Freier Videocodec AV1: Was der VP9-Nachfolger leisten kann
In den vergangenen Jahrzehnten unterlag der Einsatz von Videocodec-Technik einer gewissen Hybris. Einerseits sind die Codecs der Moving Picture Experts Group (MPEG), wie etwa H.264 alias AVC und dessen Nachfolger H.265 alias HEVC, durch Patente geschützt. Andererseits sind die wohl besten Software-Encoder und Decoder meist freie Software. Die für die Patente nötigen Lizenzzahlungen widersprechen aber oft einer freien Weiterverteilung und sind vor allem für H.265 extrem hoch. Der neue und freie Videocodec AV1 soll diese Probleme überwinden und dabei noch besser sein als H.265, was beides schon in wenigen Monaten erreicht werden könnte.
Breite Unterstützung von der Industrie
Der Codec AV1 entsteht beim Konsortium Alliance for Open Media (Aomedia). In der Aomedia organisieren sich verschiedene Unternehmen, die wohl sämtliche Bereiche der Industrie abdecken, die Interesse an einem Videocodec haben. Dazu gehören neben Hardwareproduzenten wie Intel, AMD oder Nvidia ebenso jene, die die Logik für En- und Decoding in Hardware lizenzieren, wie Verisilicon, Allegro und ARM.
Wichtig ist die Aomedia für Inhalteanbieter wie Netflix und Amazon, aber auch für die BBC sowie weitere Anbieter von Streaming-Lösungen etwa für Videokonferenzen. Wohl am wichtigsten sind aber die Wegbereiter beim Erstellen eines neuen Videcodecs: Google, Mozilla und Cisco.
VP9-Nachfolger mit viel neuer Technik
Denn AV1 geht aus der Zusammenarbeit der eben genannten Firmen hervor und liefert dabei beeindruckende Ergebnisse. Doch obwohl eben diese Zusammenarbeit an einem gemeinsamen Ziel folgerichtig erscheint, war es bis dahin ein langer Weg. Vorgelegt hat die hauptsächlich von Mozilla unterstützte Xiph Foundation mit der Ankündigung des Codecs Daala im Sommer 2013. Hauptziel war es, die in H.264 und H.265 genutzten theoretischen Grundlagen durch völlig neue Ansätze zu ersetzen, was deutlich bessere Ergebnisse liefern sollte .
Kurz zuvor hatte Google den freien Code VP9 veröffentlicht , dessen Nachfolger VP10 Google eigentlich in diesem Jahr hätte veröffentlichen wollen. Doch die für VP10 geplanten Verbesserungen werden mit Details aus Daala kombiniert. Hinzu kommen Bestandteile von Ciscos Codec Thor. Diese Kooperation deutete sich bereits im Herbst 2015 an. In diesem Jahr ist aus diesen Einzelteilen langsam der Open-Source-Codec AV1 der Aomedia erstellt worden.
AV1 ist lizenzkostenfrei
Doch dass sich Open Source allein nicht zwingend durchsetzt, zeigt sich an VP9. Dieser Codec wird zwar von vielen Browsern unterstützt und etwa von Youtube standardmäßig verwendet, eine breite Marktdurchdringung hat er aber immer noch nicht erreicht. Der Grund dafür liegt wahrscheinlich an der über Jahrzehnte gewachsenen Bindung der Industrie an H.264.
Ein Wechsel hin zu VP9 ist für viele Beteiligte vermutlich einfach zu aufwendig, zudem gibt es technisch nur wenige Gründe, VP9 zu verwenden. So ist etwa die Hardwareunterstützung für H.264 in nahezu jedem aktuellen Gerät verfügbar, für VP9 gilt das nicht.
Vermutlich wird sich AV1 dennoch deutlich schneller verbreiten als VP9, was wiederum auf einen Technikwandel zurückzuführen ist, der momentan stattfindet. Denn mit der Einführung von 4K-Auflösungen und Techniken wie HDR und einem größeren Farbraum ist der Wechsel auf eine neue Codec-Generation gekommen.
Allerdings kostet der Einsatz von H.265 deutlich mehr als H.264(öffnet im neuen Fenster) . Das liegt auch daran, dass mit der MPEG LA und der HEVC Advance gleich zwei Patentkonsortien existieren, die entsprechende Lizenzzahlungen verlangen . AV1 hingegen ist nicht nur Open Source, sondern die Aomedia verteilt den Codec auch mit einer Patentlizenz, die einen kostenfreien Einsatz ermöglicht.
Diese juristischen Details sind für die Beteiligten aber nur einer von zwei Gründen für AV1. Wohl noch wichtiger ist die Qualität des Videocodecs selbst. Und auch hier liefert AV1 überzeugende Ergebnisse.
Sichtbar besser, aber langsam
Die Hauptaufgabe eines Videocodecs ist es, die Originalaufnahmen möglichst stark zu komprimieren. Dabei gehen zwangsläufig Bildinformationen verloren, so dass der Videocodec mit Hilfe von Erkenntnissen über die menschliche Wahrnehmung und einigen mathematischen Tricks dennoch ein akzeptables Bild liefern muss. Welche Qualität von Nutzern und Produzenten letztlich akzeptiert wird, hängt sehr von der Technikevolution ab.
Das zeigt sich im direkten Vergleich der drei Videcodecs AV1, H.265 und H.264. Besonders gut sichtbar werden die Unterschiede bei vergleichsweise kleinen Bitraten. In einem zugegeben nicht repräsentativen Kurztest haben wir dazu den Trailer von Sintel in einer 1080p-Auflösung auf eine durchschnittliche Datenrate von 300 KBit/s komprimiert. Dazu haben wir die Standardeinstellungen der Encoder x264, x265 und Aomenc genutzt.
Wenig überraschend ist die optische Qualität von H.264 im Verhältnis zu den neueren Codecs. Denn H.264 zeigt bei derart starker Kompression die typischen und bekannten Blockartefakte, die bestimmte Szenen schlicht zu einer Schachbrettoptik verkommen lassen, so dass der tatsächliche Bildinhalt kaum noch zu erkennen ist. AV1 und H.265 liefern dagegen deutlich besser sichtbare Details.
Unterschiede zwischen den beiden jüngeren Codecs, also AV1 und H.265, sind auf den ersten Blick nur schwer zu erkennen. Bei näherer Betrachtung insbesondere von Einzelbildern, schneidet AV1 besser ab als H.265, was vor allem bei kleinteiligen Bildbestandteilen auffällt.
Bessere Qualität bei langsamerem Encoding
Dieses Ergebnis ist wenig verwunderlich, immerhin ist AV1 jünger als H.265 und entspricht damit dem typischen Fortschritt der Codec-Evolution. Außerdem nutzt AV1 wie erwähnt einige neue Konzepte zum Aufbau eines Videocodecs. Der an der Entwicklung von Daala beteiligte Entwickler Jean-Marc Valin berichtete in diesem Jahr über eben diese Fortschritte.
Die verbesserte Bildqualität auch im Vergleich zu H.265 ist erklärtes Ziel der Entwickler. Laut den Plänen der parallel zu den Arbeiten an AV1 stattfindenden Standardisierung der IETF für einen Internet-Videocodec (Netvc) soll der neue Standardcodec sogar bis zu 25 Prozent besser werden als H.265. AV1 gilt zurzeit als einziger möglicher Kandidat für den Netvc-Standard.
Mit den besseren Bildern von AV1 einher geht derzeit aber noch ein deutlicher Geschwindigkeitsnachteil beim Encoding der Inhalte. Während x264 und x265 über Jahre hinweg auf die Verwendung mehrerer CPU-Kerne und bestimmter CPU-Befehlssatzerweiterungen hin optimiert worden sind, läuft AV1 derzeit nur gut mit einem Thread und ist damit auch extrem langsam.
Verständlicherweise liegt das Hauptaugenmerk der Entwickler von AV1 derzeit noch auf dem Codec selbst und nicht zwangsläufig auf der Optimierung der dafür benötigten Werkzeuge. Gemäß den Arbeiten im Netvc-Gremium ist die größere Komplexität beim Encoding aber durchaus tolerierbar.
Da AV1 mit fast dem gleichen Funktionsumfang wie H.265 schon vor dem Abschluss der Arbeiten bereits teils deutlich bessere Ergebnisse liefert, ist es wahrscheinlich, dass AV1 vielleicht schon im kommenden Jahr von ersten Anbietern versuchsweise eingesetzt wird. Vermutlich wird AV1, dank der breiten Unterstützung der Hardware-Hersteller der Aomedia-Organisation, schnell umgesetzt.
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