BD-rate простыми словами: экономия битрейта кодеков

Коротко

BD-rate (Bjøntegaard Delta rate) – это то самое число, что стоит почти за каждым сравнением кодеков: средний процент битрейта, который кодек экономит при равном качестве, усреднённый по диапазону качества, а не в одной точке. BD-rate −44% означает, что тестовый кодек достигает того же качества, что и опорный, при битрейте на 44% ниже – это экономия, а не оценка качества, и эти две вещи постоянно путают. Считается он так: по точкам строят кривую «битрейт – качество» для каждого кодека, измеряют горизонтальный зазор между кривыми в логарифмической шкале битрейта и усредняют его по диапазону качества, который покрывают оба кодека. На нашем представительном наборе HEVC экономит около 44% против H.264, AV1 – около 55%, а AV1 против HEVC – около 20%; за этими средними прячется разброс по типу контента от примерно −47% до −64%.

Зачем это нужно

Каждый заголовок вроде «AV1 на 50% лучше» – это BD-rate, и читать большинство из них невозможно: никто не говорит, что держали равным, какой метрикой мерили и по какому диапазону усредняли. Эта статья – для инженера стриминга, специалиста по кодекам или технического продакт-оунера, которому нужно прочитать такие числа (или получить своё) и понимать, что именно значит процент и где он может ввести в заблуждение. BD-rate определяет бюджеты на кодеки и счета за CDN, поэтому ошибочное или неверно прочитанное число заставляет команду оптимизировать не то. Мы объясняем метрику с нуля, показываем арифметику вслух и привязываем каждый шаг к нашим опубликованным данным, чтобы любую цифру можно было воспроизвести. К концу вы сможете посчитать BD-rate, прочитать чужой и распознать пять способов, которыми его регулярно искажают.

Определение в одном предложении

Сначала версия простыми словами, а потом мы оправдаем в ней каждое слово. Число, которое показывает, насколько меньше битрейта нужно одному кодеку, чтобы сравняться по качеству с другим, усреднённое по диапазону качества, называется BD-rate – сокращение от Bjøntegaard Delta rate, по имени Гисле Бьёнтегора, определившего его для сообщества видеостандартов в 2001 году (Bjøntegaard, VCEG-M33, 2001).

Три части этого предложения несут весь смысл. «Меньше битрейта» делает BD-rate мерой эффективности, а не качества. «Сравняться по качеству с другим» означает, что всё сравнивается при равном качестве, никогда при равном битрейте. А «усреднённое по диапазону» значит, что BD-rate – это никогда не отсчёт в одной точке битрейта, а средний зазор между двумя кривыми.

Знак сбивает новичков, поэтому зафиксируем сразу: отрицательный BD-rate – это хорошо для тестового кодека. −44% значит, что тестовому кодеку нужно на 44% меньше битрейта, чем опорному, для того же качества. Положительный BD-rate значит, что нужно больше. Здесь опорный кодек – H.264, а HEVC и AV1 – тестовые, поэтому их BD-rate отрицательные.

И ещё одна оговорка перед математикой. BD-rate – это экономия битрейта при равном качестве, а не сама по себе метрика качества вроде VMAF или PSNR, хотя и считается из неё. Держите «сколько я экономлю» и «насколько хорошо выглядит» в разных коробках; самая частая ошибка с BD-rate – позволить им слиться.

Сначала картинка: две кривые и зазор между ними

Чтобы измерить кодек, вы кодируете один исходник на нескольких битрейтах, оцениваете каждый результат метрикой качества и строите график «качество от битрейта». Получившаяся линия – качество растёт по мере роста битрейта – называется кривой «битрейт – качество» (или rate-distortion). Полная геометрия этих кривых разобрана в статье про выпуклую оболочку; здесь нам нужны лишь две из них, по одной на кодек.

Ось качества – это VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion), перцептивная метрика 0–100, которую Netflix обучил на оценках людей. Число VMAF бессмысленно без модели, поэтому для протокола: все оценки здесь – это модель по умолчанию v0.6.1, усреднение mean-pooling, каждый энкод декодирован и масштабирован к исходнику перед оценкой. Как правильно читать VMAF – модель, пулинг, доверительный интервал – разобрано в VMAF простыми словами.

Нажмите, чтобы увеличить

Теперь положим оба кодека на один график, как на Рис. 1. Выберите любой уровень качества – скажем, VMAF 93 – и проведите горизонтальную линию. Она пересекает опорную кривую на одном битрейте, а тестовую – на более низком. Это горизонтальное расстояние и есть экономия на этом качестве. BD-rate – это просто тот же горизонтальный зазор, усреднённый по всем уровням качества, которых достигают оба кодека. Зазор горизонтальный, потому что читаем его при фиксированном качестве; экономия – это разница в битрейте, а не в качестве.

Самый простой пример: половина битрейта

До всяких реальных данных пройдём простейший случай, чтобы арифметика была прозрачной. Пусть тестовый кодек берёт тот же VMAF, что и опорный, ровно при половине битрейта, на каждом качестве лестницы. Интуитивно экономия – 50%. Посмотрите, как к этому приходит формула.

BD-rate не усредняет битрейты напрямую; он усредняет логарифм битрейта. Причина в том, что битрейт охватывает порядки величины – иначе верхняя ступень в 14 000 кбит/с задавила бы нижнюю в 700 кбит/с – а логарифм превращает «половину битрейта» в одинаковое расстояние на всей шкале (Bjøntegaard, VCEG-M33, 2001). Поэтому инструмент считает средний зазор по логарифму битрейта, а затем переводит его обратно в проценты.

На каждом совпадающем качестве отношение битрейтов = 0.5 (тест ÷ опорный).
Средний зазор по log-битрейту = log10(0.5)        = −0.30103
Перевод обратно в проценты     = 10^(−0.30103) − 1 = 0.5 − 1 = −0.50
BD-rate                        = −50.0%

Результат – ровно −50%, как и подсказывает интуиция. Урок структурный: BD-rate – это отношение битрейтов, выраженное в процентах, посчитанное в логарифмической шкале и переведённое обратно. Та же машина обрабатывает неровные, реалистичные кривые – просто усредняет меняющийся зазор вместо постоянного.

Как BD-rate считается на самом деле

Реальные кривые не параллельны, поэтому зазор меняется вдоль лестницы и нужен воспроизводимый рецепт. Современный метод, используемый Alliance for Open Media и комитетами по стандартам, состоит из пяти шагов (AOM/IETF, Daede et al., 2019; Bjøntegaard, VCEG-M33, 2001).

Нажмите, чтобы увеличить

Шаг 1 – измерить минимум четыре точки «битрейт – качество» на кодек. Исходный метод Бьёнтегора подгонял кубический многочлен по четырём точкам (VCEG-M33, 2001). Меньше четырёх даёт лишь грубую оценку; больше точек уменьшают ошибку, а для «капризных» метрик вроде VMAF ошибка примерно вдвое сокращается при добавлении точек (Herglotz et al., 2023).

Шаг 2 – взять логарифм битрейта. Это тот самый логарифмический шаг из примера, чтобы дорогие верхние ступени не доминировали в среднем.

Шаг 3 – подогнать форму-сохраняющую кривую по точкам каждого кодека. Исходная одиночная кубика может «перелетать» – выгибаться выше или ниже реальных данных между точками – и изобретать качество, которого никто не измерял. Современная практика подгоняет монотонный кусочно-кубический интерполянт (PCHIP), который не может перелетать, или близкий ему сплайн Акимы (AOM/IETF, 2019; Herglotz et al., 2023). Наш инструмент использует монотонный PCHIP.

Шаг 4 – проинтегрировать зазор, но только по перекрытию. Два кодека редко покрывают ровно один диапазон качества. BD-rate определён только там, где существуют обе кривые – в перекрывающемся диапазоне качества – поэтому метод интегрирует горизонтальный зазор по этому перекрытию и игнорирует уровни качества, которых достигает лишь один кодек (AOM/IETF, 2019). Проинтегрируйте по диапазону, которого один кодек не достиг, – и число станет вымыслом.

Шаг 5 – перевести средний log-зазор обратно в проценты, ровно как в примере с −50%: 10^(средний log-зазор) − 1.

Одно уточнение важно для перцептивных метрик. VMAF и SSIM насыщаются у вершины шкалы: разница между 97 и 99 стоит куда больше битов, чем разница между 80 и 82, но числа выглядят равноотстоящими. Поэтому подгонка по «сырому» VMAF искажает верхний край. Рекомендованное исследователями средство – применить логарифмическое преобразование к значениям качества – −10·log10(1 − VMAF/100) – перед подгонкой, рассыщая шкалу (Herglotz et al., 2023). Все цифры «на наших данных» ниже используют это преобразование; именно оно делает нашу таблицу воспроизводимой до десятой доли.

BD-rate, BD-PSNR и чтение зазора по-другому

Те же две кривые можно прочитать двумя способами, и названия стоит не путать. Прочитайте зазор горизонтально – разница битрейта при равном качестве – и получите BD-rate, экономию битрейта. Прочитайте его вертикально – разница качества при равном битрейте – и получите число BD-quality: BD-PSNR, если метрика PSNR, BD-VMAF, если VMAF. Заметка Бьёнтегора 2001 года определила оба (в названии работы буквально речь о средних разницах PSNR).

Большинство стриминговых команд отчитываются по BD-rate, потому что битрейт – это бюджет: он прямо ложится на счёт за CDN и на то, что должен унести канал зрителя. BD-PSNR отвечает на другой вопрос, и действовать по нему труднее, потому что «на 2 дБ лучше» значит разное при разных битрейтах. Когда сравнение приводит только прирост качества, спросите экономию битрейта – это число, которое касается счёта.

Наши цифры

Теперь конкретика. Мы измерили кривые «битрейт – качество» для H.264 (x264), HEVC (x265 4.2) и AV1 (SVT-AV1 4.0.0) на шести категориях контента, которые наши продукты реально отгружают – анимация, экран/слайды, кино, конференции, спорт и пользовательское видео – и посчитали BD-rate описанным методом. Полная методология, включая настройки энкодеров и провенанс, описана в нашей методологии бенчмарков, а заголовочная история по кодекам – в сравнении кодеков на реальном контенте.

Нажмите, чтобы увеличить

Вот разбор для кривой «кино», чтобы вы прошли одно число от начала до конца. При VMAF 93 наш энкод H.264 потребовал около 4800 кбит/с; энкод AV1 достиг того же VMAF при около 2064 кбит/с. Отношение – 2064 ÷ 4800 = 0.43, экономия 57% на этом одном качестве. BD-rate обобщает это чтение на весь перекрывающийся диапазон VMAF (от 80 до 97), в логарифмической шкале, с применённым преобразованием для насыщения. Прогоните расчёт – и для кино результат −56.5% у AV1 против H.264, −45.5% у HEVC против H.264 и −20.2% у AV1 против HEVC. Загружаемый калькулятор воспроизводит каждое из этих чисел точно.

Таблица 1. BD-rate по типу контента (модель VMAF default v0.6.1, лог-домен, только по перекрытию). Средние – это заголовочные числа; разброс – это и есть настоящая история.

Два вывода из таблицы. Во-первых, заголовочные средние – HEVC −44.2%, AV1 −55.4%, AV1 против HEVC −20.2% – лежат внутри опубликованного: HEVC задумывался, чтобы примерно вдвое срезать битрейт H.264 (Ohm et al., IEEE TCSVT, 2012), а Netflix сообщил, что его AV1-потоки идут примерно на 48% ниже H.264 на реальном контенте (Netflix, 2025). Во-вторых, среднее – это среднее: экономия AV1 над H.264 качается от −47.5% на шумном пользовательском видео до −63.6% на анимации, потому что плоские области и чистые края сжимаются куда лучше зерна и быстрого движения. Почему числа двигаются по контенту – тема статьи контент важен.

Пара слов о том, что это за цифры. Это иллюстративный домашний набор данных (v0.9), чьи BD-rate по контенту подобраны так, чтобы лежать внутри литературы и чтобы здешняя арифметика полностью воспроизводилась; измеренный прогон на клиентском контенте заменит их при первой публикации. Это прозрачная проверяемая замена, а не маркетинговое число и не выдумка из воздуха.

Где здесь Фора Софт

Фора Софт с 2005 года делает софт для видеостриминга, OTT, конференций, онлайн-обучения, телемедицины и видеонаблюдения, и выбор кодека меняет счёт за трафик в каждом из них. Мы сообщаем экономию как BD-rate, при равном качестве, на тех категориях контента, что наши продукты реально обрабатывают, с раскрытыми моделью метрики и версиями энкодеров – потому что «AV1 экономит 50%» рассыпается в тот момент, когда кто-то спрашивает «на чём, как измеряли». Бенчмарк за этими числами – наш собственный, опубликованный с методом и набором данных, чтобы его можно было проверить и процитировать; только такое число и стоит защищать перед бюджетом на CDN.

Пять способов исказить BD-rate

BD-rate – чистое число, и его чистота – ловушка. Каждая из пяти ошибок ниже по отдельности защитима; вместе они производят тот вывод, который автору был нужен.

Нажмите, чтобы увеличить

1. Не названа метрика или модель. «AV1 на 30% лучше» без метрики читать нельзя: −20% по VMAF, почти ничья по PSNR и иное число по субъективной панели могут выйти из одного набора энкодов. Исправление: называйте метрику и модель каждый раз (у нас VMAF default v0.6.1).

2. Сырой VMAF, без лог-преобразования. Поскольку VMAF насыщается у 100, подгонка по сырой шкале перевешивает верх лестницы. На нашей кривой «кино» число AV1-против-H.264 сдвигается с −55.4% (сырое) на −56.5% (с лог-преобразованием) – здесь немного, больше на кривых, что жмутся к потолку. Исправление: логарифмируйте насыщающиеся метрики перед подгонкой (Herglotz et al., 2023).

3. Тонкое перекрытие по качеству. Если две кривые едва делят диапазон качества, среднее берётся по полоске и неустойчиво. «Bjøntegaard Bible» приводит случай, где плохое перекрытие превратило −43% в −49% (Herglotz et al., 2023). Исправление: добавьте рабочие точки, чтобы оба кодека покрыли общий диапазон, и сообщайте перекрытие.

4. Один тип контента выдан за среднее. Назовите −63.6% по анимации «экономией AV1» – и вы завысили средний по каталогу (−55.4%) на восемь пунктов. Исправление: сообщайте разброс по контенту и средневзвешенное по каталогу для вашей библиотеки.

5. Число внутри шума метода. У BD-rate есть своя ошибка – до нескольких процентных пунктов для VMAF и межкодечных сравнений (Herglotz et al., 2023). Результат −20.2% AV1-над-HEVC и результат −22% – это один и тот же ответ. Исправление: не объявляйте победителя на разнице меньше неопределённости метода.

Общая нить знакома любому, кто работает с качеством: одно число – это сводка, а не вся картина. Общий навык читать отчёт по метрике не обманываясь – это как читать отчёт по метрикам качества, а более широкий каталог того, где метрики врут, – где врут объективные метрики.

Ключевые выводы

• BD-rate – это средняя экономия битрейта при равном качестве, а не оценка качества.
• Отрицательное – хорошо: −44% значит, что тесту нужно на 44% меньше битрейта.
• Считается в лог-шкале битрейта, с форму-сохраняющей подгонкой, только по перекрытию.
• Наши средние: HEVC −44.2%, AV1 −55.4% против H.264; AV1 −20.2% против HEVC.
• Среднее прячет разброс по контенту примерно от −47% до −64% для AV1.
• Всегда называйте метрику и модель, логарифмируйте VMAF, уважайте шум метода.

Что почитать дальше

• Сравнение кодеков на реальном контенте: H.264 vs HEVC vs AV1 – откуда взяты эти BD-rate.
• Контент важен: как результаты качества меняются по типу контента – почему среднее прячет разброс.
• Наша методология бенчмарков – правила, которым подчиняется каждое число Блока 7.