Teknik Kompresi Video Digital

Kompresi video digital (atau pengkodean video) adalah proses mengurangi ukuran file video dan mengubahnya ke format serta kode yang sesuai untuk ditonton. Tujuan utama pengkodean adalah mengurangi jumlah data yang diperlukan untuk merekam, menyimpan, dan mentransfer video. Akibatnya, perangkat keras penyimpanan, waktu transfer data, dan bandwidth pengiriman yang diperlukan menjadi lebih kecil.

Kompresi video digital adalah sekumpulan metode yang digunakan untuk mengurangi dan menghilangkan inkonsistensi dalam data video. Hal ini menghasilkan video terkompresi yang jauh lebih kecil ukurannya dibandingkan video tidak terkompresi. Pengkodean video membantu menyimpan video dengan ukuran file yang lebih kecil atau mengirimkannya lebih cepat melalui jaringan. Efektivitas kompresi video digital sebanding dengan bitrate video untuk kualitas dan frame rate (fps) yang tetap. Jika pengkodean menghasilkan bandwidth yang lebih rendah, maka efisiensinya lebih tinggi.

Cara Kerja Kompresi Video

Setelah mengompresi atau mengkodekan file video, video terkompresi dapat memiliki kualitas yang sama dengan file tidak terkompresi atau mungkin memiliki kualitas yang berkurang. Ini disebut format kompresi lossless dan lossy.

Format Kompresi Lossy

Format kompresi video digital ini memastikan file terkompresi berisi lebih sedikit data daripada aslinya. Warna dan suara yang berulang sepanjang video dapat dikecualikan untuk memotong bagian film yang dianggap tidak perlu. Terkadang, hal ini menghasilkan file berukuran kecil karena data hilang, sehingga istilahnya "lossy". Kompresi lossy menyebabkan data berkurang ke tingkat di mana informasi asli tidak dapat diambil kembali setelah dekompresi. Perbedaan antara video terkoding dan aslinya disebut sebagai artefak.

Sebagian besar file video online menggunakan kompresi lossy untuk mengurangi ukuran file sambil mempertahankan tingkat kualitas yang tinggi. Jika video mempertahankan ukuran file berkualitas sangat tinggi, tidak hanya akan memakan waktu lama untuk mengunggah video, tetapi penonton dengan internet lambat akan kesulitan menonton atau mengunduhnya.

Format Kompresi Lossless

Kompresi lossless adalah format kompresi video digital lainnya di mana versi asli dan terkompresi hampir identik. Ini adalah metode yang memungkinkan data asli dibangun kembali dari data terkoding. Artinya, jumlah pendekatan yang tersedia untuk reduksi data terbatas, sehingga kompresi data juga terbatas. Dalam proses pengkodean, tidak ada data yang hilang. Sebagian besar waktu, format kompresi lossless kurang bermanfaat dibandingkan kompresi lossy karena rekaman sering kali berakhir dengan ukuran yang sama seperti sebelum dikompresi. GIF adalah contoh kompresi lossless. Namun, karena keterbatasannya, format ini tidak cocok untuk rekaman pengawasan.

Mengadopsi kompresi lossless mungkin tampak tidak perlu, mengingat tujuan utama kompresi adalah mengurangi ukuran file. Namun, kompresi lossless menghasilkan kualitas video yang sangat baik jika ukuran file bukan menjadi masalah.

Teknik Kompresi Video Digital

Data video dapat ditampilkan sebagai urutan frame statis atau field untuk video interlaced. Urutan gambar pasti akan mencakup redundansi temporal dan spasial, yang dapat dimanfaatkan oleh metode kompresi video digital. Banyak teknik pengkodean video menggunakan kompresi temporal, yang berpusat pada redundansi antar frame video, dan kompresi spasial, yang berfokus pada redundansi di dalam satu frame atau field.

Kompresi Spasial

Metode kompresi spasial didasarkan pada kompresi gambar statis. Pendekatan transformasi adalah metode yang paling banyak digunakan dan digunakan oleh berbagai organisasi. Metode ini membagi gambar menjadi potongan-potongan dan menerapkan transformasi ke setiap blok secara individual. Output transformasi diubah ukurannya dan dikuantisasi. Kemudian, pengkode entropi lossless mengompresi data terkuantisasi, menghasilkan aliran bit. Teknik transformasi yang paling umum digunakan adalah Discrete Cosine Transform (DCT) atau variasinya. Metode kompresi spasial lainnya termasuk kompresi fraktal, pengkodean vektor, transformasi wavelet, dll.

Kompresi Temporal

Kompresi temporal adalah teknik kompresi video digital efektif lainnya. Kompresi temporal beroperasi dengan menganalisis frame video yang berbeda satu sama lain. Jika tidak ada bagian yang bergerak dalam video, program dapat menjalankan instruksi singkat yang menduplikasi bagian tersebut dari frame sebelumnya bit-per-bit ke frame berikutnya. Jika algoritma melihat beberapa piksel berubah, ia menggunakan pendekatan prediksi terkait frame sebelumnya. Program mencari wilayah yang sebanding di frame sebelumnya untuk setiap wilayah di frame saat ini. Jika area yang sebanding ditemukan, perbedaannya diterjemahkan oleh pengkode transformasi dan dihapus dari area saat ini. Referensi untuk area frame saat ini juga dapat dihitung sebagai jumlah tertimbang dari area yang sebanding dari frame sebelumnya dan berikutnya. Frame saat ini harus ditunda sejumlah interval frame tertentu saat menggunakan frame berturut-turut.

Teknik kompresi video lain yang umum digunakan meliputi:

Kompresi Joint Photographic Experts Group (JPEG)

Dipadukan dengan teknik kompresi MPEG, ini adalah teknik kompresi video digital dasar yang bekerja pada satu frame (diam) atau gambar. Ini adalah salah satu standar pengkodean video yang diusulkan oleh International Organization for Standardization (ISO), International Electrotechnical Commission (IEC), dan ITU (International Telecommunication Union). Sebuah organisasi bernama Joint Photographic Experts Group (JPEG) didirikan pada pertengahan 1980-an, yang meletakkan dasar bagi standar JPEG. Kontribusi pertama kelompok yang terlihat adalah publikasi tahun 1991 dari komponen pertama standar JPEG, yang bertujuan dibuat sebagai standar untuk kompresi foto berwarna; sejak itu, kelompok JPEG telah bekerja pada standar JPEG asli dan standar JPEG 2000.

Misalkan kita memotret gambar dengan seorang pria di atas sepeda motor dan pohon di latar belakang, teknik JPEG mengkodekan gambar dengan menghapus elemen yang tidak terlihat oleh mata manusia, seperti warna tertentu (karena kita tidak terlalu peka terhadapnya — penyesuaian kecerahan lebih mudah dirasakan manusia daripada variasi warna) dan beberapa detail di area gambar yang lebih rumit (perubahan cahaya frekuensi rendah lebih terlihat daripada perubahan cahaya frekuensi tinggi).

Tergantung pada tingkat kompresi yang digunakan, data apa pun yang kita hapus dapat memengaruhi kualitas gambar hasil. Itulah sebabnya JPEG dikenal sebagai metode kompresi lossy, yang berarti beberapa informasi gambar asli hilang dan tidak dapat dipulihkan.

Motion JPEG

Misalkan kita mengambil video dari situasi yang sama dengan pengendara sepeda yang sedang mengayuh. Kamera mengambil serangkaian gambar diam, yang dapat dikompresi menggunakan algoritma JPEG.

Teknik kompresi video digital ini disebut Motion JPEG. Teknik ini banyak digunakan pada awal 1990-an. Teknik ini mengompresi video secara efisien dengan menghilangkan redundansi spasial, tetapi mengabaikan elemen gambar yang dibagikan antar frame, seperti latar belakang, pohon, dan sebagainya. Materi bersama ini disebut redundansi temporal, yang dapat dihapus dari video untuk meningkatkan rasio kompresi.

Moving Picture Experts Group (MPEG)

Teknik kompresi video digital ini, bersama dengan JPEG, adalah teknik kompresi digital dasar yang diusulkan oleh ISO, IEC, dan ITU. Asal-usul MPEG adalah pembentukan Motion Picture Experts Group (MPEG) pada akhir 1980-an, yang bertujuan mengembangkan sistem untuk kompresi gambar bergerak dan suara. Sejak itu, MPEG telah menghasilkan standar untuk MPEG 1, MPEG-2, dan MPEG-4, serta standar yang tidak terkait dengan pengkodean multimedia, seperti MPEG-7 dan MPEG-21.

Algoritma untuk kompresi antar-frame dikembangkan untuk mengecualikan redundansi temporal (inter berarti antara atau di antara). MPEG adalah yang paling banyak digunakan di antaranya. Kompresi MPEG, seperti JPEG, dilakukan dalam unit fundamental yang disebut "makro-blok".

Setiap frame dipecah menjadi slice, yang masing-masing terdiri dari makro-blok. Makro-blok terdiri dari blok piksel, bagian terkecil dari gambar yang dapat dimodifikasi. Dalam proses kompresi, makro-blok digunakan sebagai objek fundamental.

Frame MPEG dapat dikompresi dengan tiga cara:

● Intra-coded (I-frame): Video dikodekan sebagai frame terisolasi (frame stasioner) yang tidak terkait dengan frame berikutnya.
● Predictive-coded (P-frame): Algoritma mengkodekan video menggunakan prediksi dari I-frame atau P-frame sebelumnya, menghasilkan rasio kompresi yang lebih tinggi (frame lebih kecil).
● Bi-directional-predictive-coded (B-frame): Proses ini melibatkan pengkodean video dengan prediksi, menggunakan frame sebelumnya dan berikutnya dari I-frame atau P-frame; ini memberikan kompresi paling banyak.

Format MPEG canggih lainnya adalah MPEG 2 yang dirancang khusus untuk siaran TV dan pengarsipan berkualitas tinggi, dan MPEG 4 yang digunakan untuk pemetaan tekstur mesh 2D dan 3D, pengkodean aliran yang bervariasi waktu, dan pembuatan algoritma untuk skalabilitas temporal, spasial, dan kualitas, gambar, dan video, MPEG 7 untuk pengawasan video dan MPEG 21.

H.264

Pada akhir 1990-an, kelompok baru bernama Video Coding Expert Groups (VCEG) menciptakan standar kompresi video yang akan meningkatkan efisiensi pengkodean video jauh lebih tinggi daripada teknik lain yang ada. Ini melahirkan H.264. Standar ini menawarkan keseimbangan terbaru antara efisiensi kode, biaya, dan kompleksitas komputasi. Tujuannya adalah memberikan fleksibilitas yang cukup agar teknik kompresi video digital dapat digunakan dalam banyak aplikasi, termasuk video dengan laju data rendah dan tinggi, video dengan resolusi rendah dan tinggi, serta kebutuhan latensi tinggi dan rendah.