sammanfattning (MPD)
många streamingproducenter använder konstant bitrate-kodning (CBR) som en bitrate-kontrollteknik, antingen i ett försök att skapa den mest effektiva strömmen för leverans eller för att uppfylla upplevda Apple-krav för HTTP Live Streaming (HLS). CBR levererar dock den lägsta övergripande kvaliteten på alla bithastighetskontrolltekniker och introducerar potentialen för dramatiska övergående kvalitetsproblem som de som visas i Figur 1.
Figur 1. Jämförelse av CBR vs. VBR kodning (klicka på bilden för full storlek vy).
en ny undersökning visar att många producenter har bytt till variabel bitrate-kodning (VBR) och ignorerar de ovannämnda Apple-rekommendationerna. Testning visar att 110% begränsad VBR undviker de övergående kvalitetsproblem som orsakas av CBR-kodning. Producenter som fortfarande använder CBR bör överväga att byta till begränsad VBR för att undvika dessa övergående kvalitetsproblem och förbättra den totala videokvaliteten.
Segment 1: Bithastighetskontroll är ett av de mest grundläggande kodningsalternativen som valts för varje komprimerad fil
När du kodar en fil för strömmande distribution väljer du en bithastighet och en bithastighetskontrollteknik. Detta visas i Figur 2, från Adobe Media Encoder.
Figur 2. Bitrate – kontrolltekniker tillgängliga i Adobe Media Encoder.
de två vanligaste teknikerna är:
• konstant bitrate-kodning (CBR), där samma bitrate tillämpas på hela filen, oavsett scenkomplexitet. Med CBR ställer du in målbithastigheten (Figur 2) men inte det maximala, eftersom bithastigheten inte ska variera avsevärt, men det gör det vanligtvis i viss begränsad grad, som visas i Figur 3.
Figur 3 visar en fil kodad med CBR. Som du kan se i legenden till höger är den genomsnittliga bithastigheten 4936 kbps, medan toppen är 5557 kbps. Den vågiga ljusblå linjen är den flytande datahastigheten, som varierar minimalt under filens varaktighet. De enskilda kolumnerna är storleken på varje kodad grupp av bilder i filen, med en nyckelbildruta var tredje sekund i denna 29,97 fps-fil.
Figur 3. En CBR-kodad fil i Bitrate Viewer.
Observera att CBR aldrig är en komplett plattlinje; en variation på cirka 5-10% är normal.
• variabel bitrate-kodning (VBR), där samma totala måldatahastighet uppfylls, men datahastigheten varieras under filens varaktighet för att matcha scenkomplexitet. Med VBR ställer du in mål och Maximum (Figur 2), och i vissa applikationer, minimum också. När du ställer in ett maximum anses VBR-kodningen vara begränsad, och VBR beskrivs ofta av procentandelen av begränsningen. I Figur 2 är den maximala bithastigheten 2,4 Mbps, eller 200% av Målbithastigheten på 1,2 Mbps. Denna teknik skulle kallas 200% begränsad VBR.
Figur 4 visar samma fil som Figur 3 kodad med 200% begränsad VBR till samma målbitrate på 5000 kbps. Den genomsnittliga bithastigheten är ungefär densamma (4988 kbps vs 4936 kbps), men toppbithastigheten är 9301 kbps, inte riktigt 200% men i ballparken. Den vågiga blå datahastighetslinjen varierar mycket mer signifikant än i Figur 3, med låga priser i början och toppar hela tiden.
Figur 4. Samma fil kodad med 200% begränsad VBR.
• många producenter standard CBR för vissa eller alla av deras kodning. I de tidiga dagarna av streaming var anslutningarna så begränsade att CBR rekommenderades för att undvika datahastighetspikar som kunde stoppa smidig uppspelning. I Apple Technote TN2224 säger Apple ” Bithastighetsvariabilitet – bör inte överstiga 10% av målbithastigheten.”Mer olycksbådande, Apples Media Stream Validator, ett verktyg som används för att testa HLS strömmar, skapar en varning om någon ström segment bitrate varierar från målet bitrate med över 10%. Inte överraskande, i en nyligen genomförd undersökning av Streaming Learning Center, indikerade 11 av 16 respondenter att de fortfarande använde CBR-kodning för några av sina strömmar (Figur 5). Visserligen är antalet svarande för litet för att vara statistiskt signifikant, även om svaren är giltiga i informationssyfte.
Figur 5. Elva av 16 respondenter använde fortfarande CBR på några av sina strömmar, liksom andra tekniker.
som du kan se i Figur 5 finns andra bithastighetskontrolltekniker, inklusive CRF (Constant Rate Factor) och Capped CRF. Men eftersom de bäst används i mycket begränsade fall (mestadels syntetiskt innehåll som screencams och PowerPoint-videor med ljud) ingår de inte i denna diskussion.
Segment 2. CBR levererar övergripande lägre kvalitet än VBR
tabell 1 visar resultaten av en uppsättning kvalitetsjämförelser som körs för Jan Ozers kommande bok, kodning av siffrorna, som beror på sommaren ’2016. Dessa tester involverade filer kodade till 720p-upplösning vid 2 Mbps med FFmpeg, med VQM-poäng uppmätta av Moscow University Video Quality Measurement Tool (VQMT). Med VQM är lägre poäng bättre, och i tabellen är poäng i rött det värsta, poäng i grönt det bästa.
tabell 1. PSNR kvalitetsjämförelse för olika bithastighetskontrolltekniker.
notera kvalitets delta kolumner i Tabell 1. Den första visar den totala kvalitetsskillnaden mellan den lägsta och högsta kvalitetsfilen i gruppen. Den andra visar kvalitetsskillnaden mellan klippen kodade med 110% och 200% begränsad VBR. Som du ser Kan producenter undvika övergående kvalitetsproblem och hålla sig inom Apples rekommendationer genom att använda 110% begränsad VBR. Producenter som söker högsta möjliga kvalitetsfil, och oroade över Apples rekommendationer, bör dock använda 200% begränsad VBR.
i alla testfall levererade 2 Pass CBR den värsta kvaliteten, och i fem av sex levererade 200% begränsad VBR högsta kvalitet. Det enda undantaget var talking head clip, där 1 pass CBR levererade högsta kvalitet. Detta resultat verkar vara en anomali; i liknande tester utförda på tre-låg rörelse, talande huvudklipp, var resultaten förenliga med alla andra filer i Tabell 1. Den högsta variationen sågs i Big Buck Bunny-klippet, vilket visade en kvalitetsskillnad på 14,54% mellan klipp av lägsta och högsta kvalitet (Total Quality Delta column).
den övergripande kvalitetsskillnaden är annars relativt liten i de flesta andra klipp. Faktum är att det förmodligen inte ens kan observeras under normal uppspelning. I vissa fall kan CBR-filer dock uppvisa ett allvarligare problem; de övergående kvalitetsfall som visas i Figur 1.
Segment 3: CBR: s övergående kvalitetsproblem är mycket mer relaterade till
När du kodar utmanande klipp till aggressiva parametrar kan CBR-kodning orsaka allvarliga, övergående kvalitetsproblem som de som visas i Figur 1. Figur 6 är Resultatvisualiseringsskärmen från Moskva University VQMT-verktyget, som visar VQM-poängen (lägre poäng bättre) för två filer. Filen i rött kodades med 110% begränsad VBR, medan filen i blått är CBR. De inringade datatopparna visar ramar, eller grupper av ramar, där kvaliteten på CBR-filen drabbades dramatiskt jämfört med den 110% begränsade VBR-filen. Det värsta av dessa skillnader visas i Figur 1.
Figur 6. Datahastighetstopparna i den nedre figuren visar ramar, eller grupper av ramar, där CBR-kvaliteten är dramatiskt sämre än 110% begränsad.
det som är intressant är att toppbithastigheten för CBR-filen faktiskt överstiger den för VBR-filen. Du kan se detta i Figur 7, som visar Bitrate Viewer som analyserar CBR-filen (överst) och VBR-filen. Skivorna till höger visar medel-och toppbithastigheter för båda filerna. Genomsnittet är nästan identiskt, medan topphastigheten för CBR-filen är 2623 kbps jämfört med 2539 kbps för den 110% begränsade VBR-filen (men se Not 5 nedan). Oavsett om din oro är strömningseffektivitet, följer Apples 110% variabilitetsrekommendationer, eller båda, begränsad VBR uppnår ett överlägset resultat, samtidigt som det ger övergripande högre kvalitet och undviker de övergående kvalitetsfall som ses i CBR-filen.
Figur 7. Bitrate Viewer analysera CBR-filen upp och 110% begränsad VBR-fil på botten.
Du kan titta på en kort video som illustrerar och förklarar dessa problem direkt nedan.
den här videon illustrerar de övergående kvalitetsproblem som ibland ses med CBR-video. Visas bäst i helskärm (klicka på ikonen längst ner till höger i uppspelningsfönstret).
kanske inte överraskande visade våra undersökningsresultat att den vanligaste procentuella begränsningen som respondenterna använde var 110% av målet, men visserligen, som med undersökningsresultaten i allmänhet, är antalet respondenter för litet för att vara statistiskt signifikant.
figur 8. 110% av målet var den vanligaste begränsningen.
Segment 4: Många producenter ignorerar Apples 110% variabilitet rekommendation
Figur 9 visar några av de mer intressanta resultaten av undersökningen. Det vill säga av de som producerar HLS-filer ignorerar majoriteten av producenterna Apples rekommendation helt. Intressant nog var den demografiska frågan som ställdes i undersökningen antalet videofiler som producerades varje vecka. Tio svarande indikerade att de producerade över 100 filer i veckan; av denna grupp följde fem Apples rekommendation religiöst, fem ignorerade det helt.
Figur 9. De flesta producenter ignorerar Apples rekommendation.
en intressant uppföljningsfråga skulle ha varit om de svarande som ignorerade begränsningen distribuerade till iOS-enheter via en app. Tyvärr ställde vi inte den frågan och lämnade öppen oro för att Apple kommer att avvisa appar när video som spelas av appen inte uppfyller 110% variabilitetskravet.
Segment 5: slutsatser
1. I alla tester levererade CBR den lägsta övergripande kvaliteten på alla bithastighetsalternativ.
2. I alla tester utom en levererade begränsad VBR högsta kvalitet
3. Med utmanande bilder och aggressiva kodningsparametrar kan CBR-kodad video uppvisa övergående kvalitetsfall, ibland dramatiska.
4. Att producera med 110% begränsad VBR verkar undvika dessa kvalitetsproblem utan att införa betydande datahastighetsvariationer.
5. I de flesta fall ger kodning med 200% begränsad VBR maximal kvalitet.
6. Många producenter ignorerar Apples rekommendation att producera HLS-filer med högst 110% strömvariabilitet.
Segment 6: rekommendationer
1. Producenter som för närvarande använder CBR för vissa, eller alla deras kodar, bör överväga att byta till begränsad VBR.
• * 110% begränsad VBR bör undvika övergående kvalitetsproblem.
• 200% begränsad VBR kommer att leverera absolut bästa kvalitet.
2. Producenter som distribuerar HLS-video via en app bör förmodligen välja 110% begränsad VBR för att undvika problem med App Store-godkännande när de ursprungligen skickar in eller när de skickar uppdateringar. De som skickas för webbläsarbaserad stationär och mobil uppspelning (t.ex. ingen app) bör överväga 200% begränsad VBR.
3. Dessa resultat varierar med codec och kodningsverktyg. Som beskrivs nedan producerade vi alla filer för dessa tester i FFmpeg med x264 codec. Vi har observerat övergående kvalitetsproblem med CBR-filer i andra x264-baserade kodningsverktyg, men de kanske inte visas i alla kodningsverktyg.
4. Alla större kodningsändringar som de som rekommenderas häri bör inte implementeras utan testning för att säkerställa kvalitet och spelbarhet.
bilaga i: hur vi testade
Här är en kort beskrivning av de procedurer som används för dessa tester.
1. Vi producerade alla filer med FFmpeg på en HP Z840-arbetsstation som kör Windows 7 Professional med 64 GB RAM.
2. Allmänna kodningsparametrar var keyframes varje 3 sekunder och veryslow förinställning.
3. Vi producerade CBR-filer genom att använda samma målbitrate, max bitrate och en buffertinställning på en sekund av video. För 4 mbps-mål var strängen:
-b:v 4000k
-maxrate 4000k
-bufsize 4000K
4. Vi producerade begränsade VBR-filer genom att justera maxhastighetsinställningen och genom att använda ett buffertvärde på 1 sekund. För ett 4 mbps-mål med 110% begränsad CBR var strängen:
-b:v 4000k
-maxrate 4400k
– bufsize 4000k
för både CBR och VBR, kodning med en större buffert förbättrad strömkvalitet, men det ökade också strömvariationen.
5. Vi producerade CBR-filerna analyserade i figurerna 6 och 7, och i videon, med 1-pass CBR, vilket ökade filens kvalitet jämfört med 2-pass (Se tabell 1), men också ökad filvariabilitet. Kodning med 1-pass CBR producerade också filer långt under målet, så vi var tvungna att koda flera gånger i allt högre takt för att möta måldatahastigheten. Att använda 2-pass CBR-kodning ger något lägre kvalitetsfiler, men också större datahastighetsnoggrannhet och minskad strömvariation.
6. Vi verifierade att måldatahastigheten för alla filer var inom 5% av målet.
7. Vi producerade alla kvalitetsresultat som ingår ovan med hjälp av mätverktyget för videokvalitet i Moskva.
