Dijital Video Sıkıştırma Teknikleri

Dijital video sıkıştırma (veya video kodlama), video dosyalarının boyutunu küçültme ve bunları izleme için uygun biçimlere ve kodlara dönüştürme işlemidir. Kodlamanın temel amacı, videoları kaydetmek, depolamak ve aktarmak için gereken veri miktarını azaltmaktır. Sonuç olarak depolama donanımı, veri aktarım süreleri ve gerekli dağıtım bant genişliği azalır.

Dijital video sıkıştırma, video verilerindeki tutarsızlıkları azaltmak ve ortadan kaldırmak için kullanılan bir dizi yöntemdir. Bu sayede sıkıştırılmış video, sıkıştırılmamış videodan çok daha küçük boyutta olur. Video kodlama, videoyu daha küçük dosya boyutunda depolamaya veya ağ üzerinden daha hızlı göndermeye yardımcı olur. Dijital video sıkıştırmanın etkinliği, sabit bir kalite ve çerçeve hızı (fps) için video bit hızıyla orantılıdır. Kodlama daha düşük bant genişlikleri sağlıyorsa daha verimlidir.

Video Sıkıştırma Nasıl Çalışır?

Bir video dosyası sıkıştırıldıktan veya kodlandıktan sonra, sıkıştırılmış video ya sıkıştırılmamış dosyayla aynı kalitede olabilir ya da kalitesi düşebilir. Bunlara sırasıyla kayıpsız ve kayıplı sıkıştırma biçimleri denir.

Kayıplı Sıkıştırma Biçimleri

Bu dijital video sıkıştırma biçimi, sıkıştırılmış dosyanın orijinalden daha az veri içermesini sağlar. Video boyunca tekrar eden renkler ve sesler, filmin gereksiz görülen bölümlerini çıkarmak için hariç tutulabilir. Bazen veri kaybı nedeniyle dosya boyutu küçülür; bu nedenle "kayıplı" terimi kullanılır. Kayıplı sıkıştırma, verilerin sıkıştırma açma işleminden sonra orijinal bilginin geri alınamayacağı bir seviyeye indirilmesine neden olur. Kodlanmış video ile orijinal arasındaki fark artefaktlar olarak adlandırılır.

Çevrimiçi video dosyalarının çoğu, yüksek kalite seviyesini korurken dosya boyutunu küçültmek için kayıplı sıkıştırmayı kullanır. Bir video son derece yüksek kaliteli dosya boyutunu korusaydı, videoyu yüklemek uzun sürerdi ve internet bağlantısı zayıf olan izleyiciler videoyu görüntülemekte veya indirmekte zorlanırdı.

Kayıpsız Sıkıştırma Biçimleri

Kayıpsız sıkıştırma, orijinal ve sıkıştırılmış sürümlerin neredeyse aynı olduğu başka bir dijital video sıkıştırma biçimidir. Orijinal verilerin kodlanmış verilerden yeniden oluşturulmasını sağlayan bir yöntemdir. Yani veri azaltma için sınırlı sayıda yaklaşım mevcuttur ve bu da sınırlı veri sıkıştırmayla sonuçlanır. Kodlama sürecinde hiçbir veri kaybolmaz. Çoğu zaman kayıpsız sıkıştırma biçimleri, kayıtlar genellikle sıkıştırma öncesiyle aynı boyutta olduğu için kayıplı sıkıştırma kadar avantajlı değildir. GIF'ler kayıpsız sıkıştırmaya bir örnektir. Ancak sınırlamaları nedeniyle gözetim görüntüleri için uygun değildir.

Sıkıştırmanın temel amacının dosya boyutunu küçültmek olduğu göz önüne alındığında, kayıpsız sıkıştırmayı benimsemek gereksiz görünebilir. Yine de dosya boyutu sorun değilse kayıpsız sıkıştırma mükemmel video kalitesi sağlar.

Dijital Video Sıkıştırma Teknikleri

Video verileri, taramalı video için statik çerçeveler veya alanlar dizisi olarak görüntülenebilir. Görüntü dizisi şüphesiz hem zamansal hem de uzaysal fazlalıklar içerecektir ve dijital video sıkıştırma yöntemleri bunları kullanabilir. Birçok video kodlama tekniği, video çerçeveleri arasındaki fazlalığa odaklanan zamansal sıkıştırmayı ve tek bir çerçeve veya alan içindeki fazlalığa odaklanan uzaysal sıkıştırmayı kullanır.

Uzaysal Sıkıştırma

Uzaysal sıkıştırma yöntemleri statik görüntü sıkıştırmaya dayanır. Dönüşüm yaklaşımı en yaygın kullanılan yöntemdir ve çeşitli kuruluşlar tarafından kullanılır. Bu yöntem görüntüyü bloklara böler ve dönüşümü her bloğa ayrı ayrı uygular. Dönüşümün çıktısı yeniden boyutlandırılır ve nicemlenir. Ardından kayıpsız bir entropi kodlayıcı, nicemlenmiş verileri sıkıştırarak sonuç bit akışını üretir. En yaygın kullanılan dönüşüm tekniği Ayrık Kosinüs Dönüşümü (DCT) veya varyasyonlarıdır. Diğer uzaysal sıkıştırma yöntemleri arasında fraktal sıkıştırma, vektör kodlama, dalga dönüşümü vb. bulunur.

Zamansal Sıkıştırma

Zamansal sıkıştırma, etkili bir başka dijital video sıkıştırma tekniğidir. Zamansal sıkıştırma, farklı video çerçevelerini birbirleriyle karşılaştırarak çalışır. Videoda hareketli bölümler yoksa program, önceki çerçevenin o bölümünü bit düzeyinde bir sonraki çerçeveye kopyalayan kısa bir talimat yürütebilir. Algoritma bazı piksellerin değiştiğini fark ederse, önceki çerçeve veya çerçevelere göre bir tahmin yaklaşımı kullanır. Program, mevcut çerçevedeki her bölge için önceki çerçeve veya çerçevelerde benzer bir bölge arar. Benzer bir alan bulunursa, fark dönüşüm kodlayıcı tarafından işlenir ve mevcut alandan çıkarılır. Mevcut çerçeve alanı için referans, alternatif olarak önceki ve sonraki çerçevelerdeki benzer alanların ağırlıklı toplamı olarak da hesaplanabilir. Ardışık çerçeveler kullanıldığında mevcut çerçeve belirli sayıda çerçeve aralığı kadar geciktirilmelidir.

Yaygın olarak kullanılan diğer video sıkıştırma teknikleri şunlardır:

Ortak Fotoğraf Uzmanları Grubu (JPEG) Sıkıştırması

MPEG sıkıştırma tekniğiyle birlikte kullanıldığında, tek bir (hareketsiz) çerçeve veya görüntü üzerinde çalışan temel bir dijital video sıkıştırma tekniğidir. Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO), Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) ve ITU (Uluslararası Telekomünikasyon Birliği) tarafından önerilen bir video kodlama standardıdır. 1980'lerin ortalarında Ortak Fotoğraf Uzmanları Grubu (JPEG) adlı bir kuruluş kurulmuş ve JPEG standardının temellerini atmıştır. Grubun ilk somut katkısı, renkli fotoğraf sıkıştırma standardı olarak oluşturmayı hedeflediği JPEG standardının ilk bileşeninin 1991'de yayımlanması olmuştur; o zamandan beri JPEG grubu hem orijinal JPEG standardı hem de JPEG 2000 standardı üzerinde çalışmaktadır.

Arka planda ağaçlar ve üzerinde motosikletli bir adam bulunan bir görüntüyü fotoğrafladığımızı varsayalım. JPEG teknikleri, insan gözüne çarpmayan öğeleri (örneğin belirli renkler; çünkü bunlara karşı o kadar hassas değilizdir - parlaklık ayarlamaları insanlar için renk değişimlerinden daha algılanabilirdir) ve görüntünün daha karmaşık alanlarındaki bazı detayları (düşük frekanslı ışık değişimleri, yüksek frekanslı ışık değişimlerinden daha belirgindir) kaldırarak görüntüyü kodlar.

Kullanılan sıkıştırma oranına bağlı olarak, sildiğimiz tüm veriler sonuç görüntüsünün kalitesini etkileyebilir. Bu nedenle JPEG, bazı orijinal görüntü bilgilerinin kaybolduğu ve kurtarılamadığı anlamına gelen kayıplı bir sıkıştırma yöntemi olarak bilinir.

Motion JPEG

Bisikletçinin pedal çevirdiği bu aynı senaryonun videosunu çektiğimizi varsayalım. Kamera, JPEG algoritmaları kullanılarak sıkıştırılabilen bir dizi hareketsiz resim çeker.

Bu dijital video sıkıştırma tekniğine Motion JPEG denir. 1990'ların başında yaygın olarak kullanılmıştır. Uzaysal fazlalığı ortadan kaldırarak videoyu etkili bir şekilde sıkıştırır, ancak arka plan, ağaç vb. gibi çerçeveler arasında paylaşılan görüntü öğelerini göz ardı eder. Bu paylaşılan materyale zamansal fazlalık denir ve sıkıştırma oranlarını artırmak için videodan silinebilir.

Hareketli Görüntü Uzmanları Grubu (MPEG)

Bu dijital video sıkıştırma tekniği, JPEG ile birlikte ISO, IEC ve ITU tarafından önerilen temel dijital sıkıştırma tekniğidir. MPEG'lerin kökeni, 1980'lerin sonlarında hareketli görüntülerin ve seslerin sıkıştırılması için bir sistem geliştirmeyi amaçlayan Hareketli Görüntü Uzmanları Grubu'nun (MPEG) kurulmasına dayanır. O zamandan beri MPEG 1, MPEG-2 ve MPEG-4 için standartların yanı sıra MPEG-7 ve MPEG-21 gibi multimedya kodlamalarıyla ilgili olmayan standartlar da üretmiştir.

Zamansal fazlalığı (inter- arası anlamına gelir) ortadan kaldırmak için çerçeveler arası sıkıştırma algoritmaları geliştirilmiştir. MPEG bunların en yaygın kullanılanıdır. MPEG sıkıştırması, JPEG gibi "makro-bloklar" adı verilen temel birimlerde yapılır.

Her çerçeve, her biri makro-bloklar içeren dilimlere bölünür. Makro-bloklar, görüntünün değiştirilebilir en küçük parçası olan piksel bloklarını içerir. Sıkıştırma sürecinde makro-bloklar temel nesne olarak kullanılır.

MPEG çerçeveleri üç şekilde sıkıştırılabilir:

● İç-kodlamalı (I-çerçeveler): Videolar, sonraki çerçevelerle ilişkisi olmayan izole çerçeveler (sabit çerçeveler) olarak kodlanır.
● Tahmine dayalı kodlamalı (P-çerçeveler): Algoritma, önceki bir I-çerçeve veya P-çerçeveden gelen bir tahmini kullanarak videoları kodlar ve bu da daha yüksek bir sıkıştırma oranı (daha küçük çerçeve) sağlar.
● Çift yönlü tahmine dayalı kodlamalı (B-çerçeve): Bu süreç, I-çerçevelerden veya P-çerçevelerden önceki ve gelecekteki bir çerçeveyi kullanarak videoyu tahmin yoluyla kodlamayı içerir; en yüksek sıkıştırmayı sağlar.

Diğer gelişmiş MPEG biçimleri arasında özellikle TV yayıncılığı ve yüksek kaliteli arşivleme için tasarlanmış MPEG 2; 2D ve 3D ağların doku haritalama, zamana bağlı değişen akışların kodlanması ve zamansal, uzaysal ve kalite ölçeklenebilirliği için algoritmalar oluşturma, görüntüler ve videolar için kullanılan MPEG 4; video gözetimi için MPEG 7 ve MPEG 21 yer alır.

H.264

1990'ların sonlarında, Video Kodlama Uzman Grupları (VCEG) adlı yeni bir grup, video kodlama verimliliğini mevcut diğer tekniklerden çok daha fazla artıracak bir video sıkıştırma standardı oluşturdu. Bu, H.264'ün doğuşuna yol açtı. Kod verimliliği, maliyet ve hesaplama karmaşıklığı açısından en güncel dengeyi sunar. Amaç, dijital video sıkıştırma tekniğinin düşük ve yüksek veri hızlı video, düşük ve yüksek çözünürlüklü video ile yüksek ve düşük gecikme gereksinimleri dahil olmak üzere birçok uygulamada kullanılabilmesi için yeterli çok yönlülük sağlamaktı.