CODIFICACION VIDEO DIGITAL

MPEG y vídeo digital

¿Qué es MPEG?

Lo primero que debemos aclarar es que MPEG no es un formato de vídeo, sino un algoritmo de compresión de datos, utilizado en la representación de imágenes dado el volumen de información necesario para representar una imagen en movimiento, y fue establecido por la Unión Internacional de Telecomunicaciones. Originalmente se diferenciaron cuatro tipos, MPEG-1, 2, 3 y 4. La principal diferencia entre ellos es la calidad de imagen que ofrecen y el ancho de banda que necesitan.
Ofrecen tres ventajas fundamentales: un gran nivel de compresión, escasa pérdida de calidad, y permite la compatibilidad con carácter retroactivo entre diferentes formatos de vídeo.

Su diseño está pensado para que la descodificación sea sencilla y barata, que cualquier usuario con un software asequible pueda visualizarlo en su casa. Sin embargo, la codificación resulta más complicada y cara, aunque su precio ha descendido considerablemente en los últimos años.

La cadena de datos MPEG se puede dividir en tres capas o partes bien diferenciadas: una para la compresión de audio, otra para la de vídeo y una tercera relativa al sistema, encargada de la sincronización de datos, calidad de imagen etc.

La compresión MPEG-2

En la actualidad el estándar de compresión más utilizado es el MPEG-2, ya que ofrece una calidad similar a la televisión, aunque la demanda de ancho de banda era bastante alta hace un tiempo, ahora es una cantidad asumible (hasta 10 Mbps).

Cuando pensamos en la compresión de datos, la lógica nos dice que se trata de un sistema a través del cual almacenamos la misma información en un espacio más reducido. La compresión que se utilizaba hasta la aparición de la compresión MPEG era intraframe , esta trataba una secuencia completa de imágenes como independientes, y después se procedía a su compresión. Sin embargo, el algoritmo MPEG-2 se basa en almacenar las evoluciones de la imagen, no la imagen misma, con lo que el ahorro de espacio y por lo tanto de ancho de banda es considerable. Para el correcto funcionamiento de esta técnica se utilizan unos fotogramas completos, a los que se les aplican los cambios necesarios para conseguir la visualización de la escena completa. A estas modificaciones las podemos clasificar en dos grupos, el primero, llamado foto predicha , almacena tan sólo las variaciones entre una imagen anterior y una futura. El segundo de ellos son los ,frames bidireccionales, que son simples referencias a fotogramas concretos, son los que menos espacio ocupan y suponen, junto con los anteriores, realizan verdaderamente la compresión de datos

DATOS Técnicos MPEG

Seguro que has oído hablar del formato de imagenes BMP (bitmap o mapa de bits). Es el formato gráfico estándar por antonomasia que define qué color tiene cada píxel de una imágen determinada. Es un formato estándar, pero las imágenes BMP ocupan un gran tamaño por pequeñas que sean, por eso no es frecuente trabajar en BMP y se recurre a otros formatos con compresión. Seguro que también has oído hablar del formato JPEG (Joint Photographic Experts Group o Grupo de Expertos Fotográficos Unidos, también conocido como JPG) usado para la compresión de imágenes (muy común desde la llegada de internet) Usando el algoritmo de compresión JPEG no se puede recuperar una imágen con la misma calidad que antes de comprimirla. Es un formato con pérdida, pero usando valores de compresión ligeros o moderados es difícil o imposible apreciar a simple vista la pérdida y a cambio, se obtienen una reducción en el tamaño de la imágen que suele compensar la pérdida en la mayoría de los casos.

Un vídeo no es más que una sucesión de imágenes en movimiento Si comprimimos todas esas imágenes (las de un vídeo) en formato JPEG obtendríamos el formato MJPEG, o Motion JPG. Con este formato ya se logra una buena compresión con respecto al original. Partiendo del MJPEG se llegó al formato MPEG (Moving Picture Experts Group o Grupo de Expertos de Imágenes en Movimiento) La compresión MPEG supone un avance importante con respecto la compresión MJPEG al incluir un análisis de cambios entre una imágen clave, o cuadro clave, y un número determinado (suele ser 14) de imágenes posteriores. De ese modo, se comprime la imágen clave en formato JPEG y los 14 cuadros o imágenes siguientes NO SE COMPRIMEN ENTEROS, tan sólo se almacenan los cambios con respecto al primer cuadro clave tomado como referencia.

Actualmente se usan 3 formatos de compresión MPEG:

El MPEG-1 es el usado en el VCD y CVCD
El MPEG-2 es el usado en los DVD's, SVCD's, XVCD's y en las televisones digitales (satélite y cable)
El MPEG-4 es el usado en los vídeos DivX

La secuencia GOP: I-frames, P-frames y B-frames

Un archivo MPEG está compuesto de unas secuencias cíclicas llamadas GOP (Group Of Pictures - grupo de imágenes) que, como su nombre indican, engloban cierto número de fotogramas, normalmente 15. Aunque no es necesario que estos grupos estén formados siempre por el mismo número de fotogramas, se suele asignar el mismo patrón GOP en todo el archivo MPEG. En los caso en que la secuencia GOP no varía en todo el archivo es frecuente indicarla tan sólo una vez al principio pero ¡¡¡ OJO !!!Para que un archivo de vídeo MPEG-2, el formato usado para DVD, sea 100% compatible con DVD deberemos seleccionar en el programa correspondiente la opción de "cerrar todas las secuencias GOP" para que se incluya un encabezado de secuencia antes de cada GOP

Muchos reproductores no tendrán problema para reproducir un vídeo con encabezado GOP (GOP Header) tan sólo al comienzo del vídeo, pero lo recomendable es indicar al compresor que añada un encabezado GOP antes de cualquier secuencia GOP.En la imágen de la izquierda puedes ver la opción que hay que configurar en tres de los compresores más utilizados actualemente:

Si por más que buscas entre los parámetros del compresor MPEG que utilizas no encuentras la opción que modifica la frecuencia del encabezado GOP, posiblemente lo indique antes de cada GOP de forma automática.

Los GOP's están formados por tres grupos distintos de fotogramas:

- I-picture (Intra frames) (imágen-I, cuadros internos): Son los únicos estrictamente necesarios. Cada cuadro es comprimido con un tipo de compresión llamada "Intra-frame DCT coding" (codificación interna de cuadros DCT por transformación discreta de coseno) dividiéndo la imágen en grupos de 8x8 píxeles. Si nuestro GOP tan sólo contara con cuadros-I tendríamos una secuencia de JPG's, el llamado Motion JPEG o MJPG (JPG en movimiento)

- P-picture y B-picture (Predictive frames y Bidirectionally-predictive frames) (imágen-P e imágen-B - cuadros de predicción y cuadros de predicción bidireccionales): Imaginemos un vídeo de 352x288. Para representarlo necesitamos un total de 101.376 píxeles por cada cuadro. Si tenemos grabada una puesta de sol, por ejemplo, lo único que va a cambiar entre cuadro y cuadro es el sol y además minimamente. Puesto que el sol se mueve a velocidad constante, digamos que el cambio es de 1.376 píxeles entre un cuadro y otro. ¿Porqué almacenar la infomación de los 100.000 restantes que NO cambian?

Esa es la función de las imágenes-P y las imágenes-B. Estas imágenes, en lugar de estar compuestas por los 101.376 píxeles lo están tan sólo por los 1.376 cambiantes. Los cuadros-P analizan los cambios con respecto a cuadros I u otros cuadros P anteriores, mientras que los cuadros-B pueden analizar los cambios de cuadros-P anteriores y posteriores ("B" de bidireccionales) alcanzando los mayores grados de compresión.

Pero hay que ser cuidadoso a la hora de elegir el número de cuadros P y, sobretodo, cuadros B. En el ejemplo de la puesta de sol, los cambios entre fotograma y fotograma son mínimos. Secuencias largas de cuadros-P y -B lograrán una estupenda compresión sin afectar la calidad, pero cuando el vídeo es cambiante, hay muchos cuadros en los que la información entre cuadro y cuadro cambia al 100%, las técnicas de análisis y predicción no resultan muy efectivas. Si el vídeo contiene mucho movimiento quizás convendría reducir o eliminar el número de cuadros-P y -B en cada GOP. Elegir el mejor número de cuadros-P y -B cambia con cada vídeo.

Para DVD la secuencia GOP contiene un máximo de 15 cuadros (también recomendada para formatos de vídeo en CD) y, normalmente, suele ser

I BB P BB P BB P BB P BB

Es decir, 1 cuadro I, 4 cuadros P y 2 cuadros B entre cuadros P

Video analógico

La aparición de distintos formatos de video en las últimas dos décadas ha añadido algo de confusión en este sentido, mientras que el cine ha conservado tan sólo dos a lo largo de cien años, 35 mm y 16 mm. Sin embargo, sí existe un formato de vídeo que ha perdurado a lo largo de todo este tiempo, tanto a nivel profesional como doméstico, y lejos de desaparecer ha dominado el mercado a lo largo de 20 años. Nos referimos, como todos sabréis, al formato VHS. Sin duda ha sido el formato de vídeo para el hogar, como su propio nombre indica (Video Home Service), y su éxito no se basó en la calidad que ofrecía sino en su relación calidad-precio. Como es lógio, sus características han sido modificadas desde su aparición si bien la calidad que ofrecía se quedaba corta para el segmento profesional, por esta razón apareció S-VHS (Super VHS), sistema de similares características, pero con mayor calidad de imagen, lo que lo hacía válido para el mercado profesional. Sin embargo, la aparición del formato DV (Video Digital), y de las cámaras capaces de grabar directamente en este formato digital, ha desplazado a todos los formatos analógicos de la grabación de vídeo profesional, debido a las facilidades que ofrece un formato digital al segmento profesional, especialmente al apartado de producción. Las cámaras de DV guardan el vídeo en formato DV en casetes de cartucho, las cuales son del tamaño de una caja de cerillas y pueden guardar hasta 90 minutos de vídeo. La calidad de DV es superior a todos los formatos analógicos por lo que resulta útil para la edición profesional.

Puesto que este formato digital almacena los fotogramas en su integridad, captar imágenes estáticas resulta también mucho más fácil. Debido a una escasez de suministro, las casetes de DV son todavía caras en comparación con la mayoría de los formatos analógicos, lo cual es probablemente la única desventaja significativa del formato y algo que será corregido con el paso del tiempo

Formatos digitales

Una vez hemos aclarado las diferencias entre lo que es el formato de video digital y la compresión de datos por el algoritmo MPEG, podemos pasar a enumerar los distintos formatos de video digital y sus características más importantes. Primero debemos hacer una subdivisión entre los que utilizan como soporte material magnético, generalmente cintas, y por otro lado los que utilizan soportes ópticos como son el Vídeo CD o el DVD-Vídeo.

El primero en aparecer fue el mencionado formato DV. Este surgió como consecuencia de una demanda de mayor calidad de la imagen por parte del sector profesional, ya que los usuarios nos conformábamos con grabar nuestros vídeos caseros en VHS. La principal mejora que ofrece este formato respecto a la calidad S-VHS es el paso de las 400 líneas de resolución vertical a las 500 del formato DV. Por otra parte se añadían dos pistas de audio digital con calidad CD, superando con creces el sonido que ofrecen los formatos analógicos. Di8. Este formato resultó ser un paso intermedio entre la tecnología analógica y digital, ya que a pesar de ser totalmente digital, los codificadores o reproductores de Digital 8, eran capaces de reproducir las grabaciones analógicas, aunque no se alcanzó una calidad especialmente destacable, tanto en imagen como en sonido.

Pero sin duda la verdadera revolución estaba por llegar, estos dos formatos comentados tuvieron repercusión en el segmento profesional, pero la posibilidad de almacenar datos en discos compactos era la antesala del Video CD, CD-i y, finalmente, el DVD.

La posibilidad de poder almacenar dos horas de vídeo en un disco compacto era muy atractiva, y se consiguió gracias al algoritmo de compresión MPEG-1, diseñado especialmente para este fin. La calidad que se ofrecía era similar a la que ofrece el formato VHS, aunque las ventajas en cuanto a comodidad y perdurabilidad están fuera de toda duda. Además, se conseguían sustanciales mejoras en el apartado de sonido.

Ya en los años de la década de los 90, tuvo lugar la explosión del vídeo digital con la aparición del DVD. El Digital Versátil Disc era capaz de almacenar dos horas de video y audio de alta calidad, con la ventaja de poder añadir información adicional como subtítulos en varios idiomas y un sinfín de aplicaciones adicionales. La oferta era difícil de superar, tanto en el apartado de calidad de imagen como en la calidad del audio, las mejoras son más que notables, gracias a un algoritmo estándar de compresión denominado MPEG-2.

La poderosa industria cinematográfica no dejó pasar esta oportunidad, además de las mejoras de calidad, el DVD-Video permite el acceso inmediato a escenas o capítulos, 8 canales de audio para la reproducción en diferentes idiomas y la posibilidad de visualizar la película en formato normal (4:3) o formato panorámico (16:9).

Cuando todavía colea la el tema de Napster y las plataformas de pago para la descarga de música en la red, nos encontramos con la aparición de un nuevo algoritmo de compresión que es capaz de plantear el mismo problema que ha surgido con el CD-Audio y el MP3, pero con el DVD-Video y DivX;-). Las excelencias de este algoritmo de compresión permiten ofrecer prácticamente la misma calidad que el exitoso DVD pero ocupando hasta ocho veces menos de espacio en disco, es decir, lo podemos «meter» en un CD-ROM. Esta es la primera de las ventajas y los peligros, pero sin duda, la gran amenaza que supone este nuevo sistema de compresión, especialmente para la industria cinematográfica, es la posibilidad de descargar películas de la red. Aunque todavía sea una cantidad bastante de grande de información, 650 Mbytes ya se pueden descargar de la red si tenemos un acceso de alta velocidad o disponemos de tiempo y tarifa plana. El riesgo de este nuevo compresor de datos es claro, cualquier persona que disponga de una conexión a Internet con tarifa plana y un poco de paciencia puede distribuir cualquier película que alquile en su videoclub, lo cual es ilegal a todas luces.

LA CAMARA DE VIDEO NATURAL

A la hora de entender como funciona la compresión digital conviene que tengamos unos conocimientos básicos de la estructura el ojo humano, así como la representación que realiza de los colores, y sobre todo las limitaciones que este tiene, de nada sirve representar una gama de colores si nuestro ojo no es capaz de detectarla. El sistema visual humano está compuesto por el ojo o globo ocular, y una porción de nuestro cerebro, que es el encargado de procesar la información procedente del ojo. Podemos decir que el globo ocular funciona como una cámara que capta imágenes, mientras que nuestro cerebro actúa como procesador de imágenes y las interpreta. Los rayos de luz emitidos o reflejados por un objeto que nosotros estemos mirando, chocan con la cornea, que gracias a su carácter convexo refracta dichos rayos. Esto supone el primer enfoque de la imagen cuando esta entra en el ojo. El cristalino realiza el segundo enfoque de la imagen observada, el resultado lo proyecta en la retina. En la parte más oculta del globo ocular se encuentra la retina, esta membrana es la que recibe la imagen enfocada y en las condiciones en la que será enviada a nuestro cerebro. Este es a grandes rasgos, el proceso que sigue una imagen hasta que la visualizamos. La representación de una imagen en formato digital, debe tener en cuenta todos estos condicionantes para realizar una reproducción fidedigna de la imagen que nuestro cerebro procesa y no dedicar esfuerzos y recursos a reproducir aspectos que nuestro cerebro o nuestro sistema ocular es incapaz de detectar o reproducir.

Digitalización de una señal de video

La diferencia entre una señal analógica y una digital, sea cual sea su origen y finalidad, está en que la primera de ellas es de naturaleza continua y la segunda de ellas es de naturaleza discreta. Esto quiere decir que una señal digital se representa mediante un número concreto de valores mientras que la representación de una señal analógica se hace a través de una función de infinitos puntos. De esta afirmación, la primera conclusión que debemos sacar es que la digitalización de una imagen es una mera aproximación a la señal inicial. Esta es la razón por la que el proceso de digitalización se inicio con un proceso de muestreo de la señal, de esta primera parte dependerá en buena medida la calidad final, ya que cuanto más aproximada sea la muestra, más cercana será la imagen final al original. El siguiente paso en el proceso es la cuantificación de las muestras recogidas, es decir, asociar un valor al dato recogido en la operación de muestreo, que luego se utilizará en la siguiente fase. La tercera y última fase del proceso de digitalización de una señal es la codificación. En esta fase se ordenan todos los valores que hemos asignado en la fase de cuantificación de una manera concreta. El resultado de esta ordenación es la imagen en formato digital, tan sólo hace falta un reproductor que sea capaz de interpretar y mostrar esta información, un reproductor de DVD podría ser este reproductor.

Distintos formatos de compresión MPEG

La evolución de los distintos formatos de compresión han marcado su difusión en el mercado de consumo y profesional, y la aparición de productos capaces de reproducir imágenes con algún estándar de compresión.

MPEG-1: Establecido en 1991, se diseñó para introducir video en un CD-ROM. Por aquel entonces eran lentos, por lo que la velocidad de transferencia quedaba limitada a 1.5 Mbps y la resolución a 352 x 240 pixels. La calidad es similar al VHS y se usa para videoconferencias, el formato CD-i, etc. Es capaz de aportar mayor calidad si se le proporciona mayor velocidad.

MPEG-2: Establecido en 1994 para ofrecer mayor calidad con mayor ancho de banda (entre 3 y 10 Mbps ). En esa banda, proporciona 720 x 486 pixels de resolución, es decir, calidad TV. Ofrece compatibilidad con MPEG-1.

MPEG-3: Fue una propuesta de estándar para la TV de alta resolución, pero la posibilidad de que MPEG-2 con mayor ancho de banda cumpla las mismas expectativas, se ha abandonado de momento.

MPEG-4: Está en desarrollo. Se trata de un formato de muy bajo ancho de banda y resolución de 176 x 144 pixels, pensado para videoconferencias sobre Internet, etc. Realmente está evolucionando mucho y hay fantásticos codificadores software que dan una calidad semejante al MPEG-2 pero con mucho menor ancho de banda. Puede ser el estándar del futuro debido a la excelente relación calidad-ancho de banda.

Los formatos más populares

Formato AVI: Estándar cuyas siglas significan Audio Video Interleave o Audiovisual Interleaving. Es probablemente uno de los formatos más comunes para la visualización de imágenes dinámicas con un PC. La principal razón de este hecho es que es el formato definido por Microsoft para este fin, por lo que cualquier usuario que tenga instalado un sistema operativo de esta empresa puede visualizar los archivos con esta extensión. La calidad que ofrece no es muy destacable, ya que se diseñó para mostrar pequeños videos en pantalla con un tamaño no superior a las 5 o 7 pulgadas, si maximizamos el display de visualización, el efecto de pixelado denota la escasa calidad de este estándar.

MOV: Estándar para la visualización de imágenes dinámicas compatible tanto para PC como para Macintosh. Según el algoritmo de compresión puede alcanzar calidades profesionales.

El Video CD (VCD) es reproducible en ordenadores, reproductores CD-i (equipados con módulo de Video Digital) y en la mayoría de los reproductores DVD de salón.

1. El estandard VCD 2.0

El VCD es un CD-i BridgeDisc que incluye partes específicas de video CD, un sistema de archivos ISO 9660 y una o más pistas de video MPEG. El estandard VideoCD 2.0 está especificado en el Libro Blanco (White Book) :

DVD A DVD

DVD A VCD

DVD A CVCD

DIVX ;) A CVCD

DVD A SVCD

DIVX ;) A SVCD

DVD A Divx ;)

AUDIO

INTROS

MENUS

CAPTURAR VIDEO

COMPATIBILIDAD

SAIVOD DVCI-15G

ZONA TÉCNICA

VARIOS

DESCARGAS

FORO

LINUX

C / C++

DVD A DVDr

CARATULAS

PEQUE

1. El estandard VCD 2.0

2. HQ-VCD y XVCD "formatos"

Super Video CD

1. Standard Super-VCD

2. Super-VCD players

3. Formato XSVCD