Masterarbeit: Datenreduktion mit dem AV1-Videocodec im Vergleich zu H.265

Diese Arbeit in Kooperation mit dem ORF befasst sich mit dem Codec der Zukunft für die ORF TVthek. Derzeit wird auch hier H.264 für 4K UHD-Übertragungen genutzt. Um sowohl Kosten als auch übertragene Daten einzusparen, wird der Nachfolger H.265 im Rahmen der Arbeit evaluiert und mit dem AV1-Codec für die Nutzung in der TVthek verglichen.

Kurzfassung

Videokompression ist heutzutage nicht mehr aus dem Internet wegzudenken. Zur Datenreduktion hat sich die verlustbehaftete Videocodierung als Standard durchgesetzt. Dabei gibt es unterschiedliche Ansätze zur Art der Codierung.

Der Codec H.264 AVC wurde 2003 veröffentlicht und ist 2018 mit über 80 Prozent Marktanteil immer noch der am häufigsten verwendeten Videocodec im Internet. Sein Nachfolger H.265 HEVC sowie die Konkurrenz AOMedia V1 (AV1) ermöglichen weitere Dateneinsparungen bei gleichbleibender Qualität.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den neueren Videocodecs AV1 und H.265 HEVC. Während fundamentale Unterschiede bei der Zugänglichkeit und der Lizenzierung bestehen, sind viele Prinzipien der Codierung dieselben. Deren Umsetzung variiert aber zwischen beiden Codecs mit unterschiedlichen Methoden und Ansätzen zur Dateneinsparung. Durch die stetig wachsende Nachfrage an Videostreaming-Plattformen ist die Codierungseffizienz und die daraus resultierende Datenreduktion ein wichtiges Kriterium für Unternehmen.

Am Anfang dieser Arbeit werden diese Methoden und Ansätze näher erklärt und die Codierungsprinzpien von AV1 und H.265 näher beleuchtet. In weiterer Folge werden gängige technische Messmethoden zur visuellen Qualität und deren Prinzipien erklärt. Es werden Schlüsse aus technischen Messungen mit verschiedenen Codierungs-Parametern und Bitraten für den technischen und subjektiven Vergleich gezogen.

Im messtechnischen und subjektiven Vergleich werden drei 4K Ultra-HD-Videos mit Bitraten im Bereich von 2 bis 8 Mb/Sek. und 2-Pass-Encoding codiert. Bei der technischen Messung (VMAF, PSNR und SSIM) ist AV1 immer besser als das H.265-Äquivalent.

Im subjektiven Test wurden 15 Personen befragt, um die Qualität der codierten Videos im Vergleich zum Original zu bewerten. Während AV1 bei niedrigen Bitraten bessere Ergebnisse erzielt als H.265, sind die Unterschiede bei mittleren und hohen Bitraten nicht immer eindeutig.

Bei langsamen Kameraschwenks (Video 1) hat AV1 in allen Bitraten ein ähnliches Ergebnis, während sich H.265 bei Bitratenerhöhungen zunehmend steigern kann und AV1 ab einem bestimmten Punkt überholt. Bei schnellen Kamerafahrten (Video 2) erreicht AV1 eine weitaus bessere Qualität, die immer fast doppelt so hoch ist wie H.265. Bei schnellen Schnitten (Video 3) ist AV1 qualitativ besser als H.265 und erreicht trotz geringerer Bitraten bessere Bewertungen als H.265. Lediglich bei der höchsten Bitrate ist H.265 besser als das AV1-Äquivalent, während beide interessanterweise geringfügig schlechter sind als die zweithöchste Bitrate von AV1.

AV1 ist vor allem bei geringeren Bitraten H.265 überlegen. Während in manchen Situationen H.265 eine höhere visuelle Qualität liefern kann, ist AV1 trotz geringerem Datenaufwand in den meisten Fällen gleichwertig oder qualitativ besser. Durch die Quelloffenheit und lizenzfreie Nutzung punktet AV1 abseits der visuellen Qualität. Mit zukünftigen Codecs wie H.266 (VCC) wird AV1 weiterhin herausgefordert. Die breite Nutzung hängt aber auch von der Kompatibilität und vor allem der Adaption großer Firmen ab.

Info

  • Februar 2020 – Jänner 2021

Betreuer: Dipl.-Ing. (FH) Matthias Husinsky
Zweitbetreuer: Dipl.-Ing. (FH) Mario Zeller

de_ATDE