Compressione senza perdite: riscrittura dei dati in modo più efficiente Di Michael Grotticelli (TheBroadcast Bridge)

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Gli algoritmi di compressione senza perdita consentono di ricostruire perfettamente i dati originali dai dati compressi.
Esistono molti tipi di codec, tutti utilizzati per scopi specifici per ridurre le dimensioni dei file e renderli più facili da distribuire su un canale di larghezza di banda limitato.

La compressione con perdita e la compressione senza perdita sono le due categorie più comuni di compressione dei dati utilizzate per ridurre le dimensioni dei file senza una significativa perdita di informazioni.
Tuttavia, se stai cercando un codec che non influisca sulla qualità dell'immagine, la compressione senza perdita è la tecnologia che stai cercando. 
Infatti, gli algoritmi di compressione Lossless consentono di ricostruire perfettamente i dati originali dai dati compressi.

Questo metodo apparentemente magico per ridurre le dimensioni dei file può essere applicato sia ai file immagine che a quelli audio. Sebbene JPEG e MP3 utilizzino la compressione con perdita, gli algoritmi di compressione più recenti, come JPEG 2000, JPEG XS, H.265 e Apple Lossless, possono essere utilizzati per creare file compressi senza perdita.
Fondamentalmente, la compressione senza perdita di dati riscrive i dati del file originale in modo più efficiente. 
È molto probabile che venga utilizzato nell'acquisizione 
con le foto e telecamere e i loro formati RAW proprietari o ovunque sia necessaria un'elevata precisione della profondità di bit per mantenere la gamma dinamica. 
È anche comune quando si entra nella classe dei codec intermedi, ovvero Pr
oRes, DNX e Canopus. Questi tipi di codec sono effettivamente senza perdite. 
E da lì sei pronto per entrare in un efficiente processo di post-produzione.


I file lossless sono più grandi

Tuttavia, dato che la qualità non viene persa, i file risultanti sono in genere molto più grandi dei file immagine e audio compressi con compressione con perdita di dati. 
Ad esempio, un file compresso utilizzando la compressione con perdita può essere un decimo delle dimensioni dell'originale, mentre è improbabile che la compressione senza perdita produca un file più piccolo della metà della dimensione originale.

Naturalmente, i dati video possono essere compressi in vari modi. Guntermann & Drunck GmbH, una società tedesca specializzata in sistemi KVM per la trasmissione, utilizza una compressione video pixel-perfect sviluppata internamente. 
Questo non solo assicura una qualità video molto elevata, ma offre anche altri vantaggi. Comprimendo i segnali video, i sistemi richiedono una larghezza di banda inferiore e consentono componenti più convenienti. 
A causa del cablaggio più semplice, sono spesso anche più flessibili nella loro applicazione.

KVM utilizza diversi approcci alla compressione.

Secondo Rolf Milde, responsabile dei sistemi hardware integrati presso G&D, i sistemi KVM non si occupano del contenuto effettivo della trasmissione, ma del funzionamento dell'infrastruttura informatica in uso. È qui che entrano in gioco alcuni altri aspetti. 
KVM utilizza due diversi approcci alla compressione video: compressione perfetta senza perdita di pixel o, in alternativa, compressione senza perdita visiva. Tuttavia, la compressione visivamente senza perdita di dati comporta una certa perdita di informazioni durante la trasmissione. 
Qui, ogni fotogramma viene compresso e i segnali vengono trasmessi fotogramma per fotogramma. 
Si dice che il codec video di G&D raggiunga valori di picco del fattore di compressione 1: 800 (significativamente più alto di JPEG 2000).

"In quanto produttori di KVM con molti anni di esperienza, G&D hanno un approccio diverso", ha affermato Milde. “Per molti anni abbiamo sviluppato i nostri algoritmi di compressione, che consentono una trasmissione video perfetta per i pixel e senza perdite.L’”elaborazione dell'immagine ad alta dinamica" di G&D utilizza una logica di compressione multilivello pur mantenendo immagini completamente nitide e profondità di colore. 
Il nostro codec contiene più livelli di compressione rispetto agli algoritmi di altri produttori. 
Uno dei vantaggi è che il nostro codec funziona su più frame. 
Siamo quindi in grado di uscire dal 
limite di un singolo fotogramma e guardare più immagini a confronto. Il nostro metodo garantisce che larghezze di banda inferiori di 1 Gbit o 3Gbit / s siano sufficienti per garantire che i dati video raggiungano gli utenti pixel perfetti, privi di latenza e infallibili."

JPEG 2K è il più comune.

Il team di ingegneri di Telestream ha un approccio leggermente diverso.

"Nella nostra linea di prodotti, penso che probabilmente utilizziamo una mezza dozzina di codec diversi che considererei senza perdite, se non matematicamente senza perdite, percettivamente senza perdite, e sì, c'è una differenza", ha affermato Shawn Carnahan, CTO, Telestream. "Ci sono una varietà di veri codec senza perdita di dati. 
JPEG 2000, è probabilmente il codec senza perdita matematico più notevole e ampiamente utilizzato in quanto è possibile eseguire una perfetta ricostruzione dell'immagine originale pur fornendo una certa quantità di compressione."

Ha aggiunto che una varietà di codec RAW senza perdita tendono ad essere più sul lato della fotocamera dove, ancora una volta, più indietro si va nella catena di produzione, più è probabile che si desideri utilizzare un codec RAW o senza perdita di dati, perché stai cercando di preservare il più possibile l'integrità dell'immagine nelle prime fasi del processo.

Al giorno d'oggi, con i filmati RAW e l'HDR, si tratta di precisione e gamma dinamica” Ha detto Carnahan.

Questi tendono ad essere proprietari e sono sviluppati dal produttore della fotocamera per quel particolare formato RAW. 
In qualità di fornitore il cui compito è cercare di far funzionare tutte queste cose insieme, dobbiamo implementare molti di questi codec come parte del flusso di lavoro. 
Si tratta davvero di preservare la massima fedeltà possibile e darti la massima flessibilità nel
la post per andare ad apportare modifiche al contenuto dopo l'acquisizione. 
La prima cosa che dobbiamo fare è decomprimerlo e poi trasformarlo in qualcosa che può essere utilizzato nel processo di post. 
Dobbiamo renderlo facilmente modificabile, motivo per cui non vedi molto J2K in realtà nel post. Per una serie di ragioni, ma soprattutto perché è ancora molto difficile dal punto di vista computazionale per un sistema di editing che cerca di lavorare con più livelli anche se la maggior parte dei sistemi è in grado di riprodurl
o".

Wirecast-Pro di Telestream include funzionalità di streaming e registrazione che forniscono una scelta di codec e algoritmi di compressione.

Soprattutto nelle applicazioni di trasmissione, dove la qualità dell'immagine senza compromessi, la perfezione dei pixel e il funzionamento senza latenza sono essenziali, l'High Dynamic Image Processing di G&D offre agli utenti vantaggi significativi, dicono, e un risultato visivo molto migliore. 
È ideale per applicazioni impegnative in OB van durante produzioni dal vivo, in post-produzione, in studio e in tutte le applicazioni della sala di controllo che supportano il flusso di lavoro dei centri di trasmissione.

"Il vantaggio di avere la nostra compressione è ovvio: come produttori, non abbiamo bisogno di fare affidamento su istituti di sviluppo esterni e siamo quindi molto più veloci e flessibili quando si tratta di regolare il codec", ha detto Milde. “Questa agilità non si riflette solo nel nostro portafoglio di prodotti, ma garantisce anche una compatibilità coerente con i prodotti più vecchi, attuali e nuovi, che alla fine avvantaggia i nostri utenti.

Evitare il degrado dell'immagine.

La domanda scottante è: quante volte puoi modificare il contenuto visivamente senza perdita di dati prima di iniziare a vedere gli artefatti?
"Il numero di volte in cui è possibile modificare il contenuto prima di vedere gli artefatti dipende chiaramente dal tipo di contenuto e dal tasso di compressione", ha affermato Milde. "Tuttavia, devi tenere presente che c'è un'ulteriore perdita con ogni generazione di dati."
Va detto che la maggior parte dei produttori di codec cerca di sviluppare strategie per mantenere simile l'impatto della perdita di dati, ma l'immagine diventa leggermente più sfocata. 
Una sfida particolare per il codec è quando il contenuto viene effettivamente modificato e non solo ricodificato, poiché questo cambia il punto di partenza del codec. 
È inoltre necessario considerare i casi in cui vengono utilizzati successivamente codec di produttori diversi o anche standard diversi.
"L'efficacia di queste strategie alla fine dipende dall'obiettivo e dal contenuto stesso", ha affermato Milde. “Ad esempio, la qualità del contenuto potrebbe essere sufficiente per lo streaming ma potrebbe essere inaccettabile per altri obiettivi di trasmissione. 
Alcuni produttori di codec sono bravi a comprimere il contenuto AV, pochi sono più concentrati sul contenuto per gli schermi dei computer e pochissimi sono bravi in ​​entrambi. Pertanto, il motto deve sempre essere: "Conosci la tua applicazione e il tuo obiettivo".
Carnahan di Telestream ha affermato che il numero di generazioni prima di notare un degrado della qualità dell'immagine è "probabilmente più volte di quanto non avresti mai fatto nella post produzione effettiva. 
Certamente dieci generazioni o più”, ha detto. "Credo che quello fosse il numero che ProRes rivendicava e che era tornato nei giorni 4: 2: 2. A tutti gli effetti, la perdita generazionale non è più un fattore per la maggior parte di questi codec ad alta velocità, in particolare per i codec in stile 4: 4: 4 ".

Tutti i sistemi di compressione G&D KVM, indipendentemente dal fatto che si utilizzi CAT o cavi in ​​fibra ottica o anche reti IP, trasmettono i dati con una qualità pixel perfetta e senza perdite.

Tutti i sistemi di compressione G&D KVM, indipendentemente dal fatto che si utilizzi CAT o cavi in ​​fibra ottica o anche reti IP, trasmettono i dati con una qualità pixel perfetta e senza perdite.

Anche la latenza è un problema.

Utilizzando la compressione senza perdita, gli utenti dovrebbero aspettarsi un certo ritardo di fotogrammi che porta alla latenza durante la trasmissione.

"Per tutti i codec codificati intraframe, le latenze vengono solitamente misurate in un frame", ha affermato Carnahan. "Per cose come JPEG2000, hai un frame delay perché devi comprimere il frame, quindi stai lavorando su quel frame e ci vuole un tempo per farlo. 
Quindi lavori sul fotogramma successivo. 
E poiché non è necessario eseguire operazioni temporali nella maggior parte di questi codec, non è necessario ritardare lo streaming mentre si attende che vengano visualizzati nuovi frame da analizzare o confrontare con i frame precedenti."

Quel ritardo di un fotogramma è insignificante per le comuni applicazioni di post-produzione, ma se stavi usando qualcosa come JPEG 2000 come formato di compressione del flusso live per la produzione di eventi dal vivo, una latenza di un fotogramma è significativa rispetto a quello che ti aspetteresti se fosse SDI.

"Ci sono modi per fare la compressione frame-based e la codifica sono a livello di riquadro o macro blocco in cui è possibile ottenere sostanzialmente meno di un frame di latenza", ha affermato. “Ma sarebbe di più se usassi qualcosa come JPEG 2000 in un ambiente live. In un ambiente live e in tempo reale in cui stai cercando di utilizzare un codec senza perdita di dati, ad esempio un contesto ST-2110, è qui che le latenze, anche misurate in fotogrammi, possono essere significative perché stai cercando di temporizzare più volte o passare segnali multipli. 
Hai anche ritardi non banali relativi all'audio. In un ambiente live è un affare diverso".
"Fondamentalmente, ogni sistema di compressione include una certa latenza", ha affermato Milde di G&D. “Il codec G&D, ad esempio, ha tipicamente una latenza di base di poche righe dell'immagine. 
Tuttavia, convertito in millisecondi, è così veloce che non è percepibile all'occhio umano. 
Per noi, il funzionamento conveniente dei nostri sistemi è particolarmente importante, così come la perfetta coordinazione occhio-mano, che di per sé richiede la latenza più bassa possibile ".

Supporto senza perdita di dati del produttore.
Per entrambe le società qui menzionate e molte altre, la creazione di un supporto di compressione senza perdita di dati nei loro prodotti è diventata un elemento chiave di differenziazione.
"Se un formato è in uso là fuori, dobbiamo supportarlo", ha detto Carnahan. "Ci occupiamo della compressione senza perdita di dati in tutti i nostri flussi di lavoro di importazione, importazione dalla telecamera al post e quindi dal post al contributo. 
Molti dei nostri clienti utilizzano la nostra piattaforma di elaborazione multimediale 
Vantage per creare supporti che possono essere facilmente modificati. 
Molte organizzazioni dei media hanno un "formato interno" su cui si sono standardizzati e tutto deve essere in quel formato. 
I flussi di lavoro di Vantage transcodificano e depositano automaticamente i supporti dove devono essere.

Dopo che un pezzo è stato modificato, il supporto ProRes o DNX viene spesso convertito in J2K come parte di un pacchetto di distribuzione IMF. 
E poi, successivamente, qualcuno potrebbe ricevere quel pacchetto di distribuzione J2K e aver bisogno di trasformarlo in un altro pacchetto di distribuzione o di convertirlo in "distribuibili". 
In questo senso, potrebbero prendere un pacchetto IMF J2K senza perdite e creare mezzanine ABR da quello. 
Il nostro valore aggiunto non è solo fornire le trasformazioni, ma anche automatizzare l'intero processo ".
Quando si discute di file rispetto a live, la maggior parte concorda sul fatto che J2K in un contesto di file è lo standard de facto per il contributo basato su file. 
Fa parte dello standard DCP per il cinema e dello standard FMI per la trasmissione televisiva. 
Oltre a ciò, in termini di visivamente senza perdita di dati, ProRes sarebbe probabilmente l'altro comune che vedi per il contributo dei contenuti, in particolare con iTunes / Apple TV. 
Molti professionisti prendono comunemente master J2K e li convertono in ProRes XQ per la consegna a determinati fornitori, in particolare Apple.

G&D rimane fedele al suo codec fatto in casa perché guarda il contenuto attraverso i frame per evitare la perdita di immagini.

"Tutti i sistemi di compressione G&D KVM, indipendentemente dal fatto che si utilizzi CAT o cavi in ​​fibra ottica o anche reti IP, trasmettono i dati con una qualità pixel perfetta e senza perdite", ha affermato Milde. "Sin dall'inizio, G&D ha sviluppato internamente la sua tecnologia di compressione video multi-livello HDIP."

Il tipo di compressione senza perdita impiegata dipende dall'utente

In definitiva, il tipo di compressione senza perdita impiegato dipende dall'utente e da ciò che sta cercando di ottenere. Anche il modello di business è importante, vuoi una qualità migliore o più canali?

"È importante rendersi conto che a volte si desidera una quantità di compressione o perdita solo per avere velocità di dati più prevedibili", ha detto Carnahan di Telestream. Il problema con un vero codec di perdita è che, a quel punto, non hai il controllo della velocità. Se si tratta di immagini complesse, ci vorranno solo più bit, punto. 
Nella maggior parte dei sistemi in tempo reale, come un sistema di modifica, è necessario disporre di una certa prevedibilità nel bit rate. Con i codec intermedi con bit rate più alto, sei in prossimità di un rapporto di compressione di cinque a uno, quindi puoi praticamente fare 5: 1 per la maggior parte dei filmati senza alcuna perdita effettiva ".

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