Кодирование видео

Содержание и основные понятия

← К оглавлению
Alterna · глава 21.2
Кодирование видео
Разрешения, frame rate, сжатие, кодеки, интерфейсы, HDR.
01
Разрешение и frame rate
От SD до 8K: стандарты, соотношения сторон и частота кадров
ФГОС
ОГЭ №7,9
Разрешение видео
Разрешение = количество пикселей по горизонтали и вертикали. Определяет детализацию картинки. Стандартное (SD) — 720×480 (NTSC) или 720×576 (PAL). HD Ready — 1280×720. Full HD — 1920×1080. 4K UHD — 3840×2160. 8K — 7680×4320.
Название
Разрешение
Пикселей
Соотношение
Применение
480p (SD)
720×480
345 600
3:2
Старые DVD, интернет-видео
720p (HD)
1280×720
921 600
16:9
YouTube, веб-видео
1080p (FHD)
1920×1080
2 073 600
16:9
Blu-ray, стриминг, игры
1440p (QHD)
2560×1440
3 686 400
16:9
Мониторы, игровые мониторы
4K UHD
3840×2160
8 294 400
16:9
TV 2018+, фильмы, контент
2K (DCI)
2048×1080
2 211 840
256:135
Кинопроекция
8K UHD
7680×4320
33 177 600
16:9
Профессиональное, будущее
Частота кадров (Frame Rate)
Frame rate = количество кадров в секунду (fps). Влияет на плавность движения:
24 fps
Кинематограф. Стандарт с 1927 г. Создаёт «кинематографическое» ощущение.
25 fps
PAL (Европа, Россия). Стандарт телевещания.
30 fps
NTSC (США, Япония). Стандарт телевещания.
50/60 fps
Современное видео, спорт, игровой контент. Плавность.
120/144 fps
Gaming, VR, high-end мониторы. Сверхплавность.
240+ fps
Замедленная съёмка, научное видео.
Прогрессивное vs чересстрочное
Progressive (p)
— каждый кадр полный: 1080p.
Interlaced (i)
— каждый кадр делится на два «поля» (чётные и нечётные строки). 1080i = два полукадра. Меньше видимого мерцания при одинаковой полосе пропускания, но может давать артефакты при движении.
🎞
Прогрессивное vs Чересстрочное (Interlaced)
1080p — Прогрессивный
Все строки каждый кадр
1080i — Чересстрочный
Полукадры: нечётные + чётные строки
Показывать поля
02
Сжатие видео: I, P и B-frames
Как работает межкадровое сжатие: ключевые и разностные кадры
ФГОС
ЕГЭ №9
Intra-frame vs Inter-frame
Intra-frame (I-frame)
— полный кадр, сжимается как отдельное изображение (JPEG-подобно). Служит «опорой» для других кадров.
Inter-frame (P/B-frames)
— хранят только
различия
относительно других кадров. Результат: сжатие в 5–20 раз эффективнее, чем I-frame.
I
I-frame (Keyframe)
Полный кадр. Хранит всю информацию. Самый большой, но сжимается независимо. Опорная точка для декодирования.
P
P-frame (Predicted)
Разности вперёд. Хранит изменения относительно предыдущего I или P-кадра. Компенсация движения. Меньше I-frame в 3–5 раз.
B
B-frame (Bidirectional)
Разности в обе стороны. Может ссылаться на предыдущий и следующий I/P-кадры. Максимальное сжатие (в 5–10 раз меньше I). Сложность декодирования.
Пример: структура GOP (Group of Pictures)
Типичный GOP:
I B B P B B P B B I
— длина GOP = 10 кадров, I-frame каждые 10 кадров. При 30 fps это значит: полный кадр каждые ~0.33 секунды.
Больше B-frames между I → выше сжатие, но больше задержка (latency) при декодировании. Для потокового видео обычно: IBBP или IPPP.
🎬
GOP: Group of Pictures — структура видеопотока
60 fps
Нажмите «Воспроизвести» — увидите восход и закат солнца на фоне гор и деревьев
Размер кадра:
I
100%
P
~30%
B
~10%
GOP: I B B P B B P B B I
Motion Compensation (Компенсация движения)
Движущиеся объекты «отслеживаются» блоками (macroblocks). Для каждого блока в P/B-frame хранится
вектор движения
— смещение относительно предыдущего кадра. Это позволяет сжимать движения значительно эффективнее простого вычитания кадров.
03
Кодеки и форматы файлов
Контейнеры и кодеки: что чем открывать
ФГОС
ФОП
Контейнер vs Кодек
Контейнер
(формат файла) — «коробка», хранящая аудио, видео, субтитры, метаданные вместе.
Кодек
— алгоритм сжатия/распаковки видео или аудио внутри контейнера. Один контейнер может содержать разные кодеки.
Контейнеры
📂 MP4 (MPEG-4 Part 14)
Контейнер
Универсальный. Видео H.264, H.265, AAC. YouTube, iTunes, камеры.
📂 MKV (Matroska)
Контейнер
Открытый, свободный. Любые кодеки. Часто используется для HD-рипов.
📂 MOV
Контейнер
Apple QuickTime. Профессиональное видео. Final Cut Pro.
📂 AVI
Контейнер
Старый формат Microsoft. Поддержка разных кодеков, но ограничен.
Видеокодеки
🎬 H.264 (AVC)
Кодек · Партнёр: MPEG-4 Part 10
Самый распространённый. Blu-ray, YouTube, Netflix (старый). Хорошее сжатие, совместимость everywhere. Битрейт 5–25 Мбит/с для 1080p.
🎬 H.265 (HEVC)
Кодек · Преемник H.264
В 2 раза эффективнее H.264 при том же качестве. 4K/8K TV, iPhone-видео. Патентный, лицензирование — споры. Битрейт 2.5–15 Мбит/с для 1080p.
🎬 VP9
Кодек · Google, открытый
Альтернатива H.265. YouTube (WebM). Свободные патенты. Сопоставимое качество при похожем битрейте.
🎬 AV1
Кодек · Alliance for Open Media
Современный, свободный (royalty-free). На 30% эффективнее H.265. Будущее стриминга (YouTube AV1, Netflix в будущем). Высокая сложность кодирования.
Сравнение эффективности (1080p, ~1 Мбит/с)
H.264: базовое качество, совместимость.
H.265: на 40% лучше при том же битрейте.
VP9: ~как H.265, свободный.
AV1: лучший на сегодня, свободный, но тяжёлый для кодирования.
04
Видеоинтерфейсы
VGA, DVI, HDMI, DisplayPort, USB-C: сравнение пропускной способности
ФГОС
Интерфейс
Тип
Макс. пропускная
Макс. разрешение / fps
Аудио
Применение
VGA (D-Sub)
Аналоговый
~1 Гбит/с
2048×1536 / 85 Hz
Нет
Legacy, старые мониторы
DVI-D (Single Link)
Цифровой
1.65 Гбит/с
1920×1080 / 60 Hz
Нет
Legacy, старые GPU
HDMI 1.4
Цифровой
10.2 Гбит/с
4K / 30 Hz
Да (8ch)
TV, мониторы, игровые консоли
HDMI 2.0
Цифровой
18 Гбит/с
4K / 60 Hz
Да (32ch)
4K TV, PS4 Pro, Xbox One X
HDMI 2.1
Цифровой
48 Гбит/с
8K / 60 Hz, 4K / 120 Hz
Да (32ch, eARC)
Игровые консоли нового поколения, RTX 30+, RX 6000+
DisplayPort 1.4
Цифровой
32.4 Гбит/с
8K / 60 Hz, 4K / 120 Hz
Да (32ch)
Профессиональные мониторы, GPU
DisplayPort 2.0
Цифровой
80 Гбит/с
8K / 60 Hz, 4K / 240 Hz
Да
Перспективные displays, USB4
USB-C (Alt Mode)
Цифровой
Зависит от режима
Зависит от (DP/TB)
Да
Ноутбуки, мониторы USB-C, Thunderbolt 3/4
🔌
Сравнение пропускной способности интерфейсов
Для 4K 60fps HDR нужно ~18 Гбит/с. DisplayPort 2.0 — самый быстрый (80 Гбит/с).
05
HDR в видео
High Dynamic Range: 8-bit vs 10-bit vs 12-bit, стандарты HDR
ФГОС
ФОП
Что такое HDR
HDR
(High Dynamic Range) — расширенный динамический диапазон. Стандартный SDR использует 8 бит на канал (256 уровней на цвет). HDR использует 10 бит (1024 уровня) или 12 бит (4096 уровней). Разница в количестве цветов: 8 бит = 16.7 млн, 10 бит = 1.07 млрд, 12 бит = 68.7 млрд.
8 бит
SDR (Standard Dynamic Range)
16.7 млн цветов. 256 уровней на канал. Достаточно для большинства контента. Используется в DVD, Blu-ray (стандарт), большинство видео.
10 бит
HDR10, HDR10+, Dolby Vision (яркость)
1.07 млрд цветов. Плавные градиенты без полос. Стандарт Ultra HD Blu-ray, новые TV, YouTube HDR. Целевая яркость: 1000–4000 нит.
12 бит
Dolby Vision (полный), будущее
68.7 млрд цветов. Практически незаметная градация. Профессиональный кинематограф, Dolby Vision на maximum settings.
HLG
Hybrid Log-Gamma (BBC/NHK)
Broadcast HDR. Обратная совместимость с SDR. Используется в телевещании Великобри