Co to jest bitrate i jak wpływa na jakość Twojego wideo?

Podróże w czasie – o migracji danych słów kilka

Bitrate jest pojęciem technicznym, które określa ilość danych transferowanych przez konkretne urządzenie w przedziale czasowym – termin ten, nazywany również przepływnością, mierzy się w bitach na sekundę (b/s) i zazwyczaj podaje się go w kb/s lub Mb/s – uwaga: nie mylić z MB/s! – B oznacza bajt, b–bit. Jest więc to parametr, który wpływa bezpośrednio na jakość oraz rozmiar nagrywanych i wyświetlanych obrazów, choć na samym początku działalności filmowej nie jest to tak oczywiste. 

Bitrate oraz jego wartości są ściśle powiązane z daną rozdzielczością oraz sposobem interpretacji obrazu przez najróżniejsze kodeki – każdemu z tych pojęć poświęcimy osobny wpis, jednakże warto już na tym etapie wiedzieć, że to właśnie od wzajemnej relacji tych 3 elementów zależy finalna jakość obrazów, jaką możemy zarejestrować lub wyświetlić.

Trzeba także podkreślić, że bitrate jest jednocześnie parametrem całkowicie niezależnym od dwóch uprzednio wymienionych oraz że zasadniczo gra pierwsze skrzypce w procesie zapisu i transmisji jakościowego obrazu. Można mieć najlepszą na świecie kamerę, z najdoskonalszą technologicznie matrycą o niesamowitej rozdzielczości oraz dysponować szeregiem profesjonalnych kodeków – jednak gdy zapomni się o ustawieniu właściwej wartości przepływności, cała ciężka praca może pójść na marne. 

Kodowanie obrazu

Kodek odpowiada za sposób interpretacji konkretnych danych przez kamerę filmową, aparat lub komputer. Innymi słowy jest to algorytm, który decyduje o tym, jakiemu przekształceniu ma ulec dana informacja – kodowaniu lub dekodowaniu – a rodzaj tego przekształcenia również uwarunkowany jest wartością bitrate w ramach określonego formatu kompresji danych. 

Wartość bitrate różnicuje kodeki jakościowo, dzieląc je na kodeki stratne i bezstratne – czyli takie, które determinują przetwarzanie większej lub mniejszej ilości informacji. Kodeki można podzielić również ze względu na ich funkcję. Z jednych skorzystamy podczas nagrywania oraz postprodukcji naszego materiału filmowego, inne dedykowane są do wyświetlania i transmitowania naszych obrazów – między innymi w Internecie. Obecnie najpopularniejszą rodziną kodeków stratnych stworzonych na potrzeby edycji materiałów wideo są kodeki ProRes od firmy Apple, które obsługują rozdzielczości wideo do 8K.  

Wartości bitrate przypisane poszczególnym kodekom z rodziny ProRes Apple

Na rynku dostępnych mamy już wiele urządzeń filmujących z zaimplementowaną możliwością wewnętrznej rejestracji kodeków ProRes – są to między innymi kamery z serii Blackmagic Design, model X-H2S od Fujifilm czy też Lumix GH6.

Istnieją jeszcze bardziej zaawansowane kodeki funkcjonujące w świecie filmu, które osiągają imponujące ilości przepływu informacji – na przykład Redcode Raw z szybkością transmisji danych 2072 Mb/s czy też nieprawdopodobnie szybki Arri Raw (Alexa 65) z bitrate'em osiągającym prędkość 7380 Mb/s! 

Warto pamiętać, że kodek oraz często kojarzona z nim kompresja nie są tożsamymi terminami, choć przyjęło się w języku potocznym używać obu słów wymiennie – istnieją bowiem takie kodeki, które pozwalają na zapis lub transmisję wyższej jakości obrazu w mniejszej ilości bitów informacji (w mniejszym bitrate) bez konieczności kompresji (czyli redukcji jakości obrazu lub innego strumienia danych).

Zakodowanie plików bez konieczności przeprowadzenia na nich kompresji (redukcji) umożliwiają obecnie dwa wiodące standardy do wyświetlania wideo – H.264 (AVC) oraz nowszy H.265 (HEVC). 

Stały i zmienny bitrate

Kodowanie wideo może przebiegać na dwa sposoby. Wartość bitrate może być niezmienna podczas nagrywania, edycji lub transmitowania danego materiału – wówczas mówimy o transmisji CBR (constant bitrate). Szybkość transmisji danych może się też zmieniać w odniesieniu do ilości informacji zawartych w obrazie, w zakresie wyznaczonych granicznych szybkości przepływu danych – wtedy mamy do czynienia z tak zwanym VBR (variable bitrate), który ma na celu przede wszystkim utrzymać stałą jakość sygnału o różnym stopniu skomplikowania. 

Uproszczony wykres stałego (CBR) oraz zmiennego (VBR) bitrate w jednostce czasu

Stały i zmienny bitrate ma odmienne zastosowania w praktyce.

CBR znajdzie swoje zastosowanie w rejestracji materiałów wideo z tak zwaną zawartością o mniejszym ruchu – np. podczas nagrywania ujęć statycznych, wywiadów w typie „gadających głów" lub podczas streamowania na platformach typu Youtube czy Twitch. W tym ostatnim przypadku miarowy przepływ danych jest szczególnie ważny, ponieważ daje on gwarancję tego, że widzowie nie doświadczą problemów związanych z przerywaniem się transmitowanego materiału. CBR nie sprawdzi się jednak przy zapisie i transmisji form multimedialnych. Może wówczas dojść do sytuacji, w której CBR omyłkowo przypisze więcej bitów informacji sekwencjom o słabej dynamice, a tam gdzie rzeczywiście wystąpiła zawartość prawdziwie dynamiczna tych bitów zabraknie – dojdzie wówczas do znacznej degradacji obrazu.

VBR użyjemy podczas nagrywania i transmitowania ujęć o różnym stopniu dynamiki, z uwzględnieniem zawartości o większym i mniejszym ruchu jednocześnie – dzięki temu możliwe jest zachowanie identycznej jakości wizualnej zarówno dla mniej, jak i bardziej skomplikowanych obrazów.

Niektóre z kodeków dedykowane do pracy z filmem obsługują zmienny bitrate – są to np. DivX czy Xvid. 

Bitrate kontra rozdzielczość – paradoks jakości obrazu

Rozdzielczość może, ale nie musi bezpośrednio wpływać na jakość rejestrowanego materiału wideo. Jest to przede wszystkim parametr, który definiuje ilość pikseli na sensorze światłoczułym.

Skąd więc wzięło się silne przekonanie, że im większa rozdzielczość, tym lepsza jakość obrazu? Ma to oczywiście silne korelacje z określonym bitrate'm przypisanym odgórnie do poszczególnych rozdzielczości – większość urządzeń filmujących, nieposiadających zaawansowanych możliwości ustawień, automatycznie przydziela większą wartość bitrate dla wyższych rozdzielczości – co jest całkiem zrozumiałe, ponieważ większe rozdzielczości zawierają zwyczajnie większą ilość pikseli z informacjami o danym obrazie, a prawidłowy transfer tych danych, czyli odwzorowanie porównywalnej jakości np. w Internecie, wymaga dużej wartości przepływności. 

Co się jednak stanie gdy bitrate będzie niewystarczający dla wysokiej rozdzielczości? 

Zdarzają się sytuacje, kiedy obraz zarejestrowany w rozdzielczości niższej – np. HD – może mieć de facto lepszą jakość obrazu niż obraz 4K. Jeśli w obydwu przypadkach nagralibyśmy nasz materiał ze stałą wartością bitrate – załóżmy 4 Mb/s – wówczas podczas procesu kodowania na kamerze nagrywającej w 4K ilość danych zapisana w pikselach musiałoby zostać znacznie zredukowana, aby tak mała wartość przepływności mogła je, mówiąc kolokwialnie, przepuścić. Trzeba mieć świadomość, że obraz 4K potrzebuje co najmniej wartości bitrate 35 Mb/s aby mieć dobre odwzorowanie jakości i ciągłości obrazu – czyli potrzebuje prawie 9 razy większego bitrate’u niż 4 Mb/s! 

Decydując się natomiast na nagranie w rozdzielczości HD, która zawiera w sobie zdecydowanie mniejszą liczbę pikseli, a tym samym mniejszą liczbę danych do kodowania/dekodowania w ramach niskiej wartości bitrate – skutkowałaby to paradoksalnie lepszą jakością obrazu. Analogiczna sytuacja miałaby miejsce przy wyborze dwóch różnych klatkaży – np. 25 i 50 kl./s – przy zachowaniu stałego bitrate na poziomie 4Mb/s obraz z większą ilością klatek na sekundę uległby znacznie większej degradacji, ponieważ wymagałby większej kompresji danych żeby zmieścić je w ramach narzuconego, zbyt małego bitrate'u.

Uproszczony wykres ilustrujący spadek jakości obrazu wraz ze wzrostem rozdzielczości przy małej wartości bitrate

Mając na uwadze ten istotny fakt, warto pamiętać, że im wyższą rozdzielczość obrazu planujesz zarejestrować, tym większą wartość bitrate będziesz potrzebował, żeby obraz wyglądał po prostu dobrze – w przeciwnym razie doświadczysz sytuacji jak w opisie powyżej.

Dopasuj bitrate do swoich potrzeb

Pozostając w kontekście korelacji szybkości transmisji danych oraz rozdzielczości obrazu, warto wspomnieć, że każde urządzenie filmujące może inaczej definiować daną rozdzielczość, co będzie skutkować również tym, że obrazy z poszczególnych kamer i aparatów będą się od siebie kompletnie różnić jakością. Jak już wiemy, bezpośrednią przyczyną takiego stanu rzeczy jest ustalona przez producenta, a coraz częściej również przez samego użytkownika, wartość bitrate – oczywiście nie bez znaczenia jest także wielkość matrycy naszego sprzętu, jednakże tę kwestię poruszymy w odrębnym wpisie. 

W coraz to nowszych modelach aparatów filmujących mamy możliwość wybierania wielu wartości bitrate oraz kodeków dla poszczególnych rozdzielczości, co niewątpliwie otwiera przed twórcami szereg możliwości oraz ułatwia dopasowanie technicznych aspektów rejestracji już z pozycji samego body. Przykładami modelów aparatów z niezwykle rozbudowaną specyfikacją techniczną oraz możliwością nagrywania w wielu najróżniejszych wartościach bitrate, jest już wcześniej wspomniany przez nas Lumix GH6, o którym przeczytasz więcej w naszym osobnym artykule, a także aparat Fujifilm X-H2S – o nim również stworzyliśmy wpis na naszym blogu. 

Pamiętajmy jednak o tym, że aby móc korzystać z wysokich wartości bitrate, niezbędne jest wyposażenie się w ultraszybkie karty zapisu, które będą w stanie przechwycić prędkość przepływu naszych nagrań – na rynku mamy obecnie kilka wiodących modelów kart typu CFexpress, dzięki którym możemy rejestrować wideo w naprawdę wysokiej jakości. 

Tabela zalecanej szybkości transmisji obrazu (bitrate) dla platformy Youtube

Znajomość różnych standardów bitrate obowiązujących na poszczególnych platformach streamingowych (Youtube, Twitch, Facebook Live) jest szczególnie przydatna, gdy zdecydujmy się transmitować nasz materiał online – wówczas warto wiedzieć, w jaki sposób przygotować plik, aby widzowie po drugiej stronie ekranu mogli liczyć na satysfakcjonujący jakościowo stream.

Importując materiały do Internetu trzeba pamiętać o ustawieniu odpowiedniego bitrate w odniesieniu do rozdzielczości naszego pliku oraz właściwym kodeku, żeby po finalnym wgraniu filmu nie było efektu pikselizacji obrazu. Czasami jednak ograniczenia bitrate narzucone z góry przez daną platformę są nie do przeskoczenia – z tego powodu materiał 4K wrzucony na Youtube nie będzie wyglądał tak samo jak 4K importowane np. na Vimeo. Obydwa serwisy mają kompletnie inne ograniczenia serwerowe – Vimeo pozwala na obsługę znacznie wyższych wartości bitrate – dlatego warto umieszczać na nim materiały, które są naszym filmowym portfolio i gdy zależy nam na jak najdoskonalszej jakości obrazu względem oryginału. Z kolei np. transmisje obrazów na żywo warto przeprowadzać na platformach z bitrate'm ograniczonym, gdzie na potrzeby streamowania nie zawsze potrzebujemy mieć jak najwyższej jakości obraz. 

Przed przystąpieniem do wgrywania jakichkolwiek materiałów filmowych lub prowadzenia transmisji, zawsze warto zapoznać się z wytycznymi danego serwisu, aby uzyskać zoptymalizowany, jak najlepszy jakościowo obraz oraz stream.  

O pozostałych ważnych aspektach związanych z rejestrowaniem wysokiej jakości obrazu wideo przeczytasz w naszych innych blogowych artkułach, w których szczegółowo wyjaśniamy ważne pojęcia techniczne:

Głębia bitowa – ile waży kolor?

Przestrzeń barw i gamut – wstęp do reprodukcji barwy

Krzywe LOG oraz ich wpływ na dynamikę tonalną obrazu filmowego