4К видео - мисия възможна!

Преди доста години възпроизвеждането на Full HD 1080P видео беше актуално. Хората се вълнуваха, купуваха си телевизори за целта и чакаха по няколко дни, за да свалят филм с тази резолюция, който често заемаше значителна част от хард диска им. Хардуерът, който можеше да се справи, беше рядкост и често задоволителен вариант беше и 720P.

Днес телефонът в джоба ни има Full HD резолюция и декодира 1080P видео без никакъв проблем, та какво остава за телевизора в хола и настолния компютър? За щастие технологиите напредват и новата мода вече се нарича UHD. Това е термин, който обхваща в себе си видео с резолюция по-висока от 1080P, както и по-реалистични цветове и повече кадри в секунда от стандартните 24/30. В рамките на тази статия ще се фокусираме върху т.нар 4К, Ultra HD или 2160P резолюция: какво представлява, какви са спецификите при възпроизвеждане, какъв хардуер ни трябва, как се справя той и какво можем да очакваме да ни свърши работа. Е, нека започваме!


Класическа 1080P/HDTV картина е такава с поне 1080 вертикални пиксела. При най-масовия формат 16:9 това най-често отговаря на резолюция 1920х1080. За да може едно видео да отговаря на критериите за 4К, Ultra HD или 2160P, трябва резолюцията да бъде поне 3840x2160 или 4 пъти по-висока. Среща се и терминът 4Kx2K, което означава 4096x2160 пиксела и най-често се среща в проектори или професионални камери. Не рядко става въпрос и за доста повече от 24 кадъра в секунда.

Добре е да споменем и няколко думи за кодека, който се използва. Отдавна останаха в миналото DivX/XviD, които бяха реализации на стандарта MPEG-4 ASP (Advanced Simple Profile). Говорим за 2001-2004 година и времената преди Full HD/1080P и филми с резолюция околo 720×480. След тях малко по малко стана популярен H.264, който е реализация на стандарта MPEG-4 Part 10 AVC (Advanced Video Coding). До скоро H.264 беше златният стандарт по съотношение качество и големина на файла. Част от 4K съдържанието е компресирано именно с този кодек, но той вече има наследник.

Ролята на кодекът е да компресира видео съдържанието. Защо това е нужно? Защото Full HD видео без никаква компресия би изисквало безумните 95 MB/s. Или с други думи около 342GB на час. При 4K тази цифра нараства на 1,3TB на час. Очевидно е, че е добре да прилагаме компресия. Разбира се, тя е със загуба. Ролята на кодека е посредством доста сложен модел на човешкото зрение да прецени коя информация трябва да остане и коя да бъде премахната. Това е много сложен процес и е свързан с компромиси.

Тук е моментът да въведем един термин – битрейт. Той означава колко бита са нужни в секунда, за да се компресира дадено видео. Колкото по-нисък е битрейтът на едно компресирано видео, толкова по-видими са тези компромиси. Детайлите като трева и листа на дървета стават „замазани“, около движещи се бързо обекти се появяват малки квадратчета, а част от статично изображение като стена зад човек, започва да се мести заедно с неговите движения. Темата е дълга, но с две думи – всеки кодек има оптимален битрейт за даден тип съдържание, падането под което видимо влошава качеството. Това е свързано с интензивността на движението, както и използваните цветове и контраст между елементите в изображението. Да речем спортни събития като футбол винаги искат по-висок битрейт за добро качество от емисия новини, в която един човек говори и почти нищо не се движи.

Всяко следващо поколение кодек се справя по-добре при еднакъв битрейт спрямо предишното, което позволява или да намалим размера на файла при същата резолюция или да увеличим резолюцията и запазим същото качество и размер. Компресирането на 4К/2160P видео съдържание спрямо 1080P със същия кодек и качество би довело до 4 пъти по-висок битрейт или по-голям файл. Разбира се, технологиите напредват и вече остарелия H.264 кодек има наследник.

Името на новия стандарт при компресиране се нарича H.265 или High Efficiency Video Coding (HEVC). С него се постигна по-високо качество при по-нисък битрейт. Тъй като 4K е 4 пъти по-висока резолюция от Full HD, логично е за запазване на качеството, да е нужен и по-висок битрейт. Тук се намесва H.265, който позволява значително по-ефективна компресия от своя предшественик. Разликата е около 2 пъти и за съжаление е частично валидна и за процесорната мощност, нужна за декодиране. Нашите тестове не показаха 2 пъти по-високо натоварване, но е видима разликата с H.264.

С други думи – в случай, че 4K видеото е компресирано с HEVC вместо H.264 за същото качество файлът ще е около 2 пъти по-малък, но ще товари процесора повече по време на възпроизвеждане и има вероятност той да не се справя в реално време.

Всичко казано до тук поставя голямо предизвикателство пред хардуера, който се заема с нелеката задача да декодира съдържанието в реално време. От една страна имаме 4 пъти по-висока резолюция, от друга нов кодек, който е по-натоварващ. В най-лошия случай за комбинацията 4К + HEVC ни трябва няколко пъти повече процесорна мощност спрямо Full HD + H.264!

Вариант е да разчитате само на процесора, при което видео картата няма никакво значение – тя само показва всеки вече декодиран кадър. Определено, обаче, за предпочитане е самата видео карта да се заеме с декодирането. Във всички съвременни видео карти на nVidia това е реализирано посредством технологията PureVideo. Нейната цел е видео плейърът да подава компресирания видео поток, а видео картата сама да декодира и възпроизвежда, без участието на централния процесор. PureVideo има няколко поколения, като всяко следващо поддържа все повече кодеци и по-висока резолюция.

Петото поколение PureVideo поддръжа декодирането на 4K резолюция с кодек H.264. То се използва в Fermi микроархитектура, въведена с GeForce GT 520, както и в следващата микроархитектура, Kepler (GeForce 600/700). Седмото поколение PureVideo, използвано в Maxwell архитектура (въведена с GeForce GTX 960) вече може да декодира и HEVC/H.265.

При AMD технологията се нарича UVD – Unified Video Decoder. Петото поколение, въведено с Radeon R9 285, поддържа 4K декодиране на H.264. Поддръжка за HEVC на този етап съществува само в AMD Carrizo.

Като плейър може да препоръчаме MPC-BE. Програмата поддържа множество файлови формати и най-важното – хардуерно ускорение през DXVA, така че ако видео картата ви може да помогне с декодирането, със сигурност това ще се случи. Дори да не може напълно да декодира видеото, е възможно част от изчисленията да се поемат от нея. Например motion compensation / deblocking.

Тестовете ни започнаха със сравнително стар, но пък 4 ядрен процесор. HP xw4600 Workstation с процесор E8400 с 4 ядра на 2.66GHz се оказа слаб. Успяваше да се справи с високо гранично натоварване на процесора на 2-3 от тестовите ни материали, но се провали с всички останали.

Десктоп машина с Core i5-2400 @ 3.10GHz и вградена графика Intel HD Graphics 3000, която не поддържа хардуерно ускорение, се справи с всяко видео, с изключение на 10 битов H.264 материал с много висок битрейт, както и тест на 60 кадъра с кодек HEVC. При повечето ни материали процесорът се товареше между 20% и 70%.

Тази комбинация от процесор и видео карта биха се справили с почти всяко видео, което й дадете. Все пак ето пример как H.264 и 10 бита цвят доведоха до CPU usage 95% и често пропускане на кадри.

Нашите тестове показаха, че вграденото видео в Sandy Bridge (Intel HD Graphics 3000) не може да декодира хардуерно 4K резолюция, но се справя чудесно с Full HD. За хардуерно 4К декодиране е нужно поне трето поколение или Ivy Bridge. От друга страна Ivy Bridge може да декодира, но не може да изведе 4К сигнал през никой видео изход. Първото поколение на Intel, което може и да декодира и да изведе сигнала на външен екран, е Haswell.

Опитахме и с вградената видео карта в някои лаптопи nVidia NVS 4200M, но поддържайки само 4-то поколение PureVideo, беше възможно да се ускори напълно само декодирането на Full HD, но не и 4K видео. Мобилният процесор Core i5-2520M в комбинация с Intel HD Graphics 3000 не успя да се справи с нито едно видео в реално време.

Тествахме и Android Box-a Rikomagic V5. Той успява да възпроизведе видео и с двата кодека, но не успяваяше да декодира в реално време всяко едно видео. Rikomagic MK80 пък се справи отлично и в реално време с всички видеа с кодек H.264, но не успя да подкара нито едно видео с HEVC.

Лаптопът, който се представи като първенец, беше Alienware с процесор Core i7-4700QM и видео карта nVidia GTX 765M. Първоначално имаше инсталирани драйвери от август 2014 година, версия 315. С тях пълното хардуерно ускорение не работеше. В този случай видео картата поема част от процеса. Може да се види в какви проценти се натоварва процесора и графичната карта.

Oбърнете внимание на реда DXVA: Not using DXVA

След ъпдейт до последната версия нямаше никакви проблеми и спокойно можем да препоръчаме лаптопа за възпроизвеждане на видео с 4K резолюция. В следващата снимка може да се види как натоварването се разпределя между процесора и видео чипа.

За тази машина не са проблем дори 60 кадъра в секунда, но със старите драйвери, когато декодирането прави самия процесор.

С новия драйвер, когато с това се заема видео картата, кадрите са ограничени до 30 в секунда.

Тествахме HP Z400 в две конфигурации:

1. nVidia Quadro 2000 с PureVideo 4, която не поемаше напълно хардуерно декодирането. В случая част от декодирането се извършва на видео картата, но не изцяло.

2. nVidia GeForce GTX 650 с PureVideo 5, която декодираше напълно хардуерно H.264.

Ето как изглежда това в процентно натоварване на процесора:

Друго видео, което също е перфектно ускорено от мощния видео чип и което точно на този кадър товари над 70% Core i5-2400 @ 3.10GHz:

Заключението е, че мощният процесор се справя добре и без хардуерно ускорение, но когато го има, не се товари изобщо. Изключение прави разбира се HEVC, който няма как да бъде декодиран хардуерно на този хардуер и тогава няма разлика. Прави впечатление и най-натоварващото 10 битово H.264 видео, което явно не може да се декодира хардуерно на нито една машина.

	H.264 3840x 2160 23.976fps	H.264 3840x 2160 30fps	H.264 3840x 2160 25fps	H.264 3840x 2160 60fps	H.264 3996x2160 24fps 10-bit	HEVC 3840x 2160 23.976fps	HEVC 3840x 2160 60fps	HEVC 3840x 2160 24fps
Core i3-2400 @ 3.10GHz 4C/4T, HD Graphics 2000 (no acceleration)	60%	88%	51%	54% @30fps	100% frame skip	100% frame skip	78% @30fps	42%
Alienware M17x Core i7-4700QM, GTX 765M Old drivers (08.2014)	50%	30%	28%	35% @60fps	88%	40%	42@ @60fps	23%
Alienware M17x Core i7-4700QM, GTX 765M Latest drivers (07.2015)	1%	1%	3%	4% @30fps	88%	40%	42@ @60fps	23%
HP Z400 XEON W3520 @ @2.67GHz, nVidia Quadro 2000 (no acceleration)	27%	41%	31%	36% @60fps	90%	75%	57% @60fps	15%
HP Z400 XEON W3520 @ @2.67GHz, nVidia GeForce GTX 650 (PureVideo 5)	5%	2%	1%	1% @38fps, frame skip	95%	70%	56% @60fps	15%

Добър избор за хардуерно декодиране са всички карти на nVidia, които поддържат PureVideo 5. Ето списък с чиповете и самите видео карти:

GF119: GeForce 410M, GT 520MX, 510, GT 520, GT 610, GT 620 (OEM)
GF117: GeForce GT 620M, GT 625M, GT 710M, GT 720M, GT 820M
GK107: GeForce GT 630 (28 nm), GT 640 (non-OEM), GTX 650, GT 640M, GT 645M, GT 650M, GTX 660M, GT 740M, GT 745M, GT 750M, GT 755M
GK106: GeForce GTX 650 Ti, GTX 660, GTX 670MX, GTX 675MX, GTX 760M, GTX 765M, GTX 770M
GK104: GeForce GTX 660 (OEM), GTX 660 Ti, GTX 670, GTX 680, GTX 690, GTX 760, GTX 760 Ti, GTX 770, GTX 680M, GTX 680MX, GTX 775M, GTX 780M, GTX 860M, GTX 870M, GTX 880M
GK110: GeForce GTX 780, GTX 780 Ti, GTX TITAN, GTX TITAN BLACK, GTX TITAN Z
GK208: GeForce GT 630 rev. 2, GT 635, GT 640 rev. 2, GT 730M, GT 735M, GT 740M
GM107: GeForce GTX 745, GTX 750, GTX 750 Ti, GTX 850M, GTX 860M
GM108: GeForce 830M, 840M
GM204: GeForce GTX 970, GTX 980, GTX 970M, GTX 980M
GM206: GeForce GTX 960
GM200: GeForce GTX TITAN X, GeForce GTX 980 Ti

Особено внимание заслужават GeForce GT 630 и GT 640, защото имат и версии с PureVideo 4, които не биха свършили работа.

В заключение можем да си извадим извода, че за сигурносто възпроизвеждане на 4К видео ви е нужен минимум 4 ядрен процесор Intel Core на около 3GHz в комбинация с видео карта, която може да поене поне част от процеса (motion compensation / deblocking).

Ако става въпрос за настолна машина и искате да можете да възпроизведете всяко видео, на което бихте попаднали, препоръчваме бърз процесор с много ядра. Това се явява единственият сигурен начин в случай, че попаднете на видео с HEVC кодек. Към момента той може да се декодирна хардуерно от AMD Carrizo или GeForce GTX 960, но едва ли бихте си купили тази видео карта точно с тази цел. Дори видео картата ви да е в състояние да ускори процеса, бързият процесор гарантира добри резултати, а и сте повече или по-малко независими от конкретен видео плейър, който да работа с хардуерното ускорение.

Ако вече имате настолна машина, която не е в състояние да декодира 4K и не ви се дават много пари, тогава най-добрият вариант да си купите възможно най-достъпната видео карта с PureVideo 5 на nVidia. Внимание – тогава ще можете да подкарате само 4K видео с кодек H.264, но не и HEVC.

Ако имате лаптоп, то може просто да проверите как се справя с тази задача с последните драйвери и плейъра MPC-BE. В Интернет лесно ще намерите 4K видео за тест. Ако резултатът не ви хареса, то изходът е да смените лаптопа, освен ако не притежавате някоя рядка модификация със сменяема видео карта.

Ако планирате да купувате лаптоп, нещата стоят по подобен начин като с настолна машина. Или залагате на мощен процесор, който да се справи или на видео карта, която да поеме нещата в свои ръце. Разбира се, вторият вариант е много повече за предпочитане, защото така ще спестите и от батерия и от шум, който е неминуем при близко до 100% натоварване на процесора. Да, иначе товарите видео картата, но тя е оптимизирана за подобен вид натоварване и е с пъти по-ефективна, а от там харчи по-малко ток и разсейва и по-малко топлина.

Тестът се прави по следния начин – пускате видеото в MPC-BE, давате десен бутон, Renderer Settings, Display Stats и следите реда, започващ с DXVA. Ако там пише „Not using DXVA”, нямате късмет. Може да видите на последния ред как се товари процесора. Ако на много бързи кадри не подминава 70%-80%, то всичко е наред. Ако обаче стига до 100% и се губят кадри, машината е слаба.

Ако пък видите надпис като DXVA: H.264 E, bitstream decoder, no FGT, то вашата видео карта се е заела с декодирането и е вероятно процесорът да се товари на 1%-5%.

По-долу са дадени подходящи работни станции (Workstation), способни да декодират без проблем 90% от наличното 4К съдържание. Придържайки се към кодек H.264 и не повече от 30 кадъра в секунда, следните машини ще се справят без никакъв проблем.

HP Z400 с мощен сървърен процесор Intel Xeon W3520 - аналог на Core i7, 8MB кеш, 4 ядра, 8 нишки, 2.66GHz, турбо до 2.93GHz.
HP Z200 с подобен процесор - Intel Xeon X3450 - аналог на Core i7, 8MB кеш, 4 ядра, 8 нишки, 2.66GHz, турбо до 3.20GHz.
Lenovo Thinkstation S20 със същия процесор като HP Z400 - Intel Xeon W3520.
Fujitsu Celsius W380 с процесор Intel Xeon X3470 - аналог на Core i7, 8MB кеш, 4 ядра, 8 нишки, 2.93GHz, турбо до 3.60GHz.
Fujitsu Esprimo P910 с процесор Intel Core i5-3470 с 6MB кеш, 4 ядра, 4 нишки, 3.20GHz, турбо до 3.60GHz. Това е трето поколение Core архитектура (Ivy Bridge) и машината може хардуерно да декодира 4К с вградената Intel HD Graphics 2500, но не може да изведе на монитор по-висока резолюция от 2560х1600.
HP Pavilion HPE с процесор Intel Core i7-2600, 8MB кеш, 4 ядра, 8 нишки, 3.40GHz, турбо до 3.80GHz.

Разбира се, всяка една от тези машини може да бъде конфигурирана с допълнителна видео карта, която може да разтовари процесора.

Лаптопи, които са подходящи за декодиране на 4К видео са:

Alienware M17X с процесор Intel Core i7-4700QM и видео карта nVidia GTX 765M.
HP EliteBook Revolve 810 с процесор Intel Core i5-3437U, съответно трето поколение Ivy Bridge с вградена графика Intel HD Graphics 4000. Тук уловката е, че софтуерно процесорът няма как да се справи, но ако се придържате към кодек H.264, вграденята графика ще е в състояние да поеме декодирането.
IBM/Lenovo ThinkPad T430 с процесор Intel Core i5-3320M. Валидна е същата забележка като HP EliteBook Revolve 810 - софтуерно процесорът няма как да се справи, но ако се придържате към кодек H.264, вграденята графика ще е в състояние да поеме декодирането.

В заключение можем да кажем, че универсална формула все още не съществува. Трябва добре да прецените какво планирате да гледате, на какъв хардуер и да се подготвите за целта. След известно време ще може масово да се декодира хардуерно и HEVC. Към този момент това може да се прави единствено от AMD Carrizo и GeForce GTX 960, но докато не стане достъпно, винаги можем да разчитаме на по-мощен процесор да върши тази нелека задача.