Modes de débit VP9 en détail
Présentation
Bien que nous fournissons des informations générales sur les modes de débit dans nos pages sur l'encodage de base, ils ne s'appliquent qu'au mode CQ (Conform Quality).
Ce document décrit d'autres moyens pratiques d'adapter les débits VP9 à l'optimisation pour divers scénarios. Les exemples ci-dessous utilisent FFmpeg.
Compression
Les technologies de compression vidéo telles que le format VP9 visent à réduire la quantité de données nécessaires pour transmettre une image et un sens de l'animation intelligibles aux utilisateurs finaux.
L'une des techniques clés utilisées pour y parvenir est la quantification. Un quantificateur simplifie mathématiquement différents éléments numériques de l'image. Par exemple, cette technique peut réduire la gamme de couleurs utilisée et réaliser d'autres opérations mathématiques sur les données afin d'atténuer le manque de résolution précise comprise dans la plage de couleurs réduite. Il existe de nombreuses fonctions de ce type.
Le rapport de quantification (ou "Q"") est décrit dans cet article Wikipédia.
Dans VP9, la quantification est effectuée sur les coefficients de transformation. Cela réduit le débit requis pour maintenir la qualité perçue, en ajoutant du code à l'encodage.
En fin de compte, lorsqu'il y a plus de quantification (nombre Q plus élevé), les détails sont perdus et la qualité est inférieure, mais moins de données sont nécessaires pour stocker l'image. Dans la plupart des cas, l'encodeur VP9 atteint ses objectifs de débit en changeant de Q au fil du temps, en fonction de la complexité de chaque image.
Optimisation des cas d'utilisation
Pour permettre à l'utilisateur de "régler" la compression VP9 en fonction de ses besoins spécifiques, il est possible d'ajuster l'équilibre de qualité et de débit au moment de la compression initiale via un certain nombre d'interfaces de programmation.
L'encodeur comporte un compromis entre vitesse, qualité et débit.
Si l'utilisateur se concentre sur la qualité, il doit être prêt pour des temps d'encodage plus longs ou pour fournir des ressources de traitement plus rapides et plus abondantes.
Si un utilisateur s'efforce de garantir que le fichier encodé au format VP9 de sortie est de petite taille et qu'il peut être livré rapidement, il doit être prêt à réduire la durée du traitement de l'image par le quantificateur. Le quantificateur pourra ainsi fonctionner moins en détail.
Si un utilisateur se concentre uniquement sur la vitesse de diffusion (par exemple, dans une rediffusion en direct ou une visioconférence bidirectionnelle), la quantification peut être entièrement subordonnée à des contraintes concernant la vitesse à laquelle les octets de données utilisables peuvent être envoyés sur un réseau (c'est-à-dire &bitt&bitt;).
Le choix sera très spécifique à chaque cas d'utilisation. Pour faciliter l'ajustement de ce solde selon votre cas d'utilisation, le mode VP9 est compatible avec la configuration simple en quatre modes de débit.
Modes de débit VP9
Commençons par examiner les principaux modes de débit compatibles avec le format VP9:
| Mode | |
|---|---|
| Quantificateur permanent (Q) | Permet de spécifier une valeur de quantificateur fixe. Le débit varie. |
| Qualité limitée | Permet de définir un niveau de qualité maximal. La qualité peut varier en fonction des paramètres de débit |
| Débit variable (VBR) | Équilibre entre la qualité et le débit au fil du temps tout en respectant les contraintes de débit |
| Débit constant (CBR) | Essayer de garder le débit plutôt constant alors que la qualité varie |
Q
Le mode Constant Quantizer est un bon choix pour les situations dans lesquelles les problèmes de taille de fichier et de débit sont entièrement liés à la qualité finale.
Les cas d'utilisation pour les paramètres Q se trouvent dans les cinémas numériques, les suites de retouche numérique ou les applications de signalétique numérique. Le contenu peut être diffusé sur un support de stockage physique ou sur une durée illimitée, bien avant l'utilisation réelle du contenu, et la sortie doit être de la meilleure qualité visuelle.
Optimisation du débit en mode VP9 Q
Le mode Constant Quantizer nécessite une configuration minimale. Comme son nom l'indique, le mode Q s'efforce de maintenir le quantificateur à un niveau de qualité cible et de permettre au quantificateur de déterminer le flux de données qu'il souhaite traiter. Ce dont l'utilisateur a besoin, c'est la qualité de la cible.
Vous trouverez plus d'informations sur les spécificités de la qualité cible lors du traitement d'une image (et non sur celle du débit) dans l'article Encodage de base.
Utilisez les paramètres de ligne de commande FFmpeg suivants pour optimiser le débit en mode Q:
| ffmpeg | |
|---|---|
-b:v 0 |
En marquant le débit vidéo comme 0, nous définissons explicitement le mode " |
-g <arg> |
Définit l'intervalle d'images clés dans les images (240 par défaut). |
-crf <arg> |
Définit le niveau de qualité maximal. Les valeurs valides sont comprises entre 0 et 63. Plus la valeur est faible, meilleure est la qualité |
-quality good -speed 0 |
Valeur par défaut et recommandée pour la plupart des applications. best est plus un outil de recherche, avec une amélioration marginale par rapport à -quality good -speed 0 |
-lossless |
Mode sans perte |
Débit en mode Q : exemples FFmpeg
Le premier exemple est un paramètre de mode Q très extrême et n'est fourni qu'à titre indicatif. (Dans cet exemple, le traitement de l'extrait de 120 secondes nécessite plusieurs heures. Le fichier de sortie généré est généralement beaucoup plus volumineux que la source d'origine.)
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -g 1 -b:v 0 -crf 0 -quality good \
-speed 0 -lossless 1 -c:a libvorbis Q_g_1_crf_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm.webm
Pour comparer l'effet de -crf, les exemples suivants varient uniquement en -crf. Notez que -g n'est pas défini, est donc défini par défaut sur 240 et, dans la pratique, -crf est défini par défaut sur 10. Nous aurions donc obtenu le même résultat sans inclure l'un ou l'autre de ces paramètres dans le deuxième des deux exemples:
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 0 -crf 0 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_crf_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 0 -crf 10 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_crf_10_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 0 -crf 63 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_crf_63_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Le résultat de ces exemples varie en fonction de la taille sur le disque. Avec -crf défini sur 0, le fichier avait une taille de 711,8 Mo, -crf était de 125,3 Mo et -crf était de 4,5 Mo. En d'autres termes, cela montre que nous avons réduit la qualité du fichier encodé au format VP9 en augmentant la valeur de l'argument -crf. Vous trouverez un récapitulatif complet de l'ensemble des fichiers de sortie dans le tableau des résultats ci-dessous.
Comparons maintenant l'effet de la variation du paramètre -g.
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -g 1 -b:v 0 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_g_1_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -g 240 -b:v 0 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_g_240_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -g 480 -b:v 0 -quality good \
-speed 0 -c:a libvorbis Q_g_480_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Nous constatons que le paramètre -g 1 génère un fichier très volumineux, d'une taille de 25,9 Mo.
Comparez cette valeur à la valeur -g 240 (définissant explicitement de la même manière que la valeur par défaut) pour un fichier de 4,5 Mo, et à -g 480 pour un fichier de 4,4 Mo.
CQ
CQ est l'option recommandée pour les vidéos basées sur des fichiers.
Pour la plupart des types de contenu, nous vous recommandons d'utiliser le mode de qualité forcée, avec des limites de débit. La plupart des vidéos contiennent une combinaison de scènes très animées (séquences d'action, par exemple) et de moindres détails (conversations, par exemple). Le mode CQ permet à l'encodeur de maintenir un niveau raisonnable de qualité pendant des scènes plus longues et plus faciles (sans gaspillage d'images), tout en allouant plus de bits pour les séquences difficiles.
Néanmoins, nous devons tout de même limiter le processus en fournissant une plage supérieure. Dans le cas contraire, aucune compression n'est possible. Nous pouvons également définir une plage inférieure, où même si l'image est noire et que le processus d'encodage n'a presque rien d'autre, nous continuerons à débiter ces données, peut-être moins efficacement que possible, mais avec le résultat final, même le noir n'est pas considérablement compressé et très noir.
Il faut également définir le seuil de quantificateur. Dans le VP9, le seuil du quantificateur peut varier de 0 à 63.
Les paramètres de ligne de commande FFmpeg suivants sont utilisés en mode CQ:
| ffmpeg | |
|---|---|
-b:v <arg> |
Débit cible défini (par exemple, 500 000). |
-minrate <arg>-maxrate <arg> |
Définit le débit minimal et maximal. |
-crf <arg> |
Définit le niveau de qualité maximal. Les valeurs valides sont comprises entre 0 et 63, et les valeurs inférieures sont de meilleure qualité. |
Mode de débit CQ: exemples FFmpeg
Le premier exemple fournit une contrainte relativement large. Par rapport aux exemples donnés ci-dessus pour Q, nous avons toutefois constaté que cela conduit à des débits plus élevés et à une qualité de sortie nettement supérieure. La taille du fichier est considérablement plus importante.
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1000k -maxrate 4000k -crf 10 -c:a libvorbis \
CQ_4000_1000_crf_10_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Dans cet exemple, le fichier de sortie était de 20,2 Mo sur le disque, nettement inférieur au code Q dans les exemples ci-dessus.
En revanche, pour l'exemple suivant, nous avons limité le débit à une plage beaucoup plus définie.
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -crf 10 -c:a libvorbis \
CQ_2500_1500_crf_10_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Dans ce cas, la taille du fichier de sortie était de 24,1 Mo, et lorsque la complexité et le mouvement sont élevés, la qualité vidéo est visiblement réduite par rapport à l'exemple précédent.
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 1000k \
-minrate 750k -maxrate 1400k -crf 10 -c:a libvorbis \
CQ_1400_750_crf_10_120s_tears_of_steel_1080pp.webm
Dans ce dernier exemple, la sortie a été considérablement réduite, chutant à 13,2 Mo sur le disque.
Taux d'affichage
Le mode de débit variable (VBR) est recommandé pour les fichiers de vidéo à la demande diffusés en streaming et dans des scènes animées (comme le sport). Il est parfaitement adapté à la diffusion via HTTP.
Dans un modèle VBR, les scènes d'action peuvent être encodées avec un débit supérieur à celui des scènes plus claires, qui correspondent à l'image clé.
Pour les modèles de diffusion en flux continu volumineux, les avantages de VBR peuvent s'avérer considérables à la fois en termes de distribution et d'infrastructure. Lorsque de nombreux flux VBR sont diffusés via la même infrastructure, cela peut offrir des avantages à tous les utilisateurs du système.
Le format VP9 VBR est également recommandé pour encoder les sports et autres contenus à fort impact. Pour un contenu aussi complexe, le VBR améliore la qualité de l'image pendant les périodes de faible mouvement.
Les paramètres de ligne de commande FFmpeg suivants sont utilisés en mode VBR:
| ffmpeg | |
|---|---|
-quality good |
Si elle est présente, FFmpeg prend en compte le paramètre -speed suivant. |
-speed <arg> |
Pour les annonces vidéo à la demande, les valeurs valides sont comprises entre 0 et 4, 0 étant la qualité la plus élevée et 4 la plus faible. (Pour le streaming en direct, la plage est comprise entre 5 et 8 ; voir le CBR ci-dessous.) |
Mode de débit VBR: exemples FFmpeg
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -quality good -speed 0 -c:a libvorbis \
VBR_good_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -quality good -speed 5 -c:a libvorbis \
VBR_good_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -quality good -speed 8 -c:a libvorbis \
VBR_good_8_120s_tears_of_steel_1080pp.webm
CBR
Le mode débit constant est recommandé pour le streaming en direct avec VP9.
Le débit supérieur définit essentiellement le débit maximal en tant que plafond fixe. Cela signifie que le processus d'encodage ne peut pas produire de données à une fréquence que le réseau ne peut pas transporter.
Par exemple, pour les flux de communication en temps réel (visioconférence), il est important que l'application d'encodage n'inonde pas le réseau avec plus de données que ce qu'elle peut transporter. Si tel est le cas, les problèmes de synchronisation audio/vidéo ou les images figées affectent considérablement l'expérience utilisateur, plus que l'efficacité de la compression. En s'assurant que le plafond fixe est défini, le VP9 réduit la qualité au fur et à mesure que le plafond est atteint.
Les paramètres de ligne de commande FFmpeg suivants sont utilisés en mode CBR:
| ffmpeg | |
|---|---|
-quality realtime |
Si elle est présente, FFmpeg prend en compte le paramètre -speed suivant. |
-speed <arg> |
Pour le streaming en direct, les valeurs valides sont comprises entre 5 et 8, 5 étant la qualité la plus élevée et 8 la plus basse. Pour les vidéos à la demande, leur nombre est compris entre 0 et 4. Voir VBR ci-dessus). |
-minrate <arg>-maxrate <arg> |
Définit le débit minimal et maximal ** : ces valeurs doivent être définies sur la même valeur de débit -b:v pour le mode CBR** . |
En termes très simples, nous corrigeons les débits minimal et maximal de la même valeur, puis nous indiquons au quantificateur que les opérations sont urgentes.
Mode de débit CBR: exemples FFmpeg
Les exemples ci-dessous montrent comment définir le débit sur 2 Mbit/s et 500 Kbit/s pour les cibles suivantes:
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 2000k -maxrate 2000k -quality realtime -speed 0 -c:a libvorbis \
CBR_2000_realtime_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 2000k -maxrate 2000k -quality realtime -speed 5 -c:a libvorbis \
CBR_2000_realtime_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 2000k -maxrate 2000k -quality realtime -speed 8 -c:a libvorbis \
CBR_2000_realtime__8_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 500k -maxrate 500k -quality realtime -speed 0 -c:a libvorbis \
CBR_500_realtime__0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 500k -maxrate 500k -quality realtime -speed 5 -c:a libvorbis \
CBR_500_realtime_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 500k -maxrate 500k -quality realtime -speed 8 -c:a libvorbis \
CBR_500_realtime_8_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Les résultats
Chacun des encodages ci-dessus a été effectué sur un système Ubuntu Linux avec les spécifications suivantes:
- Processeur: processeur Intel(R) Core(TM) i5-6500 à 3,20 GHz
- Mémoire (RAM): 8 060 Mo (1 492 Mo utilisés)
- Carte graphique: Intel HD Graphics 530 (Skylake GT2)
- OS: Ubuntu 16.04 LTS
Dans tous les cas, le fichier source était une minute, vingt secondes (1:20) tiré de Tears of Steel.
Il était évident que définir des valeurs -speed supérieures à 5 transforme la vitesse de traitement du VP9. Bien qu'il s'agisse d'une augmentation significative du quantification (regardée par le fort effet de débit élevé), le VP9 est toujours en mesure de produire une sortie 1080p d'un faible débit, bien qu'il soit mieux adapté aux petits appareils mobiles que les écrans plus grands.
Remarques concernant les cas d'utilisation avec un redimensionnement (redimensionnement)
Les modes de débit du format VP9 ne sont évidemment pas isolés et peuvent être associés à de nombreux autres arguments et paramètres pour cibler spécifiquement des cas d'utilisation. Généralement, vous pouvez redimensionner les dimensions de la vidéo de sortie pour cibler un appareil spécifique.
Dans un exemple classique, il s'agissait de convertir une diffusion en HD en sortie SD. Là encore, cela aura des effets significatifs sur le temps de traitement et le débit de sortie. Dans un scénario où deux commandes FFmpeg sont sinon identiques, il suffit d'ajuster la taille de la vidéo de sortie pour changer la taille du fichier obtenu, ainsi que son débit, dans un modèle de streaming.
Pour illustrer cela, nous avons pris un exemple de point médian de chacun des modes de débit et ajouté des paramètres de redimensionnement.
Mode Q
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 0 -crf 10 -quality good \
-speed 0 -vf scale=640x480 -c:a libvorbis 640x480_Q_crf_10_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Mode CQ
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -crf 10 -vf scale=640x480 -c:a libvorbis \
640x480_CQ_crf_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Mode VBR
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 1500k -maxrate 2500k -quality good -speed 5 -vf scale=640x480 \
-c:a libvorbis 640x480_VBR_good_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Mode CBR
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 2000k \
-minrate 2000k -maxrate 2000k -quality realtime -speed 5 -vf scale=640x480 \
-c:a libvorbis 640x480_CBR_2000_realtime_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Table des résultats du redimensionnement
| File | Encoder des minutes | Taille du fichier sur le disque |
|---|---|---|
| 640 x 480_Q_crf_10_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 5 | 3,4 Mo |
| 640 x 480_CQ_crf_0_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 2 | 22,4 Mo |
| 640x480_VBR_good_5_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 1 | 22,6 Mo |
| 640x480_CBR_2000_realtime_5_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 4 | 23 Mo |
Pour faciliter la comparaison, les commandes FFmpeg suivantes sont identiques à celles de nos exemples précédents, mais sans la mise à l'échelle:
| File | Encoder des minutes | Taille du fichier sur le disque |
|---|---|---|
| Q_crf_10_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 56 | 126 Mo |
| CQ_2500_1500_crf_10_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 9 | 24,1 Mo |
| VBR_good_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm | 4 | 23,9 Mo |
| CBR_2000_realtime_speed_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm | 1 | 24,8 Mo |
Comme vous pouvez le constater, il y a une réduction notable de la taille des fichiers de sortie pour chacune d'entre elles. Bien que dans la plupart des exemples, le temps d'encodage soit réduit, le temps d'encodage a réellement augmenté. La compression d'une vidéo + nécessite plus d'efforts. Par conséquent, même si le fichier de sortie est censé être moins volumineux si la qualité n'est pas limitée (en mode Q), cela peut augmenter le temps nécessaire à la création du fichier de sortie. Ne partez pas du principe qu'un fichier plus petit peut toujours être livré plus rapidement par le processus d'encodage.
Redimensionnement et réduction du débit en combinaison
Pour terminer, les exemples suivants permettent de réexécuter des exemples de redimensionnement CQ, VBR et CBR, mais nous appliquons cette fois le débit cible à un niveau de 500 Kbit/s, soit environ un quart (avec la baisse de la taille de l'image).
Mode CQ
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 350k -maxrate 550k -crf 10 -vf scale=640x480 -c:a libvorbis \
640x480_CQ_crf_0_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Mode VBR
ffmpeg -i "120s_tears_of_steel_1080p.webm" -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 350k -maxrate 500k -quality good -speed 5 -vf scale=640x480 -c:a libvorbis \
640x480_VBR_good_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Mode CBR
ffmpeg -i 120s_tears_of_steel_1080p.webm -c:v vp9 -b:v 500k \
-minrate 500k -maxrate 500k -quality realtime -speed 5 -vf scale=640x480 -c:a libvorbis \
640x480_CBR_2000_realtime_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm
Tableau des résultats de redimensionnement et de réduction du débit cible
| File | Encoder des minutes | Taille du fichier sur le disque |
|---|---|---|
| 640 x 480_CQ_500_crf_0_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 1 | 7 Mo |
| 640 x 480_VBR_500_good_5_120s_téars_of_steel_1080p.webm | 1 | 7 Mo |
| 640 x 480_CBR_500_realtime_5_120s_tears_of_steel_1080p.webm | 1 | 7,6 Mo |
Comme vous pouvez le constater, la durée d'encodage a été raccourcie.