La HEVC, plus rapide, plus puissante, plus fiable

Tandis que le marché déborde de TV UHD et que le contenu 4K commence à apparaître, la H.264 n'est plus à la hauteur. Nous avons aujourd’hui besoin d'une solution capable de compresser et de distribuer de la vidéo ultra HD avec une qualité maximale sur des canaux qui ne sont pas encore prêts pour de telles charges.

Cette solution s’appelle la H.265 ou HEVC, et a été présentée pour la première fois au grand public lors du MWC 2012 par Qualcomm. La norme s'est avérée incroyablement efficace, même à cette époque.

Comment fonctionne la compression ?

Pour comprendre comment fonctionnent la plupart des algorithmes de compression, nous allons prendre l'exemple d'une valise. Lorsqu'elle devient trop lourde, nous enlevons tout ce qui n'est pas nécessaire. Il en va de même pour la vidéo - moins elle comporte d'éléments répétés et sans importance, plus elle est facile à transporter.

1. Codage entropique

Toute séquence ordonnée peut être groupée de cette manière jusqu'à ce qu'il ne reste plus de blocs de données pouvant être comprimés davantage, ou pour le dire plus clairement, jusqu'à ce que la séquence des zéros et des uns devienne absolument aléatoire. C'est pourquoi ce type de codage a été baptisé Codage entropique. Il faut cependant mentionner que l'information elle-même n'est pas affectée. Nous transformons seulement la manière dont elle est représentée et réduisons la redondance.

2. Décomposition des fréquences

Toute personne ayant des connaissances en informatique en connait le principe fondamental : les données reçues sous forme de zéros et de uns peuvent être converties dans n'importe quel autre système, qu'il soit décimal, hexadécimal ou même alphabétique. Une image 2D est également un type particulier de données qui peut être convertie d'un système de coordonnées à un autre. Par exemple, nous sommes habitués à regarder une image sous la forme de coordonnées X-Y (longueur-largeur). Ce type de représentation est appelé un domaine spatial. La valeur de chaque pixel qui s'y trouve est basée sur sa position. Nous pouvons convertir cette image en un domaine fréquentiel, dans lequel nous n'évaluons pas la position des pixels, mais plutôt la manière dont leur valeur change par rapport à celles des pixels voisins. Plus le contraste des zones est élevé, plus leurs coordonnées sont élevées sur les axes freqX-freqY. Voici à quoi ressemble la même image lorsqu'elle est convertie du système X-Y en freqX-freqY.

• Les composantes à basse fréquence sont situées plus près du centre de notre matrice. Elles sont responsables de zones homogènes avec des transitions luma et chroma progressives.

• Les composants à haute fréquence sont situés plus près des bords. Elles comprennent tous les contours, les bords nets et les détails fins.

Après cette transformation, nous pouvons simplement recadrer les bords de notre matrice, ou en d'autres termes, la masquer. Lorsque nous convertissons l'image à la forme habituelle, elle perdra certains détails, mais restera globalement similaire à l'image originale.

Lorsque nous sélectionnons la taille et la forme de masque nécessaires, nous pouvons contrôler ces pertes et le degré de compression du fichier final. Ci-dessous, la même voiture, mais à présent des masques circulaires lui sont appliqués.

3. Sous-échantillonnage de la chrominance 

Lorsqu'une image est transmise à un écran de télévision, le schéma de couleurs RVB est converti en YCbCr, où Y est la composante luma et Cb et Cr sont les composantes bleue et rouge du schéma de couleurs, ou composantes chroma. L'œil humain peut percevoir les plus petites fluctuations de luminosité, mais n’est pas aussi performant pour reconnaître les nuances. Par conséquent, si nous transmettons les informations luma en pleine résolution et la composante couleur en résolution réduite, personne ne le remarquera et cela nous permet de réduire la bande passante. Le codage d'un signal en Y'CbCr permet de réduire le volume de données de près de moitié.

Il existe plusieurs méthodes de sous-échantillonnage de la chrominance. Chacune d'entre elles est désignée par un code numérique qui décrit la résolution chroma (2e et 3e) par rapport à la résolution luma (1re).

FORMAT 4:4:4 (YUV)

Le point coloré est constitué de composantes luma (Y') et chroma (Cr et Cb). Dans ce cas, il y a quatre composantes de chaque couleur pour chaque quatre composantes de luma. C'est ainsi que les images RVB non compressées sont généralement représentées. Théoriquement, la formule 4:4:4 peut être utilisée dans Y'CbCr, mais dans la pratique, il n'est pas nécessaire d'utiliser ce format.

FORMAT 4:2:2 (YUY2)

Le rapport entre la résolution luma et la résolution chroma est de 4:2. C'est le format de diffusion traditionnel utilisé par DigiBeta, DVCpro50, et d'autres.

FORMAT 4:1:1 (YV12)

Le rapport entre la résolution de la composante chroma et luma est réduit d'un facteur 4. Ce système est utilisé dans NTSC DV et PAL DVCPro.

FORMAT 4:2:0 (YV12)

La résolution des composantes dépend de l'utilisation d'un balayage entrelacé ou de trame. Elle est souvent utilisée pour transmettre la Н264 via Internet, PAL DV, MPEG2 et diverses solutions logicielles.

4. Compensation de mouvement

Dans presque toutes les vidéos, chaque image est similaire à la précédente. Elles ont un arrière-plan commun, presque statique, et seuls certains objets bougent par rapport à d'autres. Il semble donc tout à fait naturel de vouloir coder uniquement les éléments qui changent, en ne touchant pas à ceux qui restent les mêmes. Cet exemple illustre la similarité de toutes les images se suivant.

Comment fonctionne l'algorithme ?

Н.265 contre H.264

Une vidéo codée au format Н.265 de qualité maximale prend jusqu'à 40 à 50 % moins de bande passante que la même vidéo au format H.264. En plus, cette technologie prend en charge des résolutions allant jusqu'à 8K et un codage couleur de 10 bits. Un tel bond en avant en matière d'efficacité est devenu possible grâce à trois améliorations structurelles essentielles :

1. Accès aléatoire propre.

Le décodage d'une image sélectionnée au hasard ne nécessite pas le décodage des images précédentes. Le format H.265 ne nécessite pas l'insertion d'images intermédiaires (iframes), ce qui réduit le débit binaire d'une vidéo.

2. Modification de la taille maximale des blocs.

Avec le format H.264, la taille maximale du bloc est de 256 pixels (16х16). Mais avec le format H.265, elle est multipliée par 16 pour atteindre 4 096 pixels (64х64), et l'algorithme détermine automatiquement la taille du bloc.

3. Décodage parallèle. Le nouveau format bénéficie des caractéristiques des processeurs multicœurs.

Le format H.265 peut calculer simultanément différentes parties d'une même image et la vitesse de traitement est décuplée.

Où est actuellement utilisé le format НEVC ?

1. Codage
La HEVC est actuellement supportée par de nombreux encodeurs logiciels et matériels comme Nvidia NVENC et Intel QSV. La H265 est parfois présente dans la télévision par satellite, les caméras IP et divers appareils de capture et de codage HDMI (cela est particulièrement le cas pour la diffusion de jeux en streaming lorsque vous ne voulez pas augmenter la charge sur votre ordinateur).

2. Lecture
Vous pouvez actuellement rencontrer la H.265 dans les caméras IP. De plus, il existe des canaux de 30 mégabits compressés en H.265 sur les satellites. Peu à peu, la HEVC tente de s'implanter dans différents services OTT, où il existe des commandes à distance.

3. Diffusion
La H.265 gagne rapidement en popularité, en particulier pour les décodeurs et les téléviseurs intelligents. Concernant les navigateurs de bureau, la situation est pour le moment moins prometteuse et seul Microsoft Edge est actuellement capable de lire la H.265. Sur les smartphones modernes, la H.265 est susceptible d'être lue sur le processeur, ce qui signifie que votre batterie sera vidée avant même que vous ayez fini de regarder une vidéo courte.

Infomir a été l'une des premières entreprises à intégrer la technologie HEVC dans ses décodeurs. Grâce à cela, nous pouvons déjà constater ses avantages dans des exemples concrets.

La technologie HEVC va-t-elle révolutionner les services IPTV/OTT ? Probablement pas. Les formats ne sont pas remplacés du jour au lendemain. La Н.264 restera longtemps un acteur actif du marché, mais cèdera lentement la place à son successeur logique. Toutefois, nous pouvons affirmer avec certitude que l'avenir appartient à la Н.265. Préparez-vous pour l’avenir avec Infomir !

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