Artefacto de compresión

En informática , un artefacto de compresión (o artefacto ) es una distorsión perceptible de los medios digitales (incluidas imágenes , audio y vídeo ) causada por la aplicación de compresión con pérdida . La compresión de datos con pérdida implica descartar parte de los datos del medio para que este sea lo suficientemente pequeño como para almacenarse en el espacio de disco deseado o transmitirse ( streaming ) dentro del ancho de banda disponible (conocido como tasa de datos o tasa de bits ). Si el compresor no puede almacenar suficientes datos en la versión comprimida, el resultado es una pérdida de calidad o la aparición de artefactos. Es posible que el algoritmo de compresión no sea lo suficientemente inteligente como para distinguir entre distorsiones de poca importancia subjetiva y aquellas que resultan objetables para el usuario.

Los artefactos de compresión digital más comunes son los bloques DCT, causados ​​por el algoritmo de compresión de transformada discreta del coseno (DCT) utilizado en muchos estándares de medios digitales , como los formatos de archivo de vídeo JPEG , MP3 y MPEG . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Estos artefactos de compresión aparecen cuando se aplica una compresión intensa, ^{[ 1 ]} y ocurren con frecuencia en medios digitales comunes, como DVD , formatos de archivo de computadora comunes como archivos JPEG, MP3 y MPEG, y algunas alternativas al disco compacto , como el formato MiniDisc de Sony . Los medios sin comprimir (como en Laserdiscs , CD de audio y archivos WAV ) o los medios comprimidos sin pérdida (como FLAC o PNG ) no sufren artefactos de compresión.

La minimización de artefactos perceptibles es un objetivo clave en la implementación de un algoritmo de compresión con pérdida. Sin embargo, en ocasiones, los artefactos se producen intencionalmente con fines artísticos, un estilo conocido como glitch art ^{[ 4 ]} o datamoshing ^{[ 5 ] .}

Técnicamente hablando, un artefacto de compresión es un tipo particular de error de datos que suele ser consecuencia de la cuantización en la compresión de datos con pérdida. Cuando se utiliza la codificación por transformada , esta suele adoptar la forma de una de las funciones base del espacio de transformada del codificador.

Al realizar la codificación de la transformada discreta del coseno (DCT) basada en bloques ^{[ 1 ]} para la cuantificación , como en las imágenes comprimidas en JPEG , pueden aparecer varios tipos de artefactos.

• Zumbido
• Contorneado
• Posterizar
• Ruido de escalera ( aliasing ) a lo largo de bordes curvos
• Bloqueo en regiones "ocupadas" (artefactos en los límites de los bloques, a veces llamados (macro)bloqueo, acolchado o tablero de ajedrez).

Otros algoritmos con pérdida, que utilizan la coincidencia de patrones para eliminar duplicados de símbolos similares, son propensos a introducir errores difíciles de detectar en el texto impreso. Por ejemplo, los números "6" y "8" pueden ser reemplazados. Esto se ha observado con JBIG2 en ciertas fotocopiadoras. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

artefactos de borde de bloque

A bajas tasas de bits, cualquier esquema de codificación por bloques con pérdidas introduce artefactos visibles en los bloques de píxeles y en los límites de los bloques. Estos límites pueden ser límites de bloques de transformación, límites de bloques de predicción o ambos, y pueden coincidir con límites de macrobloques . El término macrobloqueo se usa comúnmente independientemente de la causa del artefacto. Otros nombres incluyen bloqueo, ^{[ 8 ]} teselado, ^{[ 9 ]} mosaico, pixelado, acolchado y tablero de ajedrez.

Los artefactos de bloque son consecuencia del principio mismo de la codificación por transformación de bloques . La transformación (por ejemplo, la transformada discreta del coseno) se aplica a un bloque de píxeles y, para lograr una compresión con pérdida, los coeficientes de transformación de cada bloque se cuantifican . Cuanto menor sea la tasa de bits, más burdamente se representan los coeficientes y mayor es la cantidad de coeficientes que se cuantifican a cero. Estadísticamente, las imágenes tienen más contenido de baja frecuencia que de alta frecuencia, por lo que es el contenido de baja frecuencia el que permanece después de la cuantificación, lo que da como resultado bloques borrosos y de baja resolución. En el caso más extremo, solo se conserva el coeficiente de CC, es decir, el coeficiente que representa el color promedio de un bloque, y el bloque transformado es de un solo color después de la reconstrucción.

Debido a que este proceso de cuantización se aplica individualmente en cada bloque, los bloques vecinos cuantizan los coeficientes de forma diferente. Esto genera discontinuidades en los límites de los bloques. Estas discontinuidades son más visibles en las áreas planas, donde hay pocos detalles que enmascaren el efecto.

Cuando se utiliza la predicción de movimiento, como en MPEG-1 , MPEG-2 o MPEG-4 , los artefactos de compresión tienden a permanecer en varias generaciones de fotogramas descomprimidos y se mueven con el flujo óptico de la imagen, lo que produce un efecto peculiar, a medio camino entre un efecto pictórico y una "suciedad" que se mueve con los objetos de la escena.

Los errores de datos en el flujo de bits comprimido, posiblemente debido a errores de transmisión, pueden provocar errores similares a grandes errores de cuantificación, o pueden interrumpir por completo el análisis del flujo de datos durante un breve período, lo que provoca la "ruptura" de la imagen. Cuando se han producido errores graves en el flujo de bits, los decodificadores siguen aplicando actualizaciones a la imagen dañada durante un breve intervalo, creando un efecto de "imagen fantasma", hasta recibir el siguiente fotograma comprimido de forma independiente. En la codificación de imágenes MPEG, estos se conocen como " fotogramas I ", donde la "I" significa "intra". Hasta que llegue el siguiente fotograma I, el decodificador puede realizar la ocultación de errores .

La compresión de audio con pérdida generalmente funciona con un modelo psicoacústico , un modelo de la percepción auditiva humana. Los formatos de audio con pérdida suelen implicar el uso de una transformación en el dominio tiempo/frecuencia, como una transformada discreta del coseno modificada . Con el modelo psicoacústico, se explotan efectos de enmascaramiento, como el enmascaramiento de frecuencia y el enmascaramiento temporal, de modo que los sonidos que deberían ser imperceptibles no se graban. Por ejemplo, en general, los seres humanos no pueden percibir un tono suave reproducido simultáneamente con un tono similar pero más fuerte. Una técnica de compresión con pérdida podría identificar este tono suave e intentar eliminarlo. Además, el ruido de cuantización puede "ocultarse" donde quedaría enmascarado por sonidos más prominentes. Con baja compresión, se utiliza un modelo psicoacústico conservador con tamaños de bloque pequeños.

Cuando el modelo psicoacústico es inexacto, cuando el tamaño del bloque de transformación es limitado o cuando se utiliza una compresión agresiva, pueden aparecer artefactos de compresión. Estos artefactos en el audio comprimido suelen manifestarse como resonancia, pre-eco , artefactos de "pájaro", cortes de señal, traqueteo, gorjeo, resonancia metálica, sensación de estar bajo el agua, silbidos o "granulosidad".

Un ejemplo de artefactos de compresión en audio son los aplausos en un archivo de audio con una compresión relativamente alta (por ejemplo,  un MP3 de 96 kbit/s). En general, los tonos musicales tienen formas de onda repetitivas y variaciones de volumen más predecibles, mientras que los aplausos son esencialmente aleatorios y, por lo tanto, difíciles de comprimir. Una pista de aplausos altamente comprimida puede presentar resonancia metálica y otros artefactos de compresión.

Los artefactos de compresión pueden usarse intencionalmente como un estilo visual, a veces conocido como " glitch art ". El glitch art de Rosa Menkman utiliza artefactos de compresión , ^{[ 16 ]} particularmente los bloques de transformada discreta del coseno (bloques DCT) que se encuentran en la mayoría de los formatos de compresión de datos de medios digitales como las imágenes digitales JPEG y el audio digital MP3 . ^{[ 2 ]} En imágenes fijas, un ejemplo son las imágenes JPEG del fotógrafo alemán Thomas Ruff , que utilizan artefactos JPEG intencionales como base del estilo de la imagen. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

En el videoarte , una técnica utilizada es el datamoshing , donde dos videos se intercalan de manera que los fotogramas intermedios se interpolan desde dos fuentes separadas. Otra técnica consiste simplemente en transcodificar de un formato de video con pérdida a otro, lo que explota la diferencia en cómo los distintos códecs de video procesan la información de movimiento y color. ^{[ 19 ]} La técnica fue iniciada por los artistas Bertrand Planes en colaboración con Christian Jacquemin en 2006 con DivXPrime, ^{[ 20 ]} Sven König, Takeshi Murata , Jacques Perconte y Paul B. Davis en colaboración con Paperrad , y más recientemente utilizada por David OReilly y en videos musicales para Chairlift y por Nabil Elderkin en el video musical " Welcome to Heartbreak " para Kanye West . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

También existe un género de memes de internet donde imágenes a menudo sin sentido se comprimen intencionadamente, a veces varias veces, para lograr un efecto cómico. Las imágenes creadas con esta técnica suelen denominarse "fritas en profundidad". ^{[ 23 ]}

• Arte con fallos de vídeo (advertencia: puede provocar epilepsia)
• Ejemplo de datamoshing
• 
  Un ejemplo de una imagen "frita" creada a partir de una foto de una lata de Diet Pepsi .

• DivXPrime : primeros experimentos conocidos de software de vídeo de datamoshing realizados por Bertrand Planes y Christian Jacquemin (basados ​​en el algoritmo Xvid).
• Avance de Sonic Birth : cortometraje dirigido por Jérôme Blanquet, con efectos de datamoshing de David Olivari y producido por Metronomic. Película completa: Sonic Birth .
• datamosher : un software de datamoshing de vídeo con licencia GPL.
• Ejemplo de artefactos de compresión de vídeo importantes .
• JPEG Tutor , una aplicación interactiva que permite investigar los efectos de cambiar la matriz de cuantificación.
• Eliminación de artefactos de compresión y bloqueo en imágenes JPEG: software de Matlab y complemento de Photoshop.