Video Sıkıştırma Nedir ? Hayatımızı Nasıl Kolaylaştırır?

Yazı Dizisi-1

Aral Ekrem Uzun

Günümüzde televizyon ekranlarının, tabletlerin, cep telefonlarının, monitörlerin 1920x1080p (Full HD) çözünürlüğe ulaştığını, bu çözünürlüğün uzun bir süredir birçok endüstri kolunda standartları belirlediğini görmekteyiz. Ancak teknoloji çok hızlı gelişiyor ve gelişirken de beraberinde yeni standartları getiriyor; artık evimize televizyon alırken 4K (Ultra HD) ekranları tercih ediyoruz. TV kanalları 4K maç, belgesel yayınlarına başladı, oyun konsolu ve oyun üreticileri bu çözünürlüğü destekleyen ürünler çıkarma yarışına giriyor. Dolayısı ile yakın geleceğin standardı 4K olacak diyebiliriz; hatta 8K şimdiden konuşulmaya başladı bile.

Hayatımızın bir parçası haline gelen yüksek çözünürlüklü görüntüleri izlerken, kayıt ederken, sevdiklerimizle Youtube’dan, Facebook’tan, Skype’den, FaceTime’dan paylaşırken bu yoğun video verisini ham olarak çekildiği haliyle mi kullanıyoruz? Yüzlerce IP kameranın koruduğu yüksek güvenlikli binalarda, kamera görüntüleri güvenlik merkezlerine hangi formatlarda ve nasıl aktarılıyor?

İzlediğimiz bir videodaki her bir karede 2 milyon piksel olduğunu ve her bir pikselin 16 milyon farklı renk alabilmesini sağlayan 24 bitle tanımlandığını düşündüğümüzde,  yönetmemiz gereken ciddi miktarda veriyle karşı karşıyayız demektir.

Örneğin 2MP çözünürlükte saniyede 30 kare (30 fps) bir video akışı, networkümüzde 1Gb/sn lik bir bant genişliği kullanacaktır. Video ham haliyle aktarılsa tek bir IP kamera ile bir Gigabit  switch 'in tüm kapasitesini kullanmak zorunda kalacaktık. Ancak günümüzde CCTV videoları gibi dijital ortamda kullandığımız, paylaştığımız tüm videolar sıkıştırılır. Bu sayede 2MP @30fps’lik video akışı ağ üzerinde 1Mb/sn ile 8Mb/sn arasında bir bant genişliği kullanacaktır. Sıkıştırılmamış stream’e göre bu video 1/100 ile 1/1000 oranında daha az yer kaplamakta, bu da bizim yüksek kalitede videoları daha kolay ve ucuza iletebilmemizi ve daha düşük maliyetlerle saklayabilmemizi mümkün kılmaktadır.

Sıkıştırma işlemi izlenen resim kalitesini neredeyse hiç bozmadan bant genişliği ve depolama miktarını ciddi oranda düşürdüğü için günümüzde tüm dijital video aktarımlarında standart hale gelmiştir.

Her geçen yıl artan kamera ve ekran çözünürlüklerine paralel olarak sıkıştırma (codec) teknolojilerinin de yenileri çıkıyor. Hali hazırda kullanılan H.264/avc kodlama teknolojisi HD çözünürlükler için yeterli oluyordu fakat 4K ve 8K çözünürlükler için yeterli olmayacak gibi gözüküyor. Bu sebeple yerini H.265 (High Efficiency Video Coding)’e bırakmaya hazırlanıyor.

O zaman gelin hayatımızı kolaylaştıran bu video sıkıştırma teknikleri nasıl çalışıyor inceleyelim.

Video Sıkıştırma Nasıl Yapılır?

Genelde en çok kullanılan görüntü sıkıştırma tekniği DCT (Discreet Cosine Transform) olarak adlandırılır. JPG adıyla bilgisayarlarda sıkça rastladığımız dosya türü de aynı tekniğin bir türevidir. Bu yöntemde resim 8X8'lik bloklara ayrılır.

Yukarıda JPEG resmin bölmelendirilmesini görebilirsiniz. JPEG sıkıştırma resmi her biri 8x8 toplam 64piksel içeren gruplara bölerek başlar. Bu resimde 8x8’lik gruplardan üçü büyütülmüştür, her bir piksele karşılık gelen byte’ın 0 ile 255 arasındaki değeri gösterilmiştir.

Daha sonra bu bloklar içinde renk değerleri azaltılır. Örneğin 64 değişik renk değeri varsa bu sıkıştırma oranına (Compression Ratio) göre, belirli yöntemlerle 32'ye 16'ya veya 8'e düşürülebilir. Birbirine benzer renkler tek bir ortalama renk haline gelir. Sıkıştırma oranı ne kadar yüksekse kalite kaybı da o kadar fazla olur. Fakat web ortamında resimlere çok büyük bakmadığımız için farkı görmemiz zordur.

Yukarıdaki resim JPEG’deki bozulmalara bir örnektir. Soldaki resim orijinal resimdir, ortadaki ve sağdaki resimlerde ise sırasıyla 10:1 ve 45:1 oranında sıkıştırma kullanılmaktadır. Yüksek sıkıştırma oranı kullanılan sağdaki resimde her bir 8x8 piksellik grup 12bitten az miktarda veriyle tanımlanmıştır

Video sıkıştırma yöntemleri yapılarına göre iki ana başlıkta incelenebilir: Intraframe (Kare içi) ve Interframe (Kareler Arası). Eğer her video karesi sadece kendi içinde DCT veya benzer bir yöntemle sıkıştırılıyorsa bu kare içi sıkıştırmadır. Eğer birbirini izleyen video kareleri analiz edilip resimlerde hareketsiz kalan yerler ayrıca sıkıştırılıyorsa bu kareler arası bir sıkıştırma yöntemidir.

Sıralı resimlerdeki farklı alanların kodlanmasında (H.264 de dahil bir çok video sıkıştırma standardında kullanılır) yalnızca ilk resim (I-frame) tam olarak kodlanır. Takip eden resimlerde duran elemanlar için ilk resim referans alınır. Örneğin yukarıdaki resimde ev P-framelerde kodlanmaz, yalnızca hareket eden kısımlar (Koşan Adam’ı içeren pikseller)  kodlanır, böylece gönderilen ve saklanan bilgi azalır.

Yazı dizimizin devamında "video sıkıştırma algoritmalarının çeşitleri ve tarihsel gelişimi "  anlatılacaktır.