Zusammenfassung (Die MPD)
Viele Streaming-Produzenten verwenden CBR (Constant Bitrate Encoding) als Bitratensteuerungstechnik, entweder um den effizientesten Stream für die Bereitstellung zu erstellen oder um die Apple-Anforderungen für HTTP Live Streaming (HLS) zu erfüllen. CBR bietet jedoch die niedrigste Gesamtqualität aller Bitratensteuerungstechniken und birgt das Potenzial für dramatische transiente Qualitätsprobleme, wie sie in Abbildung 1 gezeigt sind.
Abbildung 1. Vergleich von CBR vs. VBR-Codierung (klicken Sie auf das Bild für die Ansicht in voller Größe). Eine aktuelle Umfrage zeigt, dass viele Hersteller auf variable Bitrate Encoding (VBR) umgestellt haben und die oben genannten Apple-Empfehlungen ignorieren. Tests zeigen, dass 110% eingeschränktes VBR die vorübergehenden Qualitätsprobleme vermeidet, die durch CBR-Codierung verursacht werden. Produzenten, die immer noch CBR verwenden, sollten in Betracht ziehen, auf eingeschränktes VBR umzusteigen, um diese vorübergehenden Qualitätsprobleme zu vermeiden und die allgemeine Videoqualität zu verbessern.
Segment 1: Die Bitratensteuerung ist eine der grundlegendsten Codierungsoptionen, die für jede komprimierte Datei ausgewählt werden
Wenn Sie eine Datei für die Streaming-Verteilung codieren, wählen Sie eine Bitrate und eine Bitratensteuerungstechnik. Dies wird in Abbildung 2 aus dem Adobe Media Encoder gezeigt.
Abbildung 2. Bitratensteuerungstechniken, die im Adobe Media Encoder verfügbar sind.
Die zwei häufigsten Techniken sind:
• Constant Bitrate Encoding (CBR), bei dem die gleiche Bitrate auf die gesamte Datei angewendet wird, unabhängig von der Komplexität der Szene. Mit CBR legen Sie die Zielbitrate fest (Abbildung 2), aber nicht das Maximum, da die Bitrate nicht signifikant variieren soll, obwohl dies normalerweise in begrenztem Maße der Fall ist, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3 zeigt eine mit CBR codierte Datei. Wie Sie in der Legende rechts sehen können, beträgt die durchschnittliche Bitrate 4936 kbit / s, während die Spitze 5557 kbit / s beträgt. Die gewellte hellblaue Linie ist die schwebende Datenrate, die über die Dauer der Datei minimal variiert. Die einzelnen Spalten sind die Größe jeder codierten Gruppe von Bildern in der Datei, mit einem Keyframe alle drei Sekunden in dieser 29,97fps-Datei.
Abbildung 3. Eine CBR-codierte Datei im Bitrate Viewer.
Beachten Sie, dass CBR niemals eine vollständige Flatline ist; eine Variabilität von etwa 5-10% ist normal.
• Variable Bitrate Encoding (VBR), bei der die gleiche Gesamtzieldatenrate erreicht wird, die Datenrate jedoch über die Dauer der Datei variiert wird, um der Komplexität der Szene zu entsprechen. Mit VBR legen Sie das Ziel und das Maximum fest (Abbildung 2) und in einigen Anwendungen auch das Minimum. Wenn Sie ein Maximum festlegen, wird die VBR-Codierung als eingeschränkt betrachtet, und VBR wird häufig durch den Prozentsatz der Einschränkung beschrieben. In Abbildung 2 beträgt die maximale Bitrate 2,4 Mbit/s oder 200% der Zielbitrate von 1,2 Mbit/s. Diese Technik würde 200% constrained VBR genannt werden.
Abbildung 4 zeigt dieselbe Datei wie Abbildung 3, die mit 200% eingeschränktem VBR auf dieselbe Zielbitrate von 5000 kbit / s codiert wurde. Die durchschnittliche Bitrate ist ungefähr gleich (4988 kbit / s gegenüber 4936 kbit / s), aber die Spitzenbitrate beträgt 9301 kbit / s, nicht ganz 200%, aber im Baseballstadion. Die gewellte blaue Datenratenlinie variiert viel stärker als in Abbildung 3, mit niedrigen Raten zu Beginn und Spitzenwerten.
Abbildung 4. Dieselbe Datei, die mit 200% eingeschränktem VBR codiert wurde.
• Viele Hersteller verwenden standardmäßig CBR für einige oder alle ihre Codierungen. In den frühen Tagen des Streamings waren die Verbindungen so eingeschränkt, dass CBR empfohlen wurde, Datenratenspitzen zu vermeiden, die eine reibungslose Wiedergabe behindern könnten. In Apple Technote TN2224 gibt Apple an: „Bitratenvariabilität – Sollte 10% der Zielbitrate nicht überschreiten.“ Noch bedrohlicher ist, dass Apples Media Stream Validator, ein Tool zum Testen von HLS-Streams, eine Warnung erstellt, wenn die Bitrate eines Stream-Segments um mehr als 10% von der Zielbitrate abweicht. Es überrascht nicht, dass in einer kürzlich vom Streaming Learning Center durchgeführten Umfrage 11 von 16 Befragten angaben, dass sie für einige ihrer Streams immer noch CBR-Codierung verwenden (Abbildung 5). Zugegebenermaßen ist die Anzahl der Befragten zu gering, um statistisch signifikant zu sein, obwohl die Antworten zu Informationszwecken gültig sind.
Abbildung 5. Elf von 16 Befragten verwendeten immer noch CBR für einige ihrer Streams sowie andere Techniken.
Wie Sie in Abbildung 5 sehen können, gibt es andere Bitratensteuerungstechniken, einschließlich Constant Rate Factor (CRF) und Capped CRF. Da sie jedoch am besten in sehr begrenzten Fällen verwendet werden (meist synthetische Inhalte wie Screencams und PowerPoint-Videos mit Audio), sind sie nicht in dieser Diskussion enthalten.
Segment 2. CBR liefert insgesamt eine geringere Qualität als VBR
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse eines Qualitätsvergleichs für Jan Ozers kommendes Buch Encoding by the Numbers, das im Sommer 2016 erscheinen soll. Bei diesen Tests handelte es sich um Dateien, die mit FFmpeg mit einer Auflösung von 720p bei 2 Mbit / s codiert wurden, wobei die VQM-Werte vom Video Quality Measurement Tool (VQMT) der Moskauer Universität gemessen wurden. Mit VQM sind niedrigere Werte besser, und in der Tabelle sind die Werte in Rot die schlechtesten, die Werte in Grün die besten.
Tabelle 1. PSNR-Qualitätsvergleich für verschiedene Bitratensteuerungstechniken.
Beachten Sie die Qualität delta Spalten in Tabelle 1. Die erste zeigt den Gesamtqualitätsunterschied zwischen der Datei mit der niedrigsten und der höchsten Qualität in der Gruppe. Der zweite zeigt den Qualitätsunterschied zwischen den Clips, die mit 110% und 200% eingeschränktem VBR codiert wurden. Wie Sie sehen werden, können Produzenten vorübergehende Qualitätsprobleme vermeiden und innerhalb der Apple-Empfehlungen bleiben, indem sie 110% eingeschränktes VBR verwenden. Hersteller, die die höchstmögliche Dateiqualität anstreben und sich nicht um die Empfehlungen von Apple kümmern, sollten jedoch 200% eingeschränktes VBR verwenden.
In allen Testfällen lieferte 20 CBR die schlechteste Qualität, und in fünf von sechs Fällen lieferte 200% eingeschränkte VBR die höchste Qualität. Die einzige Ausnahme war der Talking Head Clip, bei dem 1 Pass CBR die höchste Qualität lieferte. Dieses Ergebnis scheint eine Anomalie zu sein; In ähnlichen Tests, die an Sprechkopfclips mit drei Bewegungen durchgeführt wurden, stimmten die Ergebnisse mit allen anderen Dateien in Tabelle 1 überein. Die höchste Variabilität wurde im Big Buck Bunny-Clip beobachtet, der eine Qualitätsdifferenz von 14,54% zwischen den Clips mit der niedrigsten und der höchsten Qualität aufwies (Total Quality Delta Column).
Der Qualitätsunterschied ist ansonsten bei den meisten anderen Clips relativ gering. In der Tat ist es wahrscheinlich nicht einmal während der normalen Wiedergabe zu beobachten. In einigen Fällen können CBR-Dateien jedoch ein schwerwiegenderes Problem aufweisen. die vorübergehende Qualität sinkt in Abbildung 1 gezeigt.
Segment 3: Die transienten Qualitätsprobleme von CBR betreffen viel mehr
Wenn Sie anspruchsvolle Clips mit aggressiven Parametern codieren, kann die CBR-Codierung schwerwiegende transiente Qualitätsprobleme verursachen, wie in Abbildung 1 gezeigt. Abbildung 6 ist der Bildschirm zur Visualisierung der Ergebnisse des VQMT-Tools der Moskauer Universität, auf dem die VQM-Werte (niedrigere Werte besser) für zwei Dateien angezeigt werden. Die Datei in Rot wurde mit 110% eingeschränktem VBR codiert, während die Datei in Blau CBR ist. Die eingekreisten Datenspitzen zeigen Frames oder Gruppen von Frames, bei denen die Qualität der CBR-Datei im Vergleich zur 110% eingeschränkten VBR-Datei dramatisch gelitten hat. Das schlimmste dieser Unterschiede ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 6. Die Datenratenspitzen in der unteren Abbildung zeigen Frames oder Gruppen von Frames, bei denen die CBR-Qualität dramatisch schlechter als 110% ist.
Interessant ist, dass die Spitzenbitrate für die CBR-Datei tatsächlich die der VBR-Datei übersteigt. Sie können dies in Abbildung 7 sehen, in der Bitrate Viewer die CBR-Datei (oben) und die VBR-Datei analysiert. Die Sideboards auf der rechten Seite zeigen die durchschnittliche und maximale Bitrate für beide Dateien. Der Durchschnitt ist nahezu identisch, während die Spitzenrate für die CBR-Datei 2623 kbit / s beträgt, verglichen mit 2539 kbit / s für die 110% eingeschränkte VBR-Datei (siehe Hinweis 5 unten). Unabhängig davon, ob es sich um Streaming-Effizienz, die Beachtung der 110% -Variabilitätsempfehlungen von Apple oder um beides handelt, erzielt Constrained VBR ein überlegenes Ergebnis und liefert gleichzeitig eine insgesamt höhere Qualität und vermeidet die vorübergehenden Qualitätsverluste in der CBR-Datei.
Abbildung 7. Bitrate Viewer analysiert die CBR-Datei oben und die zu 110% eingeschränkte VBR-Datei unten.
Sie können sich ein kurzes Video ansehen, das diese Probleme veranschaulicht und erklärt.
Dieses Video veranschaulicht die vorübergehenden Qualitätsprobleme, die manchmal bei CBR-Videos auftreten. Am besten im Vollbildmodus angezeigt (klicken Sie auf das Symbol unten rechts im Wiedergabefenster).Es überrascht vielleicht nicht, dass unsere Umfrageergebnisse zeigten, dass die häufigste prozentuale Einschränkung, die von den Befragten verwendet wurde, 110% des Ziels betrug, obwohl zugegebenermaßen, wie bei den Umfrageergebnissen im Allgemeinen, die Anzahl der Befragten zu gering ist, um statistisch signifikant zu sein.
Abbildung 8. 110% des Ziels war die häufigste Einschränkung.
Abschnitt 4: Viele Hersteller ignorieren Apples 110% ige Variabilitätsempfehlung
Abbildung 9 zeigt einige der interessanteren Ergebnisse der Umfrage. Das heißt, von denen, die HLS-Dateien produzieren, ignoriert die Mehrheit der Hersteller die Empfehlung von Apple vollständig. Interessanterweise war die einzige demografische Frage, die in der Umfrage gestellt wurde, die Anzahl der wöchentlich produzierten Videodateien. Zehn Befragte gaben an, dass sie über 100 Dateien pro Woche produzierten; Von dieser Gruppe folgten fünf der Empfehlung von Apple religiös, fünf ignorierten sie vollständig.
Abbildung 9. Die meisten Hersteller ignorieren die Empfehlung von Apple.Eine interessante Folgefrage wäre gewesen, ob die Befragten, die die Einschränkung ignorierten, über eine App auf iOS-Geräte verteilten. Leider haben wir diese Frage nicht gestellt und die Sorge offen gelassen, dass Apple Apps ablehnen wird, wenn das von der App abgespielte Video nicht die 110% -Variabilitätsanforderung erfüllt.
Segment 5: Schlussfolgerungen
1. In allen Tests lieferte CBR die niedrigste Gesamtqualität aller Bitratenalternativen.
2. In allen Tests bis auf einen lieferte Constrained VBR die höchste Qualität
3. Bei anspruchsvollem Filmmaterial und aggressiven Codierungsparametern kann CBR-codiertes Video vorübergehende Qualitätsverluste aufweisen, die manchmal dramatisch sind.
4. Die Produktion mit 110% eingeschränktem VBR scheint diese Qualitätsprobleme zu vermeiden, ohne eine signifikante Datenratenvariabilität einzuführen.
5. In den meisten Fällen liefert die Codierung mit 200% eingeschränktem VBR die maximale Qualität.
6. Viele Hersteller ignorieren Apples Empfehlung, HLS-Dateien mit einer maximalen Streamvariabilität von 110% zu produzieren.
Segment 6: Empfehlungen
1. Hersteller, die derzeit CBR für einige oder alle ihre Codierungen verwenden, sollten den Wechsel zu eingeschränktem VBR in Betracht ziehen.
• 110% eingeschränkte VBR sollte vorübergehende Qualitätsprobleme vermeiden.
• 200% eingeschränktes VBR liefert die absolut beste Qualität.
2. Produzenten, die HLS-Videos über eine App vertreiben, sollten wahrscheinlich 110% eingeschränkte VBR wählen, um App Store-Genehmigungsprobleme beim ersten Einreichen oder beim Einreichen von Updates zu vermeiden. Diejenigen, die eine browserbasierte Desktop- und mobile Wiedergabe bevorzugen (z. B. keine App), sollten 200% eingeschränkte VBR in Betracht ziehen.
3. Diese Ergebnisse variieren je nach Codec und Codierungstool. Wie unten beschrieben, haben wir alle Dateien für diese Tests in FFmpeg mit dem x264-Codec erstellt. Wir haben die vorübergehenden Qualitätsprobleme mit CBR-Dateien in anderen x264-basierten Codierungstools beobachtet, sie werden jedoch möglicherweise nicht in allen Codierungstools angezeigt.
4. Jede größere Codierungsänderung, wie sie hier empfohlen wird, sollte nicht ohne Tests implementiert werden, um Qualität und Spielbarkeit sicherzustellen.
Anhang I: Wie wir getestet haben
Hier finden Sie eine kurze Beschreibung der für diese Tests verwendeten Verfahren.
1. Wir haben alle Dateien mit FFmpeg auf einer HP Z840 Workstation mit Windows 7 Professional mit 64 GB RAM erstellt.
2. Allgemeine Codierungsparameter waren Keyframes alle 3 Sekunden und das Veryslow-Preset.
3. Wir haben CBR-Dateien mit derselben Zielbitrate, maximalen Bitrate und einer Puffereinstellung von einer Sekunde Video erstellt. Für 4 mbps-Ziele war die Zeichenfolge:
-b:v 4000k
-maxrate 4000k
-bufsize 4000k
4. Wir haben eingeschränkte VBR-Dateien erstellt, indem wir die Einstellung für die maximale Rate angepasst und einen Pufferwert von 1 Sekunde verwendet haben. Für ein 4-mbit/ s-Ziel mit 110% eingeschränktem CBR war die Zeichenfolge:
-b:v 4000k
-maxrate 4400k
-bufsize 4000k
Für CBR und VBR, Codierung mit einem größeren Puffer verbesserte die Stream-Qualität, erhöhte aber auch die Stream-Variabilität.
5. Wir produzierten die CBR-Dateien, die in den Abbildungen 6 und 7 und im Video analysiert wurden, mit 1-Pass-CBR, was die Qualität der Datei im Vergleich zu 2-Pass erhöhte (siehe Tabelle 1), aber auch die Dateivariabilität erhöhte. Die Codierung mit 1-Pass-CBR erzeugte auch Dateien weit unter dem Ziel, so dass wir mehrmals mit immer höheren Raten codieren mussten, um die Zieldatenrate zu erreichen. Die Verwendung der 2-Pass-CBR-Codierung liefert Dateien mit etwas geringerer Qualität, aber auch eine höhere Genauigkeit der Datenrate und eine geringere Streamvariabilität.
6. Wir haben überprüft, dass die Zieldatenrate aller Dateien innerhalb von 5% des Ziels lag.
7. Wir haben alle oben genannten Qualitätsbewertungen mit dem Tool zur Messung der Videoqualität der Moskauer Universität erstellt.
