Zo werken videocodecs: van beeld naar bitstream

In de 21e eeuw is videocontent niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Van streamingdiensten zoals Netflix en YouTube tot videocalls en sociale media: video is de dominante vorm van digitale communicatie en entertainment. De explosieve groei van videocontent heeft echter geleid tot enorme technische uitdagingen, vooral op het gebied van opslag en transmissie. Achter de schermen spelen videocodecs een cruciale, maar vaak onzichtbare rol bij het mogelijk maken van efficiënte en kwalitatief hoogwaardige videoweergave.

Videocodecs, een samentrekking van de woorden ‘video’, ‘coder’ en ‘decoder’, zijn technologieën die videobestanden comprimeren en decomprimeren. Ze werken door irrelevante of redundante gegevens te verwijderen, zodat de bestandsgrootte wordt verkleind zonder merkbaar kwaliteitsverlies. Dit proces is essentieel om video’s via het internet te streamen, opslagruimte te besparen en de bandbreedte-efficiëntie te maximaliseren. Zonder effectieve videocompressie zou het streamen van een film in 4K-resolutie of het voeren van een videogesprek met minimale vertraging vrijwel onmogelijk zijn. De videopaketten zouden simpelweg te groot zijn om via het internet te versturen. Met de toename van hogere resoluties, zoals 4K en 8K, en nieuwe toepassingen zoals virtual reality en cloudgaming, wordt de rol van videocodecs steeds belangrijker. Innovaties zoals de High Efficiency Video Coding (HEVC) en de nieuwe AV1-codec bieden verbeteringen in compressie en efficiëntie, wat bijdraagt aan een soepelere kijkervaring met minder data- en energieverbruik. In dit artikel bespreken we de fundamentele werking van videocodecs, hun evolutie door de jaren heen en de impact van moderne compressietechnologieën op de toekomst van digitale video. We gaan in op de meest gebruikte codecs, de voor- en nadelen die eraan vasthangen en de uitdagingen die gepaard gaan met verdere ontwikkeling.

Een film die echt op film wordt opgeslagen, neemt flink wat plek in beslag.

De noodzaak van videocompressie

Onbewerkte videobestanden kunnen gigantisch groot zijn. Een minuut aan onbewerkte 4K-beelden kan gemakkelijk honderden gigabytes aan opslagruimte vereisen. Dit brengt enorme uitdagingen met zich mee op het gebied van opslag en bandbreedte. Daarom is videocompressie noodzakelijk om de beelden beheersbaar te maken voor opslag en streaming, zonder dat de kwaliteit drastisch afneemt. De compressie kan worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: lossless of verliesvrije en lossy compressie (met kwaliteitsverlies). Bij lossless compressie blijft alle originele informatie behouden, wat resulteert in een perfect gereconstrueerd bestand, maar met een beperkte reductie in grootte. Lossy compressie daarentegen verwijdert overbodige gegevens die het menselijk oog nauwelijks waarneemt, waardoor een veel grotere reductie in bestandsgrootte mogelijk is. Een belangrijke techniek binnen lossy compressie is perceptuele codering. Dit principe maakt gebruik van de eigenschappen van het menselijk oog om irrelevante visuele informatie weg te laten. Een voorbeeld hiervan is de manier waarop JPEG-compressie werkt voor stilstaande afbeeldingen: details in minder opvallende delen van het beeld worden weggefilterd om de bestandsgrootte te verkleinen zonder significante kwaliteitsvermindering. Voor de afzonderlijke frames van een video, die bestaat uit een aaneenschakeling van opeenvolgende stilstaande beelden, gebeurt ongeveer hetzelfde.

Het formaat van video’s wordt steeds groter, waardoor compressie steeds belangrijker wordt.

De ontwikkeling van videocodecs

De geschiedenis van videocodecs begint met de eerste digitale compressiestandaarden. MPEG-1 en MPEG-2 waren pioniers in de videocompressietechnologie. MPEG-1 werd veel gebruikt voor Video CD’s (VCD), terwijl MPEG-2 de standaard werd voor dvd’s en digitale televisie-uitzendingen. Met de opkomst van internetvideo ontstond echter de behoefte aan efficiëntere codecs. MPEG-4 Part 2, met varianten zoals DivX en Xvid, maakte het haalbaar om online video te delen. Deze codec bood een betere compressie dan MPEG-2, wat cruciaal was om met de beperkte bandbreedte van het vroege internet om te gaan. De echte doorbraak in HD-video kwam met H.264/AVC. Deze codec werd de standaard voor Blu-ray-schijven en daarna ook voor streamingdiensten zoals YouTube en Netflix. H.264 bood een aanzienlijke verbetering in compressie, zonder merkbaar kwaliteitsverlies. Daardoor kon HD-content efficiënter worden opgeslagen en verzonden. Voor de ondersteuning van 4K- en 8K-resoluties werd H.265/HEVC geïntroduceerd. Deze codec is dubbel zo efficiënt als H.264 en werd cruciaal voor Ultra HD-streaming en moderne televisies. Daarnaast werden de afgelopen jaren open-source codecs zoals AV1 en VP9. AV1 ontwikkeld, door het Alliance for Open Media (AOMedia). Die bieden een hoge compressie-efficiëntie zonder licentiekosten, wat het een aantrekkelijke keuze maakt voor grote technologiebedrijven.

Deze evolutie van videocodecs toont aan hoe compressietechnologieën zich voortdurend ontwikkelen om te voldoen aan de groeiende vraag naar hogere resoluties en efficiëntere videostreaming.

Codecs en containers

Videocodecs en containers worden vaak door elkaar gehaald, maar ze vervullen verschillende functies. Een codec comprimeert en decomprimeert de videodata, terwijl een container het gecomprimeerde bestand organiseert en aanvullende informatie opslaat, zoals audio, ondertiteling en metadata.

Populaire containers zijn onder andere MP4, AVI en MKV. MP4 wordt breed ondersteund en is ideaal voor streaming, terwijl MKV veelzijdiger is en meerdere audiotracks en ondertitelsporen kan bevatten. AVI is een oudere standaard met minder efficiënte compressiemogelijkheden, die je vooral zal terugvinden bij oudere digitale opnames. Compatibiliteitsproblemen ontstaan wanneer een apparaat of software een bepaalde codec niet ondersteunt binnen een container. Dit kan worden opgelost met mediaconverters of compatibele mediaspelers zoals VLC. Een container kan meerdere codecs bevatten, waardoor flexibele opslag en afspeelmogelijkheden ontstaan. Dit maakt ze essentieel voor een breed scala aan video-applicaties, van streamingdiensten tot professionele videoproductie.

I-frames, P-frames en B-frames

Goede videocompressie maakt gebruik van een combinatie van intra- en interframecompressie. Als het over intraframecompressie gaat, spreken we over I-frames of Intra-coded frames. Dat zijn zelfstandig gecomprimeerde beelden die geen referentie nodig hebben van andere frames. Ze bevatten alle beeldinformatie en fungeren als ankerpunten in de videostream. Dit valt te vergelijken met de compressie van JPEGs bij stilstaande afbeeldingen.

Interframe compressie voor predicted (P-) en bidirectionally predicted (B-) frames maakt gebruik van motion estimation, waarbij zogenoemde motion vectors een cruciale rol spelen. Die bewegingsvectoren detailleren de verplaatsing van een object of een deel van het beeld tussen frames. In plaats van elk frame volledig op te slaan, analyseert de encoder hoe pixels tussen opeenvolgende frames bewegen en slaat enkel de bewegingen en wijzigingen op. Dit verlaagt de datagrootte zonder merkbaar kwaliteitsverlies. Codecs kunnen met behulp van motion compensation deze bewegingen reconstrueren en interpoleren, wat leidt tot efficiënte opslag en soepele weergave van bewegende beelden. Deze frames werken samen om een evenwicht te vinden tussen kwaliteit en compressie-efficiëntie. I-frames bieden volledige details en stabiliteit, terwijl P- en B-frames de redundantie in bewegende beelden minimaliseren.

Chroma subsampling

Een andere veelgebruikte techniek is chroma subsampling, waarbij de kleurinformatie met een lagere resolutie wordt opgeslagen dan de helderheidsinformatie. Menselijke ogen zijn gevoeliger voor helderheid (luminantie) dan voor kleur (chrominantie), waardoor het mogelijk is om gegevens te besparen zonder dat de waargenomen beeldkwaliteit (sterk) afneemt. Veelgebruikte methoden zijn:

• 4:4:4 (geen subsampling, maximale kleurkwaliteit)
• 4:2:2 (halve resolutie voor chroma in horizontale richting)
• 4:2:0 (halve resolutie voor chroma in zowel horizontale als verticale richting, vaak gebruikt in streaming en Blu-ray)

Door minder kleurinformatie op te slaan, kunnen videobestanden kleiner blijven, zonder een significante impact op de visuele ervaring.

Rate control

Rate control is een essentieel aspect van videocompressie, dat bepaalt hoeveel bits worden toegewezen aan verschillende delen van de video. Er zijn verschillende methoden, maar de meest populaire is ‘adaptive bitrate’ streaming. In plaats van een vaste bitrate te streamen of de bitrate aan te passen aan de complexiteit van de getoonde beelden, vertrekt adaptive bitrate of ABR vanuit de beschikbare bandbreedte. Dit wordt mogelijk door de video in meerdere kwaliteitsniveaus te coderen en de speler automatisch het meest geschikte niveau te laten kiezen. Codecs zoals H.264, H.265 (HEVC) en AV1 spelen hierin een cruciale rol door efficiënte compressie te bieden. H.265 bijvoorbeeld biedt een betere compressie dan H.264, wat leidt tot hogere kwaliteit bij een lagere bitrate. AV1 is een nog efficiëntere, royaltyvrije codec die steeds vaker wordt gebruikt voor streamingdiensten. Door deze geavanceerde compressietechnieken te combineren, is het mogelijk om hoogwaardige video leveren met minimale bandbreedte en opslagvereisten. Dat is essentieel voor de datacenterkosten van videoleveranciers zoals YouTube en Netflix, maar ook voor de stabiliteit van je internetverbinding thuis.

De foute codec?

Bij het kiezen van de juiste codec voor jouw behoeften, moet je rekening houden met factoren zoals compressie-efficiëntie, compatibiliteit en hardware-ondersteuning. H.264 is een veelgebruikte keuze vanwege zijn brede compatibiliteit, terwijl H.265 en AV1 betere compressie bieden voor moderne streamingtoepassingen. Als je een codec kiest, zorg ervoor dat deze compatibel is met de apparaten en software waarmee je werkt. Codecproblemen kunnen zich voordoen als een bestand niet correct wordt afgespeeld. Dit kan worden opgelost door het juiste codec-pakket te installeren of een speler te gebruiken die brede ondersteuning biedt, zoals VLC Media Player. Daarnaast kan transcoding helpen om incompatibele bestanden om te zetten naar een beter ondersteund formaat. Hardware speelt ook een belangrijke rol in de afspeelmogelijkheden. Oudere apparaten hebben mogelijk geen hardwareversnelling voor nieuwe codecs, wat kan leiden tot haperende video of hoge CPU-belasting. Controleer of je apparaat de gekozen codec ondersteunt of gebruik softwarematige decodering als alternatief. Tot slot is het up-to-date houden van codecs ook handig om compatibiliteitsproblemen te vermijden en optimale prestaties te behouden. Net zoals andere software ontvangen codecs regelmatig verbeteringen en beveiligingsupdates. Ook al zijn meeste versies backwards compatible met elkaar: het is dus geen slecht idee om af en toe die update voor VLC Media Player toch te installeren, ook al lijkt dat niet meteen nodig.

VLC Media Player ondersteunt zo goed als alle codecs en bestandsformaten voor video.

• Lees ook: Wat is HDR? Alles over geoptimaliseerde kleuren, contrast en helderheid