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Conceitos e Fundamentos do HEVC/H.265

Nº 150 – Abril/Maio 2015

por Tom Jones Moreira

ARTIGO

Nesta segunda parte, finalizaremos a explicação conceitual do codec e mostraremos o seu desempenho e complexidade.

Aimportância do Processamento Paralelo
Como falado anteriormente para aproveitar ao máximo o uso cada vez mais generalizado de processadores multi-core, além do número cada vez maior de núcleos utilizados nos processadores da classe de produtos de consumo, por exemplo o presente em tablets e smartphones, uma grande atenção foi dada às características de paralelização da codificação e decodificação de vídeo ao se projetar o HEVC, tornando-o computacionalmente mais complexo do que o seu antecessor. Porém, maximizar a paralelização tem sido um fator chave para as soluções de codificação e uma eficiente solução para decodificação em tempo real no HEVC.
Várias ferramentas no HEVC foram projetadas para tornar a paralelização algo mais fácil do que realmente é. Os filtros de desbloqueio podem ser aplicados aos blocos de 8 x 8 pixels separadamente, e os coeficientes de contextos podem ser processados em paralelo. Além das estruturas conhecidas como WPP (Wavefront Parallel Processing) estão entre as várias ferramentas do HEVC que podem proporcionar alto nível de paralelismo. As Wavefronts processam linhas de LCU´s em paralelo, preservando todas as dependências da codificação.

Figura 8: O processo WPP e as dependências de CABAC. Fonte: Autor baseado em [1]

O conceito por trás da WPP é reinicializar o CABAC no início de cada linha de LCUs. Para facilitar a adaptação CABAC para o conteúdo do quadro de vídeo, o codificador é inicializado uma vez que as estatísticas da decodificação do segundo LCU na linha anterior estiverem disponíveis. A re-inicialização do codificador no início de cada linha torna possível começar a decodificar uma linha antes que o processamento da fila precedente tenha sido concluído. Assim, como mostrado no exemplo da Figura 8, várias linhas podem ser decodificadas em paralelo com uma demora de dois LCUs entre as duas fileiras consecutivas.

3.1 A Estrutura de Telhas
Outra ferramenta que ajuda no processamento paralelo é a Tiles (telhas) que pode ser utilizada para a codificação e decodificação paralela, e funciona dividindo uma imagem em áreas retangulares (as telhas) – como mostrado na Figura 9 – onde cada peça é composta por um número inteiro de LCUs.

Figura 9: A Estrutura de telhas em ação. Fonte: Autor baseado em [2]

As LCUs são processadas em uma ordem de pesquisa de rastreio da reticula dentro de cada “telha”, e as próprias telhas são processadas da mesma forma. A predição baseada nas telhas vizinhas está desabilitada, e assim o processamento de cada telha é independente.
No entanto os filtros in-loop, ainda podem operar através das fronteiras de cada coluna de telhas, e como os filtros deblocking e S.A.O podem ser paralelizados, a filtragem pode ser realizada de forma independente dentro de cada telha, dessa forma os limites das mesmas podem ser processados através dos filtros in-loop em um passo final.
O espaçamento dos limites de linha e coluna das Tiles não precisa ser uniforme, o que oferece maior flexibilidade e pode ser útil para corrigir erros de resiliência. Além disso, a o suporte a slices (fatias) semelhante ao H264, porém para suportar o processamento paralelo, cada slice no HEVC pode ser subdividido em pequenas fatias chamadas de Entropy Slices (ES). Cada ES pode ser independentemente decodificada sem referência a outra ES. Portanto em tese cada núcleo de um processador/CPU poderia lidar com um processo de decodificação de entropia em paralelo sem afetar os demais processos. Por isso, o padrão HEVC permite tanto a paralelização de nível alto e baixo, o que pode proporcionar benefícios significativos para a codificação multisegmentada (a chamada multi-thread) e na decodificação de vídeos, como 4K e 8K que tem uma resolução maior do que o HD.

4. Conclusão: Desempenho e complexidade
Para os que não estão familiarizados com a denominação: “Ultra High Definition Television” (UHDTV), ele é composto por dois formatos de vídeo, 4k e 8k.
O 4k ao contrário do que se possa pensar, não é 4 vezes melhor que o HDTV (embora tenha 4 vezes mais pixels). O 4K possui 3840 pixels na horizontal, o que corresponde a duas vezes o número de pixels do HDTV (1920) e tem 2160 pixels na vertical, o que novamente corresponde a duas vezes o número de pixels do HDTV (1080). Então o 4K tem duas vezes mais definição que o HDTV (também chamado de 2K. A mesma lógica se aplica ao 8K em relação ao 4k, e a tabela abaixo, ilustra a relação de pixels entre todos os formatos.

Tabela 2 Comparação entre os diversos formatos de resolução de vídeo de alta definição.

A grande eficiência de codificação do HEVC no entanto vem com um preço: o aumento da complexidade computacional. Em comparação com o seu antecessor, o HEVC tem entre 50 a 100% a mais de complexidade para decodificar e pode chagar até a 400% a mais de complexidade quando se trata da codificação. Enquanto essas comparações são baseadas em testes preliminares, ainda assim elas nos dão uma indicação da complexidade computacional desse novo codec.
Porém isso não chega a ser exatamente uma má notícia, pois é exatamente esse aumento de complexidade computacional que permite o HEVC tratar taxas de bit rate antes abusivas e proibitivas para o H264. E ainda temos a lei de Moore a nosso favor, e em algum tempo essa demanda computacional de maior complexidade, deve deixar de ser um problema.
Uma última coisa que deve ficar clara é que os avanços trazidos pelo HEVC, praticamente extinguem a necessidade de vídeo entrelaçado. A codificação de vídeo entrelaçado nos lembra de um tempo em que tanto a eletrônica quanto o hardware não tinham capacidade para processar a largura de banda exigida para os padrões da época. Dessa forma a varredura entrelaçada surgiu como forma de reduzir a largura de banda necessária para se transmitir 60 fps (quadros por segundo) com a metade da resolução vertical (enviando linhas impares e em seguida linhas pares). Hoje não precisamos mais fazer isso, temos poder computacional suficiente para processar 50, 120 ou até 150 fps (isso claramente se refere a taxa de quadros padrão para a televisão 4 e 8 K). Dessa forma o entrelaçamento se torna uma grande “distorção” na medida que pode adicionar ruído e reduzir a qualidade, uma vez que os modernos algoritmos têm que fazer malabarismos e converter internamente a varredura progressiva em entrelaçada, como se a imagem fosse ser exibida em monitores CRTs, que são um legado de dias passados, e que estão a cada ano sendo substituídos por LCD´s, OLED e até mesmo TV´s de Plasma.

Tabela 3 Desempenho de redução de taxa de bits do HEVC. [4]

Mas é importante ter em mente também, que a curva de adoção do novo padrão (H265/HEVC), não esta diretamente ligada ao sucesso do 4K, tecnicamente falando existem ainda alguns impeditivos para que o 4k aconteça em larga escala:
1) Primeiro deve levar ainda um ano ou dois, para termos chipset´s que suportem H264 e H265, (até hoje temos legado em MPEG2, porque alguém acha que isso não vai acontecer com o HEVC também).
2) HDMI: Embora o atual padrão HDMI 1.4 possa suportar a resolução 3840 × 2160 UHD (onde a resolução 4K nativa é realmente de 4096 × 2160), ele só suporta até 30fps e com apenas 8 bits por cor.
3) O novo HDMI 2.0, suporta todos os recursos do UHD, incluindo a maior gama de cores (REC2020) e uma melhor resolução (30 bits devem ser suficientes), o que é realmente essencial para melhorar a imagem.
4) O HDMI 2.0 foi oficialmente anunciado e lançado pouco antes do IBC 2013, com alguns grandes fabricantes (exceto a Panasonic), que já anunciaram modelos específicos de apoio a ele na IFA 2013 em Berlin.
Porém a verdadeira massa de monitores com suporte a HDMI 2.0 foi anunciada apenas na CES em janeiro de 2014, de modo que provavelmente a maioria dos televisores 4K vendidos hoje nas prateleiras dos mercados estão dotados de HDMI1.4.
Assim, todas as iniciativas de incluir UHD/4K na sala dos usuários, provavelmente vão levar pelo menos mais um ano antes de demonstrarem qualquer possibilidade de ser implantadas. Mesmo assim, este tipo de solução estaria longe de atingir um mercado de massa e só seria relevante para um punhado de felizardos, que podem pagar cerca de US$20.000 dólares por uma tela de 80” UHD, pois os preços só devem cair para o mercado de massa em 2015, no mínimo.
O grande mercado que eu realmente acredito que deve usufruir dos benefícios do HEVC é o de IPTV e OTT SD/HD.
Primeiramente pela capacidade demonstrada aqui que esse novo codec tem de permitir que se transmita o mesmo conteúdo em menor largura de banda, ou ainda, melhorar o conteúdo (resolução) usando a mesma largura de banda.
Se levarmos em conta que a média da largura de banda dos usuários aumenta de forma consistente em todo o mundo, o impulso que o HEVC pode dar (em qualidade de imagem, ou em redução de banda contratada) aos provedores de TV OTT/IPTV é substancial.
HEVC não é apenas um alavancador para o UHD/4K (que como já falei deve demorar para chegar ao mercado de massa), é um alavancador para toda a indústria, pelos reais benefícios que pode trazer de redução do uso de largura de banda necessária na rede.
Em uma comparação subjetiva de desempenho de vídeo o JCT-VC comparou o perfil HEVC principal contra o perfil H.264 / MPEG-4 AVC. [4] A comparação utilizou valores médios de pontuação de opinião e foi conduzida pela BBC e a Universidade do Oeste da Escócia.
As sequências de vídeo foram codificadas usando o encoder HM-12.1 HEVC e o encoder JM-18.5 H.264 / MPEG-4 AVC.
A tabela acima imprime os valores de redução da média das taxa de bits imposta pelo HEVC, que foi de: 52% para 480p, 56% para 720p, 62% para 1080p, e 64% para 4K UHD, quando comparado com o mesmo perfil do H264/AVC, conforme tabela 3.

Referências:
[1] Gary J. Sullivan, Jens-Rainer Ohm, Woo-Jin Han, e Thomas Wiegand — Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard, Dez 2012
[2] JCT-VC, “Encoder-side description of test model under consideration”, in Proc. JCT-VC Meeting, Geneva, Switzerland, Julho 2010.
[3] Mahsa T. Pourazad, Colin Doutre — HEVC: The New Gold Standard for Video Compression, IEEE CONSUMER ELECTRONICS MAGAZINE. Julho 2012, Pág. 36 a 47
[4] TK Tan; Marta Mrak; Vittorio Baroncini; Naeem Ramzan (2014-05-18). “Report on HEVC compression performance verification testing”. JCT-VC. Maio 2014.

Tom Jones Moreira Especialista em Sistemas digitais, experiência de mais de 12 anos no mercado de Telecom. Supervisor de Eng. de Aplicação na Tecsys do Brasil, membro do Fórum SBTVD, e membro da diretoria de Ensino da SET.