Por que a tecnologia em nuvem está propiciando melhor qualidade de vídeo

Conteúdo SMPTE

Novas aplicações em mídia, como realidade virtual (RV) e 8K, estão apresentando desafios de computação em uma perspectiva de resolução e de uma perspectiva de codec. Combine isso com a crescente onipresença da computação em nuvem e você terá as condições perfeitas para a evolução das melhores tecnologias de vídeo.

Os diferentes tipos de recursos de codificação

O armazenamento e a transmissão bem-sucedidos e eficientes de vídeos HD e HDR requerem hardware e software para gerenciar a codificação de vídeo. Eles podem ser baseados em dispositivos, em software ou em nuvem ou uma mistura de cada um.

A codificação baseada em dispositivo usa recursos de computador de função fixa (CPU / GPU / FPGA / ASIC) e é limitada pela capacidade do hardware.

A codificação baseada em software é executada em vários recursos programáveis ​​(CPUs) e também é limitada pelos recursos de hardware disponíveis.

A codificação baseada em nuvem aproveita os recursos elásticos de computação (CPU / GPU) e é limitada apenas pela disponibilidade do nó.

À medida que as resoluções aumentam e codecs mais complexos são desenvolvidos, a forma como os recursos de codificação são tratados precisará mudar.

Os desafios de codecs de vídeo complexos

Na Copa do Mundo FIFA de 2018, as partidas foram codificadas em UHD-1 em HEVC usando uma solução baseada em aparelho. Na época, o dispositivo mais rápido disponível era baseado em um processador Intel Xeon dual de ponta e uma placa de unidade de processamento gráfico (GPU) muito poderosa.

Mas agora, há uma variedade de codecs novos e mais complexos disponíveis para as emissoras, incluindo:

AVC, que é baseado no mecanismo de compressão Harmonic PURE.

HEVC, que também é baseado no Harmonic PURE, mas tem compressão 50% melhor que o AVC.

AV1, desenvolvido pela Alliance for Open Media que está no mesmo nível ou até melhor do que HEVC.

VVC, que ainda está em desenvolvimento com o objetivo de atingir compressão 50% melhor que o HEVC.

Esses novos codecs permitem que as emissoras e provedores de serviços forneçam vídeo de alta qualidade, incluindo 4K, 8K e RV. Mas, como o streaming adaptável requer codificação sincronizada de resolução múltipla, o fornecimento de codecs de vídeo de última geração tornou-se ainda mais desafiador.

O impacto da resolução

Mas não são apenas os codecs que estão impulsionando o desenvolvimento de tecnologias de vídeo mais eficientes. De muitas maneiras, a resolução de vídeo tem muito mais impacto do que a complexidade do codec. O mercado de transmissão atual é dividido entre vídeo de alta definição (HD), como o padrão de resolução de última geração, e ultra-alta definição (UHD-1 ou 4K), que é considerado o próximo formato nos países desenvolvidos.

UHD-1 é cerca de 18 vezes mais complexo que o HD, mas as tecnologias necessárias para lidar com a transmissão UHD-2 (8K) e VR podem ser 384 vezes mais complexas que o HD.

Realisticamente, o UHD-2 ainda não é um bom ajuste em termos de requisitos de potência de processamento. As indústrias de TV e cinema terão que esperar vários ciclos de semicondutores (de 18 meses) para preencher a lacuna da computação e trazer o UHD-2 para o reino de uma tecnologia mais acessível.

Requisitos de computação e codificação em nuvem

Para codificar ABR para UHD-1 HEVC, é necessária uma sincronização rigorosa para alinhar todas as diferentes resoluções IDR. Isso permitirá a alternância perfeita no lado do jogador.

Do ponto de vista prático, é possível codificar UHD-1 usando AV1. No NAB Show de 2019, a Harmonic mostrou a codificação ao vivo baseada em Intel SVTAV1 em 1080p 60 rodando em tempo real em um processador dual Xeon Skylake.

Para um codificador UHD-1, o vídeo precisa ser dividido em 10 blocos, cada um sendo mapeado em um nó. Isso cria alguma sobrecarga na computação e no lado da eficiência de compressão, estimada em cerca de 15% em relação à codificação de quadro único.

Embora a codificação UHD-1 AV1 seja possível, ainda não é prática para aplicativos ao vivo. Para VOD, levará cerca de 10 horas para codificar uma hora no modo SBR e 30 horas no modo ABR.

Os benefícios da computação em nuvem na transmissão

A complexidade dos aplicativos ativos não é gerenciável com as tecnologias locais de unidade de processamento central (CPU) ou unidade de processamento gráfico (GPU) atuais. Codecs ávidos por computação, como AV1, exigem um aumento de vinte vezes nos requisitos de computação em comparação ao AVC, que é considerado uma tecnologia legada hoje. A codificação de taxa de bits adaptável (ABR) requer três vezes mais pixels para processar do que um esquema de taxa de bits única (SBR).

Por esse motivo, a chave para melhorar a velocidade de codificação pode muito bem ser uma solução baseada em nuvem, parcial ou totalmente.

Movendo o esforço de codificação para a nuvem, a codificação pode ser espalhada por nós diferentes conforme necessário. A codificação existente baseada em dispositivo e baseada em software ainda pode ser usada para requisitos de nível básico, com recursos de codificação baseados em nuvem disponíveis para lidar com cargas de pico quando necessário.

Usando a codificação com reconhecimento de conteúdo (CAE), conforme especificado pelo Ultra HD Forum, uma economia adicional de 40% na largura de banda pode ser obtida em uma ampla gama de conteúdo. Essas economias foram confirmadas por várias empresas durante uma sequência de regata do Ultra HD Forum usando vídeo ao vivo (codificado por Harmonic) e conteúdo VOD (codificado por Beamr e Brightcove) durante demonstrações públicas de CAE no IBC 2018.

Codificação elástica

A codificação em nuvem pode ser usada para adaptar o processamento à complexidade das necessidades do negócio. Se uma emissora precisa de uma codificação melhor durante um evento de horário nobre, ela pode acessar mais recursos da unidade de processamento central (CPU) baseada em nuvem no nó para um canal específico. Ou, ainda mais drasticamente, mais nós poderiam ser alocados para codificar o canal.

Isso é conhecido como um “método Cycle stat mux (CSM) três”, onde, durante o processo de codificação de vários canais no mesmo nó, a codificação do conteúdo mais desafiador impedirá mais ciclos, com canais de menor complexidade usando qualidade reduzida exigindo menos ciclos. Esse processo é, obviamente, dinâmico e muda de função com base na evolução da complexidade do conteúdo.

Seguindo em frente

Existem limites para o uso de soluções baseadas em dispositivo para UHD-1 em HEVC e ainda mais para UHD-1 e UHD-2 usando codecs de última geração. A codificação em nuvem oferece maior qualidade para UHD-1 e UHD-2 naturalmente, pois mais recursos podem ser dedicados por perfil. UHD-1 é econômico em um ambiente de nuvem, pois já está implantado, enquanto UHD-2 requer 48 vezes mais recursos de CPU.

Embora UHD-2 HEVC não ofereça 50% de economia de VVC, ele apenas aumenta a complexidade por um fator de 8 a 16. Isso não é apenas mais econômico, mas fornece interoperabilidade com aparelhos de TV 8K implantados. Além disso, também pode possibilitar o uso de técnicas novas e promissoras como CAE e CSM, que irão, respectivamente, reduzir a taxa de bits e aumentar a qualidade do vídeo.

Mas não importa quais novos codecs são desenvolvidos ou qual resolução uma emissora usa, está claro que a codificação distribuída usando serviços em nuvem se tornará cada vez mais comum em todas as formas de transmissão.