Test MPEG-4 kodeků
Dlouhou dobu jsem přemýšlel, co bude pro test nejlepší. Nakonec jsem ho celý rozdělil do dvou dílů: S velmi rychlou scénou, která obsahuje spoustu objektů a spoustu pohybu. Tím zjistíme, jak je na tom kodek s kompresí - kolik informace dokáže stlačit do určitého bitratu a zda tato informace stačí pro slušný zážitek z filmu. V druhé části se podíváme na kvalitativní úroveň kodeku z hlediska čistoty obrazu. Pro to se hodí nejlépe pomalá scéna jen s minimem pohybu - příkladem buď nehybné pozadí a jen lehce se pohybující objekt v popředí. Právě MPEG-4 kodek vychází z této topologie - zjedodušeně řečeno - rozdělení na pozadí a popředí a jejich komprese zvlášť. Původní účel tohoto kodeku byl také takovýto - pro konference na internetu s velmi nízkým bitratem a malými změnami mezi jednotlivými snímky.
Dále jsem rozdělil obě části podle použitého bitrate - 600, 900 a 1500kbps pro rychlou scénu a 500, 700 a 1200 pro pomalou scénu. Díky některým programům lze kombinovat v jednom souboru různé bitraty, např. vyšší bitrate pro rychlé scény a nižší pro pomalé, čímž se zvedna celková kvalita filmu. Nechci také příliš bazírovat na vzniklých miniaturních defektech obrazu, které nejsou z větší vzdálenosti a bez zastavení patrné. Jednotlivá porovnání jsou také velmi relativní, zastavený obrázek může být dobrý, ale hned následující příšerný, proto největší váhu v tomto testu bude mít subjektivní pocit s celé ukázky, která není uveřejněná (vzhledem k velikosti). Proto také nenajdete žádné číselné ohodnocení apod., musely by se porovnávat jednotlivé snímky s originálem a tvořit rozdílové snímky a součet všech rozdílů by mohl tvořit hodnocení. To ale vzhledem k použité technologii (dekodér pracuje v DirectShow) nemožné.
Podívejme se na kodeky, které jsem v testu použil:
Pro DivX, WMV7 a Indeo kodeky jsem použil editační program Sonic Foundry Vegas Video 2.0d, vypustil jsem všechny filtry a efekty, pouze zapnul deinterlace. Pro WMV8 pak Windows Media 8 Encoding Utility final se zapnutým Deinterlace. Zdrojové video bylo z DVD převedeno pomocí programu DVD2AVI 1.74. Velikost výsledného videa 704x288 bodů (kvůli dělitelnosti 32).
3. Rychlá scéna, nízký bitrate - 600kbps
První část testu je pětiminutová sekvence z filmu Blade, záběry z diskotéky upírů, kde je spousta pohybu a změn osvětlení. Vždy jsou ke každému kodeku dva obrázky - jeden s vypnutým post processing filtrem (CPU Quality 0 - ukáže množství informace vměstnané do příslušného bitratu) a jeden se zapnutým PP filterm (CPU Quality 4). Vybral jsem jeden ze snímků, kde je hezky vykreslený objekt a ne příliš mnoho ploch, všímejte si hlavně detailnosti žeber upíra, světélkující hlavy a nohou (jako představitele ploch). Zde je originál:
DVD
Podívejme se na výsledky:
DivX Slow Motion (CPU Quality 0)
DivX Slow Motion (CPU Quality 4)
Nejlepšího výsledku bylo dosaženo při nastavení kvality kodeku na 95. Přesto je znát značná ztráta kvality a u některých velmi rychlých pohybů (např. šermování mečem) nejsou ruce vůbec k rozeznání (dahoušku, kdo je ten flek vzadu?). U scén, kde je hodně jednolitých ploch, připomínal obraz rozsypané kostky. Postprocess filtr dokáže zakrýt koskatění výrazným rozmazáním obrazu, sice je to lepší než zubatice, přesto nepoužitelné.
DivX Fast Motion (CPU Quality 0)
DivX Fast Motion (CPU Quality 4)
Pro DivX Fast Motion kodek platí to samé. Kodek nemůže uplatnit svou přednost - použít vyšší bitrate pro rychlou scénu a nižší pro pomalou, protože pomalá scéna tu prostě není.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Kodek Windows Media Video 7 je na tom na obrázku ještě hůře, ve skutečnosti je ale obraz nepatrně detailnější hlavně u velmi rychlých scén. Jenže u tohoto kodeku nelze použít postpocess filtr, což je velké omezení - opět nepoužitelné.
Windows Media Video 8 (CPU Quality 0)
Windows Media Video 8 (CPU Quality 4)
Windows Media Video 8 je na tom o něco líp, obraz je ostřejší a i u rychlých scén o něco detailnější (ta šmouha mají být ruce s mečem?). No dobrá, asi nejlepší výsledek, jenže stále nepoužitelné. Tento kodek má navíc jakousi podivnou vlastnost - pokud se v rychlé scéně pohybuje pozadí jen velice pomalu, tak není plynulé ale jakoby poskakuje v asi sekundových intervalech (že by keyframe?), tím je dosaženo větší ostrosti "toho hlavního", působí to ale rušivě.
Nepodařilo se mi vytvořit video ve formátu Indeo 5, protože kodek s jakýmkoliv nastavením odmítal vytvořit video s bitratem 600kbps, proto zde také chybí. Zřejmně usoudil, že v tomto bitratu nemá šanci a tvrdošíjně se snažil vnucovat svůj vlastní (asi minimální použitelný).
4. Rychlá scéna, střední bitrate - 900kbps
Originál:
DVD
... a výsledky:
DivX Slow Motion (CPU Quality 0)
DivX Slow Motion (CPU Quality 4)
Zde už jsou výsledky podstatně lepší, plochy už nejsou tak zakoskatěné, u některých scén stále ale detailnost chybí. Opět hodně velkou práci udělá postprocess filtr. Žebra již vypadají lépe, chtělo by to ale přidat ještě trochu na ostrosti. Pokud vezmu celkový dojem z celé sekvence, stále tomu něco chybí a já osobně bych tento bitrate pro tuto scénu nepoužil.
DivX Fast Motion (CPU Quality 0)
DivX Fast Motion (CPU Quality 4)
Obraz je podobný, ale celkový dojem je o něco lepší. Bude to tím, že pro dosažení stejné velikosti souboru jsem použil bitrate o něco vyšší (950kbps), takže kritické scény mají o něco navrch.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Kodek Windows Media Video 7 se také podstatně zlepšil, chybí ale postprocess filtr, takže plochy nejsou tak vyhlazené. Celkový dojem je podobný DivX Fast Motion bez zapnutého postprocess filtru.
Windows Media Video 8 (CPU Quality 0)
Windows Media Video 8 (CPU Quality 4)
Asi nejlepších výsledků dosáhl kodek Windows Media Video 8. Při zapnutí postprocess filtru zmizí i koskatění ploch a detailnost je již docela dobrá. Dokonce se mi zdá, že vypnutím postprocess filtru se detailnost mírně zlepší, plochy ale nejsou příliš ideální. Celkový dojem: dobré, ale ne vynikající, asi bych bitrate raději jetě přidal.
Indeo Video 5 opět chybí ze stejného důvodu.
5. Rychlá scéna, vysoký bitrate - 1500kbps
Originál:
DVD
... a výsledky:
DivX Slow Motion (CPU Quality 0)
DivX Slow Motion (CPU Quality 4)
Hmmm, tak musím říct, alespoň takto by to mělo vypadat. Koskatění v podstatě žádné (bez zapnutého postprocess filtru pouze nepatrné), ale když se podíváme detailně na žebra a na světélkování hlavy, ostrost je podobná jako u předchozího bitratu. Během sledování filmu z větší vzdálenosti si toho ale nevšimnete, takže to nevadí.
DivX Fast Motion (CPU Quality 0)
DivX Fast Motion (CPU Quality 4)
U Fast Motion kodeku platí to samé, co u Slow Motion. Možná dokonce nepatrně lepší. Bitrate je dostatečně veliký a další zvyšování už na kvalitě asi příliš nepřidá.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Kodek Windows Media Video 7 je překvapivě také dobrý, dokonce o trochu lepší než u DivX Fast Motion bez zapnutého postprocessingu. U velkých ploch jsou ale zřetelné malé kostičky, se kterými by si jistě postprocess filtr poradil, jenže ....
Windows Media Video 8 (CPU Quality 0)
Windows Media Video 8 (CPU Quality 4)
Nemůžu si pomoci, ale Microsoft provedl opravdu vynikající práci. V tomto bitratu je obraz téměř dokonalý a pokud srovnáte originál s WMV8, tak neutrpěl ani příliš na detailnosti. V některých scénách jsou velké plochu stále mírně kostičkované, to ale vyhladí postprocessing.
Indeo Video 5.11
Zde je konečně jeden obrázek z Indea. Bitrate je ale 2000kbps, tedy o 500kbps vyšší než u MPEG-4 kodeků a obraz je přibližně srovnatelný s MPEG-4 kodeky při 900kbps. Zkoušel jsem zvýšit bitrate na 3000kbps a Indeo se vyrovnalo svým konkurentům na 1500kbps. Zajímavé je, že u tohoto kodeku nedochází ke ztrátě detailů.
6. Pomalá scéna, nízký bitrate - 500kbps
Pokusíme se zjistit, jak jsou na tom kodeky s ostrostí obrazu, pokud nejsou příliš zatíženy pohybujícími se objekty. Také již pomineme testování s vypnutým post-processingem, vše je s nastavením CPU Quality na 4 (kromě WMV7). Nejprve se podívejme na originál:
DVD
A nyní výsledky:
DivX Slow Motion
Sice na žaluziích je vidět mírná ztráta ostrosti, ale pro praktické použití dostačující. I tento nízký bitrate lze tedy pro pomalé scény použít.
DivX Fast Motion
Kodek DivX Fast Motion se chová stejně jako Slow Motion, opět je vidět mírné rozmazání.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Kodek Windows Media Video 7 je na tom o něco lépe v ostrosti, než DivX (což je zřejmně díky vypnutému post-processingu), na velkých plochách je ale vidět malinkaté koskatění, vypadá to skoro jako šum TV vysílání ...
Windows Media Video 8
Windows Media Video 8 má obraz podobný WMV7, zapnutý post-processing ale vyhladí případné koskatění, celkově je na tom nejlépe.
Indeo Video 5.11
Indeo má obraz kostrbatý, ne koskatý jako u MPEG-4, ale takový podivný, ne příliš kvalitní. Na obrázku to moc vidět není, ale dojem je podobný, jako dívání zkrz jemné pletivo plotu.
7. Pomalá scéna, střední bitrate - 700kbps
Zkusíme zvýšit bitrate na 700kbps. Opět pro porovnání originál:
DVD
A výsledky:
DivX Slow Motion
Obraz už je ostřejší a dalo by se říci "téměř" dokonalý.
DivX Fast Motion
DivX Fast Motion se také zlepšil, použil ale pouze bitrate 600kbps, to je vlastnost kodeku a musí se s ní počítat.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Kodek Windows Media Video 7 se také zlepšil, obraz je ostřejší.
Windows Media Video 8
Windows Media Video 8 je kapitola sama pro sebe. Zvýšení bitratu sice mírně obraz zostřilo, ne ale v takové míře jako předcházející kodeky, takže je teď na úrovni DivX.
Indeo Video 5.11
Jako vítěz tentokrát vyšel DivX Slow Motion, těsně následován WMV8. Překvapil kodek Indeo, který má obraz téměř srovnatelný s novějšími konkurenty.
8. Pomalá scéna, vysoký bitrate - 1000kbps
Další zvýšení na 1000kbps už příliš zlepšení nepřineslo.
DVD
Výsledky:
DivX Slow Motion
Téměř bez rozdílu od 700kbps.
DivX Fast Motion
DivX Fast Motion taktéž, bitrate pouze 650kbps, tedy jen malé zvýšení a nevyužití dostupného bitratu.
Windows Media Video 7 (CPU Quality 0)
Windows Media Video 8
Indeo Video 5.11
Situce je stejná jako u bitratu 700kbps, tedu nejlépe je na tom DivX Slow Motion následován WMV8. Překvapením je opět Indeo Video, který je plně srovnatelný s konkurenty.
9. Převod celého filmu
Již víme, co který kodek dokáže a potřebuje. Pokusme se to stručně shrnout. Nejprve trošku z historie.
Před třemi lety Microsoft vypustil první verze MPEG-4 kodeků (v balíku Windows Media Tools 4) - ve třech verzích: V1 plně kompatibilní se standardem MPEG-4, mírně vylepšené V2 a pak V3, které sice není podle ISO standardu, má ale lepší detekci pohybu a dosahuje lepších výsledků především v rychlých scénách. Všechny jsou určeny pro přenos po internetu. Bohužel posledně jmenovaný byl softwarově zakázán pro použití AVI editory a vázán na nový formát ASF (Advanced Streaming Format). Není to špatný formát souboru, jeho výhodou je, že pro spuštění není potřeba stáhnout celý soubor (jako u AVI), nevýhodou je, že nastavený bitrate se musí vždy použít - pokud tedy postačí nižší bitrate, zbytek se doplní nulami (tzv. padding). To není pro ukládání na disk příliš výhodné, protože zbytečně zabírá místo. Všechny tyto nectnosti vyřešily hacknuté verze MPEG-4 V3 kodeku, které dovolovaly použití v AVI souborech, jeden z nich byl pojmenován DivX a v AVI souboru má označení (FourCC) DIV3. Později byly změněny i některé části kódu a vznikl DivX Fast Motion kodek (označení DIV4, které již ale zaniklo). Tento kodek zvyšoval kvalitu tím, že v pomalých scénách používá co možná nejnižší bitrate pro ušetření místa, a v rychlých scénách tento učetřený bitrate použije pro zvýšení kvality. Má cenu ho používat pouze u delšího videa (např. filmy). Poté přišel Microsoft s novou verzí kodeku, kterou označil Windows Media Video 7. Ten vylepšoval kódování, již ale existuje jen jako DirectShow filtr a nelze ho použít v AVI souborech (ani hacknout). Nevýhodou je, že Microsoft omezil použití post-processing filtru jen do velikosti 384x288 a bitratu 650kbps. Vývoj šel dál a rozšiřování DivX kodeku přimělo Microsoft uvolnit opratě a vypustil tak trochu revoluční verzi kodeku - Windows Media Video 8. Sice stále nelze použít v AVI souborech, již ale není omezen vypnutím post-processing filtru a jeho určení je přímo na distribuci filmů po internetu. Opět zlepšuje kódování především v rychlých scénách, takže dovoluje snížit bitrate při zachování kvality. Největší novinkou je ale VBR (variable bitrate) technologie. Nový formát souboru WMV vychází z ASF, pouze nedoplňuje padding. Při kódování filmu lze použít two-pass encoding - "dvouprůchodové" zpracování, při prvním průchodu se analyzuje celý film a zjistí se náročnost scén, ve druhém průchodu již probíhá samotné kódování, využívají se informace z prvního průchodu a v závislosti na kódované scéně se mění bitrate podle potřeby pro dosažení co nejlepší kvality. Stejné myšlenky použil Nando a upravil videoeditor VirtualDub na nový program NanDub, který dělá to samé, pouze s kodekem DivX a dynamicky mu mění bitrate.
Z uvedeného a předchozích testů plyne, že DivX jako nejstaší kodek má tendenci být malinko za WMV8 hlavně u nižších bitratů. Přece jenom Microsoft jádro původního MPEG-4 V3 kodeku vylepšil, což nebylo příliš možné u DivX vzhledem k absenci zdrojových kódů.
Pro test kodeků na celém filmu jsem použil to nejlepší, co bylo k dispozici - NanDub release candidate 1 pro kódování s DivX a Windows Media 8 Encoding Utility pro WMV8. WMV7 jsem netestoval kvůli absenci post-processingu. Také žádné ukázky ani obrázky nečekejte, jen krátký komentář:
Nejprve srovnání při použití konstantního datového toku (CBR). U filmů délky 2 hodiny potřebujeme pro jedno CD 700MB bitrate 800kbps. Od toho musíme odečíst ještě zvuk, takže zbyde 688kbps pro DivX (zvuk MP3 128kbps) a 736kbps pro WMV8 (zvuk WMA8 64kbps). To je dost málo, takže rychlé scény dost na kvalitě utrpí. Objevují se buď kostky nebo příšerné rozmazané fleky a různě se kroutící chomáče (zní to příšerně, ale nevím, jak to lépe popsat). Vyplývá to již z předchozího testu rychlých scén, takže žádné překvapení. Pomalé scény jsou v dobré kvalitě. Porovnání vychází jednoznačně pro WMV8, je o dost lepší.
Při použití two-pass encoding (quality based), stírá NanDub hlavní rozdíly mezi DivX a WMV8, i když WMV8 je stále o malinko lepší. Drží lépe nastavený bitrate, používá kodek zvuku s polovičním bitratem, takže má více místa pro video. Na druhou stranu jsem se potýkal s problémy u WMV8, kde u některých složitějších scén docházelo k výpadkům obrazu. Nakonec jsem přišel na to, že je to nedostatečným výkonem počítače - při detekci takové scény automaticky spadnul posuvník CPU quality na 0 (jistá dávka inteligence?), občas to ale nestačí (změna dělá tak 10% výkonu CPU). Poté se posuvník vrátí zpátky poslušně na 4ku. Takové problémy u DivX nejsou a jeho výhodou je také otevřenost formátu - AVI lze editovat, i když se DivX pro další úpravy příliš nehodí (je to ztrátový kodek, takže rekompresí obraz dosti utrpí).
10. Převod TV vysílání
Převod TV vysílání je kapitola sama pro sebe. I když je obraz z dobrého zdroje a vypadá bez šumu, opak je ale pravdou. Zde je zesvětlená a 5x zvětšená část obrazu, která ukazuje jak vypadá šum TV vysílání. Na první pohled není vidět, kompresor s ním ale samozřejmně počítá a snaží se ho zakódovat. To snižuje dostupný bitrate pro užitečnou informaci obrazu.
Pro úplnost uvedu, jak jsem postupoval při zachytávání. Použil jsem program ATV2000 pod Windows 2000, kartu TV Wonder s referenčními WDM ovladači. Kompresor videa PIC video MJPEG 2.1 s kvalitou 19 a bez komprese zvuku. Nahrávka délky 1h:45m zabrala cca 12GB.
Nejprve jsem převedl nahrávku bez jakýchkoliv zásahů do kvality obrazu před kompresí, pouze ořízl černé pruhy nahoře a dole a změnil velikost na 640x400 bodů. Pro DivX jsem použil program Nandub 1.0 RC2, metodu two-pass a průměrný bitrate 900kbps. Pro WMV8 enkodér WM8 Encoding Utility a two-pass quality based také 900kbps. Tento způsob ale nevede k příliš dobrým výsledkům ani u jednoho kodeku, přesto je mezi nimi poznat rozdíl, řekl bych až propastný. Pokud srovnáme kvalitu obrazu, je na tom WMV8 znatelně lépe, přesto podle mně nepoužitelné. Dobré jsou pouze velmi kontrastní scény s hodně detaily, kde není znát kostičkování. Nejhůře vypadají jedlité plochy (zdi budov, obloha apod.), které hýří všemožnými barvami (kde se tam proboha berou?), nezáleží příliš na rychlosti scény. Obrázek napoví více, i když pohyblivé video je zajímavější, protože barevné "fleky" se mění a vypadá to ještě hůře než na obrázku (obrázek vybrán z velmi rychlé scény WMV8, DivX vypadá podobně).
Zajímavý je pohled na plynulost scén. U DivX je stejná jako u originálu, ale WMV8 se chová podivně - pozadí, které se mění jen velmi málo zůstává stát a obnovuje se prakticky jen s keyframy. Touto metodou zřejmně šetří bitratem pro vyšší kvalitu obrazu, občas to ale vypadá značně rušivě.
Dobře, zkusme odfiltrovat šum. V Nandubu jsem použil filtry Dynamic Noise Reduction a Smart Smoother 1.1. Bohužel WM8 Encoding Utility nedokáže otevřít AVI Proxy frameserver, takže jsem použil program Vegas Video 2.0g s filtrem Median Cut, který dělá něco podobného jako Smart Smoother. Nelze ale použít two-pass enkoding, pouze one-pass bitrate based. Filtry ale značně zpomalují enkódování, NanDubu trvalá jeden průchod přibližně den, celkem tedy dva dny. Vegas se pral s procesem celkem 4 (slovy čtyři) dny. Nedej bože, aby hodinu před koncem vypadl proud ...
Nejprve ukázka ze stejné sekvence:
Pro toto platí v podstatě to samé, co pro kódování z DVD zdroje, pouze obraz není tak ostrý (viz logo stanice), celkový dojem je ale dobrý a "barevné fleky" zmizely. Změna je ale u způsobu práce a kódování. Pro toto je velice vhodný VirtualDub (nebo NanDub), který má výborné a rychlé filtry pro odstraňování šumu. Ano je možné zdroj nechat projet VirtualDubem a uložit s bezestrátovou kompresí do AVI souboru a ten pak otevřít WM8 Enkodéru, je to ale krok navíc (to bych ještě přežil) a je náročné na místo na disku (které nikdy nemám). Takže sečteno a shrnuto, v tomto případě preferuji DivX.
11. Srovnání a závěr
Tak si to pojďme všechno shrnout dohromady. Vše již sice bylo řečeno, žádna novina tu nezazní, zkusím udělat jen malé doporučení, co, kdy a jak použít.
Prvním a největším předpokladem pro kvalitní kódování do (nejen) MPEG-4 je dobrý zdroj videa. Nejlépe se kóduje obraz, kde je minimum šumu a minimum jiných defektů, způsobených dočasnou kompresí apod. (MJPEG). Proč minimum šumu? Šum je složka signálu, která není definovatelná a v podstatě náhodná. Kompresor se ji samozřejmně snaží zakódovat také a část dostupného bitratu padne jen na šum, může jít řádově o desítky procent. Proč bez defektů? Dočasná komprese, např. MJPEG způsobuje ztrátu části informace, která sice pro lidské oko není postřehnutelná, data jsou ale změněna a pro kompresor představují další informaci navíc. Takže doporučení - pro horší zdroj videa jako TV vysílání a VHS video použíte filtry na odstranění šumu (smart smoother apod.) a pro realtimovou "mezikompresi" pokud možno bezeztrátový kodek (Huffyuv) nebo co největší kvalitu kompresoru (u PIC MJPEG Q>=18).
Problém, který se vyskytuje nejen u MPEG-4 kodeků, je zajistit dostatečný bitrate pro danou scénu. Každá scéna potřebuje jiný bitrate a tady nastupují různé metody distribuce celkového dostupného bitrate na jednotlivé scény. Této technologii se říká Variable bitrate (VBR) a teď ji používá jak DivX pomocí Nandubu, tak WMV8. Rozdíly v kvalitě jsou minimální, i když WMV8 je o trošku lepší, záleží ale spíše na osobní preferenci. Oběma kodeky se nechá dosáhnout vynikajících výsledků.
K čemu se tyto kodeky hodí: začněme spíše tím, k čemu se nehodí. Pro domácí video (nahrávky z kamery) doporučuji MPEG-2, protože to je formát, který je v komerční elektrotechnice preferován a spěje k němu vývoj přehrávačů DVD. Také se začínají objevovat vypalovačky DVD, jejichž cena časem klesne natolik, že budou stejně běžné jako dnes CD vypalovačky. Pokud chcete zálohovat video pro další zpracování, pro to se také příliš MPEG-4 nehodí, protože jde o ztrátovou kompresi a další zpracování ještě více znehodnotí záznam. Největší silou je uchování kopií filmů a pořadů na CD. Kvalita je lepší než VHS, disk zabere méně místa a použití jiné komprese zase vyžaduje více CéDéček. Takovýto film lze pak přehrát pouze na PC, půjde to ale vždy, stačí dohrát příslušné kodeky a je vystaráno.
Tento článek už zase zastaral, protože je k dispozici nový kodek DivX4, který je podle prvních dojmů zase o něco lepší. na ten se podíváme vzápětí.
