Compresión de video: economía de datos, tiempo y espacio

La necesidad de manejar volúmenes crecientes de datos en la computadora, de reducir el tiempo de transferencia durante la carga y descarga de archivos de datos digitales, de almacenar esos datos en disco duro o disco flexible, da origen a tecnologías de compresión; y el desarrollo de las tecnologías de computación, que produce computadoras más poderosas cada vez, con una mayor capacidad de memoria, una mayor velocidad en el procesamiento de datos, funciones más sofisticadas y más capacidad de los discos, a su vez, ha permitido el desarrollo de algoritmos de compresión cada vez más complejos y poderosos. Entonces se incrementa también la variedad y el volumen de las fuentes de datos que se puede manejar de manera digital, y luego aparece el deseo y la necesidad de no sólo cargar y descargar esos datos en el disco duro de la computadora, sino de subirlos y bajarlos al satélite y hacerlos llegar a los receptores remotos con una calidad competitiva, de transmitir esos datos sin sacrificar ninguna de las cualidades que los distinguen en su origen, para más tarde desear que lleguen a su destino en el momento mismo en que se originan —es decir, en tiempo real—, o más rápido aún. De seguro pronto los datos que se transfieran hoy llegarán ayer. Siempre el hombre en su escalada.Se quiere hacer aquí un ‘paneo’ por el tema de la compresión de video, esa que permite ‘contraer’ la información contenida en las imágenes para que viajen con mayor rapidez por los medios en que se comunicarán u ocupen menor espacio en el ‘almacén’ donde se guardan, por los diferentes formatos y por las distintas aplicaciones de éstos.Patrones y redundancia son requisitos para comprimirLa compresión sólo es posible cuando existe una repetición de datos iguales en un flujo dado, cuando hay un patrón de datos que se repite: un color, por ejemplo, en el caso del video. Los algoritmos de compresión y decompresión, o codecs, identifican y reducen la redundancia de datos cuando son aplicados a un flujo de video, lo que permite aprovechar al máximo el ancho de banda, la memoria, el disco.Esquemas intra cuadro o inter cuadrosExisten varios codecs, algoritmos o formatos de compresión. Cada uno de ellos tiene características particulares en cuanto a su aplicabilidad, sus virtudes y sus flaquezas. No todos emplean el mismo esquema de compresión de los datos: algunos, como el M-JPEG y el DV-DVCPRO, emplean un esquema de codificación intra cuadro, es decir, que emplean para comprimir los datos la redundancia que encuentran en un sólo cuadro del video; otros, como el MPEG, emplean el esquema inter cuadros, que consiste en comparar los datos (color, movimiento, posición, p.e.) de un cuadro dado con los de cuadros previos y/o cuadros subsiguientes del video aprovechando que tienen elementos muy comunes y que el movimiento de las imágenes que contienen se puede predecir con buen índice de seguridad. Se podría decir, entonces, que sus fuentes de información son más ricas y, por lo tanto, estos algoritmos son capaces de una síntesis de datos que resulta luego en una interpretación más exacta de ellos.‘Efectos secundarios’La compresión tiene sus efectos en la calidad del video: en el sampleo de la resolución, en el sampleo de la frecuencia, en la tasa de velocidad de los datos y en la aparición de artefactos espaciales y temporales. Hoy día, la mayoría de las tecnologías se fundamentan en un sampleo de la resolución en 8 bitios (256 niveles de cuantización), mientras que los equipos fabricados por las principales empresas usan sampleo en 16 bitios (1024 niveles de cuantización). En cuanto al sampleo de la frecuencia, que determina la resolución de la imagen en el espacio, la más común es la 4:2:2 de los formatos M-JPEG, M-JPEG matemáticamente sin pérdida, D-5, Betacam Digital, Digital-S y DVCPRO 50 y MPEG-2 (Professional Profile at Main Level o PP/ML), en la cual las muestras de luminancia se producen a cuatro veces la frecuencia del subcarrier (13,5MHz), y las muestras de crominancia se producen a la mitad de esta frecuencia (6,75 MHz.). Otras son la 4:2:0 de la codificación MPEG-1, MPEG-2 (Main Profile at Main Level o MP/ML); la 4:1:1 del formato DV-DVCPRO y la 4:4:4 del formato sin compresión RGB que se emplea en la computación gráfica y el cine de alta calidad. La codificación que se hace según el esquema intra cuadro a tasas bajas de bitios resulta en artefactos espaciales (defectos en la resolución de la imagen en el espacio), como el efecto de silueta en cuadrícula que se ve en los bordes de los objetos en pantalla. La codificación según el esquema inter cuadro a tasas bajas de bitios produce artefactos temporales, una degradación en las imágenes en movimiento cuando la secuencia de éste es muy variable entre cuadro y cuadro.Los formatos de compresión inciden también en la posibilidad de editar el video para efectos de postproducción (por el mayor o menor acceso a los datos precisos de cada cuadro de la imagen), en la disponibilidad de soporte para audio y códigos de tiempo (y, por lo tanto, en la sincronización de audio y video), y en la posibilidad de detectar y corregir errores en la transmisión. La recomendación para estos efectos es que el formato ofrezca soporte para audio y código de tiempo, así como capacidad para la detección y corrección de errores.X Bitios/segundo = X Calidad de la imagenLa velocidad con la cual se presentan los bitios tiene incidencia tanto en la calidad de la imagen como en la eficiencia del almacenamiento. Y cada formato de compresión exige una tasa mínima de presentación de los bitios para ser efectivo y producir la calidad de imagen que se puede esperar de él: las tasas menores producen una calidad pobre, siendo el índice de aparición de artefactos espaciales y temporales mayor cuanto menor es la tasa de bitios por segundo del flujo de video. Mientras más elevada la tasa, mayor la calidad de la imagen. La capacidad de procesamiento, sin embargo, pone también límite a los rangos mayores de velocidad.El formato más popular para teledifusión: MPEG-2 El formato que se hace cada vez más popular, según las ofertas de producto de los fabricantes es el MPEG-2. Definido por la norma ISO 13818, fue diseñado para satisfacer demandas de calidad del video, desde la VHS hasta la HDTV, mediante varios algoritmos y perfiles. Es un formato internacional, que puede ser asumido por cualquier fabricante, lo cual contribuye a una cierta serenidad en un mercado que ha estado marcado durante los últimos años por la guerra entre los formatos y las plataformas. Es flexible en las especificaciones a los fabricantes en cuanto a la forma de generación de la señal comprimida, pero preciso en las especificaciones en cuanto a la estructura final de los datos que se han comprimido. En la codificación entre imágenes, el MPEG-2 es hasta cinco veces más eficiente que el JPEG o el MPEG-1 (orientado al trabajo en resolución SIF de las aplicaciones multimedia), tiene la resolución CCIR-601 que exigen las aplicaciones de teledifusión, y además capacidad para el trabajo con video en búsqueda entrelazada.El MPEG establece protocolos para el manejo de distintas formas de video, tres normas jerárquicas para el transporte de flujos de datos que contribuyen a la posibilidad del intercambio de datos de video en pequeña, mediana y gran escala, es decir, a escala local, nacional, y global. La primera norma se refiere al flujo más elemental, el de las secuencias individuales de audio, video o datos. El segundo flujo en la jerarquía es el de programa, que multiplexa flujos elementales en ambientes con mínimo error o libres de error, como los de una red local, para el cual las especificaciones de la norma describen cómo se combinan los tres tipos de datos en una serie de packets de longitudes variables que contienen información de timing y buffering, así como información descriptiva sobre los cuadros y las tasas de sampleo de audio. El tercer flujo normalizado en la jerarquía es el de transporte, diseñado para multiplexar flujos de programa múltiples para su entrega a través de redes digitales distribuidas, y entre cuyas especificaciones incluye timing, sincronización y mecanismos de corrección.Las distintas normas MPEG y sus aplicacionesEl formato MPEG se aplica a diferentes usos. El MPEG-1, con resolución SIF (352×240) se aplica en multimedia. El MPEG-2 se aplica en la teledifusión, desde VHS hasta HDTV (para la cual se estuvo desarrollando el MPEG-3, que fue dejado de lado por cuanto MPEG-2 asumió sus especificaciones más fundamentales), ofrece resolución según la norma CCIR-601 y se organiza en cinco perfiles que corresponden a sus características y describen su disponibilidad, y cuatro niveles que describen los límites de una característica particular y se corresponden con las especificacivisu de su rendimiento. Dos de ellas interesan particularmente a los teledifusores: la MPEG-2 MP/ML (Main Profile/Main Level) tiene una estructura de pixeles de 4:2:0, una tasa de bitios efectiva entre 5M b/s y 10 Mb/s con límite máximo de 15 Mb/s; y la MPEG-2 PP/ML (Professional Profile/Main Level) (conocida también como MPEG-2 4:2:2), con estructura de pixeles 4:2:2 y tasa de datos máxima de 50Mb/s., que redefine la estructura de cuadros IBP para hacer posible la edición con precisión de cuadro. Está desarrollándose ahora el MPEG-4, para su aplicación en videoconferencias, que especifica un cuarto de la resolución SIF y ratas de bitios muy bajas.Las normas MPEG son escalables, cada una admite compatibilidad con la anterior. Su diseño es específico para el transporte de video y son sumamente eficientes con fines de archivo, reduciendo el ancho de banda necesario en la red para movilizar los materiales de video e incrementando la velocidad en que se realiza esa movilización.Cada fase, ¿un formato?Aunque es recomendable manejar la menor variedad posible de sistemas de compresión, las distintas aplicaciones de éstos inevitablemente reunirá a unos cuantos en las distintas fases de adquisición, edición, distribución y archivo de imágenes en video. Y aquí entran al juego los conversores o transcodificadores de archivos, que hasta ahora no hacen su trabajo en tiempo real, y que por ello son todavía poco interesantes para los teledifusores. También están las ofertas de algunos fabricantes como Sony, que promete que con tecnologías como Betacam SX se mantendrá todo el proceso en formato MPEG-2 PP/ML.Mientras tanto, aparecen cada vez más soluciones que emplean MPEG-2, como el Data Library Manager para el sistema SpotBank de Odetics, que ofrece almacenar hasta 1,8 terabitios de datos digitales (unas 500 horas) comprimidos en MPEG-2 a 8 Mb/s; o el sistema flexible de compresión en MPEG-2 de Leitch, con el último chip de IBM, que ofrece sincronización de tiempo de audio y datos, y multiplexado, controla tasas de bitios desde 40Mb/s hasta 2Mb/s, y tiene disponible un reductor de ruido 3611NR para evitar los artefactos de video producto de la compresión y ahorro aún mayor de ancho de banda. La empresa japonesa Oki Electric Industries está ofreciendo por su parte un encoder multicanal, su YS3100, que transforma flujos de transporte en MPEG-2 a células por AAL del tipo 5 para transmisión CBR y las envía por líneas ATM, para aplicación en las instalaciones de transmisión de los operadores de CATV, estaciones locales y estaciones internas de TV.