4K 10 Bit 422 Intraframe Codec Performance Vergleich

ProRes scheint gerade als Intermediate Codec weite Verbreitung und einen guten Ruf zu genießen. Doch die Konkurrenten CineForm, DNxHR und XAVC-Intra haben auch einiges zu bieten...

Was sind Intra-Frame Codecs?

Unter Intra-Frame Codecs (manchmal leider auch zweideutig als I-Frame-Codecs bezeichnet) versteht man Codecs, bei denen jedes Bild für sich, also ohne Referenz zu einem Nachbar-Bild en- und decodiert wird. Es handelt sich also um eine Reihe von Einzelbildern, die voneinander unabhängig in einer Datei gespeichert werden.

Gegenüber INTERFrame Codecs, die teilweise nur den Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Bildern speichern, hat dies einen großen Vorteil. Beim Schnitt in der Timeline kann der Rechner schnell auf einzelne Bilder zugreifen ohne diese gegebenenfalls erst aus anderen Zwischenbildern errechnen zu müssen. Aus diesem Grund fühlen sich die Intra-Frame-Codecs in der Timeline immer deutlich responsiver an. Auch das rückwärts abspielen beim JKL-Editing gelingt meistens beliebig lange ohne Ruckeln (während bei INTERFrame-Codecs die meisten Schnittprogramme hier schnell ins Stottern geraten). Dazu sind es in der Regel eher die Intra-Frame Codecs, die mit 10 oder 12 Bit Farbgenauigkeit speichern können. Aus diesem Grund empfehlen sie sich meistens auch als intermediäre Codecs (sog. Intermediates). Dies sind Codecs die man wählt, wenn man Clips zwischen Programmen austauscht. Sie sollten möglichst verlustfrei arbeiten, aber aber nicht so viel Speicherplatz fressen wie eine unkomprimierte Speicherung. Doch auch 4K 10Bit Intra-Frame-Codierung kommt nicht umsonst. Datenraten um die 100 MB/s sind nicht selten und benötigen zum Schnitt somit schnelle und große Laufwerke. Typische 8 Bit INTERFrame-Codecs liegen bei guter 4K-Qualität eher eine 10er Potenz niedriger (Größenordnung so um die 10 MB/s Datenrate).

Ein Messverfahren für Codec-Decoding-Performance?

Grundsätzlich wollen wir in Zukunft einen Blick darauf werfen, wie wir Codec-Performance einschätzen können. Uns interessiert beim 4K-Verhalten immer in erster Linie, wie schnell der Decoder funktioniert. Denn wir finden es in der Praxis bedeutender, wie reaktiv sich die Timeline beim Schnitt anfühlt, als wie lange das System zum Exportieren benötigt. Letzteres ist natürlich leichter messbar, hat in unseren Augen jedoch wenig Praxisrelevanz, da man 99,99 Prozent der Zeit beim Schnitt verbringt, beim Export jedoch gar nicht am Rechner sein muss.

Neben einem subjektiven Scrubbing-Empfinden und der Feststellung ob eine Wiedergabe ruckelfrei erfolgt messen wir auch die Prozessorauslastung (die gut mit diesem Verhalten korreliert). Je geringer die Prozessorauslastung desto responsiver ist der Codec in der Regel. Dazu interessiert uns auch das Rückwärtslaufverhalten beim JKL Editing. Gerade bei stark komprimierenden Codecs kommt es hier schnell zu Rucklern und spätestens nach ein paar Frames zu Pufferüberläufen. Auch nicht uninteressant dabei: Wie skaliert der Decoder bei verminderter Bildqualität? Noch haben wir kein Messverfahren in trockenen Tüchern, jedoch schon erste Ergebnis-Tendenzen, mit denen wir nicht länger hinterm Berg halten möchten.

Wir haben hierfür erst einmal einen neuen Testrechner zusammengeschraubt, der aktuell mit Intels Top Enthusiasten Prozessor Core i7-5960x bestückt wurde, den uns Intel dankenswerter Weise für ein paar Tests überlassen hat. Das praktische an diesem 1000 Euro Prozessor ist, dass er durch Abschalten einzelner Cores auch kleinere Prozessoren in der Performance simulieren kann. Somit können wir auch Erkenntnisse zu den 6 Core-Modellen sowie zu verschiedenen PCI-Durchsätzen gewinnen (kommt alles bald, versprochen).

Das Messverfahren und die Codec-Kandidaten

In die engere Wahl unserer Codec-Betrachtungen kamen neben ProRes 422 (HQ) auch noch XAVC Intra, CineForm und Avids DNxHR. Alle vier Codecs besitzen als 10 Bit 4:2:2 IntraFrame-Codecs sowohl genügend Farbreserven für eine intensive Nachbearbeitung als auch ein schönes Scrubbing-Verhalten solange die SSD/Festplatte die bis zu 100 MB Daten pro Sekunde flink anliefern kann. Andere Interframe-Codecs wie Sonys XAVC LongGop sind bei niedrigen Datenraten in 4K dagegen deutlich prozessor-intensiver und erlauben z.B. kein flüssiges Rückwärts-Scrubben, weil das Decodieren der referenzierten P- und B-Frames zu aufwändig ist.

Getestet haben wir unter DaVinci Resolve, weil nur dort bereits Avids neuer DNxHR-Codec verfügbar war. Stichproben unter Premiere haben jedoch vergleichbare Zahlen hervorgebracht, so dass unsere Aussagen wohl auch für andere Schnittprogramme gelten dürften. Bei Premiere könnte man zudem vermuten, dass der kürzlich integrierte CineForm-Codec hier beim Zugriff performance-optimiert sein könnte. Insofern kam uns DaVinci als relativ neutrales Testfeld besser geeignet vor.

Nachdem wir festgestellt haben, dass die Prozessor-Auslastung durchaus ein gutes Maß für das Scrubbing und Playback-Verhalten eines Codecs ist, geben wir diese an. Allerdings schwankt die Prozessorauslastung während der Wiedergabe je nach Codec unterschiedlich stark. Hier wählten wir folglich einen pragmatischen Ansatz. Wir geben anstatt einer durchschnittlichen Prozessorauslastung die Spitzenauslastung an, da uns diese besonders relevant vorkommt. Denn bei 100 Prozent Spitzenauslastung fängt das System definitiv an, bei der Wiedergabe zusammenzubrechen, selbst wenn diese Auslastung nur nur sehr kurz zustande kommt. Eine durchschnittliche Auslastung von beispielsweise 70 Prozent sagt dagegen nicht aus, ob das System denn noch grundsätzlich rückelfrei agiert.

Tatsächlich ruckeln viele Systeme jedoch auch schon bei 70 Prozent Spitzenauslastung gelegentlich. Wichtiger ist daher unsere umgekehrte Erfahrung. Unter 50 Prozent fühlt sich jeder Codec so flüssig an, dass man gerne damit arbeitet.

Unser 8 Core-Prozessor war mit Decodieren selbst im anspruchsvollsten Fall niemals mehr als zu 50 Prozent ausgelastet. Als wir allerdings die Kerne reduzierten, konnten wir das System durchaus an seine Grenzen bringen. Doch bevor wir dazu lange reden, hier einmal eine Tabelle, mit den von uns in letzter Zeit ermittelten Intra Frame Codec Werten.

Maximale Systemauslastung - PC Core i7-5960x mit 4, 6 und 8 C(ores) (Hyperthreading aktiv)- Mac Pro 8 Core 2014

Alle Werte haben wir mit Resolve 11.2 ermittelt, das auf dem PC schon DNxHR Unterstützung mitbrachte. Auf dem Mac allerdings noch nicht, was ja gerade mit Version 11.3 nachgereicht wurde.

Dazu unsere bisherigen Erkenntnisse in Textform:

1. Wie schon in einem früheren Artikel erwähnt, ist ProRes am PC beim Decodieren deutlich langsamer als am Mac.

2. Der Mac Pro 8 Core mit 3 GHz ist bei den übrigen Berechnungen ungefähr so schnell wie ein 8 Core Intel Core i7-5960x-Rechner, der auf 4 GHz übertaktet ist. Für diesen Unterschied kommen zwei Begründungen in Frage. Erstens besitzt der Mac mit 25 MB einen größeren Cache als der Core i7-5960x mit 20 MB. Und zweitens dürfte der Mac Pro seine Turbo-Kerne auch deutlich über 3 GHz und eher nahe bei 4 GHz betreiben. Wir hatten die frei einstellbaren Turbo-Modi beim Core i7 jedoch bei 4 GHz belassen. Auch um beide Rechner ungefähr gleich schnell zu betreiben.

3. Besonders bemerkenswert: Das Decoding ALLER Codecs skaliert extrem gut mit den Prozessorkernen. 8 Kerne sind in der Peak Auslastung mehr als doppelt so effektiv wie ein 4 Kern-Prozessor. Zusätzliche Kerne senken die Peak-Prozessorauslastung also überproportional. Auch hierfür kann es mehrere Erklärungen geben: Erstens könnten die Decoder beim Aufsplitten auf mehr Kerne evtl. den Prozessor-Cache besser nutzen. Dazu dürfte aber auch die Aufteilung auf mehr Prozessorkerne glättend wirken, wodurch die Spitzenauslastung im Verhältnis zur Durchschnittsauslastung weniger ausreißt.

4. Ein aktueller 4-Core i7 kann mit 4 GHz schon für 4K-Editing knapp ausreichend sein. Solange man kein Aufwändiges Multi-Track-Editing macht, kommt man hiermit selbst beim Quicktime-Decoding am PC noch knapp hin. Sobald man allerdings die nicht unwichtigen Scopes zuschaltet wird es ruckelig. Dazu sei erwähnt, dass die Consumer Core i7 für die kleineren Sockel 1150 und 1155 nicht nur weniger Cache haben sondern das RAM auch nur halb so schnell ansprechen. Wir würden daher auf jeden Fall bei einem neuen System auf den günstigsten 6 Core Prozessor setzen. Dieser bleibt in allen von uns durchgespielten Varianten unter 40 Prozent Systemauslastung. Doch zur Hardwareauswahl werden wir noch einmal separate Betrachtungen veröffentlichen.

5. Die für uns größte Überraschung ist CineForm. Wir hatten schon fast vergessen, wie schnell dieser Codec ist. Im direkten Vergleich kann man nur staunen. Während am Mac der Vorteil gegenüber zu ProRes “nur” ca. 10-30 Prozent beträgt, stiehlt CineForm am PC ProRes deutlich die Performance-Show. Wer am PC vor dem Schnitt von ProRes nach CineForm transkodiert verdoppelt praktisch seine Prozessorleistung. Anders formuliert. Der ProRes-Schnitt auf unserem Achtcore ist ungefähr genauso performant wie der gleiche Schnitt unter Cineform auf einem 4 Core Rechner. XAVC300 kann zwar in der Decoding-Perfomance in die Nähe von Cineform kommen, liegt jedoch in der Qualität sichtbar dahinter. Avids DNxHR wiederum ist in der Geschwindigkeit schon weiter abgeschlagen, liegt dafür in der Qualität subjektiv auf Augenhöhe. Sonys XAVC480 ist dann noch einen Tick zäher, kann dafür bei der kompakten Filegröße punkten. Allerdings sieht man auch hier im Gegensatz zu Cineform, ProRes und DNxHR bereits mit bloßem Auge noch subtile Unterschiede zum Original.

Wer sich nun fragt, wie groß denn die visuellen Unterschiede sein mögen, hier kurz eine interaktive 600 Prozent Vergrößerung der von uns betrachteten Codecs.

4K 10 Bit 4:2:2 Intra-Frame Codec-Performance-Vergleich

ProRes

ProRes CineForm XAVC300 XAVC480 DNxHR

Wie man sieht unterscheiden sich ProRES, DNxHR und CineFOrm nur so marginal, dass selbst in einer vergrößerten Ansicht die Unterscheide nur im direkten Vergleich auffallen. Sonys XAVC Intra dampft dagegen eine Menge Rauschen ein hat dafür jedoch auch deutlich geringere Datenraten.

Fazit

Am Mac macht es weniger Sinn von ProRES abzuweichen, wenn der gesamte Workflow schon darauf basiert. Einzig XAVC480 kann aufgrund der halbierten Filegrößen bei knappem Speicherplatz evtl. eine Alternative mit signifikantem Unterschied darstellen. XAVC300 komprimiert für unseren Geschmack jedoch schon definitiv zu stark.

Am PC ist dagegen die Entscheidung schwerer: Hat man genügend Speicher und knappe Prozessor-Ressourcen kann CineForm wie ein Jungbrunnen für das Schnittsystem wirken, wenn man bisher ProRes gewohnt war. Sonys XAVC480 kann auch hier mit geringen Filegrößen bei noch moderaten Kompressionsartefakten punkten. Und Avid könnte evtl.in naher Zukunft als native ProRes-Alternative in kommenden 4K-Recordern und Kameras (z.B. schon jetzt im Atomos Shogun) ein größere Rolle spielen. Dies gilt natürlich auch für den Mac, bzw. für heterogene Systemumgebungen in denen viele Files zwischen PCs und MACs hin und her wandern.

Schaut man auf die nackten Ergebnisse, so geht CineForm als klarer Intermediate-Sieger über die Ziellinie: Die kleinsten Datenraten bei visuell praktisch verlustfreier Kompression und die beste Decoding-Performance auf PC und Mac.

Danke an Wolfgang für den Hinweis und an die anderen Leser für die Bestätigung.