Кодеры MPEG - попытка сравнения

Какой кодер MPEG создает наилучшее по качеству изображение? Попытке ответа на этот вопрос и посвящена настоящая статья. 

 

• Пролог

• Тест первый - прикидка

• Тест второй - вера в чудеса крепнет

• Несколько слов о Canopus ProCoder

• Очередные версии ProCoder и CCE - весна 2003 года

• Версия Canopus MpegEngine 3.2.0.2

• Очередные версии CCE, MainConcept и ProCoder 1.5 - весна 2004

• Проблемы с Canopus ProCoder

• Заключение

 Пролог     

       Идея попытаться как-то оценить качество изображения, полученного после конвертации исходного DV видео в MPEG-2 формат возникла у нас после выхода нового MPEG-2 кодера от известной японской компании Canopus, названного производителем Canopus ProCoder. Canopus Corporation известна в мире видео не только очень интересными аппаратными решениями, но и весьма приличными программами. DV кодек от Canopus был одним из первых на рынке DV кодеков с отличным качеством изображения, практически не ухудшающимся после нескольких рекомпрессий. Поэтому мы были вправе ожидать от столь профессиональной команды хороших результатов и эти ожидания, судя по всему, оправдались.
       Первая проблема, которая беспокоит практически всех любителей видео - качество преобразованного в MPEG-2 изображения. Вопрос, почему качество преобразованного в MPEG-2 видео так заметно отличается от качества оригинальных DVD видео дисков, задается с завидным постоянством. Ответ на этот вопрос тоже известен - такие фильмы кодируются в MPEG-2 на аппаратных и очень дорогих кодерах, а в качестве источника используется несжатое видео. Поскольку в большинстве случаев для создания любительского MPEG-2 видео используется компрессированный видеоматериал и программный кодировщик в MPEG-2, то результаты просмотра созданных таким образом DVD видео дисков несколько разочаровывают. 
       Хорошее решение в этом случае - покупка аппаратного кодера MPEG-2, такого как Dazzle DVD.Master, тем более, что подобный кодер позволяет использовать себя как плату оцифровки любых внешних источников аналогового видео. У аппаратного кодера есть еще одно ценнейшее достоинство - кодирование в реальном масштабе времени. Несмотря на эти очевидные преимущества аппаратного кодера, интерес к программным не ослабевает. Это связано с большей доступностью программных кодеров и с возможностью работы с ним на любом компьютере. Программные кодеры, как правило, не предъявляют к компьютеру никаких особых требований, за исключением мощности процессора, да и это требование весьма условно.  
       

Тест первый - прикидка

     На самом деле более никаких тестов и не планировалось, но результаты первого теста потребовали продолжения, о котором и будет рассказано ниже. Итак, мы выбрали три самых известных кодера на рынке плюс Canopus ProCoder:

1. Canopus ProCoder версии 1.0

2. CinemaCraft Encoder версии 2.62.01.01

3. TMPGEnc Encoder Plus 2.5 версии 2.55.38.142

4. Ligos MPEG Encoder из комплекта Ulead MediaStudio Pro 6.5

Для анализа полученных MPEG-2 файлов использовалась программа BitRate Viewer версии 1.5.002.

      Первый тест мы задумали как визуальное сравнение качества работы кодеров. В качестве исходного был взят любительский DV видеоклип длительностью 5 минут 40 секунд, изобилующий всяческими переходами, наездами, эффектами "картинка в картинке" и т.п. Такой клип очень "невыгоден" для перевода в MPEG-2 с относительно невысоким bitrate, поскольку изображение постоянно и существенно меняется. Параметры кодирования были установлены следующими:

1. Максимальный bitrate - 9200

2. Номинальный или средний bitrate - 6000

3. Минимальный bitrate - 200 (у ProCoder и Ligos не устанавливался по причине отсутствия такого параметра)

4. DCT=8 (у Ligos не устанавливался по причине отсутствия такого параметра)

5. Вид кодирования - VBR

6. Количество проходов - 2 (у Ligos не устанавливался по причине отсутствия такого параметра)

Остальные параметры были оставлены по умолчанию. Результаты работы кодеров сведены в таблицу (Q меняется нелинейно у всех кодеров, кроме Ligos):

Кодер	Q* максимальное	Q среднее	Bitrate максимальный	Bitrate средний	Время работы в минутах ***	Размер файла (без звука)
Canopus ProCoder MQ**	9.01	6.09	9657	5754	136	236 432 585
Canopus ProCoder HQ**	9.29	6.06	9854	5750	37	236 269 344
CCE	14.74	7.18	9212	5859	10	240 740 456
TMPGEnc	15.04	7.75	9343	5854	92	240 529 323
Ligos	15.39	5.35	6340	5719	28	234 986 849

Примечания:

1. *Q - quantization

2. ** ProCoder тестировался в режимах Highest-Quality (HQ) и Mastering-Quality (MQ). Режим Mastering-Quality рекомендуется разработчиками только для создания коммерческих DVD, поскольку процесс кодирования занимает очень большое время.

3. *** Компьютер - Pentium 4 2133 MHz (1600A на шине в 133 MHz), 512 MBytes DDR памяти, жесткие диски IBM Ericson 60 GBytes (system drive) и IBM Vancouver 80 GBytes (Video)

     Далее все полученные файлы были загружены в программу Sonic DVDiT! Professional Edition 2.5.2, и к каждому файлу был "приклеен" Dolby Digital звук. Затем был создан DVD-Video диск с циклическим переключением клипов по кнопке Next DVD плеера и прямыми переходами к каждому клипу из меню. К одному S-VHS входу телевизора 25" мы подключили DVD плеер, к другому - цифровую видеокамеру с оригиналом клипа. Итог визуального тестирования был следующий (места расставлены в соответствии с оценками зрителей): 

1. Canopus ProCoder MQ

2. Canopus ProCoder HQ

3. CCE

4. Ligos

5. TMPGEnc

      В этом простом тесте нас больше всего удивило отсутствие видимой глазу разницы между оригиналом и клипом, кодированным Canopus ProCoder, причем в режиме HQ картинка на глаз не отличалась от картинки после кодирования в режиме MQ. Мы делали стоп-кадры в самых "тяжелых" местах клипа и тем не менее разницы практически не было. Мы решили поступить согласно поговорке "Не верь глазам своим" и посмотреть результаты в "под лупой".

Тест второй - вера в чудеса крепнет

     Мы взяли для анализа один кадр из первого клипа и один кадр из клипа, который участвовал в тестировании Dazzle DVD.Master. Клип это, к счастью, сохранился на ленте. Конечно, оба клипа были предварительно конвертированы в MPEG-2 всеми участвующими в тестировании кодерами. Никакие фильтры из Canopus ProCoder не применялись. К каждому кадру был применен фильтр de-interlace из Adobe Photoshop для уменьшения влияния "гребенки" на оценку качества изображения.

Кадр первый:

     Для анализа мы взяли фрагмент со словом "собор". Результаты в таблице (взяты из полных кадров и переконвертированы в jpeg с качеством 90%):

     Если увеличить эти изображения в 3-4 раза, то разницу между оригиналом и результатом работы кодера от Canopus (как HQ так и MQ) обнаружить практически невозможно. Но уже кадр от CCE грешит цветовым шумом и нечеткими из-за этого краями текста. Изображения от Ligos и TMPGEnc находятся приблизительно на одном уровне и хуже CCE.

Кадр второй (съемка велась из окна движущегося автобуса):

Для анализа взята фигура мотоциклиста. Результаты в таблице (взяты из полных кадров и переконвертированы в jpeg с качеством 90%):

     Увеличение в 3-4 раза дает тот же результат, что и при анализе первого кадра - картинка от Canopus неотличима от оригинала. Далее следует TMPGEnc, очень близко к нему CCE и Ligos. Желающие могут сравнить эти фрагменты с результатом кодирования Dazzle DVD.master. Вывод тот же - изображение от ProCoder явно не хуже картинки после Dazzle DVD.master, а на наш взгляд, даже лучше.

Несколько слов о Canopus ProCoder

     Строго говоря, Canopus ProCoder представляет собой универсальный конвертор из одного формата видео в другой. Краткие характеристики:

Поддерживаемые входные форматы:

• Canopus DV

• Microsoft DV

• Любой Video for Windows Codec

• Любой DirectShow Codec

• Любой QuickTime Codec

• MPEG-1

• MPEG-2

Поддерживаемые выходные форматы:

• Canopus DV

• Microsoft DV 

• Любой Video for Windows Codec

• Любой DirectShow Codec

• Любой QuickTime Codec

• MPEG-1 (используется оригинальный Canopus Codec)

• MPEG-2 (используется оригинальный Canopus Codec)

• Windows Media 8

• Real Video

Видеофильтры, обработка которыми возможна при конвертации:

• Video Color Safe

• Contrast

• Bitmap Keying

• Brightness

• Circular Blur

• Crop

• Gaussian Blur

• Motion Adaptive DeInterlace

• Negative

• Smooth

Аудиофильтры, обработка которыми возможна при конвертации:

• Lowpass

• Normalize

• Volume

Дополнительные возможности:

• Изменение соотношения сторон кадра (Aspect ratio conversion)

• Изменение частоты кадра (Frame rate interpolation)

• Преобразование из NTSC в PAL (NTSC/PAL conversion)

• Автоматический адаптивный деинтерлейсинг (Automatic adaptive deinterlacing)

• Конвертация прогрессивного изображения, такого, как кинофильм, например, в интерлейсное (Progressive to Interlace pull-down)

• Многопроходная обработка (Multi-pass processing)

• Разрезание результата на фрагменты по размеру файла или времени (Split output files by size or time)

• Сохранение настроек проекта (Save projects and presets)

• Сохранение шаблонов конверсии (Save droplets for drag-and-drop conversion)

• Может работать как plug-in для экспорта из Adobe Premiere (Adobe Premiere 6 export plug-in)

• Есть Wizard mode

• Поддержка работы в локальной сети (Network source/destination support)

• Поддержка нескольких представлений цвета (Multiple colorspace support - YUV, YUY2, RGB)

    К недостаткам, если можно так выразиться, Canopus ProCoder относится строгое соблюдение стандартов. Нельзя изменить bitrate для VCD дисков и нельзя установить bitrate видео для Super Video CD выше 2520 kbit/sec. Тем не менее, хотелось бы заметить в скобках, что качество SuperVCD после Canopus ProCoder нам показалось превосходным.

Новые версии ProCoder и CCE - весна 2003 года

    Мы решили вернуться к анализу MPEG-2 кодеров снова как по многочисленным просьбам наших читателей, так и по той причине, что за прошедшее с момента первого выхода статьи время появилась версия 2.64 CCE с последующими обновлениями и фирма Canopus выпустила обновление MPEG-2 кодера (версия 3.0.0.5 csempeg2.dll) для Canopus ProCoder. Итак, по порядку:

• Новая и старая версия MPEG-2 engine для Canopus ProCoder:

     Для тестирования мы использовали все те же фрагменты и те же кадры, что и для тестирования ранее. Режим MQ, все остальные настройки те же, что и в тесте выше. Результаты:

    На тексте "собор" мы не обнаружили никакой разницы, но на картинке с мотоциклистом разница все-таки есть, и на наш взгляд, не в пользу нового кодера в Canopus - несколько увеличилась видимость "квадратов", особенно это заметно по синей куртке мотоциклиста. Конечно, разница эта не очень видна и на телевизоре мы уже не смогли определить при анонимном просмотре версию ProCoder. Что действительно ценно в новой версии MPEG кодера Canopus - это скорость кодирования, увеличенная по сравнению с предыдущей версией в разы! Мы давали старой и новой версии кодера несколько разных файлов различной степени сложности и выигрыш в скорости составил от 10 до 4 раз. Время кодирования по-прежнему зависит от материала, но само время кодирования уменьшилось кардинально и вполне сравнимо с временем кодирования у CCE. Увеличение скорости, конечно, наибольшее на сложном материале, на совсем простом ускорения кодирования может и не быть. На наш взгляд, скорость увеличилась за счет небольшого снижения уровня качества - качество режима Highest-Quality стало в Master Quality, соответственно качество High-Quality стало в Highest-Quality и т.д., поэтому для достижения наивысшего качества, если время кодирования некритично, лучше пользоваться старой версией ProCoder. Тем не менее, хотелось бы еще раз подчеркнуть, различие в качестве неуловимо при просмотре на телевизоре.

• Новая версия CCE по сравнению с новой версией Canopus ProCoder

     Для настройки параметров CCE мы использовали информацию, присланную г-ном Александром Олейником. В его письме предлагалось проверить эти настройки и убедиться в превосходстве CCE над Canopus. Предложенные настройки мы применили (тест был выполнен именно с ними, привести мы их не можем, так на то нет разрешения автора), но что касается качества кодирования, то кардинально ничего не изменилось у CCE и чуда не произошло (увы, увы - чем острее конкуренция, тем лучше нам с вами). На фигуре мотоциклиста хорошо видно, что MPEG шум (квадраты) по-прежнему является главным отрицательным результатом кодирования у CCE. Визуально, при просмотре по телевизору, CCE легко опознается во время анонимного просмотра именно по ореолам шума вокруг и на движущихся объектах. Существует одно очень распространенное мнение о том, что CCE дает более "резкую" картинку на телевизоре по сравнению с как бы "замыленным" Canopus. Как это не покажется парадоксальным, это мнение совершенно справедливо, но за одним исключением - шум, который возникает после CCE вокруг и на движущихся объектах, напрочь убивает это кажущееся преимущество CCE кодера. Как бы (подчеркиваем - именно "как бы", а не на самом деле) менее "резкая" картинка от Canopus смотрится на телевизоре значительно лучше, чем более резкая, но зашумленная картинка от CCE. Недостатки CCE практически не заметны при подключении DVD плеера по композитного входу, так как небольшая полоса пропускания по композитному входу служит своеобразным фильтром, уменьшая видимость шумов на экране. При подключении же по S-VHS, RGB или компонентным входам шумы становятся на экране отчетливо заметными. Конечно, скажут скептики, Canopus растягивает Luminance Level до диапазона 0-255 вместо 16-235 и тем самым несколько изменяет гамму изображения. Да, это так, но Canopus, как и любой программный кодер, не предназначен для подготовки MPEG для телевещания, а на телевизионной обычной картинке это изменение практически незаметно даже натренированному глазу.

Выводы: Canopus ProCoder, на наш взгляд, по-прежнему остается наилучшим кодером для создания любительских DVD-Video дисков. Созданные им файлы без малейших проблем принимают самые серьезные программы DVD-authoring и настройка ProCoder по силам даже начинающему любителю. С учетом заметно уменьшившегося времени кодирования ProCoder вполне конкурентоспособен по сравнению с недорогими аппаратными кодерами.

Версия Canopus MpegEngine 3.2.0.2

    В апреле 2003 года компания Canopus выпустила версию 1.5 программы Canopus ProCoder, в очередной раз модернизировав в ней кодер MPEG-2, и объявила об улучшении качества нового движка кодера по сравнению с предыдущими вариантами. Поэтому мы решили сравнить качество кодирования новой версии и предыдущих. Для удобства и наглядности мы использовали те же видеоклипы, что и в предыдущих тестах.

На наш взгляд, никаких заметных отличий в качестве кодирования нет. Если сравнивать с DV оригиналом, то единственное отличие, которое можно заметить, это немного более близкая к оригиналу цветопередача у 3.2.0.2 по сравнению со всеми предыдущими версиями. По скорости кодирования новый движок быстрее в среднем на 2-3%, что можно признать несущественным. Для статической проверки Bitrate Viewer' ом мы взяли клип, снятый камерой Sony D8 и изобилующий цветовыми шумами из-за плохих условий съемки. ProCoder очень "не любит" клипы с высоким уровнем шума, поэтому такое сравнение показалось нам разумным. Результаты сведены в таблицу:

Как видно из таблицы и статистической разницы между двумя версиями кодировщиков нет. Резюме - новая версия обладает, очевидно, только некими косметическими улучшениями и данные о существенном улучшении качества кодирования, мягко говоря, несколько преувеличены. Тем не менее, заменить предыдущий движок новым вполне разумно, поскольку качество кодирования ProCoder очень высоко и вряд ли на самом деле возможно существенное улучшение качества кодирования - это тот самый редкий случай, когда улучшать практически уже нечего. 

Очередные версии CCE, MainConcept и ProCoder 1.5 - весна 2004

    Прошел почти год с последнего сравнения качества кодирования популярных MPEG кодеров. За это время у кодера MainConcept появилась возможность двухпроходного кодирования, вышли новые версии у CCE. Качество кодирования Canopus ProCoder версии 1.5 мы уже фактически тестировали, поэтому мы просто сравним качество кодирования кодерами MainConcept и CCE в сравнении с Canopus ProCoder 1.5.  Мы использовали версию MainConcept из редактора Vegas Video 5.0 (хотя маловероятно, что эта версия заметно отличается от 1.4.1), и CCE версии 2.67.00.13. Все настройки и параметры аналогичны предыдущим тестированиям и на этот раз все кодеры работали в двухпроходном режиме. Результаты сведены в таблицу.

     Увеличив размер картинки до 300% от оригинала, легко заметить отличия в качестве кодирования:

• По мотоциклисту - наилучшее качество картинки по-прежнему получается у Canopus ProCoder. MainConcept на втором месте с большей по сравнению с ProCoder пикселизацией картинки. CCE на этот раз отстает заметно, нечеткость картинки за счет артефактов кодирования существенно выше, бордюр тротуара, например, сильно размыт, "рваные" края контура мотоциклиста заметны даже на не увеличенном изображении.

• По тексту - лидер тот же, а вот далее ситуация другая. У MainConcept цветовая насыщенность слова "собор" заметно отличается от оригинала - слово ярче, чем следует. Картинка у CCE практически не отличается от ProCoder.

Выводы: Canopus ProCoder, на наш взгляд, по-прежнему остается наилучшим кодером для создания любительских DVD-Video дисков из DV оригиналов. Несмотря на появление двухпроходного режима, MainConcept по-прежнему заметно уступает ProCoder по качеству кодирования на невысоких bitrate.

Проблемы с Canopus ProCoder

    За время довольно продолжительной работы мы (а точнее, наши читатели) столкнулись только с одной проблемой (что само по себе неплохой показатель). Суть проблемы в следующем - начав кодировать, ProCoder неожиданно останавливает процесс, причем никаких сообщений не выдает, просто загрузка процессора падает до нуля и количество кодируемых в секунду кадров постепенно уменьшается. От количества уже обработанных кадров время точки останова не зависит. Проведя небольшое исследование, мы обнаружили, что причина, на наш взгляд, в неясной пока нам ошибке внутри DV файла. Появление этой ошибки в файле не зависит от типа цифровой видеокамеры. На таких файлах, кстати, версия  ScenalyzerLive от 15 ноября 2002 может прерывисто воспроизводить звук во время проигрывания файла. Также всегда в тех случаях, которые нам стали известны, это были файлы DV Type-1. При этом Windows Media Player, видеоредакторы и т.п. воспроизводят такой файл абсолютно нормально.  Способы борьбы с подобным дефектом:

• загрузка файла в видеоредактор и повторное сохранение. 

• включить рекомпрессию во время сохранения, но в этом случае возможно ухудшение качества изображения, хотя рекомпрессия убирает дефект всегда. 

• повторный захват фильма.

   Файл может "выздороветь" после использования любого из описанных способов, но 100% гарантию, к сожалению, дает только рекомпрессия. Если нам удастся выяснить конкретные причины дефекта, то мы обязательно сообщим об этом. 

Заключение

     ProCoder от Canopus, без сомнения, представляет собой результат качественно иного подхода к кодированию видео, чем у разработчиков известных кодеров CCE, MainConcept, TMPGEnc или Ligos. Это совершенно очевидно, так как слишком велика разница в качестве изображения между ProCoder и всеми остальными кодерами. Это весьма недешевый продукт (рекомендуемая розничная цена - $599), снабженный к тому же аппаратным USB ключом для защиты от копирования, но его стоимость существенно ниже CCE, например. 

     В заключение хотелось бы сказать, что мы не претендуем на истину в последней инстанции, изложили свое видение качества кодирования различными MPEG кодерами и будем очень рады, если кто-нибудь попытается повторить подобный тест. Мы также считаем необходимым напомнить, что сравнение стоп-кадров было сделано только после обнаружения визуальных отличий при просмотре на телевизоре, поскольку делать выводы о качестве изображения только по стоп-кадрам для MPEG потоков не следует в силу специфики MPEG формата. 

     Кроме этого, особо обращаем ваше внимание на то, что мы тестируем все кодеры исключительно на DV видеоматериале. На видео других форматов результаты могут быть совершенно другими из-за иного алгоритма сжатия или отсутствия сжатия как такового.