Немецкая премия будущего за 2012 год: проект №4

Видео сегодня вездесуще. Движущиеся картинки, сначала ассоциировавшиеся исключительно с кинематографом, потом с телевидением и, наконец, совсем еще недавно, с видеомагнитофоном, плавно переместились в интернет. Теперь там и кинофильмы, и новостные репортажи, и старая хроника, и концерты, спектакли, видеоклипы, и многое другое. Не следует забывать и о таких вещах как скайп и прочие виды видеотелефонии, видеоконференции, телемедицина и так далее и тому подобное.

По оценке экспертов компании Cisco Systems, мирового лидера в области сетевых технологий, доля движущихся картинок во всем пользовательском трафике интернета в текущем году составит от 60 до 70 процентов, и эта лавина продолжает нарастать. Сегодня во всемирной паутине ежемесячно транспортируется видеоинформация объемом свыше 10 в 19-й степени байт - это соответствует суммарной емкости более чем двух миллиардов DVD. При этом неуклонно растет и качество изображения: качество картинки на видеокассете заставляет современного зрителя недовольно морщиться, да вызывавшие еще совсем недавно восхищение DVD сегодня вытесняются дисками Blu-Ray. А традиционное телевидение становится сегодня телевидением высокой четкости и покоряет третье измерение, предлагая объемную картинку вместо плоской.

Без сжатия - никакого видео

Все это было бы немыслимо без перехода от аналоговых технологий к цифровым - перехода, открывшего новые возможности в сфере обработки видеосигнала. А главная цель этой обработки - высокоэффективное сжатие видеосигнала, то есть уменьшение суммарного объема информации, используемой для представления видеопотока, без видимого ухудшения качества изображения. Только благодаря сжатию большие видеофайлы - например, кинофильмы, - удается размещать на бытовых физических носителях и распространять в Интернете. Алгоритм, на основе которого осуществляется обработка сигнала, называются "кодек" - от английского сокращения codec (СОmpression/DECompression, то есть КОмпрессия/ДЕКомпрессия). Самый распространенный сегодня в мире кодек сжатия видеофайлов, имеющий целый ряд расширений для различных сфер применения, называется H.264, или AVC (Advanced Video Coding), он закреплен в соответствующих международных стандартах. За разработку этого алгоритма трое специалистов Института информационных технологий Научного общества имени Фраунгофера в Берлине выдвинуты теперь на соискание Немецкой премии будущего за 2012 год. Это профессор Берлинского технического университета Томас Виганд (Thomas Wiegand), инженер Детлеф Марпе (Detlev Marpe) и математик Хайко Шварц (Heiko Schwarz).

Выкинуть лишнее, сохранить нужное

Тут стоит, пожалуй, вспомнить, что нынешнему массовому распространению видео в Интернете предшествовало столь же массовое распространение аудио, имевшее место на рубеже веков. Это явление стало тогда возможным благодаря формату mp3, основанному на стандарте MPEG-1 Audio Layer 3, который тоже был разработан в Германии. Примечательно, что разработка того алгоритма тоже выдвигалась на соискание Немецкой премии будущего - и получила ее. Было это в 2000-м году. В принципе сжатие видео во многом сходно со сжатием аудио. И там и тут задача одна: уменьшить размер файла, выкинув из него все "лишнее", но сохранив все "нужное". Вся хитрость и состоит в том, чтобы отличить одно от другого. "Один кадр цифрового телевидения высокой четкости - это округленно 2000 х 1000 точек, - говорит Детлеф Марпе. - Таким образом, каждый видеокадр дает информационный пакет объемом примерно в 3 мегабайта. Если мы захотим записать фильм с принятой в кино частотой смены кадров 24 кадра в секунду, то получим видеопоток плотностью в 70 мегабайт в секунду. Это означает, что на диске Blu-Ray с его огромной емкостью в 25 гигабайт поместилось бы всего 6 минут видео высокой четкости".

То же кино, а места требует меньше

Конечно, разработка алгоритмов сжатия видеофайлов началась не с кодека H.264 и им отнюдь не закончилась. Первые международные стандарты в этой области были приняты в конце 80-х годов прошлого века. Безусловно, наиболее важным предшественником стандарта H.264/AVC следует считать стандарт MPEG-2: он получил в свое время очень широкое распространение, поскольку применялся в цифровом телевидении первого поколения и в оптических дисках формат DVD. Последовавшие за ним кодеки MPEG-4 и H.263 оказались не слишком удачными и не вытеснили с рынка стандарт MPEG-2, а лишь дополнили его расширениями для таких приложений как интернет-стриминг, то есть потоковое видео, и видеотелефония. Однако стремительно растущие объемы видеопотока во всемирной паутине настоятельно требовали разработки более эффективного алгоритма сжатия. Таким алгоритмом и стал кодек H.264/AVC. Его создателям удалось уменьшить размер видеопотока вдвое при том же качестве картинки. Иными словами, фильм, сжатый посредством кодека H.264/AVC, требует вдвое меньше места на физическом носителе и вдвое меньшую ширину канала пропускания при передаче через телекоммуникационные сети.

То ли еще будет!

Следует отметить, что работа над совершенствованием и дальнейшим развитием технологии сжатия видеофайлов продолжается. Тем более что ситуация в сфере сетевых технологий напоминает качели: более эффективное сжатие позволяет повысить пропускную способность каналов, это дает импульс к росту объема видеотрафика, сети со временем снова перестают справляться с этим потоком, и это требует разработки еще более эффективного сжатия. Сейчас та же группа специалистов, что номинирова на соискание Немецкой премии будущего, трудится над кодеком следующего поколения. Он именуется HEVC - High Efficiency Video Coding. По замыслу разработчиков, новый стандарт даст возможность, в частности, реализовать так называемое автостереоскопическое телевидение, то есть телевидение, способное обеспечить трехмерное объемное изображение, не заставляя зрителя надевать специальные очки. Но эта разработка сможет претендовать на награды и премии лишь через несколько лет.