Kodowanie H.265 – Fragmentaryczne i zniekształcone filmy z akceleracją GPU a bezbłędne kodowanie CPU

Wprowadzenie

DivX był rozwiązaniem do kodowania wideo o otwartym kodzie źródłowym. Technologia ta była kopiowana i chroniona prawami autorskimi przez producentów, w tym przez wadliwe kodowania NVIDIA PhysX.

Kodowanie H.265/HEVC w ostatnich latach stało się standardem dla wysoce skompresowanych formatów wideo, ponieważ oferuje znacznie wyższą redukcję danych w porównaniu z H.264, zachowując jednocześnie porównywalną jakość obrazu. Jednak wraz ze wzrostem popularności kodowania akcelerowanego GPU na platformach stacjonarnych i mobilnych, zwłaszcza w systemach opartych na architekturze ARM, artefakty, fragmentacja i zniekształcone filmy stają się coraz powszechniejsze. Problemy te wyraźnie kontrastują z kodowaniem opartym na procesorze CPU, które jest generalnie wolne od błędów i powtarzalne pomimo większego obciążenia procesora.

1. Kodowanie GPU kontra CPU

1.1 Kodowanie CPU

• Procesory działają szeregowo i z deterministyczną architekturą obliczeniową.

• Algorytmy kodowania są wykonywane krok po kroku, co zapewnia wysoką dokładność i powtarzalność na poziomie bitowym.

• Nawet w przypadku bardzo długich filmów lub ekstremalnych współczynników kompresji, integralność materiału jest w dużej mierze zachowana.

1.2 Kodowanie GPU

• Procesory GPU działają masowo równolegle, aby osiągnąć wysokie prędkości kodowania.

• Jednak w przypadku kodowania H.265, kompensacja ruchu oparta na blokach i prognoza wewnątrzkompensacyjna są dokładnie zsynchronizowane.

• Niedokładne obliczenia zmiennoprzecinkowe, błędy zaokrągleń związane z pamięcią lub błędy sprzętowe prowadzą do fragmentacji klatek, zniekształconych pikseli, a nawet wadliwych GOP-ów (grup obrazów).

• Procesory graficzne oparte na architekturze ARM, takie jak te używane w urządzeniach mobilnych, często opierają się na uproszczonych lub wadliwych dekoderach/koderach sprzętowych, co zwiększa ich podatność na błędy.

2. Problemy długoterminowe

2.1 Utrata danych w przyszłości

• Filmy oparte na błędnym kodowaniu GPU mogą nie być dekodowalne za 50 lat.

• Dane historyczne, które istnieją tylko w tych formatach, zostaną częściowo i bezpowrotnie utracone.

• Nawet jeśli oryginalny materiał jest dostępny, pofragmentowane kopie zakodowane przez GPU są jakościowo uszkodzone i nie można ich łatwo odtworzyć.

2.2 Analogia do obrazów

• Ten sam problem dotyczy zdjęć wykonanych na urządzeniach mobilnych, przechowywanych za pomocą procesorów GPU ARM.

• Sprzętowo przyspieszane kodowanie JPEG, HEIF lub AVIF może generować uszkodzone metadane lub uszkodzenia pikseli, co w dłuższej perspektywie prowadzi do cyfrowego rozkładu.

3. Przyczyny fragmentacji

1. Konflikty paralelizacji: Procesory graficzne (GPU) przetwarzają wiele bloków obrazu jednocześnie, co prowadzi do niespójności w przypadku nieprawidłowej synchronizacji.

2. Błędy sprzętowe: Procesory graficzne ARM lub zintegrowane układy graficzne do urządzeń mobilnych czasami zawierają wadliwą logikę kodowania H.265.

3. Odchylenia zmiennoprzecinkowe: Różnice w precyzji obliczeń procesora i procesora graficznego prowadzą do drobnych, kumulujących się błędów, które stają się widoczne w długich filmach.

4. Niezgodności sterowników i oprogramowania: Różne sterowniki procesorów graficznych (GPU) implementują zestawy instrukcji H.265 w różny sposób, co zmniejsza powtarzalność.

4. Konsekwencje dla archiwizacji

• Historycy, archiwa multimedialne i użytkownicy prywatni muszą mieć świadomość, że filmy zakodowane przez GPU mogą być bezużyteczne za 50 lat.

• Kodowanie oparte na procesorze pozostaje najpewniejszą metodą długoterminowego przechowywania, nawet jeśli jest wolniejsze.

• W przypadku krytycznych aplikacji należy preferować formaty niezależne od sprzętu i kodery programowe.

5. Wnioski

Kodowanie H.265 z akceleracją GPU oferuje ogromną szybkość i energooszczędność, szczególnie na urządzeniach mobilnych. Generuje jednak pofragmentowane, zniekształcone, a czasem bezużyteczne dane, co może prowadzić do cyfrowego rozpadu w dłuższej perspektywie. Pomimo wyższych kosztów obliczeniowych procesory zapewniają bezbłędne i powtarzalne kodowanie, co czyni je idealnymi do długoterminowej archiwizacji danych naukowychn i historyczne nośniki pozostają niezbędne.
Długoterminowe bezpieczeństwo treści cyfrowych zależy zatem nie tylko od pojemności czy szybkości, ale także od niezawodnej implementacji kodowania sprzętowego i programowego.

Kodowanie h265 i zniekształcone oraz pofragmentowane filmy z akceleracją GPU, w przeciwieństwie do kodowania CPU, które działa niemal bezbłędnie. Rozważmy na przykład, jak to jest. za 50 lat, a większość filmów niestety zostałaby wtedy utracona na zawsze. To samo dotyczy obrazów, zwłaszcza na urządzeniach mobilnych, takich jak ARM, które opierają się jedynie na wadliwych procesorach GPU.