Nghiên Cứu và Đánh Giá Chuẩn Mã Hóa Video AV1

Nén video được chia thành hai loại chính: nén không tổn hao và nén có tổn hao. Nén không tổn hao đảm bảo phục hồi hoàn toàn tín hiệu gốc sau khi giải nén, nhưng hệ số nén thường thấp (dưới 2:1). Ngược lại, nén có tổn hao cho phép đạt được hệ số nén cao hơn nhiều (từ 2:1 đến 100:1) bằng cách loại bỏ một số thông tin, chấp nhận suy giảm chất lượng hình ảnh ở mức độ nhất định. Các kỹ thuật nén có tổn hao tận dụng sự hạn chế của mắt người trong việc nhận biết một số chi tiết hình ảnh, cho phép loại bỏ những thông tin này mà không ảnh hưởng đáng kể đến trải nghiệm xem.

Nguyên lý cơ bản của mã hóa video là giảm thiểu sự dư thừa thông tin. Dư thừa không gian xuất hiện giữa các điểm ảnh trong cùng một khung hình, trong khi dư thừa thời gian xuất hiện giữa các khung hình liên tiếp. Các kỹ thuật mã hóa như biến đổi (ví dụ: DCT) được sử dụng để loại bỏ dư thừa không gian, còn các kỹ thuật dự đoán (ví dụ: ước tính chuyển động) được sử dụng để loại bỏ dư thừa thời gian. Cuối cùng, mã entropy được áp dụng để nén dữ liệu sau khi mã hóa, loại bỏ dư thừa thông tin trong dữ liệu đã mã hóa.

Video độ phân giải cao đòi hỏi băng thông lớn hơn để truyền tải và dung lượng lưu trữ lớn hơn để lưu trữ. Điều này tạo ra áp lực lớn lên cơ sở hạ tầng mạng và các thiết bị lưu trữ. Các nhà cung cấp dịch vụ video cần phải tìm kiếm các giải pháp để giảm thiểu chi phí băng thông và lưu trữ mà không ảnh hưởng đến trải nghiệm xem của người dùng. Hiệu suất nén video AV1 cao hơn sẽ là một giải pháp.

Các chuẩn mã hóa video như HEVC đi kèm với các vấn đề về bản quyền và giấy phép phức tạp, gây khó khăn cho việc triển khai và sử dụng rộng rãi. Codec AV1 ra đời như một giải pháp thay thế miễn phí bản quyền, giúp giảm chi phí và khuyến khích sự đổi mới trong ngành công nghiệp video. AV1 được chấp nhận rộng rãi bởi các hãng công nghệ lớn.

AV1 sử dụng nhiều kỹ thuật mã hóa tiên tiến, bao gồm phân vùng khối linh hoạt, dự đoán nội ảnh và liên ảnh, và các bộ lọc vòng trong. Phân vùng khối cho phép chia video thành các khối có kích thước khác nhau, tối ưu hóa hiệu quả nén cho các vùng khác nhau trong khung hình. Dự đoán nội ảnh và liên ảnh giúp loại bỏ sự dư thừa thông tin giữa các khung hình và trong cùng một khung hình.

AV1 hứa hẹn tiết kiệm băng thông đáng kể so với HEVC và H.264. Các thử nghiệm cho thấy AV1 có thể giảm băng thông từ 30% đến 50% so với HEVC mà vẫn duy trì chất lượng video tương đương. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các nhà cung cấp dịch vụ video, giúp họ giảm chi phí và cung cấp video chất lượng cao cho người dùng.

Có nhiều công cụ mã hóa AV1 khác nhau, mỗi công cụ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Libaom là bộ mã hóa tham chiếu của AOMedia, cung cấp chất lượng mã hóa tốt nhất nhưng tốc độ mã hóa chậm. Rav1e là một bộ mã hóa tập trung vào tốc độ, trong khi SVT-AV1 là một bộ mã hóa được tối ưu hóa cho hiệu năng trên các hệ thống đa lõi.

PSNR và SSIM là hai chỉ số phổ biến được sử dụng để đánh giá chất lượng video. PSNR đo lường sự khác biệt về mặt tín hiệu giữa video gốc và video đã mã hóa, trong khi SSIM đo lường sự khác biệt về mặt cấu trúc. BD-Rate là một chỉ số tổng hợp, cho biết sự thay đổi về tốc độ bit cần thiết để đạt được cùng một mức chất lượng video.

Các thử nghiệm được thực hiện trên video độ phân giải CIF, HD và 4K cho thấy AV1 có thể đạt được chất lượng video tương đương hoặc tốt hơn HEVC với tốc độ bit thấp hơn. Điều này chứng tỏ AV1 có hiệu quả nén cao hơn HEVC.

So sánh BD-PSNR và BD-Rate giữa HEVC và AV1 cho thấy AV1 có thể giảm tốc độ bit đáng kể so với HEVC mà vẫn duy trì chất lượng video tương đương. Điều này có nghĩa là AV1 có thể giúp tiết kiệm băng thông và chi phí lưu trữ cho các nhà cung cấp dịch vụ video.

Khả năng tương thích với các trình duyệt và thiết bị khác nhau là một yếu tố quan trọng để AV1 được chấp nhận rộng rãi. Các trình duyệt phổ biến như Chrome, Firefox và Edge đã bắt đầu hỗ trợ AV1. Tuy nhiên, việc hỗ trợ AV1 trên các thiết bị di động và TV thông minh vẫn còn hạn chế.

AV1 có thể giảm băng thông cần thiết để truyền tải video, giúp cải thiện trải nghiệm xem video cho người dùng, đặc biệt là những người có kết nối internet chậm. Đồng thời, AV1 cũng có thể giúp giảm chi phí băng thông cho các nhà cung cấp dịch vụ video.

Tăng tốc phần cứng và triển khai phần mềm là hai yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu năng của AV1. Tăng tốc phần cứng cho phép giải mã video AV1 nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Triển khai phần mềm hiệu quả cũng giúp cải thiện hiệu năng của AV1 trên các thiết bị không có tăng tốc phần cứng.

Xu hướng phát triển của các chuẩn mã hóa video thế hệ tiếp theo là tập trung vào việc cải thiện hiệu quả nén, hỗ trợ các định dạng video mới (ví dụ: video 360 độ, video VR) và giảm chi phí bản quyền. Các chuẩn mã hóa mới cũng sẽ cần phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về hiệu năng và khả năng tương thích.

Cộng đồng mã nguồn mở đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của AV1. Các nhà phát triển từ khắp nơi trên thế giới đóng góp vào việc cải thiện code, sửa lỗi và thêm các tính năng mới cho AV1. Sự hợp tác này giúp AV1 phát triển nhanh chóng và đáp ứng được nhu cầu của người dùng.

Có nhiều lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng liên quan đến AV1, bao gồm tối ưu hóa bộ mã hóa, phát triển các thuật toán dự đoán mới và tăng cường khả năng chịu lỗi của AV1. Các nghiên cứu này có thể giúp cải thiện hiệu năng và khả năng ứng dụng của AV1 trong các tình huống khác nhau.