اصول رمزگذاری چند کاناله برای استریم

رمزگذاری چیست؟

رمزگذاری به تبدیل ویدئوهای ضبط شده و/یا گرافیک های کامپیوتری رندر شده به فرمت دیجیتال اشاره دارد که به تسهیل ضبط، جابجایی، ضرب، اشتراک گذاری، تغییر یا دستکاری محتوای ویدئویی برای ویرایش، انتقال و مشاهده کمک می کند. این فرآیند مستلزم پیروی از مجموعه‌ای از قوانین برای دیجیتالی کردن ویدیو است که می‌تواند توسط یک «رمزگشا» معکوس شود تا امکان مشاهده فراهم شود. رمزگشا می تواند سخت افزار اختصاصی یا به سادگی پلیر نرم افزاری باشد. فرآیند رمزگذاری می تواند از یک استاندارد بازار یا یک طرح رمزگذاری اختصاصی استفاده کند.

مرحله اول: ضبط ویدئو

اولین مرحله رمزگذاری، ضبط ویدیو است. این تقریباً همیشه شامل ضبط صدا در همان زمان نیز می شود.

بسیاری از رسانه های مختلف وجود دارد که می توان آنها را “ضبط کرد”. منابع محبوب برای ضبط ویدئو عبارتند از: دوربین‌ها، تجهیزات تولید ویدئو و سوئیچینگ، و گرافیک ارائه‌شده در رایانه‌های شخصی.

برای دوربین ها، تولید فیلم و تجهیزات سوئیچینگ پورت های مختلفی برای دسترسی به صدا و تصویر وجود دارد. پورت های محبوب (I/O) این دستگاه ها که به تجهیزات رمزگذاری متصل می شوند عبارتند از: HDMI و SDI.

گرفتن گرافیک رندر شده یا ویدیو از رایانه شخصی به روش های مختلفی قابل انجام است. از نرم افزار می توان برای عکسبرداری از آنچه در صفحه نمایش رایانه شخصی قابل مشاهده است استفاده کرد. گزینه دیگر این است که خروجی گرافیک رایانه شخصی را از پورت های محبوبی مانند ™DisplayPort یا ®HDMI  ضبط کنید. حتی می توان ضبط مبتنی بر سخت افزار را از داخل رایانه شخصی از طریق گذرگاه PCI-Express انجام داد. محصولاتی که از ضبط و/یا کدگذاری با چگالی بسیار بالا پشتیبانی می‌کنند، می‌توانند در برنامه‌های ضبط بلادرنگ یا پخش ویدیوی 360 درجه، واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR)، در صورت ترکیب با پردازنده‌های گرافیکی که قادر به انجام این کار هستند ، استفاده شوند.

هنگام استفاده از رمزگذاری نرم‌افزاری (به زیر مراجعه کنید)، سخت‌افزار ضبط برای رایانه‌های شخصی به اشکال مختلفی از جمله کارت‌های ®PCI-Express، دستگاه‌های ضبط USB، و دستگاه‌های ضبط برای سایر اتصالات رایانه شخصی ارائه می‌شود.

مرحله بعدی: رمزگذاری ویدیو

رمزگذاری ویدیو را می توان با سخت افزار یا نرم افزار به دست آورد. ویژگی ها و امتیاز قیمت در تمام جزئیات برای الزامات گردش کار در سخت افزار و نرم افزار وجود دارد.

گزینه های زیادی برای ضبط و رمزگذاری ویدیو وجود دارد. دستگاه‌های قابل حمل دستی دارای دوربین هستند و می‌توانند هم فایل‌های ویدیویی رمزگذاری‌شده و هم جریان‌های ویدیویی زنده ایجاد کنند.

رمزگذاری و ترجمه

Transcoding و Transrating از دیگر اشکال رمزگذاری هستند. این به گرفتن فیلم دیجیتال و تبدیل آن اشاره دارد. نمونه ای از رمزگذاری، گرفتن یک  ویدیو از یک فرمت، مانند MPEG-2، و تبدیل آن به فرمت دیگر، مانند H.264 است. نمونه ای از ترجمه، گرفتن یک ویدیو و تبدیل ویژگی های وضوح یا نرخ بیت آن، اما ثابت نگه داشتن قالب است. مانند H.264. برای برخی از عملیات ترانکودینگ، ویدئو باید رمزگشایی و سپس رمزگذاری مجدد شود. برای انواع دیگر رمزگذاری، می توان همان قالب رمزگذاری را حفظ کرد، اما مواردی مانند پروتکل های استریمینگ را می توان تغییر داد.

گاهی اوقات نرم افزاری که در محل یا در فضای ابری به عنوان یک سرویس اجرا می شود، می تواند برای رمزگذاری برنامه ها استفاده شود. هدف و الزامات عملکرد عملیات ترانکدینگ بسیار متفاوت است. میزان تأخیر قابل تحمل توسط جریان کار ویدیویی می‌تواند بر انتخاب‌ها برای کدگذاری اصلی رسانه‌های مختلف و گزینه‌های رمزگذاری تأثیر بگذارد.

رمزگذاری با یا بدون فشرده سازی

رمزگذاری ویدیوی خام را می توان با فشرده سازی و بدون فشرده سازی به دست آورد.

برای مثال، در محیط‌های ویرایش ویدیو، ویدئو اغلب دستکاری می‌شود و بسیاری از گردش‌های کاری با ویدئوهای دیجیتال غیرفشرده طراحی می‌شوند.

در برنامه‌هایی که ویدیو در اینترنت به کاربران ارائه می‌شود، معمولاً ویدیو فشرده می‌شود تا بتواند در شبکه‌ها قرار بگیرد و در بسیاری از دستگاه‌های مختلف مشاهده شود.

هنگامی که ویدیو مستقیماً از صاحبان محتوا در اختیار بینندگان محتوا قرار می‌گیرد، برای مثال، ارائه‌دهندگان خدمات کابلی و ماهواره‌ای را دور می‌زنند، گاهی اوقات به آن محتوای «بیش از حد» یا به اختصار OTT گفته می‌شود. تقریباً تمام محتوایی که در هر قالبی به دست بیننده می رسد، ویدیوی فشرده است. این شامل OTT، Blu-ray، پخش آنلاین، و حتی سینما است.

در حالی که ویدئو را می‌توان با یا بدون فشرده‌سازی رمزگذاری (دیجیتالیزه) کرد، زمانی که فشرده‌سازی درگیر است، معمولاً شامل یک کدک ویدیویی است که مخفف عبارت فشرده‌سازی است.

هنگامی که هدف از رمزگذاری پخش زنده یا پخش بر اساس تقاضای رسانه ضبط شده است، از کدک های ویدیویی – مانند H.264 – برای فشرده سازی ویدیو استفاده می شود. رمزگشاهای نرم افزاری و سخت افزاری فرآیند را معکوس می کنند و به شما امکان می دهند رسانه ها را مشاهده کنید.

بسیاری از منابع آنلاین اطلاعات برای ارزیابی کدک های محبوب وجود دارد. بسیاری از گزارش ها هنوز هم سهم بازار بسیار مسلط را توسط H.264 منعکس می کنند. مثال: streamingmedia.com

زمان واقعی در مقابل رمزگذاری غیر واقعی

رمزگذاری ویدیو عملیاتی است که می‌تواند در بلادرنگ اتفاق بیفتد یا چیزی که می‌تواند با تأخیر قابل‌توجهی اتفاق بیفتد.

برای مثال، بیشتر ویدیوهای آنلاین موجود در سرویس‌های پخش فیلم و نمایش، از رمزگذاری چند گذری برای بهره‌برداری از فناوری‌های فشرده‌سازی استفاده می‌کنند که بهترین ترکیب عملکرد و کیفیت خدمات را به بینندگان ارائه می‌دهند. کیفیت تصویر و نرخ بیت معمولاً در جایی که بهینه سازی یکی دیگری را جریمه می کند، همبستگی معکوس دارند. اما نرخ بیت ویدئو را می توان با استفاده از تکنیک های چند گذری به میزان قابل توجهی کاهش داد و در عین حال کیفیت و عملکرد استثنایی را برای بینندگان ایجاد کرد.

در موارد دیگر، رمزگذاری ویدیوی بلادرنگ برای برنامه مناسب تر است. برای مثال، در برنامه‌های پخش زنده، که در آن‌ها فقط تأخیر بسیار اسمی بین دوربین و مخاطبان قابل تحمل است، ویدیو اغلب با تأخیر بسیار کمی ضبط، کدگذاری و بسته‌بندی می‌شود.

جلسات آنلاین و کنفرانس های وب معمولاً از رمزگذاری ویدیوی بلادرنگ مانند پخش زنده وب حرفه ای استفاده می کنند.

یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های تمایز بین رمزگذارهای بلادرنگ مبتنی بر سخت‌افزار و نرم‌افزار برای برنامه‌های کاربردی در شبکه‌های محدود شده با پهنای باند، تأخیر، کیفیت و بهینه‌سازی نرخ بیت است که می‌توانند به آن دست یابند. بهترین رمزگذارها، اعم از سخت افزاری و نرم افزاری، می توانند کیفیت فوق العاده ای را با تأخیر بسیار کم و نرخ بیت بسیار پایین تولید کنند.

گاهی اوقات رمزگذارها را می توان با رسیورهای مربوطه به طور محکم جفت کرد. این بدان معنی است که فروشندگان هر دو طرف را با بهینه سازی های اضافی خاص ارائه می دهند. به عنوان مثال، سهولت و اتوماسیون برای اتصال نقطه پایانی منبع و مقصد، مدیریت سیگنال و سوئیچینگ، و عملکرد و کیفیت کلی را می توان برای تکمیل و تقویت یا در برخی موارد، به طور کامل جایگزین زیرساخت های AV سیمی سخت سنتی تنظیم کرد.

رمزگذاری سخت افزار در مقابل نرم افزار

تفاوت بین رمزگذاری سخت افزاری و نرم افزاری در این است که رمزگذاری سخت افزاری از پردازش هدفمند برای رمزگذاری استفاده می کند، در حالی که رمزگذاری نرم افزار برای رمزگذاری به پردازش همه منظوره متکی است.

هنگامی که رمزگذاری توسط سخت افزار اختصاصی انجام می شود، سخت افزار به گونه ای طراحی می شود که قوانین رمزگذاری را به طور خودکار انجام دهد. طراحی سخت افزاری خوب امکان ویدیو با کیفیت بالاتر و مصرف انرژی کم و تأخیر بسیار کم را فراهم می کند و می تواند با سایر ویژگی ها ترکیب شود. اینها معمولاً در شرایطی نصب می شوند که نیاز به رمزگذاری زنده وجود دارد.

رمزگذاری نرم‌افزار نیز از سخت‌افزار استفاده می‌کند، اما از پردازش‌های عمومی‌تر مانند CPU در رایانه‌های شخصی یا دستگاه‌های دستی استفاده می‌کند. در بیشتر موارد، کدگذاری نرم افزاری نیاز به تأخیر و توان بسیار بالاتری را نشان می دهد. تأثیر روی تأخیر و قدرت با استفاده از رمزگذاری نرم افزار برای ویدیوهای با کیفیت بالا حتی بیشتر است. بسیاری از CPUها و GPUهای مدرن سطحی شتاب سخت افزاری را برای رمزگذاری در خود دارند. برخی از آنها I/O محدود هستند و عمدتاً برای رمزگذاری استفاده می‌شوند. برخی دیگر از یک رمز سخت افزاری برای یک جریان واحد استفاده می کنند، به عنوان مثال برای اشتراک گذاری یک بازی ویدیویی در حال انجام.

یک مثال خوب از استفاده برای رمزگذاری نرم افزار با استفاده از ویدیو با کیفیت بالا، ویرایش ویدیو است، جایی که ویرایشگرهای محتوا اغلب تغییرات را ذخیره می کنند. برای حفظ کیفیت از ویدئوهای رمزگذاری نشده فشرده استفاده می شود. در پایان فرآیند ویرایش ویدیو، رمزگذاری مجدد (ترانکد) ویدیو، این بار با استفاده از فشرده سازی، اجازه می دهد تا ویدیو برای مشاهده به اشتراک گذاشته شود یا در اندازه فایل کاهش یافته ذخیره شود. در حالی که ویدیوی فشرده نشده معمولاً در جایی برای گزینه‌های ویرایش بعدی ذخیره می‌شود، کپی‌های اضافی ویدیو که برای مشاهده استفاده می‌شوند، اغلب در قالب فشرده هستند. جابجایی ویدیوهای فشرده نشده از نظر پهنای باند بسیار سنگین است. حتی با شبکه‌های جدید با پهنای باند بالا، پهنای باند مؤثر و مقیاس‌پذیری همیشه هنگام فشرده‌سازی ویدیو به حداکثر می‌رسد.

مثال دیگری از رمزگذاری نرم افزار می تواند استفاده از دوربین رایانه شخصی یا یک دستگاه هوشمند دستی برای انجام کنفرانس ویدیویی (یا تماس های ویدیویی) باشد. این اغلب یک کاربرد رمزگذاری ویدیوی بسیار فشرده است که در نرم افزارهای در حال اجرا بر روی CPU انجام می شود.

برای کاربران، تمایز بین رمزگذاری با شتاب سخت افزاری در مقابل رمزگذاری نرم افزاری می تواند مبهم باشد. شتاب سخت‌افزاری چندین هدف مختلف را برای گردش‌های کاری مختلف انجام می‌دهد. به عنوان مثال: بسیاری از دستگاه‌های دستی دارای پردازنده‌هایی هستند که می‌توانند رمزگذاری ویدیوهای بسیار فشرده را برای برنامه‌هایی مانند تماس‌های ویدیویی تسریع کنند. “هدف” شتاب سخت افزاری در این مورد محافظت از عمر باتری دستگاه دستی در برابر فرآیند نرم افزاری است که بر روی CPU دستگاه مذکور بدون شتاب اجرا می شود. اگر به طور کامل در نرم افزار اجرا شود، تماس های ویدیویی، تماشای استریم ویدیو در YouTube، یا تماشای ویدیوهای ذخیره شده در تلفن، همه فعالیت هایی هستند که به طور قابل توجهی عمر باتری را کاهش می دهند.

بین «پیچیدگی» کار رمزگذاری با توجه به اینکه آیا از رمزگذاری نرم‌افزاری – که بر روی محاسبات همه منظوره اجرا می‌شود – استفاده می‌شود یا اینکه از رمزگذاری تسریع‌شده سخت‌افزاری استفاده می‌شود، همبستگی وجود دارد. حفظ کیفیت ویدیو در حالی که به میزان قابل توجهی اندازه ویدیو را برای ذخیره سازی یا انتقال در شبکه فشرده می کند، نمونه ای از پیچیدگی است.

این یکی از دلایلی است که استانداردهای ویدئویی بسیار مهم هستند. این واقعیت که H.264 یک استاندارد ویدیویی طولانی مدت بوده است به این معنی است که در دستگاه های هوشمند دستی و رایانه های شخصی شتاب سخت افزاری دارد. این یکی از دلایل مهمی بوده است که تولید، اشتراک گذاری و مصرف محتوای ویدیویی بسیار آسان بوده است.

سرویس‌های ویدیویی استریمینگ که به کاربران خانگی فیلم و نمایش ارائه می‌کنند، گاهی اوقات از رمزگذاری مبتنی بر نرم‌افزار برای دستیابی به بالاترین کیفیت در پایین‌ترین نرخ بیت برای تجربه‌های قابل اعتماد با کیفیت بالا برای میلیون‌ها کاربر همزمان استفاده می‌کنند. اما برای چنین مورد هدفمندی، آنها از تعداد زیادی کامپیوتر برای زمان های بسیار طولانی استفاده می کنند تا بهینه ترین پارامترهای رمزگذاری را پیدا کنند. این در زمان واقعی انجام نمی شود و برای پخش بر اساس تقاضا، در مقابل پخش زنده، مناسب تر است.