sammendrag (MPD)
mange streamingproducenter bruger konstant bitrate-kodning (CBR) som en bitrate-kontrolteknik, enten i et forsøg på at skabe den mest effektive strøm til levering eller for at overholde opfattede Apple-krav til HTTP Live Streaming (HLS). CBR leverer dog den laveste samlede kvalitet af alle bithastighedskontrolteknikker og introducerer potentialet for dramatiske forbigående kvalitetsproblemer som dem, der er vist i Figur 1.
Figur 1. Sammenligning af CBR vs. VBR-kodning (klik på billedet for visning i fuld størrelse).
en nylig undersøgelse viser, at mange producenter har skiftet over til variabel bitrate-kodning (VBR) og ignorerer de førnævnte Apple-anbefalinger. Test afslører, at 110% begrænset VBR undgår de forbigående kvalitetsproblemer forårsaget af CBR-kodning. Producenter, der stadig bruger CBR, bør overveje at skifte til begrænset VBR for at undgå disse forbigående kvalitetsproblemer og forbedre den samlede videokvalitet.
Segment 1: Bitrate control er en af de mest grundlæggende kodningsindstillinger valgt for hver komprimeret fil
Når du koder en fil til streaming distribution, vælger du en bitrate og en bitrate kontrol teknik. Dette er vist i figur 2, fra Adobe Media Encoder.
figur 2. Bitrate kontrol teknikker til rådighed i Adobe Media Encoder.
de to mest almindelige teknikker er:
• konstant bitrate-kodning (CBR), hvor den samme bitrate anvendes på hele filen, uanset scenekompleksitet. Med CBR indstiller du målbithastigheden (figur 2), men ikke maksimum, fordi bithastigheden ikke skal variere betydeligt, selvom det typisk gør i begrænset omfang, som vist i figur 3.
figur 3 viser en fil kodet ved hjælp af CBR. Som du kan se i legenden til højre, er den gennemsnitlige bithastighed 4936 kbps, mens toppen er 5557 kbps. Den bølgede lyseblå linje er den flydende datahastighed, som varierer minimalt over filens varighed. De enkelte kolonner er størrelsen af hver kodet gruppe af billeder i filen med en keyframe hvert tredje sekund i denne 29.97 fps-fil.
figur 3. En CBR-kodet fil i Bitrate fremviser.
Bemærk, at CBR aldrig er en komplet flatline; en variabilitet på omkring 5-10% er normal.
• variabel bitrate-kodning (VBR), hvor den samme samlede måldatahastighed er opfyldt, men datahastigheden varieres over filens varighed for at matche scenekompleksitet. Med VBR indstiller du målet og maksimum (figur 2), og i nogle applikationer også minimum. Når du indstiller et maksimum, betragtes VBR-kodningen som begrænset, og VBR beskrives ofte af procentdelen af begrænsningen. I figur 2 er den maksimale Bitrate 2,4 Mbps eller 200% af Målbitraten på 1,2 Mbps. Denne teknik kaldes 200% begrænset VBR.
figur 4 viser den samme fil som figur 3 kodet ved hjælp af 200% begrænset VBR til den samme målbitrate på 5000 kbps. Den gennemsnitlige bithastighed er omtrent den samme (4988 kbps vs. 4936 kbps), men den maksimale bithastighed er 9301 kbps, ikke helt 200%, men i ballparken. Den bølgede blå datahastighedslinje varierer meget mere markant end i figur 3 med lave hastigheder i starten og toppe overalt.
figur 4. Den samme fil kodet ved hjælp af 200% begrænset VBR.
• mange producenter standard til CBR for nogle eller alle deres kodning. I de tidlige dage af streaming var forbindelserne så begrænsede, at CBR blev anbefalet for at undgå datahastighedsspidser, der kunne stoppe jævn afspilning. I Apple Technote TN2224 siger Apple ” Bithastighedsvariabilitet – bør ikke overstige 10% af målbithastigheden.”Mere ildevarslende skaber Apples Media Stream Validator, et værktøj, der bruges til at teste HLS-streams, en advarsel, hvis et stream-segment bitrate varierer fra målbitraten med over 10%. Ikke overraskende angav 11 af 16 respondenter i en nylig undersøgelse fra Streaming Learning Center, at de stadig brugte CBR-kodning til nogle af deres streams (figur 5). Ganske vist er antallet af respondenter for lille til at være statistisk signifikant, selvom svarene er gyldige til informationsformål.
figur 5. Elleve af 16 respondenter brugte stadig CBR på nogle af deres strømme såvel som andre teknikker.
som du kan se i figur 5, findes andre bithastighedskontrolteknikker, herunder konstant Hastighedsfaktor (CRF) og begrænset CRF. Da de dog bedst bruges i meget begrænsede tilfælde (for det meste syntetisk indhold som f.eks.
Segment 2. CBR leverer generelt lavere kvalitet end VBR
tabel 1 viser resultaterne af et sæt kvalitetssammenligninger, der kører for Jan oser ‘s kommende bog, Encoding by the Numbers, som udkommer i sommeren’ 2016. Disse tests involverede filer kodet til 720p opløsning ved 2 Mbps ved hjælp af FFmpeg, med VKM-score målt af Moskva Universitets Videokvalitetsmålingsværktøj (VKMT). Med kvm er lavere score bedre, og i tabellen er scoringer i rødt de værste, scoringer i grønt de bedste.
tabel 1. PSNR kvalitet sammenligning for forskellige bitrate kontrol teknikker.
Bemærk kolonnerne kvalitetsdelta i tabel 1. Den første viser den samlede kvalitetsforskel mellem den laveste og højeste kvalitetsfil i gruppen. Den anden viser kvalitetsforskellen mellem klipene kodet ved hjælp af 110% og 200% begrænset VBR. Som du kan se, kan producenter undgå forbigående kvalitetsproblemer og holde sig inden for Apples anbefalinger ved at bruge 110% begrænset VBR. Producenter, der søger den højest mulige kvalitetsfil og ikke er bekymrede over Apples anbefalinger, bør dog bruge 200% begrænset VBR.
i alle testtilfælde leverede 2 pass CBR den værste kvalitet, og i fem af seks leverede 200% begrænset VBR den højeste kvalitet. Den eneste undtagelse var talking head clip, hvor 1 pass CBR leverede den højeste kvalitet. Dette resultat synes at være en anomali; i lignende tests udført på tre-lav bevægelse, talking-head klip, resultaterne var i overensstemmelse med alle andre filer i tabel 1. Den højeste variabilitet blev set i Big Buck Bunny klip, som viste en 14.54% kvalitetsforskel mellem de laveste og højeste kvalitet klip (Total Kvalitet Delta kolonne).
den samlede kvalitetsforskel er ellers relativt lille i de fleste andre klip. Faktisk er det sandsynligvis ikke engang observerbart under normal afspilning. I nogle tilfælde kan CBR-filer dog udvise et mere alvorligt problem; de forbigående kvalitetsdråber vist i Figur 1.
Segment 3: CBRS forbigående kvalitetsproblemer vedrører meget mere
når du koder udfordrende klip til aggressive parametre, kan CBR-kodning forårsage alvorlige, forbigående kvalitetsproblemer som dem, der er vist i Figur 1. Figur 6 er Resultatvisualiseringsskærmen fra Moskva Universitets VKMT-værktøj, der viser VKM-score (lavere score bedre) for to filer. Filen i rødt blev kodet ved hjælp af 110% begrænset VBR, mens filen i blåt er CBR. De cirklede dataspidser viser rammer eller grupper af rammer, hvor kvaliteten af CBR-filen LED dramatisk sammenlignet med den 110% begrænsede VBR-fil. Den værste af disse forskelle er vist i Figur 1.
figur 6. Datahastighedsspidserne i den nederste figur viser rammer eller grupper af rammer, hvor CBR-kvalitet er dramatisk dårligere end 110% begrænset.
det, der er interessant, er, at topbithastigheden for CBR-filen faktisk overstiger den for VBR-filen. Du kan se dette i Figur 7, som viser Bitrate-fremviser, der analyserer CBR-filen (øverst) og VBR-filen. Skænkene til højre viser gennemsnittet og peak bitrates for begge filer. Gennemsnittet er næsten identisk, mens tophastigheden for CBR-filen er 2623 kbps sammenlignet med 2539 kbps for den 110% begrænsede VBR-fil (men se note 5 nedenfor). Uanset om din bekymring er streaming effektivitet, lytte Apples 110% variabilitet anbefalinger, eller begge, begrænset VBR opnår en overlegen resultat, samtidig levere overordnede højere kvalitet og undgå forbigående kvalitet dråber set i CBR-fil.
Figur 7. Bitrate fremviser analysere CBR fil op top og 110% begrænset VBR fil på bunden.
Du kan se en kort video, der illustrerer og forklarer disse problemer umiddelbart nedenfor.
denne video illustrerer de forbigående kvalitetsproblemer, der undertiden ses med CBR-video. Bedst set i fuld skærm (klik på ikonet nederst til højre i afspilningsvinduet).
måske ikke overraskende viste vores undersøgelsesresultater, at den mest almindelige procentvise begrænsning, der blev brugt af respondenterne, var 110% af målet, men ganske vist, som med undersøgelsesresultaterne generelt, er antallet af respondenter for lille til at være statistisk signifikant.
figur 8. 110% af målet var den mest almindelige begrænsning.
Segment 4: Mange producenter ignorerer Apples 110% Variabilitetsanbefaling
figur 9 viser nogle af de mere interessante resultater af undersøgelsen. Det vil sige af dem, der producerer HLS-filer, ignorerer flertallet af producenterne Apples anbefaling helt. Interessant nok var det ene demografiske spørgsmål, der blev stillet i undersøgelsen, antallet af videofiler, der blev produceret hver uge. Ti respondenter angav, at de producerede over 100 filer om ugen; af denne gruppe fulgte fem Apples anbefaling religiøst, fem ignorerede det fuldstændigt.
figur 9. De fleste producenter ignorerer Apples anbefaling.
et interessant opfølgningsspørgsmål ville have været, om de respondenter, der ignorerede begrænsningen, distribuerede til iOS-enheder via en app. Desværre stillede vi ikke dette spørgsmål og efterlod bekymringen om, at Apple vil afvise apps, når video, der afspilles af appen, ikke opfylder kravet om 110% variabilitet.
Segment 5: konklusioner
1. I alle test leverede CBR den laveste samlede kvalitet af alle bitrate-alternativer.
2. I alle tests undtagen en leverede begrænset VBR den højeste kvalitet
3. Med udfordrende optagelser og aggressive kodningsparametre kan CBR-kodet video udvise forbigående kvalitetsdråber, nogle gange dramatiske.
4. Produktion ved hjælp af 110% begrænset VBR ser ud til at undgå disse kvalitetsproblemer uden at indføre betydelig datahastighedsvariabilitet.
5. I de fleste tilfælde leverer kodning med 200% begrænset VBR den maksimale kvalitet.
6. Mange producenter ignorerer Apples anbefaling om at producere HLS-filer med maksimalt 110% streamvariabilitet.
Segment 6: anbefalinger
1. Producenter, der i øjeblikket bruger CBR til nogle eller alle deres koder, bør overveje at skifte til begrænset VBR.
• 110% begrænset VBR bør undgå forbigående kvalitetsproblemer.
• 200% begrænset VBR leverer den absolut bedste kvalitet.
2. Producenter, der distribuerer HLS-video via en app, bør sandsynligvis vælge 110% begrænset VBR for at undgå App Store-godkendelsesproblemer, når de oprindeligt indsender eller sender opdateringer. Ingen app) bør overveje 200% begrænset VBR.
3. Disse resultater vil variere efter codec og kodning værktøj. Som beskrevet nedenfor producerede vi alle filer til disse tests i FFmpeg ved hjælp af 264 codec. Vi har observeret de forbigående kvalitetsproblemer med CBR-filer i andre h264-baserede kodningsværktøjer, men de vises muligvis ikke i alle kodningsværktøjer.
4. Enhver større kodningsændring som dem, der anbefales heri, bør ikke implementeres uden test for at sikre kvalitet og spilbarhed.
Appendiks i: hvordan vi testede
Her er en kort beskrivelse af de procedurer, der anvendes til disse tests.
1. Vi producerede alle filer ved hjælp af FFmpeg på en HP 840 arbejdsstation kører Vinduer 7 Professional med 64 GB RAM.
2. Generelle kodningsparametre var keyframes hvert 3. sekund og den meget lave forudindstilling.
3. Vi producerede CBR-filer ved at bruge den samme målbithastighed, maks.bithastighed og en bufferindstilling på et sekund af video. For 4 mbps-mål var strengen:
-b:v 4000k
-maks.4000K
-bufstørrelse 4000K
4. Vi producerede begrænsede VBR-filer ved at justere den maksimale hastighedsindstilling og ved at bruge en bufferværdi på 1 sekund. For et 4 mbps mål med 110% begrænset CBR var strengen:
-b:v 4000k
-maks 4400k
-bufstørrelse 4000k
For både CBR og VBR forbedrede kodning med en større buffer strømkvaliteten, men det øgede også strømvariabiliteten.
5. Vi producerede CBR-filerne analyseret i figur 6 og 7 og i videoen ved hjælp af 1-pass CBR, hvilket øgede filens kvalitet sammenlignet med 2-pass (Se tabel 1), men også øget filvariabilitet. Kodning med 1-pass CBR producerede også filer langt under målet, så vi var nødt til at kode flere gange med stadig højere hastigheder for at opfylde måldatahastigheden. Brug af 2-pass CBR-kodning leverer filer af lidt lavere kvalitet, men også større datahastighedsnøjagtighed og reduceret strømvariabilitet.
6. Vi bekræftede, at måldatahastigheden for alle filer var inden for 5% af målet.
7. Vi producerede alle kvalitetsresultater inkluderet ovenfor ved hjælp af Moskva Universitets Videokvalitetsmåleværktøj.
