Видеокодек VP9: как работает открытый стандарт сжатия видео от Google

Компания Google уже давно следует прерогативе полного суверенитета в области технологического стека, и это выражается не только в разработке собственных TPU-ускорителей или продвижением своей экосистемы ИИ-моделей Gemini/Gemma, но и в области трансляции видео. Для этого Google в 2010 году выкупила компанию On2 Technologies, которая занималась разработкой видеокодеков, благодаря чему IT-гигант обзавелся собственной технологией сжатия видео VP (Video Processing) и продолжил ее развитие. Так и появился всем известный видеокодек VP9, который активно борется за звание самого популярного кодека с решениями AVC, HECV и AV1. В этой статье специалисты компании ServerFlow расскажут вам, что из себя представляет видеокодек VP9 от Google, как он работает, какими характеристиками он обладает и чем он отличается от ведущих решений для сжатия видео.

VP9 (Video Processing 9) — это полностью открытый и бесплатный видеокодек, разработанный компанией Google как эволюционное продолжение своего предшественника VP8 от купленной ею компании On2 Technologies. VP9 стал первым полноценным и эффективным видеокодеком, который освобожден от лицензионных ограничений и может свободно использоваться ведущими разработчиками аппаратного/программного обеспечения. Это сделало его идеальным инструментом для веб-ориентированных сервисов, стриминга и массового потребления контента. Именно VP9 стал тем фундаментом, на котором YouTube смог масштабировать выдачу видео в высоких разрешениях, включая 4K, значительно экономя пропускную способность и затраты на хранение. До появления более совершенного AV1 кодек VP9 по праву считался топовым решением для интернет-видео, обеспечивая баланс между качеством, сложностью и широкой доступностью.

Как и решения H.264 и H.265, видеокодек VP9 работает на базе гибридной схеме сжатия, сочетая внутрикадровое (intra) и межкадровое (inter) кодирование. Кодек начинает обработку с разделения кадра на суперблоки размером до 64x64 пикселей. Далее, в зависимости от сложности изображения, эти суперблоки рекурсивно разделяются на меньшие блоки с помощью структуры, называемой квадродеревом, чтобы гибко разделять биты: однородные области кодируются крупными блоками, а детализированные фрагменты — мелкими.

Для intra-кадров VP9 использует сложное пространственное предсказание из нескольких десятков режимов, что позволяет эффективно сжимать информацию на основе уже закодированных пикселей того же кадра. Для inter-кадров применяется временное предсказание и компенсация движения: кодек ищет и описывает перемещение блоков между кадрами, передавая лишь векторы движения и разницу.

После предсказания остаточные данные преобразуются с помощью дискретного косинусного преобразования (DCT) или асимметричного дискретного синусного преобразования (ADST) для лучшей адаптации к типу контента. Затем коэффициенты проходят этап уменьшение точности для отбрасывания малозаметных деталей и энтропийного кодирования арифметическим кодером, который компактно упаковывает поток битов.

Важной особенностью VP9 является ограниченная и упрощенная поддержка двунаправленных кадров по сравнению с HEVC, что упрощает декодирование видео, но отчасти снижало гибкость кодека.

Стандарт VP9 определяет несколько профилей, которые задают возможности по глубине цвета, цветовому формату и другим параметрам:

• Profile 0: Наиболее распространенный профиль, поддерживающий 8-битную глубину цвета и формат 4:2:0. Это основа для большинства веб-видео, включая YouTube.
• Profile 1: Поддержка 8-битного цвета в формате 4:4:4, что важно для компьютерной графики или композитинга без потерь в цветовой субдискретизации.
• Profile 2: Поддержка повышенной глубины цвета (10 и 12 бит) в формате 4:2:0. Ключевой профиль для контента HDR (High Dynamic Range).
• Profile 3: Сочетает высокую битность (10/12 бит) с форматом 4:4:4 для профессиональных задач.

Уровни в VP9 разделены от 1 до 6.2 и определяют технические ограничения для декодера — все как в AVC/HECV.

По эффективности сжатия VP9 заметно превосходит H.264, позволяя снизить битрейт на 30-50% при сохранении того же визуального качества, и в среднем лишь немного уступает H.265. Для управления битрейтом используются как классические методы переменного (VBR) и постоянного (CBR) битрейта, так и подход, подобный CRF в libvpx, который стремится к постоянному качеству, варьируя размер файла.

Длина группы кадров и структура кадров напрямую влияют на задержку. VP9 хорошо подходит для Video on Demand (VOD) и live-стриминга с умеренной задержкой, что и обеспечило его доминирование на YouTube. Однако для сценариев c ультра-низкой задержкой, например, видеозвонки, интерактивный стриминг, его сложность и особенности работы с B-кадрами делают VP9 менее оптимальным выбором по сравнению с более простыми или специализированными кодеками.

Аппаратная поддержка VP9 в GPU и SoC стала ключевым фактором его широкого распространения.

• Процессоры (APU / CPU): Intel — аппаратное декодирование VP9 начиная с 6–7 поколения Core (Skylake / Kaby Lake), полноценная поддержка VP9 Profile 0/2 (8- и 10-bit) с Kaby Lake, аппаратное кодирование VP9 доступно в ограниченном виде начиная с Ice Lake, полноценно — на Intel Arc (Alchemist); AMD — аппаратное декодирование VP9 начиная с APU Ryzen на архитектуре Zen / Zen+ через UVD/VCN, аппаратное кодирование VP9 отсутствует или не заявлено официально; Apple Silicon — M1, M2, M3 имеют аппаратное декодирование VP9, аппаратного кодирования VP9 нет (кодирование выполняется программно). В ранних APU обработка VP9 выполнялась внутри iGPU, в более новых чипах — через выделенные медиаблоки.
• Графические процессоры (GPU): NVIDIA — аппаратное декодирование VP9 реализовано начиная с Maxwell 2.0 (GTX 950/960), полноценная поддержка (8-/10-bit, HDR) в Pascal, Turing, Ampere, Ada; аппаратное кодирование VP9 через NVENC появилось в Pascal, но долгое время оставалось ограниченным и не являлось массовым сценарием; AMD — аппаратное декодирование VP9 доступно начиная с GCN 4.0 (Radeon RX 400) через UVD → VCN, аппаратное кодирование VP9 отсутствует или экспериментально и не считается стандартной функцией; Intel — Quick Sync Video обеспечивает аппаратное декодирование VP9 с Kaby Lake, аппаратное кодирование VP9 полноценно реализовано на Intel Arc.
• Мобильные платформы (SoC): Qualcomm Snapdragon — аппаратное декодирование VP9 стало стандартом начиная с Snapdragon 820, в более новых SoC (865, 888, 8 Gen 1/2) поддерживается VP9 8-/10-bit, кодирование зависит от поколения VPU; Apple A-series — аппаратное декодирование VP9 начиная с A10 Fusion, аппаратного кодирования VP9 нет; Samsung Exynos — аппаратное декодирование VP9 начиная с Exynos 8890; HiSilicon Kirin — аппаратное декодирование VP9 начиная с Kirin 960.
• Камеры и специализированное оборудование: Подавляющее большинство Smart TV, медиаплееров и ТВ-приставок с 2016–2017 годов выпуска имеют встроенное аппаратное декодирование VP9 (в первую очередь для YouTube 4K), тогда как аппаратное кодирование VP9 в камерах, энкодерах и NVR встречается редко и практически не используется в профессиональном сегменте.

Программное кодирование VP9, осуществляемое в основном библиотекой libvpx, остается вычислительно сложным и относительно медленным процессом, что ограничивает его использование в реальном времени на слабом железе.

Технически стандарт VP9 поддерживает разрешения вплоть до 8K (8192x4320). Поддержка HDR реализована через Profile 2 с 10-битной глубиной цвета и передачей метаданных HDR10. Это позволило YouTube запустить поток HDR-контента. Также поддерживается 12-битная глубина и формат 4:4:4 без субдискретизации цвета. Однако для профессионального видеопроизводства и монтажа VP9 так и не стал популярным из-за отсутствия широкой поддержки в профессиональном софте, сложности редактирования сжатого потока и доминирования других, специализированных кодеков.

Ключевым преимуществом VP9, определившим его успех, стала модель лицензирования. В отличие от HEVC, за использование которого необходимо было платить патентным объединениям (MPEG LA, HEVC Advance), Google выпустила VP9 как полностью открытый и бесплатный стандарт. Компания взяла на себя все риски, связанные с возможными патентными претензиями, и предоставила индустрии четкие гарантии. Это устранило юридическую неопределенность и финансовые барьеры для внедрения, особенно для таких гигантов, как Google (YouTube), Mozilla, Microsoft и других. Для экосистемы Google VP9 стал стратегическим активом, позволившим контролировать ключевую технологию в своей инфраструктуре и снизить зависимость от внешних лицензиаров.

Основным драйвером и площадкой для VP9 стал и остается YouTube. Подавляющая часть трафика платформы обслуживается этим кодеком. Веб-браузеры Chrome, Firefox, Edge и Opera уже много лет поддерживают VP9, что сделало его базовым форматом для HTML5-видео. Многие VOD-платформы также используют VP9 для доставки контента в высоком разрешении. В сфере видеоконференций и WebRTC его применение ограничено из-за относительно высокой задержки и сложности кодирования в реальном времени. Именно эта «ограниченность» экосистемой Google (веб, YouTube, Android TV) является одновременно и силой VP9, и его слабостью, не позволившей вытеснить H.264/HEVC в более широком рынке.

Несмотря на успех, VP9 имеет ряд существенных недостатков. Главный из них — чрезвычайно высокая вычислительная сложность кодирования, что делает его непрактичным для многих сценариев реального времени без мощного железа. Слабая аппаратная поддержка кодирования (в отличие от декодирования) долгое время сдерживала его использование для захвата и трансляции. Экосистема VP9 в значительной степени сформирована вокруг продуктов и сервисов Google, что ограничило его проникновение в другие области, такие как профессиональное вещание или архивирование. С момента появления AV1 развитие самого стандарта VP9 фактически остановилось, все усилия сосредоточены на его преемнике, что означает постепенное устаревание.

Несмотря на то, что VP9 появился еще в 2013 году, он остается одним из наиболее актуальных кодеков на сегодняшний день, однако его роль постепенно меняется из-за совместимости: миллиарды устройств способны аппаратно декодировать VP9, что обеспечивает беспроблемное воспроизведение огромного массива контента, прежде всего на YouTube, однако кодирование VP9 — это удел только самых топовых аппаратных решений, что ограничивает его массовое внедрение. Это отличный, проверенный временем кодек для VOD и стриминга, эффективно решающий задачи, для которых был создан, но он все-таки неизбежно уступает популярному открытому кодеку AV1, а также будет уступать грядущим AV2 и H.266. VP9 не исчезнет мгновенно — его жизненный цикл будет долгим благодаря инерции установленной базы устройств, но его место как основного инновационного кодека для интернет-видео уже занято. VP9 выполнил свою историческую миссию, проложив путь к открытому и эффективному видео будущего. Но помните, что в 2015 году Google объявила о начале разработки обновленного видеокодека VP10, поэтому реванш может произойти в любой момент.