ما هو ترميز HEVC H.265

ما هو ترميز HEVC (H.265)؟

مُلخص HEVC     اختصارا(H.265 )

إن ترميز الفيديو عالي الكفاءة HEVC (H.265) يعتبر خليفة الترميز H.264، والذي طُوّر بشكل مماثل لترميز H.264 عن طريق جهود مشتركة من قبل المنظمة الدولية للمعايير/اللجنة الدولية الكهروتقنية مجموعة خبراء الصور المتحركة (ISO/IEC Moving Picture Experts Group) والاتحاد الدولي للاتصالات – قطاع معايرة الاتصالات (ITU-T)، مجموعة خبراء ترميز الفيديو (VCEG). ويُعد الهدف الأساسي من الترميز الجديد هو توفير 50% أفضل في كفاءة الضغط من ترميز H.264، بالإضافة لدعم دقة عرض تصل إلى 8192 * 4320.

الخلفية التكنولوجية لترميز HEVC

بالحديث عن الخلفية التكنولوجية، فقد بدأ الاتحاد الدولي للاتصالات – قطاع معايرة الاتصالات بتطوير خليفة لترميز H.264 في عام 2004، بينما بدأت المنظمة الدولية للمعايير/اللجنة الدولية الكهروتقنية العمل عام 2007. وفي يناير 2010، تعاونت تلك المجموعات على دعوة مشتركة لتقديم المُقترحات والتي بلغت ذروتها في اجتماع الفريق التعاوني المُشترك لمجموعة خبراء الصور المتحركة (MPEG) ومجموعة خبراء ترميز الفيديو (VCEG) الفريق التعاوني المشترك لترميز الفيديو ((JCT-VC)) في ابريل 2010، والذي تُبنيّ فيه اسم ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC) لهذا الترميز.

وفي أكتوبر 2010، أنتج الفريق التعاوني المشترك لترميز الفيديو أول مواصفات لمسودة العمل والتي تستند إلى مواصفات ثمان مسودات للعمل، وصُدّق عليها في يوليو 2012. وفي 25 يناير 2013، أعلن الاتحاد الدولي للاتصالات أن ترميز HEVC قد حصل على موافقة المرحلة الأولى لعملية الموافقة البديلة للاتحاد الدولي للاتصالات – قطاع معايرة الاتصالات، بينما أعلنت مجموعة خبراء الصور المتحركة أن ترميز HEVC قد رُقيّ إلى المشروع النهائي للمعيار الدولي (FDIS) في عملية التوحيد القياسي لمجموعة خبراء الصور المتحركة.

وهذا يعني جوهرياً أن الإصدارات الأولية من المواصفات قد جُمدت بحيث يتمكن البائعين المتعددين من وضع اللمسات الأخيرة لأول مُنتجات ترميز HEVC. ويشمل التنفيذ الحالي ملمح رئيسي يدعم فيديوهات 8-bit 4:2:0، وملمح رئيسي 10 مع دعم 10 بت، وملمح رئيسي للصورة الثابتة خاص بالصور الرقمية الثابتة التي تستخدم نفس أدوات الترميز مثل فيديو "داخل" صورة.

وسوف يواصل ترميز HEVC التقدم في أعمال بدأت بالفعل على إمتدادات الفيديوهات بدقة 12 بت وصيغ نقاوة 4:2:2 و 4:4:4، فضلاً عن دمج ترميز الفيديو القابل للتطوير والفيديوهات ثلاثية الأبعاد في المواصفات.

كيف يعمل ترميز HEVC (H.265)

على غرار ترميز H.264 و MPEG-2، فإن ترميز HEVC يستخدم ثلاث أنواع من الإطارات I- و B- و P- ضمن مجموعة من الصور، ودمج عناصر الضغط بين الإطار وداخل الإطار. ويشمل ترميز HEVC العديد من التطورات، والتي تتضمن:

ترميز كُتل الهيكل: بينما يقوم ترميز H.264 باستخدام الكُتل الصغيرة بحد أقصى للحجم 16 * 16، فإن ترميز HEVC يستخدم ترميز كُتل الهيكل أو CTBs بحد أقصى للحجم 64 * 64 بكسل. وتعتبر أحجام الكُتل الأكبر، أكثر كفاءة عند ترميز الإطارات كبيرة الحجم مثل دقة 4K. كما هو مُبين في الشكل 1

.

إتجاهات تنبؤ داخلي أكثر: بينما يستخدم ترميز H.264 ما يصل إلى 9 إتجاهات تنبؤ داخلية، فإن ترميز HEVC يمكنه استخدام أكثر من 35 إتجاه، مما يضيف مزيد من كتل البيكسل المرجعية المحتملة والتي تُضفي مزيد من الكفاءة على ضغط الإطار الداخلي (انظر الشكل 2، من عرض تقديمي لشركة Ateme). ويأتي هذا على حساب وقت الترميز الإضافي المطلوب للبحث في الاتجاهات الإضافية.

وتشمل التطورات الأخرى:

·         تنبؤ قوة الحركة التكيفية الموجهة، والتي تسمح لبرنامج الترميز بالعثور على مزيد من التكرار بين الأُطر.

·         أدوات الموازاة المتفوقة، والتي تتضمن المعالجة المتوازية لواجهة الموجة من أجل توفير ترميز أكثر كفاءة في بيئة متعددة الأنوية.

·         ترميز الانتروبيا هو ترميز ثنائي الحساب يتفق مع السياق (CABAC) فقط، وليس ترميز متغير الطول يتفق مع السياق (CAVLC).

·         إدخال تحسينات على فلتر إزالة الكتلة وإنشاء فلتر ثاني يُدعى مُعادلة عينة التكيف والذي يقوم بعد ذلك بتحديد الناتج على طول حواف الكتلة.

نتائج ترميز HEVC (H.265)

هناك عدد من التقارير والعروض التي تركز على مقارنة جودة ترميز HEVC مقابل ترميز H.264 وترميز MPEG-2. واحدة من أهم المصادر التي يستشهد بها كثيراً هو مقال بعنوان "مقارنة كفاءة الترميز لمعايير ترميز الفيديو التي تتضمن ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC)"، والذي يوضح نتائج كلا من مقارنات PSNR (ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء) والتقييمات الذاتية. وقد بحث التقرير في سيناريوهات متعددة، بما في ذلك التطبيقات التفاعلية وتطبيقات الترفيه.

بالنسبة للمقارنات المتعلقة بالترفيه، قامت الدراسة بترميز فيديوهات متعددة تتنوع في دقتها ما بين 832 * 480 (480 بيكسل) إلى 1920 * 1080 (1080 بيكسل). وبالنسبة للاختبارات المتعلقة بذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء، فقد قامت الدراسة بترميز ملفات تستخدم أربع تقنيات مختلفة، وهي HEVC، و H.264، و MPEG-4، و H.263، حتى امتلكت جميع الملفات نفس قيمة ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء.

ثم عرضت الدراسة بعد ذلك على المشاهدين ملفات متعددة مُشفرة بمعدلات بيانات متعددة عن طريق ترميز H.264 و ترميز HEVC، ثم طلبت منهم تصنيف النتائج. من هذه الاختبارات، استنتج الباحثون أن "تسلسلات الاختبار المشفرة بترميز HEVC بمعدل متوسط 53% بت أقل من ترميزات H.264/MPEG-4 AVC HP، قد حققت تقريباً نفس النوعية الذاتية".

وقام مقال آخر بعنوان "تقييم الجودة الذاتية لمعايير ترميز فيديوهات HEVC القادمة" بمقارنة ترميز H.264 وترميز HEVC باستخدام كلا من ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء والمقارنات الموضوعية. واستنتجت الدراسة:

أظهرت نتائج الاختبار بوضوح، تحسن كبير في أداء الترميز مقارنة بترميز AVC. وبالنسبة للمحتويات الطبيعية المنظورة في هذه الدراسة، فيمكن تحقيق خفض معدل البت الذي يتراوح ما بين 51 إلى 74 في المئة بالإعتماد على النتائج الذاتية، في حين كان الحد المتوقع على أساس قيم ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء يتراوح فقط ما بين 28 و 38 في المئة.هذا الاختلاف يعود معظمه لحقيقة أن ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء لا تأخذ في الاعتبار تأثير تشبع النظام البصري للإنسان. كما أن ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء لا تلتقط أيضاً الطبيعة الكاملة للنواتج: تسلسل ضغط AVC يحمل كتل وعوائق بينما ضغط HEVC يميل إلى التخفيف من المحتوى، وهو ما يعتبر أقل إزعاجاً. وبالنسبة للمحتوى الاصطناعي المنظور في هذه الدراسة، فيمكن تحقيق خفض لمعدل البت بنسبة 75% بالإعتماد على النتائج الذاتية، في حين كان الحد المتوقع على أساس قيم ذروة الإشارة إلى نسبة الضوضاء هو 68%.

من المعقول أن تكون على الأقل مرتاب قليلاً من هذه النتائج، حيث أن المُقارنات أُنتجت إلى حد كبير من قبل خبراء ساهموا في جهود ترميز HEVC، وذلك باستخدام برامج ترميز لم تُطرح للبيع أو (في معظم الحالات) لم تُطلق لأغراض الاختبارات التجريبية العامة. وبالحديث عن ظروف إخفاء الإسم، قدّر أحد رؤساء قسم التكنولوجيا في شركة تشفير كبرى أن ترميز HEVC ربما يتمكن من تخفيض 30% من حجم الملف بنفس مستوى جودة القرار 1080 بيكسل، مع زيادات أخرى بدقة أعلى.

أين سيعمل ترميز HEVC (H.265)؟

إن إحصائيات التشغيل يصعب الحصول عليها. ومع ذلك، فقد شرحت شركات متعددة تشغيل ترميز HEVC على كمبيوتر لوحي، بما في ذلك شركة كوالكوم على تابلت أندرويد مزود بمعالج Qualcomm Snapdragon S4 ثنائي النواة بتردد 1.5 جيجا هرتز. ومع ذلك، فإننا نلاحظ أن الفيديو كان بدقة 480 بيكسل فقط، والذي يعتبر مناسب لشاشة التابلت ولكنه بعيد عن الفيديوهات بدقة 4k والتي صُمم ترميز HEVC من أجل تفعيلها.

وفقاً لتقرير بعنوان "فك تشفير HEVC في الأجهزة الاستهلاكية"، استنتجت المحللة البارزة ميشيل أبراهام من مجموعة بحوث الوسائط المتعددة أن عدد الأجهزة الاستهلاكية التي بيعت في عامي 2011 و 2012 والقادرة على تشغيل HEVC مع برنامج مطور بلغت حوالي 1.4 مليار، مع توقعات ببيع أكثر من مليار آخر في 2013

.

ووفقاً لأبراهام، بتجميع هذه الإحصاءات فإنها تفترض أن جميع الحواسب المكتبية المشحونة كل عام ستكون قادرة على تشغيل ترميز HEVC. ويتضمن التقرير أيضاً جداول تُلخص مبيعات أجهزة التابلت القادرة على فك تشفير HEVC، ومُشغلات الوسائط المحمولة، وأجهزة البث، ووحدات ألعاب الفيديو، ومُشغلات البلو راي، وأجهزة التليفزيون الرقمية.

وعلى الرغم من هذه القاعدة الكبيرة الثابتة، إلا أن شركة فروست اند سوليفان تعتقد أن تكيف ترميز HEVC يُعد بعيداً بخمس سنوات على الأقل عن خدمات محتوى المستهلك. ويتضمن تأخير تكيف ترميز HEVC قوات مثل الاستثمارات الكبيرة الأخيرة في عتاد AVC والتي قام بها عدد من مُشغلي التليفزيون المدفوع، وقلة الدعم واسع النطاق لترميز HEVC في نشر وترميز الفيديوهات عبر النظم الإيكولوجية للإنترنت، وبطئ ترميز وفك رقاقة HEVC للحفاظ على الربح القائم من رقائق AVC.

ووفقاً لدان رايبيرن نائب رئيس فروست اند سوليفان، فإن إصدارات HEVC الأولية سوف تحدث في حلول الحلقات المغلقة مثل مؤتمرات الفيديو للشركات، وخدمات الفيديو فائقة الجودة في الشرق الأقصى، وخدمات الفيديو منخفض البيانات عند الطلب في جميع أنحاء العالم، وذلك نتيجة لتوفير التكاليف المرتبط بنشر فيديوهات HEVC منخفضة البيانات. ويتوقع رايبيرن أن مزودي خدمات البث الفضائي المباشر للمنزل (DTH) سوف يبدأون تداول ترميز HEVC في الإطار الزمني 2014-2015، مع بعض القنوات التليفزيونية الأرضية التجريبية (DTT) المتوقعة في 2015. ومع ذلك، فهو يلخص ذلك بشكل عام:

بينما ستشمل بعض التطبيقات ترميز HEVC بشكل أقرب بكثير من المعتاد، في حين ينبغى على فك وترميز أنوية HEVC أن ينضج بحلول 2014، فنحن نتوقع أن النظام الإيكولوجي الشامل للجيل الأول من منتجات HEVC سوف يظهر في السوق بحلول 2017. وعلاوة على ذلك، فنحن نتوقع أن يظل ترميز AVC مستخدم على نطاق واسع حتى عام 2018، على الرغم من أنه سيُعتبر تقنية سلعية في تلك المرحلة بشكل يشبه ترميز MPEG-2 حالياً.

حقوق ملكية HEVC (H.265)

أحد العوامل التي قد تبطئ تكيف ترميز HEVC هو حقوق الملكية المجهولة المحيطة به. وعلى غرار ترميز H.264، فإن العديد من التقنيات المساهمة في ترميز HEVC هي براءات اختراع، وسوف يريد أصحاب براءات الاختراع تعويضاً عن استخدام الملكية الفكرية. في يونيو 2012، أعلنت MPEG LA، الرابط الرئيسي لمجموعات براءات الاختراع والجهة المُنظمة لمجموعة براءة اختراع ترميز H.264 عن دعوة لحفظ براءة اختراع ترميز HEVC، ثم جرى اجتماع ثالث للخمسة وعشرون المعنين في فبراير 2013.

ومع ذلك، وفقاً لمسؤولي MPEG LA، لا يوجد إطار زمني محدد لإصدار المبادئ التوجيهية لحقوق الملكية أو حتى ضمان تجمع مجموعة براءات الاختراع، لأن هناك منتجين آخرين، أو لأن المالكين المعنيين ربما يقررون حفظ حقوقهم بشكل فردي. وهناك بعض قطاعات السوق، من أبرزها قطاعات الرقائق، والترميز، وغيرها من شركات البنية التحتية، من المرجح أن تمضي قدماً في جهودها المتعلقة بترميز HEVC في مواجهة هذه الأمور المجهول ملكيتها وحفظ حقها ببساطة في حقوق الملكية المحتملة. ومع ذلك، فإن القطاعات الأخرى، وخاصة موزعي محتويات البث المجانية الذين يسعون خلف توفير البيانات الذي يوفرها ترميز HEVC، سوف ينتظرون بالتأكيد حتى تُعرف حقوق الملكية بشكل نهائي.

المنافسة في نظر HEVC (H.265)؟

حقوق الملكية هذه جعلت عدد من التقنيات التنافسية مثل VP9 التابعة لجوجل تستحق الذكر، ولا سيما بعد أن أضافت جوجل فك ترميز VP9 إلى الإصدارات التجريبية لمتصفح الكروم في ديسمبر 2012، جنباً إلى جنب مع وحدة فك ترميز للبث الصوتي المشفر مع ترميز Opus. ووفقاً لعرض قامت به جوجل في اجتماع فريق مهام هندسة الإنترنت في نوفمبر 2012 في أتلانتا، فإن هدف ترميز VP9 كان إنتاج جودة مماثلة لترميز HEVC بمعدلات بيانات منخفضة. وفي وثيقة المتطلبات المتاحة على موقع WebM، صرحت جوجل أن ترميز VP9 لن يُشحن ما لم تتحسن جودته عن ترميز VP8 بنسبة 50% وبتكلفة أعلى بنسبة 40% من تعقيد فك التشفير، مقارنة بنسبة 200 و 300 % لترميز HEVC.

كترميز، قورن VP8 لشكل إيجابي جداً مع ترميز H.264، وأنتج تقريباً نفس الجودة في جميع معدلات البيانات المُختبرة. ومع ذلك، فقد حكمت عدد من العوامل على ترميز VP8 بالفشل، بما في ذلك حقيقة رفض أبل تضمين ميزة تشغيل VP8 في أجهزة iOS أو متصفح سفاري، وأن مايكروسوفت رفضت ضمه إلى الانترنت اكسبلورر 9، بالإضافة لكون ترميز H.264 معيار مشترك بين مجموعة خبراء الصور المتحركة والاتحاد الدولي للاتصالات، وحقيقة أنه جاء إلى السوق في وقت متأخر بكثير عن ترميز H.264.

العديد من هذه العوامل لا تزال مطروحة: بينما يتوقع أن تتبنى أبل ترميز HEVC، فمن غير المحتمل أنها ستدعم ترميز VP9 لنفس الأسباب التي جعلتها ترفض دعم ترميز VP8، كما يوجد إحتمال لنشوء بعض قضايا الملكية الفكرية. بالإضافة إلى ذلك، فإن ترميز HEVC هو معيار مشترك، لذلك فإنه يمتلك بالفعل بداية ذائعة الصيت فيما يتعلق بدعم السيليكون للترميز والتشغيل. وعلاوة على ذلك، فإنه فمن المتوقع ظهور كلاً من VP9 و HEVC في السوق في نفس الوقت تقريباً، والذي ربما يمنح VP9 فرصة أفضل عن VP8.

وفيما يتعلق بقضايا الملكية الفكرية: في فبراير 2011، أطلقت شركة MPEG LA دعوة لبراءات اختراع VP8، واعتبارا من يوليو 2011، خطا 12 حزب قُدماً نحو تحقيق ذلك. ورغم ذلك، فلم يُذكر مزيد من التقدم على موقع MPEG LA، وأكد مُحدثنا في MPEG LA أن لا يوجد جديد يُذكر.

السير قُدماً مع ترميز HEVC (H.265)

بطبيعة الحال، كما وضح المحلل رايبيرن من فروست اند سوليفان، فإنه لا يمكن نشر ترميز HEVC حتى توضع عمليات الترميز، والفك، والنقل كاملة في مكانها الصحيح. هناك بعض بائعي أجهزة التشفير مثل شركة Elemental Technologies، قد أعلنت أن جميع أجهزة التشفير الحالية سيُعاد تهيئتها لدعم ترميز HEVC عن طريق ترقيات البرامج في وقت ما في المستقبل. وقبل شراء جهاز للشركة أو حاسب مكتبي من الآن فصاعداً، اسأل عما إذا كان سيدعم ترميز HEVC أم لا، وكم سيكلفك هذا الدعم.

وأكثر من ذلك، فإن بشائر ظهور ترميز HEVC تعتمد على السوق. على سبيل المثال، في مؤتمرات الفيديو، تكون الفرصة موجودة لإتاحة أجهزة ترميز وفك HEVC في الوقت الحقيقي. وفي مساحة بث وسائل الإعلام، تكون عملية التشغيل هي القوة الدافعة دائماً، حيث أن القليل من المنتجين سوف يقومون بالترميز إلى صيغة جديدة حتى يتضح أنه يمكنها العمل بشكل موثوق منه لمجموعة ذات مغزى من المشاهدين.

وبالنسبة لأغراض البث العامة، فمن الصعب التحمس لترميز HEVC بدون:

·         سياسية الملكية الفكرية من شركة MPEG LA

·         التشغيل في كل مكان عبر ترميز HEVC في مُشغل مثل فلاش بلاير أو مُشغل سيلفر لايت (لم تستجب مايكروسوفت ولا أدوبي لطلبات الحصول على معلومات بشأن توقيت وإمكانية حدوث ذلك).

·         دمج تشغيل HEVC في منصة iOS أو الأندرويد، سواء عن طريق تطبيق أو تحديث لنظام التشغيل، وإعلان واضح عن الأجهزة الثابتة التي ستدعم ترميز HEVC مع هذه الترقيات (نظراً للسياسة طويلة الأمد لكلا الشركتين بخصوص عدم التعليق على التقنيات المستقبلية، فنحن لم نسألهم حتى عن ذلك).

·         توافر سيليكون الفك غير المكلف والذي يمكن إدراجه في أجهزة البث عبر الانترنت، أو الإعلان أن بعض من أجهزة البث عبر الانترنت الحالية التي سيمكن تحديثها وتعديلها لتشغيل HEVC عن طريق ترقيات البرامج أو نظام التشغيل.

الخاتمة

بين معرض NAB (ابريل 2013) ومؤتمر IBC (سبتمبر 2013)، نتوقع موجة من الإعلانات التقنية والمنتجات المتعلقة بترميز HEVC. وخلال ذلك الوقت، سوف تظهر أيضاً الموجة الأولي من الأجهزة القادرة على ترميز وفك HEVC في السوق، مما يتيح الفرصة لقياس أداء، وتكاليف، وفوائد، وتوافقية بث فيديوهات HEVC في العالم الحقيقي.

وحتى ذلك الحين، كما أشار تقرير فروست اند سوليفان، فمن الأفضل النظر لتبنى HEVC بشكل مُصغر بدلاً من الشعور الكُلي، حيث أن البشائر والدوافع الاقتصادية مختلفة في كل سوق. وفي حين أن الأغراض العامة المنتشرة حول ترميز HEVC مرتبطة بكونها ذائعة الصيت، فما يهم هو كيفية تأثير هذه الإعلانات على الأسواق التي تخدمها.

مصدر المقالة تأليف جان أوزر، ترجمة محمد مصباح