучшений по сравнению с VP8. VP9 будет поддерживать суперблоки размером 32x32 пикселя (что важно для работы с высоким разрешением) и разработчики обсуждают возможность поддержки суперблоков размером 64x64. Также будет использоваться кодирование суперблоков с помощью квадродеревьев.

AOMedia Video 1 (AV1) – открытый стандарт сжатия видео, предназначенный для кодирования видео передаваемого по сети Интернет. Разрабатывается Альянсом AOMedia, созданным в 2015 году и состоящим из компаний занимающихся производством электроники (AMD, Apple, Arm, Broadcom, Intel, Nvidia), распространением видео по запросу (Apple, Amazon, Facebook, Google, Hulu, Netflix), разработкой веб-браузеров (Apple, Google, Mozilla, Microsoft).

Разработчики предполагают использование AV1 в связке с аудио кодеком Opus и медиа-контейнером WebM для проигрывания видео на сайтах с HTML5 или для WebRTC.

На данном этапе разработки необходимо определиться с используемым видеокодеком. Для этого была проведена предварительная оценка, а точнее найдена информация о производительности кодеков и других их характеристиках [1].

Необходимо посмотреть на производительность видеокодеков по бит-рейту в равных условиях по разрешению. За эталон был взят h.264. В таблице 1 представлена относительная производительность кодеков по среднему относительному бит-рейту [2], а также задержки и максимум качества.

Таблица 1.

Сравнение h.264, h.265, AV1 и VP9

Учитывая информацию из сравнения характеристик, можно заключить, что оптимальный кодек в рамках мобильной роботизированной системы – это h.265, так как по критическим показателям для систем реального времени он явно лидирует.

Разработка архитектуры инструмента тестирования видеокодеков. Для того чтобы определить оптимальный в рамках разрабатываемой системы видеокодек, необходим некий инструмент для изучения поведения и эффективности работы некоторого кодека в заданных условиях. Этим инструментом в ходе работы является комплекс генератор – исказитель – анализатор (приемник) видеопотока. Его структурная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема комплекса тестирования видеокодека

Видеопоток, выходя из кодера генератора, где реализован видеокодек, попадает под влияние исказителя, налагающего некоторые нормированные искажение потока, к примеру, изменение контрольной суммы части проходящих пакетов. В анализаторе осуществляется выявление степени устойчивости компрессора видеопотока к искажениям в условиях роботизированных систем.

Список литературы:

1. Сравнение AV1, VP9, HEVC, and H.264. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://streaminglearningcenter.com/wp-content/uploads/2018/05/ Comparing-AV1_VP9_HEVC_H264_final.pdf (дата обращения 08.12.2018).
2. HEVC Сравнение кодеков 2018. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.compression.ru/video/codec_comparison/hevc_2018/ (дата обращения 22.12.2018).