Dirac (formato de compresión de vídeo)

Dirac (y Dirac Pro , un subconjunto estandarizado como SMPTE VC-2 ) es un formato de compresión de vídeo , una especificación y un códec de vídeo de software abierto y libre de regalías desarrollado por BBC Research & Development . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Dirac tenía como objetivo proporcionar compresión de vídeo de alta calidad para Ultra HDTV y competía con formatos existentes como H.264 . ^{[ 3 ]}

La especificación se finalizó en enero de 2008, y los desarrollos posteriores fueron solo correcciones de errores y restricciones. ^{[ 2 ]} En septiembre de ese año, se lanzó la versión 1.0.0 de un subconjunto solo de fotogramas I conocido como Dirac Pro y fue estandarizado por el SMPTE como VC-2 . ^{[ 7 ] [ 4 ] [ 8 ]} La versión 2.2.3 de la especificación completa de Dirac, que incluye compensación de movimiento y codificación entre fotogramas, se publicó unos días después. ^{[ 2 ]} Dirac Pro fue utilizado internamente por la BBC para transmitir imágenes HDTV en los Juegos Olímpicos de Pekín en 2008. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Se desarrollaron dos implementaciones de software de códec de vídeo de código abierto y libres de regalías : libschrodinger y dirac-research. Estas implementaciones de formato recibieron sus nombres en honor a los físicos teóricos Paul Dirac y Erwin Schrödinger , quienes compartieron el Premio Nobel de Física de 1933 .

Dirac admite resoluciones de HDTV (1920×1080) y superiores, y se afirma que proporciona ahorros significativos en la tasa de datos y mejoras en la calidad con respecto a formatos de compresión de vídeo como MPEG-2 Parte 2 , MPEG-4 Parte 2 y sus competidores como Theora y WMV . Los implementadores de Dirac hicieron una afirmación preliminar de "una reducción del doble en la tasa de bits con respecto a MPEG-2 para vídeo de alta definición", lo que lo hace comparable a VC-1 y perfiles más simples de H.264 . ^{[ 11 ]}

Dirac admite tanto la operación a tasa de bits constante como a tasa de bits variable . Cuando se utiliza la sintaxis de baja latencia, la tasa de bits es constante para cada área (segmento de Dirac) en una imagen para garantizar una latencia constante. Dirac admite modos de compresión con y sin pérdida . ^{[ 2 ]}

Dirac emplea compresión por ondículas , al igual que los formatos de imagen JPEG 2000 y PGF y el códec de vídeo profesional Cineform , en lugar de las transformadas de coseno discretas utilizadas en los formatos de compresión MPEG . Dos de las ondículas específicas que Dirac puede usar son casi idénticas a las de JPEG 2000 (conocidas como ondículas 5/3 y 9/7 ), así como otras dos derivadas de ellas. ^{[ 12 ]}

Dirac se puede utilizar en los formatos de contenedor Ogg y Matroska y también está registrado para su uso en el formato de archivo de medios base ISO (MP4) y flujos de transporte MPEG . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Dirac Pro, un subconjunto de la especificación Dirac que solo utiliza fotogramas I , fue propuesto a la SMPTE para su estandarización. ^{[ 4 ] [ 15 ]} Dirac Pro está diseñado para el uso profesional y de estudio de vídeo de alta definición en aplicaciones de alta tasa de bits. ^{[ 6 ]} En 2010, la SMPTE estandarizó Dirac Pro como VC-2. ^{[ 8 ] [ 16 ]}

Aunque el trabajo en el códec Dirac original se ha detenido en gran medida, el códec VC-2 ha seguido adaptándose y actualizándose para entornos de posproducción HD y UHD. Los estándares (ST) y las prácticas recomendadas (RP) de SMPTE son los siguientes: ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• SMPTE ST 2042-1:2022 – Compresión de vídeo VC-2
• SMPTE ST 2042-2:2017 – Definiciones de nivel VC-2
• Especificación de conformidad SMPTE RP 2042-3:2022 – VC-2
• SMPTE ST 2042-4:2018 — Asignación de un flujo VC-2 al contenedor genérico MXF
• SMPTE RP 2047-1:2023 – Compresión de nivel intermedio VC-2 de fuentes de vídeo de alta definición 1080p
• SMPTE ST 2047-2:2010 — Transmisión de vídeo comprimido VC-2 a través de HD-SDI
• SMPTE RP 2047-3:2023 — Compresión VC-2 Nivel 65 de fuentes de vídeo de alta definición para su uso con una infraestructura de definición estándar.
• SMPTE ST 2047-4:2011 — Transmisión de vídeo comprimido VC-2 de nivel 65 a través de SDTV SDI
• SMPTE RP 2047-5:2022 — VC-2 Nivel 66 Compresión de fuentes de vídeo de ultra alta definición para su uso con una infraestructura de alta definición
• IETF RFC 8450 — Formato de carga útil RTP para el perfil de alta calidad (HQ) de VC-2 

Inicialmente se desarrollaron dos implementaciones de software. La implementación de referencia de la BBC, inicialmente llamada Dirac pero renombrada dirac-research para evitar confusiones, fue escrita en C++ y publicada bajo las licencias de software libre Mozilla Public License , GNU GPL 2 y GNU LGPL . La versión 1.0.0 de esta implementación se publicó el 17 de septiembre de 2008 y define el formato de flujo de bits de Dirac. ^{[ 7 ]}

Una segunda implementación, denominada Schrödinger, fue financiada por la BBC y tenía como objetivo proporcionar una versión portátil y de alto rendimiento del códec, manteniendo al mismo tiempo una compatibilidad total con el flujo de bits. Schrödinger se escribió en ANSI C y se publicó bajo las mismas licencias que dirac-research, así como bajo la permisiva licencia MIT . Se incluyeron complementos de GStreamer para permitir el uso de la biblioteca con dicho marco de trabajo. El 22 de febrero de 2008 se lanzó Schrödinger 1.0.0, capaz de decodificar HD720/25p en tiempo real en un portátil Core Duo . ^{[ 19 ]}

Para marzo de 2010, con el lanzamiento de la versión 1.0.9 de Schrödinger, este superaba a dirac-research "en la mayoría de las situaciones de codificación, tanto en velocidad como en calidad visual". ^{[ 20 ]} Con ese lanzamiento, la mayoría de las herramientas de codificación de dirac-research se incorporaron a Schrödinger, lo que le otorgó a este último una eficiencia de compresión igual o superior a la de dirac-research. El desarrollo de Schrödinger cesó tras el lanzamiento de la versión 1.0.11 en 2012.

Tras la estandarización de Dirac Pro como SMPTE VC-2, se inició el desarrollo de un codificador VC-2 de referencia de código abierto. El código se encuentra en un repositorio Git proporcionado por la BBC y está disponible en GitHub . ^{[ 21 ]}

En la BBC se ha implementado un sistema de prueba de calidad de codificadores para comprobar el buen funcionamiento de las nuevas herramientas de codificación y garantizar que los errores que afectan a la calidad se corrijan rápidamente. ^{[ 22 ]}

Los algoritmos de la especificación original de Dirac estaban diseñados para proporcionar un rendimiento de compresión comparable a los estándares de compresión de vídeo convencionales de la época. Una comparación de 2009 de los códecs Dirac y H.264, que utilizó implementaciones del segundo trimestre de 2008, mostró que x264 obtuvo una puntuación ligeramente superior a la de Dirac. ^{[ 24 ]} Otra comparación de 2009 encontró resultados similares para contenido de definición estándar, pero no comparó contenido de vídeo de alta definición (HD). ^{[ 25 ]} Estos estudios muestran que el rendimiento de compresión de Dirac es cercano al de MPEG-4 Parte 2 Advanced Simple Profile (ASP, popularizado como DivX ). Si bien también se acerca a las codificaciones H.264 de baja complejidad, un vídeo codificado con High Profile H.264 tendrá una mejor compresión para la misma calidad percibida.

Desde 2010, se han desarrollado códecs de vídeo de código abierto y libres de regalías, como VP8 , VP9 y AV1 , con un mejor rendimiento de compresión y una adopción más generalizada, incluyendo servicios de streaming dominantes como YouTube y Netflix . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

• Un fragmento de vídeo en el que David Schleef habla sobre Dirac está disponible para su visualización en Internet Archive.
• Página de Investigación y Desarrollo de la BBC sobre VC-2