H.264

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

ערך זה זקוק לעריכה, על מנת שיתאים לסגנון המקובל בוויקיפדיה. הסיבה שניתנה לכך היא שיש בעיות כיווניות, אין כותרות משנה, יש שימוש מוגזם באנגלית. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה שלו.

H.264 הוא תקן (standard) לדחיסת ווידאו מתקדמת שנכתב על־ידי "קבוצת המומחים לקידוד וידאו" (VCEG) של ארגון התקינה ITU-T בשיתוף עם "קבוצת המומחים לתמונות נעות" (MPEG) של ארגון התקינה ISO/IEC. FC, התקן נכתב כחלק ממאמץ משותף הידוע בכינוי "צוות וידאו משותף" (JVT) שהוקם על־ידי שני ארגונים אלו.

תקן זה זהה לחלק 10 של התקן ISO MPEG-4 וידוע גם בשם "קידוד וידאו מתקדם" (AVC). טיוטת הגרסה הראשונה של תקן זה הושלמה במאי 2003.

השם H.264 מתייחס לשלל תקני הוידאו של ITU-T המסומנים H.26x בשעה שהשם AVC מתייחס לשורשיו של התקן ב־ISO/IEC MPEG. באופן רגיל יקרא התקן H.264/AVC או AVC/H.264 כדי להדגיש את מורשתו המשותפת אך לעיתים נדירות יקרא התקן H.26L בהתייחס להיסטוריה שלו ב־ITU-T.

לעיתים מתייחסים אליו כאל "the JVT codec". ריבוי שמות זה אינו ללא תקדים. בעבר זכה לכך התקן MPEG-2 שהיה אף הוא תוצאה של מאמץ משותף בין שני גופי תקינה אלו (נקרא גם ITU-T H.262).

מטרתו של פרויקט ה־H.264/AVC הייתה ליצור תקן שיהיה מסוגל לספק וידאו באיכות טובה וב־Bit Rate נמוכים משמעותית (מחצית או פחות) ממה שתקנים קודמים היו זקוקים לו (למשל MPEG-2, H.263, שכבה 2 של MPEG-4). על התקן היה ליישם זאת מבלי להגדיל את מורכבות היישום שלו לרמה שיהיה לא כלכלי ליישמו. יעד נוסף לתקן זה היה גמישות כזו שתאפשר ישומו של תקן זה במגוון רחב מאוד של יישומים (כלומר Bit Rates גבוהים או נמוכים או איכות ודאו גבוהה או נמוכה) וגם יכולת לעבוד על-גבי מגוון רחב של רשתות ומערכות (למשל לשידורים, אחסון DVD, רשתות RTP/IP ורשתות טלפונית מולטימדיה של ITU-T).

מאז השלמת התקן המקורי במאי 2003 השלים ה־JVT סבב של תיקון טעויות וגם פיתח סט של כלים משלימים לתקן המספקים פונקציונליות נוספת ונקראים Fidelity Range Extensions - (FRExt).
סבב נוסף של השלמות ותיקונים מתקיים כיום והוא צפוי להסתיים בראשית 2005.

[עריכה] מאפייני התקן

H.264/AVC מאופיין על־ידי מספר תכונות חדשות המאפשרות לו לדחוס וידאו ביעילות רבה יותר משמעותית מאשר codecs אחרים ולספק גמישות נוספת ליישומים למגוון רחב של סביבות רשת. עם זאת, ניתן לומר ש H264 הוא צאצא ישיר של H.263 ו־MPEG-4, כאשר התבוננות מעמיקה בתכונות של H263+‎ ו־H263++‎ מראות שפרוטוקול דחיסה זה דומה יותר ל־H.263 מאשר ל־MPEG-4. חשוב מאוד לציין, שתכונות חדשות שהוספו ל־H.264 אינן בהכרח יעילות ביחס לכוח החישוביות הנדרשת, ורק עם הזמן נדע אילו תכונות הן משמעותיות לביצועיי הדוחס.

להלן מספר דוגמאות לתכונות אלו:

• ביצוע "פיצוי תנועה רב תמונתי" (Multi picture motion compensation) תוך שימוש בתמונות שקודדו קודם כהתייחסות, בצורה גמישה יותר מתקנים קודמים – בכך מאפשר התקן שימוש בעד 32 תמונות התייחסות (תקנים קודמים אשרו שימוש בתמונת התייחסות אחת, או אם נעשה שימוש ב־ B pictures – שתיים). תכונה זו מאפשרת בדרך כלל שיפור צנוע ב־Bit Rate ובאיכות התמונה ברוב תסריטי השימוש אך בחלקם למשל הבהוב חוזר ומהיר של תמונה או תנועות מצלמה הלוך ושוב או אזורי רקע חשופים תכונה זו מאפשרת שיפור משמעותי ב־Bit Rate.

• ביצוע "פיצוי תנועה על סמך בלוק בגודל משתנה" (Variable block-size motion compensation) עם בלוקים בגדלים 16x16 ועד 4x4 המאפשר חלוקה מדויקת של אזורים נעים.

יש לזכור, כי חלוקה רבה מדיי לתתי בלוקים עלולה להוביל לשליחת אינפורמציה מיותרת ( שכן המקודד נדרש לציין עתה מספר גדול יותר של בלוקים ) , ועל כן, מקודדי 264 מתמקדים בבעיית הבחירה של החלוקה האופטימלית של בלוק 16X16 .

• רמת הדיוק של פיצוי תנועה עד לרבע פיקסל המאפשרת תאור מדויק של העתקת אזורים נעים.

• חיזוי ממושקל מאפשר למקודד לציין שימוש בסילום (Scaling) וקיזוז (Offset) בעת ביצוע פיצוי תנועה ובכך לספק שיפור משמעותי בביצועים במקרים מסוימים כגון מעבר לתמונה (Fade out), כניסה ממסך שחור או לבן (Fade in), או התפוגגות תמונה אחת לתוך תמונה אחרת (Dissolve). המקרים המוזכרים להלן הינם אפקטים טלוויזיוניים הנפוצים בשימוש.

• מסנן חיבור מחדש של בלוקים (De-Blocking) שמסייע במניעת "צלצולים" ושאר הרעות הנוצרות משימוש בבלוקים (Blocking) כשמשתמשים בדחיסת תמונה מבוססת DCT.

• "טרנספורמציית בלוקים 4X4" (block transform) של מספרים שלמים (דומה לזו שקיימת ב־DCT). ב־Fidelity Range Extensions יש למקודד יכולת לבחור בין בלוקים של 4x4 ושל 8x8 לשם "טרנספורמציית הבלוקים" של המספרים השלמים.

• טרנספורמציית הדמרד (Hadamard) המשנית מבוצעת על מקדמי ה־DC של הטרנספורמציה הראשית המרחבית (בשביל מקדמי DC של צבעיות ובמקרה אחד גם של תאורה – luma). כך משיגים דחיסה מוגברת במשטחים חלקים.

• חיזוי מרחבי לשולי הבלוקים בשביל קידוד "ביניים" (עדיף על פני חיזוי בעזרת DC בלבד שבשימוש ב־MPEG-2 וגם על פני חיזוי לפי מקדמי הטרנספורמציה כפי שתקן H.263+ וחלק 2 של MPEG-4 ממליצים).

• "קידוד בינארי חשבוני סתגלני ותלוי הקשר" (Context-adaptive binary arithmetic coding CABAC) שהוא טכניקה מתוחכמת לדחוס אלמנטים של תחביר בזרימת וידאו ללא אובדן מידע.

• "קידוד אורך משתנה סתגלני ותלוי הקשר" (Context-adaptive variable-length coding CAVLC) שהוא אלטרנטיבה פשוטה יותר ל־CABAC לקידוד מקדמי טרנספורמציית מנות. על אף פשטותה ביחס ל־CABAC, CAVLC משוכללת יותר ויעילה יותר משיטות אחרות לקידוד מקדים בתקנים קודמים.

• טכניקה פשוטה, נפוצה ומובנית מאוד לקידוד אורך משתנה לאלמנטים הרבים של תחביר שאינם מקודדים על ידי CABAC ו־CAVLC נקראת קוד "גולומב אקספוננציאלי".

• תכונות כמו סט פרמטרים של רצף (SPS) וסט פרמטרים של תמונה (PPS) המספקים עמידות וגמישות נוספות בהשוואה לתקנים קודמים.

• "פרוסות החלפה" (הנקראות פרוסות SP וž־SI) הן מאפיין המאפשר למקודד להפנות את המפענח "לקפוץ" לזרימת וידאו במהלכה. יש צורך בתכונה זו לשם התמודדות עם שינויים בקצב זרימת הביטים ופעולות "trick mode". כאשר מקודד קופץ לאמצע הסרט תוך שימוש בתכונת ה־SP/SI ניתן לקבל תמונה זהה בצד המפענח אפילו מתמונה שונה או בלי תמונה כלל כהתייחסות ללפני ההחלפה.

• סידור גמיש של מאקרו בלוקים (FMP – ידוע גם כקבוצת פרוסות) וסידור שרירותי של פרוסות (ASO) הם טכניקות לשחזור הסידור של ייצוגיי האזורים הבסיסיים בתמונה (הנקראים מאקרו בלוקים). על אף שתכונה זו משמשת להגברת העמידות של השידור לטעויות או אובדן מידע, ניתן להשתמש ב־FMO ו־ASO למטרות אחרות.

• שימוש בתכונה זו מאפשר יישום של הגנת שגיאות לא שווה (UEP) וסוגים אחרים של עמידות בפני טעויות אובדן מידע.

• פרוסות יתירות (RS) היא תכונה של עמידות בפני טעויות ואובדן מידע המאפשר למקודד לשלוח מידע נוסף על אזור בתמונה (בדרך כלל באיכות תמונה נמוכה יותר). במידע זה יעשה שימוש במידה ומידע הראשי אבד/הושחת.

• תהליך פשוט ואוטומטי המונע את מירויים בטעות של "קודיי התחלה" (רצפי ביטים מיוחדים במידע המקודד המפשרים גישה אקראית לתוך רצף הביטים וגם סנכרון ביטים במערכות שהדבר דרוש להן ויכולות לאבד אותו).

• לתוך זרם הביטים ניתן להוסיף מידע מסוג מידע מוגבר ומוסך (SEI) ומידע על שימושיות הוידיאו (VUI) ובכך להגביר את השימוש בוידיאו למגוון מטרות.

• תמונת עזר בה ניתן להשתמש למטרות כמו הרכבת "תערובת אלפא" (Alpha Blend Compositing.)

• מספור מסגרות, מאפיין המאפשר את היווצרותם של תת רצפים ובכך מאפשר סקלביליות לפי זמן על-ידי הכללה אפשרית של תמונה בין שתי תמונות . בנוסף אנו יכולים לגלות כך אובדן תמונה (שיכול לקראת עקב אובדן מנות ברשת למשל).

• ספירת סדר התמונות, מאפשר שמירה על סידור תמונות והערכים הנדגמים במפענח. כך מתאפשר למידע תיזמון להינשא ולערוך אותו בנפרד ע" המערכת מבלי להשפיעה על תוכן התמונה המפוענחת.

טכניקות אלו יחד עם אחרות עוזרות לתקן H.264 להיות בעל ביצועים טובים משמעותית מיכולתם של תקנים קודמים, תחת מגוון רחב של נסיבות ובמגוון רחב של סביבות יישומים. H.264 בעל ביצועים טובים בהרבה מאלו של MPEG-2 כאשר באופן אופייני הוא ישיג ביצועים זהים במחצית ה־Bit Rate ואף פחות.

ה-"צוות וידאו משותף" (JVT) לאחרונה השלים כאמור תוספות לתקן המקורי הידועות בשם FRExt. תוספות אלו תומכות בקידוד ודאי נאמן יותר למקור באמצעות תמיכה בדיוק דגימה גדול יותר (כולל קידוד של 10 סיביות ושל 12 סיביות) ומידע צבע ברזולוציה גבוה יותר (כולל מבני דגימה הידועים כ־YUV 4:2:2 ו־YUV 4:4:4).

מספר תכונות נוספות של התוספות אלו לתקן הן: מעבר סתגלני טרנספורמציות מספריות בין 4x4 ו 8x8, מטריצות משקלים למנות מבוססות תפיסה וייחודיות למקודד, קידוד בין תמונתי יעיל ללא אובדן מידע, תמיכה במרחבי צבע נוספים, וטרנספורמציית צבע שאריתי). העבודה על התוספות לתקן הושלמה בספטמבר 2004.

H.264/AVC נמצא כבר בשימוש רחב בועידות וידאו כפי שניתן לפגוש במוצריהן של שתי חברות בולטות בענף (Polycom ו־Tandberg). התקן גם אומץ על ידי שני פורמטים הראשים ל־DVD המתחרים ביניהם (HD-DVD ו־BluRay Disc). ארגון האירופאי לשידור וידיאו דיגיטאלי אישר לאחרונה את השימוש ב־H.264/AVC לשידורי טלוויזיה באירופה. מספר גופי שידור ביפן וקוריאה אישרו את תמיכתם בתקן הקידוד, והוא נמצא בבחינה לשידורים נוספים. למשל הוא נמצא בבחינה של גוף התקינה של הועדה לשידורי טלוויזיה מתקדמים בארצות הברית. בעולם האלחוטי אומץ התקן כחלק מגרסה 6 של "פרויקט השותפות לדור השלישי" (3GPP).

נכון להיום (2005) ארבע חברות מייצרות שבבים המסוגלים לקודד H.264/AVC וידאו (BroadCom, Conexant, Sigma – Designs, ו ST - Micro) שבבים אלו יאפשרו פריסה רחבה של התקנים זולים המסוגלים לנגן H.264/AVC וידאו ברזולוציה של טלוויזיה סטנדרטית ושל טלוויזיה ברזולוציה גבוהה.

כמו תקני ISO/IEC MPEG אחרים, גם ל־H.264/AVC ישום לדוגמה שאותו ניתן להוריד חינם מאתר ISO. מטרתו העיקרית היא לתת דוגמה ליכולותיו של H.264/AVC ולא ממש לשמש כיישום שלו.

כמו בתקן MPEG-2 וחלק 2 של תקן MPEG-4 ספקי מוצרים של H.264/AVC נדרשים לשלם תמלוגים עבור רישוי השימוש בפטנטים שמוצריהם משתמשים. המקור העיקרי לרישיונות לפטנטים הרלוונטיים לתקן זה הוא ארגון פרטי הידוע כ - MPEG-LA, LLC (ארגון זה אינו קשור ישירות אל ארגון התקינה MPEG אך הוא גם מטפל אדמיניסטרטיבית בניהול מאגר הרישיונות של תקן MPEG-2 וחלק 2 של תקן MPEG-4).

[עריכה] יישומים

פורמט HD-DVD מתוכנן על ידי פורום ה־DVD, וכולל בתוכו את H.264/AVC כמאפיין חובה של נגני ה־DVD התואמים לפורמט זה. גם פורמט ה-Blu-Ray Disc מתוכנן בצורה דומה על ידי איגוד Blu-Ray Disc. מוצרים ראשונים התואמים לפורמטים אלה צפויים להגיע לשוק המסחרי לקראת סוף 2005.

גוף התקינה האירופאי לשידורי וידאו דיגיטליים (DVB) אישר בסוף 2004 את השימוש ב־H.264/AVC עבור שידורי טלוויזיה באירופה.

גוף התקינה של הועדה לטלוויזיה מתקדמת בארצות הברית (ATSC) נמצא בשלבים אחרונים של שקילת השימוש בתקן H.264/AVC לשידורי הטלוויזיה בארצות הברית.

בקוריאה, השירות לשידורי מולטימדיה דיגיטלית (DMB) ישתמש ב־H.264/AVC.

שדרנים גדולים ביפן הכריזו על תמיכה ב־H.264/AVC לחלק הנייד של שרותי שידור קרקעיים.

פרויקט שותפות הדור השלישי (3GPP) אישר את הכללתו של H.264/AVC כמאפיין אופציונאלי של גרסה 6 של ספציפיקציות טלפונית המולטימדיה הניידת שלו.

מועצת התקן לדימות תנועה (MISB) של משרד ההגנה של ארצות הברית (DoD) אימצה את H.264/AVC לערוצים המסוגלים להעביר Bit Rate נמוך (למשל פחות מ־Mbits/sec) ושוקלת את אימוצו של התקן לשימושים אחרים.

כוח המשימה להנדסת האינטרנט (IETF) נמצא בשלבים אחרונים של העבודה על הגדרת פורמט "אריזת מטען במנות" לנשיאת וידאו H.264/AVC תוך שימוש בפרוטוקול RTP.

מדור התקנים של ITU-T אימץ את H.264/AVC לספציפיקציות של קבוצת מערכות טלפוניית המולטימדיה שלו – H.32x. כמעט כל מוצרי ועידות הוידיאו החדשים כוללים תמיכה ב־H.264/AVC, הבולטים מביניהם כוללים את Polycom ואת Tandberg.

"קבוצת המומחים לקידוד וידאו" (MPEG) כללה תמיכה מלאה ב־H.264/AVC בתקן המערכות שלה (כלומר MPEG-2 ו־MPEG-4) וגם בספציפיקציות לפורמט קובצי המדיה בתצורת ISO שלה.

חברת "אפל" עובדת על אינטגרציה של H.264 לתוך "טייגר", הגרסה הבאה של מערכת ההפעלה שלה (Mac OS X 10.4). אפל שילבה את H.264/AVC ישירות לתוך "קוויק טיים", נגן המולטימדיה שלה.

הקונסולה למשחקים PlayStation של סוני תכלול מפענח חומרה לקובצי וידאו בפורמט H.264.

חברת התוכנה Ahead שילבה מקודד H.264 לתוך תוכנת הצריבה המפורסמת שלה, Nero.