Para que servem os codecs de vídeo

Codecs são usados durante a filmagem, edição, entrega e reprodução de conteúdo em vídeo. Sem essa tecnologia, a entrega de conteúdo aos assinantes e vídeos conferências seriam impossíveis. O propósito do codec é de reduzir o tamanho dos arquivos de vídeo. Então vamos nos aprofundar e ver como funcionam, e por que a tecnologia de compressão é tão importante.

Por que vídeos precisam ser comprimidos

Vídeos precisam de muito mais espaço que imagens ou música, pois também podem incluir uma trilha de áudio (às vezes várias), uma trilha de vídeo, e legendas. Além de tudo isso, seus metadados contém informações de serviço e dados de sincronização de áudio/vídeo.

Uma trilha de vídeo consiste de quadros, e cada quadro é feito de pixels, e cada pixel consiste de três subpixels: vermelho, verde e azul. Os dados de cor dos subpixels estão em 8 bits (1 byte). Precisamos de 3 bytes para codificar um pixel em uma de 16 milhões de cores. Um quadro normal em FullHD é construído de mais de 2 milhões de pixels, então um filme completo precisaria de centenas de gigabytes.

Ainda mais espaço e necessário para armazenar vídeos de alta resolução/alta taxa de quadros sem compressão, tais como 4K (4096x2160) ou 8K (7680x4320). Portanto, conteúdo deste tipo não é adequado para streaming.

A compressão de vídeo é usada para otimizar o armazenamento e streaming em redes normais. Há vários métodos para se fazer isso: algoritmos matemáticos, previsão, corte de dados redundantes, arredondamento de valores absolutos, e processamento de cores pelo canal.

A compressão às vezes é chamada de codificação. O processo reverso é chamado de decodificação ou descompressão de vídeo.

O que são os codecs

Codecs são ferramentas de hardware e software para a codificação de vídeos. O termo é derivado do Inglês COder/DECoder.

Após a codificação sem perdas, os dados originais podem ser plenamente restaurados. Porém, isso vem ao custo de taxa de compressão. Este tipo de compressão é usado na filmagem e pós-processamento de vídeos.

A compressão com perdas é aplicada durante a entrega do conteúdo de vídeo a dispositivos clientes: Tvs, reprodutores de mídia, computadores e smartphones. Quanto mais forte a compressão, mais baixa será a qualidade do vídeo, e menor será o tamanho do arquivo.

Codecs cortam dados redundantes em dois níveis: dentro do quadro e ao nível da sequência do quadro.

Compressão intraframe

Durante a compressão intraframe, os codecs processam cada quadro separadamente. É parecido com como imagens em JPEG são comprimidas. O algoritmo divide o quadro nos componentes de luminancia e crominância, reduz seu nível de detalhes, e marca áreas semelhantes. Como resultado, você consegue ter um arquivo exponencialmente menor com uma perda mínima de qualidade.

Codecs comprimem os dados de forma semelhante a como números são fatorados na matemática: ao invés de 20 zeros, é suficiente mostrar quantos deles existem.

Compressão interframe

Frequentemente, quadros sucessivos parecem quase idênticos, então eles não precisam ser preservados plenamente. Codecs removem todas as informações repetidas da imagem, deixando somente as áreas que diferem. Algoritmos de compensação de movimentos operam de forma semelhante.

O método da diferença entre quadros funciona ao comparar quadros. O arquivo resultante contém somente as diferenças entre os quadros. A técnica de compensação de movimento é baseada em previsão: somente quadros de referência são armazenados plenamente, e os quadros entre eles são previstos.

Para ver como é a compressão entre quadros, apenas pause um vídeo durante uma cena cheia de ação. Se você não pausar em um quadro de referência, as áreas com objetos em movimento ficarão embaçados. É que o olho humano não consegue distinguir isso na velocidade de reprodução normal.

A história do codec de vídeo

A história da compressão de vídeos digitais começou em 1998 com o lançamento do H.261. O codec beneficiou-se da compensação de movimento, referenciamento de quadro anterior, compressão de cor, e amostragem de variedade 8x8.

Em 1993, MPEG1 entrou na cena. Esta tecnologia dependia de quadros de referência futuros e passados para a previsão e davam suporte para vídeo em HD. O padrão MPEG1 foi desenvolvido para vídeo em 352x240 mas suportava resoluções de até 4095x4095 píxeis. Já que MPEG1 suportava somente escaneamento progressivo, foi rapidamente substituído por codecos mais novos.

Três anos mais tarde, um dos codecs mais populares apareceu—MPEG2. Foi usado para TV digital e DVD. A tecnologia abriu novas possibilidades para a codificação de áudio: o codec suportava a compressão de arquivos para até 6 trilhas de áudio. MPEG2 manteve alta qualidade de vídeo mas ofereceu pouco em termos de compressão, porque foi projetado para dispositivos de baixo desempenho. Ainda é usado até para algumas transmissões ao vivo, além de TV a cabo e satélite.

Em 1998, o MPEG4 surgiu. Com sua ajuda, um filme de 90 minutos poderia ser colocado em um CD normal. O codec lidava com objetos 2D e 3D no quadro, suportava DRM, além de áudio e legendas. Ainda assim, MPEG4 não era adequado para streaming de vídeo.

EM 2003, a era do H.264 começou. A tecnologia comprime o vídeo com duas vezes a eficiência do MPEG4, permitindo streaming de vídeo em FullHD em canais de 5 Mbps. Apesar de ainda estar entre os mais populares hoje em dia, o codec tem limitações em termos de compressão de vídeo em 4K para streaming, especialmente em redes móveis.

O codec do futuro

EM 2012, a Equipe Colaborativa Conjunta em Codificação de Vídeo desenvolveu o codec HEVC (H.265). Esta tecnologia foi construída sobre o H.264 mas oferecia uma compressão duas vezes mais poderosa, enquanto mantinha a mesma qualidade de vídeo.

Ao mesmo tempo que dependia de técnicas do H.264, o HEVC também trouxe algo novo, isto é, o processamento em paralelo, que permite o processamento de áreas do quadro de forma simultânea.

A única desvantagem técnica do H.265 é sua intensividade de recursos: para codificar e decodificar vídeo, ele precisa de 3-5 vezes mais poder de processamento que o H.264. O H.265 não é usado tão amplamente quando o H.264 ainda, mas já é suportado por muitas Tvs box, Tvs smart, smartphones, e outros dispositivos.

HEVC aumenta a adoção do 4K, e sua evolução—FVC (Codec de Vídeo do Futuro)—pode se tornar um veículo para o streaming de vídeo em 8K. Os desenvolvedores prometem que o novo codec será 50% mais eficiente na compressão de vídeo. Em outubro de 2019, um rascunho de padrão internacional para o H.266 foi lançado, e os primeiros codecs de hardware seguirão até junho de 2021.

Sem codecs, o armazenamento e entrega de vídeo seria impossível. Novas tecnologias de compressão permitem que grandes e pequenas operadoras entreguem conteúdo de alta qualidade sem terem que atualizar sua infraestrutura de rede de forma infindável. Com codecs, vídeo de alta resolução pode ser transmitido por streaming mesmo em conexões de velocidade comparativamente baixa: um canal de 15 Mbps é suficiente para assistir filmes em 4K no Netflix.

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