ترميز الفيديو

برنامج ترميز الفيديو هو برنامج أو جهاز يقوم بضغط وفك ضغط الفيديو الرقمي . في سياق ضغط الفيديو، كلمة "codec" هي كلمة مركبة من "encoder" و "decoder" ، بينما يُطلق على الجهاز الذي يقوم بالضغط فقط اسم "encoder" ، وعلى الجهاز الذي يقوم بفك الضغط فقط اسم "decoder" .

عادةً ما يتوافق تنسيق البيانات المضغوطة مع تنسيق ترميز فيديو قياسي . ويكون الضغط في الغالب مع فقدان بعض البيانات، مما يعني أن الفيديو المضغوط يفتقر إلى بعض المعلومات الموجودة في الفيديو الأصلي. ونتيجةً لذلك، يكون الفيديو غير المضغوط أقل جودةً من الفيديو الأصلي غير المضغوط، لعدم كفاية المعلومات لإعادة بناء الفيديو الأصلي بدقة.

توجد علاقات معقدة بين جودة الفيديو ، وكمية البيانات المستخدمة لتمثيل الفيديو (التي يحددها معدل البت )، وتعقيد خوارزميات التشفير وفك التشفير، والحساسية لفقدان البيانات والأخطاء، وسهولة التحرير، والوصول العشوائي، والتأخير من البداية إلى النهاية ( زمن الوصول ).

تاريخيًا، كان الفيديو يُخزَّن كإشارة تناظرية على شريط مغناطيسي . ومع ظهور القرص المضغوط كبديل رقمي للصوت التناظري، أصبح من الممكن تخزين الفيديو ونقله بصيغة رقمية. ونظرًا لحجم التخزين الكبير وعرض النطاق الترددي اللازمين لتسجيل الفيديو الخام ونقله، برزت الحاجة إلى طريقة لتقليل حجم البيانات المستخدمة لتمثيل الفيديو الخام. ومنذ ذلك الحين، طوّر المهندسون والرياضيون عددًا من الحلول لتحقيق هذا الهدف ، والتي تتضمن ضغط بيانات الفيديو الرقمية.

في عام 1974، قدّم ناصر أحمد ، وتي . ناتاراجان، وكيه آر راو تقنية ضغط تحويل جيب التمام المنفصل (DCT). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} خلال أواخر ثمانينيات القرن العشرين، بدأت العديد من الشركات تجربة ضغط DCT مع فقدان البيانات لترميز الفيديو، مما أدى إلى تطوير معيار H.261 . ^{[ 4 ]} كان H.261 أول معيار عملي لترميز الفيديو، ^{[ 5 ]} وقد طوّرته العديد من الشركات، بما في ذلك هيتاشي ، وبيكتشر تيل ، وإن تي تي، وبي تي ، وتوشيبا ، وغيرها. ^{[ 6 ] منذ H.261 ،} اعتُمدت تقنية ضغط DCT في جميع معايير ترميز الفيديو الرئيسية اللاحقة. [ ^{4 ]}

تُعدّ معايير MPEG من أكثر معايير ترميز الفيديو شيوعًا في برامج الترميز . طُوّر معيار MPEG-1 من قِبل مجموعة خبراء الصور المتحركة (MPEG) عام 1991، وكان مُصمّمًا لضغط الفيديو بجودة VHS . وخلفه عام 1994 معيار MPEG-2 / H.262 ، ^{[ 5 ]} الذي طوّرته عدة شركات، أبرزها سوني ، وتومسون ، وميتسوبيشي إلكتريك . ^{[ 7 ]} وأصبح MPEG-2 معيار تنسيق الفيديو القياسي لأقراص DVD والتلفزيون الرقمي ذي الدقة القياسية . ^{[ 5 ]} وفي عام 1999، ظهر معيار MPEG-4 / H.263 ، الذي مثّل نقلة نوعية في تقنية ضغط الفيديو. ^{[ 5 ]} وقد طوّرته عدة شركات، أبرزها ميتسوبيشي إلكتريك، وهيتاشي، وباناسونيك . ^{[ 8 ]}

يُعدّ تنسيق ترميز الفيديو H.264/MPEG-4 AVC الأكثر استخدامًا حتى عام 2016. وقد طُوّر هذا التنسيق عام 2003 من قِبل عدد من المؤسسات، أبرزها باناسونيك، وغودو كايشا آي بي بريدج ، وإل جي إلكترونيكس . ^{[ 9 ]} يُعتبر H.264 معيار ترميز الفيديو الرئيسي لأقراص بلو راي ، ويُستخدم على نطاق واسع من قِبل خدمات البث عبر الإنترنت مثل يوتيوب ، ونتفليكس ، وفيميو ، وآيتونز ستور ، وبرامج الويب مثل أدوبي فلاش بلاير ومايكروسوفت سيلفرلايت ، بالإضافة إلى العديد من عمليات البث التلفزيوني عالي الوضوح عبر القنوات الأرضية والفضائية.

حلّت تقنية HEVC (H.265)، التي طُوّرت عام 2013، محلّ تقنية AVC. وهي مُسجّلة ببراءات اختراع كثيرة، معظمها مملوكة لشركات سامسونج للإلكترونيات ، وجنرال إلكتريك، وإن تي تي، وجيه في سي كينوود . ^{[ 10 ] [ 11 ]} وقد أعاق هيكل الترخيص المعقد لتقنية HEVC انتشارها. ثم حلّت تقنية Versatile Video Coding (VVC) محلّها .

وهناك أيضًا تنسيقات ترميز الفيديو المفتوحة والمجانية VP8 و VP9 و AV1 ، والتي يستخدمها موقع يوتيوب، وقد تم تطويرها جميعًا بمشاركة من جوجل .

تُستخدم برامج ترميز الفيديو في مشغلات أقراص DVD، وفيديوهات الإنترنت ، والفيديو حسب الطلب ، والتلفزيون الرقمي عبر الكابل ، والتلفزيون الرقمي الأرضي ، والهاتف المرئي، والعديد من التطبيقات الأخرى. وتُستخدم هذه البرامج على نطاق واسع في التطبيقات التي تُسجل أو تُرسل الفيديو، وهو ما قد لا يكون ممكنًا مع أحجام البيانات الكبيرة وعرض النطاق الترددي العالي للفيديو غير المضغوط. على سبيل المثال، تُستخدم في غرف العمليات لتسجيل العمليات الجراحية، وفي كاميرات IP في أنظمة الأمن، وفي المركبات تحت الماء والطائرات بدون طيار التي يتم تشغيلها عن بُعد . ويمكن ترميز أي بث فيديو أو ملف باستخدام مجموعة واسعة من خيارات تنسيق الفيديو المباشر. ^{[ 12 ]}

تسعى برامج ترميز الفيديو إلى تمثيل مجموعة بيانات تناظرية في الأساس بصيغة رقمية. ونظرًا لتصميم إشارات الفيديو التناظرية، التي تمثل معلومات الإضاءة (luma) واللون (chrominance, chroma) بشكل منفصل، فإن الخطوة الأولى الشائعة في ضغط الصور عند تصميم برامج الترميز هي تمثيل الصورة وتخزينها في فضاء ألوان YCbCr . يوفر التحويل إلى YCbCr فائدتين: أولًا، يُحسّن قابلية الضغط من خلال فصل إشارات الألوان؛ وثانيًا، يفصل إشارة الإضاءة (luma)، وهي أكثر أهمية من الناحية الإدراكية، عن إشارة اللون (chroma)، وهي أقل أهمية ويمكن تمثيلها بدقة أقل باستخدام أخذ عينات فرعية للون لتحقيق ضغط بيانات أكثر كفاءة. تستخدم برامج الترميز المختلفة نسب أخذ عينات فرعية مختلفة للون حسب احتياجات الضغط الخاصة بها. تستخدم أنظمة ضغط الفيديو للويب وأقراص DVD نمط أخذ عينات ألوان 4:2:1، بينما يستخدم معيار DV نسب أخذ عينات 4:1:1. تُصمَّم برامج ترميز الفيديو الاحترافية للعمل بمعدلات بت أعلى بكثير ولتسجيل كمية أكبر من معلومات الألوان لمعالجة ما بعد الإنتاج، وتُعرض بنسب 4:2:2 و4:4:4. ومن أمثلة هذه البرامج: برنامجا الترميز DVCPRO50 وDVCPROHD من باناسونيك (4:2:2)، وHDCAM-SR من سوني (4:4:4)، وHDD5 من باناسونيك (4:2:2)، و ProRes HQ 422 من آبل (4:2:2). ^{[ 13 ]}

تجدر الإشارة أيضاً إلى أن برامج ترميز الفيديو يمكنها العمل في فضاء RGB. لا تميل هذه البرامج إلى أخذ عينات من القنوات الحمراء والخضراء والزرقاء بنسب مختلفة، نظراً لقلة الحاجة الإدراكية لذلك، إذ قد يتم أخذ عينات أقل من القناة الزرقاء فقط.

يمكن أيضًا استخدام قدر من تقليل معدل أخذ العينات المكاني والزماني لخفض معدل البيانات الخام قبل عملية التشفير الأساسية. يُعد تحويل DCT 8x8 التحويل الأكثر شيوعًا للتشفير. كما بدأت برامج الترميز التي تستخدم تحويل المويجات بالظهور في السوق، لا سيما في سير عمل الكاميرات الذي يتضمن التعامل مع تنسيق الصور الخام في تسلسلات الحركة. تتضمن هذه العملية تمثيل صورة الفيديو كمجموعة من الكتل الكبيرة . لمزيد من المعلومات حول هذا الجانب المهم من تصميم برامج ترميز الفيديو، انظر ^إطارات B. ^{[ 14} ]

تُكمّم مخرجات التحويل أولًا ، ثم يُطبّق ترميز الإنتروبيا على القيم المُكمّمة. عند استخدام تحويل جيب التمام المنفصل (DCT)، تُمسح المعاملات عادةً بترتيب مسح متعرج ، ويجمع ترميز الإنتروبيا عادةً عددًا من المعاملات المُكمّمة المتتالية ذات القيمة الصفرية مع قيمة المعامل المُكمّم التالي غير الصفري في رمز واحد، كما توجد طرق خاصة للإشارة إلى متى تكون جميع قيم المعاملات المُكمّمة المتبقية مساوية للصفر. تستخدم طريقة ترميز الإنتروبيا عادةً جداول ترميز متغيرة الطول . تقوم بعض برامج الترميز بضغط الفيديو في عملية متعددة الخطوات تُسمى ترميز n-pass (مثل 2-pass)، والتي تُجري ضغطًا أبطأ ولكن بجودة أعلى.

تتألف عملية فك التشفير من عكس كل مرحلة من مراحل عملية التشفير قدر الإمكان. المرحلة الوحيدة التي لا يمكن عكسها بدقة هي مرحلة التكميم، حيث يتم فيها إجراء تقريب قدر الإمكان لعملية العكس. يُطلق على هذا الجزء من العملية غالبًا اسم التكميم العكسي أو فك التكميم ، على الرغم من أن التكميم عملية غير قابلة للعكس بطبيعتها.

عادةً ما تكون تصميمات برامج ترميز الفيديو موحدة، أو تصبح كذلك في نهاية المطاف، أي أنها تُحدد بدقة في وثيقة منشورة. ومع ذلك، فإن عملية فك التشفير وحدها هي التي تحتاج إلى توحيد لضمان التوافق. أما عملية التشفير، فعادةً لا تُحدد في أي معيار، ويحق للمطورين تصميم برنامج التشفير الخاص بهم كيفما يشاؤون، طالما أن الفيديو قابل للفك بالطريقة المحددة. ولهذا السبب، قد تختلف جودة الفيديو الناتج عن فك تشفير نتائج برامج التشفير المختلفة التي تستخدم نفس معيار ترميز الفيديو اختلافًا كبيرًا من تطبيق لآخر.

يمكن تطبيق مجموعة متنوعة من تنسيقات ضغط الفيديو على أجهزة الكمبيوتر الشخصية وفي الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. وبالتالي، من الممكن توفر عدة برامج ترميز في المنتج نفسه، مما يقلل الحاجة إلى اختيار تنسيق ضغط فيديو واحد مهيمن لتحقيق التوافق .

يمكن دعم تنسيقات ضغط الفيديو القياسية بواسطة العديد من برامج التشفير وفك التشفير من مصادر متعددة. على سبيل المثال، يمكن فك تشفير الفيديو المشفر باستخدام برنامج ترميز MPEG-4 Part 2 القياسي مثل Xvid باستخدام أي برنامج ترميز MPEG-4 Part 2 قياسي آخر مثل FFmpeg MPEG-4 أو DivX Pro Codec ، لأنها جميعًا تستخدم نفس تنسيق الفيديو.

تتميز برامج الترميز بمزاياها وعيوبها، وكثيراً ما تُنشر مقارنات بينها. ويُعتبر التوازن بين قوة الضغط والسرعة والدقة (بما في ذلك التشوهات ) عادةً أهم معيار للجدارة التقنية.

يتم ترميز مواد الفيديو عبر الإنترنت بواسطة مجموعة متنوعة من برامج الترميز، وقد أدى ذلك إلى توفر حزم برامج الترميز  - وهي مجموعة مجمعة مسبقًا من برامج الترميز شائعة الاستخدام بالإضافة إلى برنامج تثبيت متاح كحزمة برامج لأجهزة الكمبيوتر، مثل K-Lite Codec Pack و Perian و Combined Community Codec Pack .

• معدل البت
• مقارنة برامج ترميز الفيديو
• ضغط البيانات §  الفيديو
• دقة العرض
• معدل الإطارات
• قائمة برامج الترميز مفتوحة المصدر
• تعدد الإرسال
• معدل أخذ العينات
• جودة الفيديو الذاتية
• تحويل الترميز
• جودة الفيديو

• يصف ترميز واينر-زيف للفيديو المؤرشف في 2011-09-30 في Wayback Machine خوارزمية أخرى لضغط الفيديو تعمل بالقرب من حد سليبيان-وولف (مع روابط إلى شفرة المصدر).
• برامج ترميز الوسائط من AMD - تنزيل اختياري (كانت تسمى سابقًا ATI Avivo )