códec de vídeo

Un códec de vídeo es un software o hardware que comprime y descomprime vídeo digital . En el contexto de la compresión de vídeo, el término códec es una combinación de las palabras codificador y decodificador , mientras que un dispositivo que solo comprime se denomina normalmente codificador , y uno que solo descomprime se denomina decodificador .

El formato de datos comprimidos suele ajustarse a un formato de codificación de vídeo estándar . La compresión suele ser con pérdida , lo que significa que el vídeo comprimido carece de cierta información presente en el vídeo original. Como consecuencia, el vídeo descomprimido tiene menor calidad que el vídeo original sin comprimir, ya que no hay suficiente información para reconstruirlo con precisión.

Existen relaciones complejas entre la calidad del vídeo , la cantidad de datos utilizados para representar el vídeo (determinada por la tasa de bits ), la complejidad de los algoritmos de codificación y decodificación, la sensibilidad a las pérdidas y errores de datos, la facilidad de edición, el acceso aleatorio y el retardo de extremo a extremo ( latencia ).

Históricamente, el vídeo se almacenaba como una señal analógica en cinta magnética . Cuando el disco compacto irrumpió en el mercado como sustituto digital del audio analógico, se hizo posible almacenar y transmitir vídeo también en formato digital. Debido a la gran cantidad de almacenamiento y ancho de banda necesarios para grabar y transmitir vídeo sin procesar, se requería un método para reducir la cantidad de datos utilizados para representar dicho vídeo. Desde entonces, ingenieros y matemáticos han desarrollado diversas soluciones para lograr este objetivo, que implican la compresión de los datos de vídeo digital.

En 1974, Nasir Ahmed , T. Natarajan y KR Rao introdujeron la compresión mediante transformada discreta del coseno (DCT) . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} A finales de la década de 1980, varias empresas comenzaron a experimentar con la compresión con pérdida DCT para la codificación de vídeo, lo que condujo al desarrollo del estándar H.261 . ^{[ 4 ]} H.261 fue el primer estándar práctico de codificación de vídeo, ^{[ 5 ]} y fue desarrollado por varias empresas, entre ellas Hitachi , PictureTel , NTT , BT y Toshiba . ^{[ 6 ]} Desde H.261, la compresión DCT ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de vídeo posteriores. ^{[ 4 ]}

Los estándares de codificación de vídeo más populares utilizados para códecs han sido los estándares MPEG . MPEG-1 fue desarrollado por el Motion Picture Experts Group (MPEG) en 1991 y fue diseñado para comprimir vídeo con calidad VHS . Fue sucedido en 1994 por MPEG-2 / H.262 , ^{[ 5 ]} que fue desarrollado por varias compañías, principalmente Sony , Thomson y Mitsubishi Electric . ^{[ 7 ]} MPEG-2 se convirtió en el formato de vídeo estándar para DVD y televisión digital SD . ^{[ 5 ]} En 1999, fue seguido por MPEG-4 / H.263 , que fue un gran avance para la tecnología de compresión de vídeo. ^{[ 5 ]} Fue desarrollado por varias compañías, principalmente Mitsubishi Electric, Hitachi y Panasonic . ^{[ 8 ]}

El formato de codificación de vídeo más utilizado, a partir de 2016, es H.264/MPEG-4 AVC . Fue desarrollado en 2003 por varias organizaciones, principalmente Panasonic, Godo Kaisha IP Bridge y LG Electronics . ^{[ 9 ]} H.264 es el principal estándar de codificación de vídeo para discos Blu-ray y es ampliamente utilizado por servicios de transmisión por internet como YouTube , Netflix , Vimeo e iTunes Store , software web como Adobe Flash Player y Microsoft Silverlight , y diversas transmisiones de HDTV por televisión terrestre y por satélite.

AVC fue sucedido por HEVC (H.265), desarrollado en 2013. Está fuertemente patentado, y la mayoría de las patentes pertenecen a Samsung Electronics , GE , NTT y JVC Kenwood . ^{[ 10 ] [ 11 ]} La adopción de HEVC se ha visto obstaculizada por su compleja estructura de licencias. HEVC, a su vez, fue sucedido por Versatile Video Coding (VVC).

También existen los formatos de codificación de vídeo VP8 , VP9 y AV1 , abiertos y gratuitos , utilizados por YouTube, todos ellos desarrollados con la participación de Google .

Los códecs de vídeo se utilizan en reproductores de DVD, vídeo por Internet , vídeo bajo demanda , cable digital , televisión digital terrestre , videotelefonía y diversas aplicaciones. En particular, se utilizan ampliamente en aplicaciones que graban o transmiten vídeo, lo cual puede resultar inviable con los elevados volúmenes de datos y anchos de banda del vídeo sin comprimir. Por ejemplo, se utilizan en quirófanos para grabar operaciones quirúrgicas, en cámaras IP de sistemas de seguridad y en vehículos submarinos y vehículos aéreos no tripulados operados a distancia . Cualquier flujo o archivo de vídeo puede codificarse utilizando una amplia variedad de formatos de vídeo en directo. ^{[ 12 ]}

Los códecs de vídeo buscan representar un conjunto de datos fundamentalmente analógico en formato digital. Debido al diseño de las señales de vídeo analógicas, que representan la luminancia (luma) y la información de color (crominancia, croma) por separado, un primer paso común en la compresión de imágenes en el diseño de códecs es representar y almacenar la imagen en un espacio de color YCbCr . La conversión a YCbCr ofrece dos ventajas: primero, mejora la compresibilidad al proporcionar decorrelación de las señales de color; y segundo, separa la señal de luminancia, que es perceptualmente mucho más importante, de la señal de croma, que es perceptualmente menos importante y que puede representarse a menor resolución utilizando submuestreo de croma para lograr una compresión de datos más eficiente. Los diferentes códecs utilizan diferentes relaciones de submuestreo de croma según sus necesidades de compresión. Los esquemas de compresión de vídeo para Web y DVD utilizan un patrón de muestreo de color 4:2:1, y el estándar DV utiliza relaciones de muestreo 4:1:1. Los códecs de vídeo profesionales diseñados para funcionar a tasas de bits mucho más altas y para grabar una mayor cantidad de información de color para la manipulación en posproducción se muestrean en relaciones de aspecto 4:2:2 y 4:4:4. Ejemplos de estos códecs incluyen los códecs DVCPRO50 y DVCPROHD de Panasonic (4:2:2), HDCAM-SR de Sony (4:4:4), HDD5 de Panasonic (4:2:2) y ProRes HQ 422 de Apple (4:2:2). ^{[ 13 ]}

Cabe destacar también que los códecs de vídeo pueden operar en el espacio RGB. Estos códecs no suelen muestrear los canales rojo, verde y azul en proporciones diferentes, ya que existe poca motivación perceptiva para hacerlo; solo el canal azul podría estar submuestreado.

También se puede utilizar cierto grado de submuestreo espacial y temporal para reducir la tasa de datos sin procesar antes del proceso de codificación básico. La transformación de codificación más popular es la DCT 8x8. Los códecs que utilizan una transformada wavelet también están entrando en el mercado, especialmente en flujos de trabajo de cámara que implican el manejo de formato de imagen RAW en secuencias de movimiento. Este proceso implica representar la imagen de video como un conjunto de macrobloques . Para obtener más información sobre esta faceta crítica del diseño de códecs de video, consulte Fotogramas B. ^{[ 14 ]}

La salida de la transformada se cuantifica primero , y luego se aplica la codificación de entropía a los valores cuantificados. Cuando se ha utilizado una DCT, los coeficientes se suelen escanear con un orden de escaneo en zigzag , y la codificación de entropía normalmente combina varios coeficientes cuantificados consecutivos con valor cero con el valor del siguiente coeficiente cuantificado distinto de cero en un solo símbolo, y también tiene formas especiales de indicar cuándo todos los valores de los coeficientes cuantificados restantes son iguales a cero. El método de codificación de entropía normalmente utiliza tablas de codificación de longitud variable . Algunos codificadores comprimen el vídeo en un proceso de varios pasos llamado codificación de n pasadas (por ejemplo, de 2 pasadas), que realiza una compresión más lenta pero potencialmente de mayor calidad.

El proceso de decodificación consiste en invertir, en la medida de lo posible, cada etapa del proceso de codificación. La única etapa que no se puede invertir con exactitud es la de cuantización. En esta etapa, se realiza una aproximación de la inversión. Esta parte del proceso se suele denominar cuantización inversa o descuantización , aunque la cuantización es un proceso inherentemente no invertible.

Los diseños de códecs de vídeo suelen estar estandarizados o llegar a estarlo, es decir, se especifican con precisión en un documento publicado. Sin embargo, solo el proceso de decodificación necesita estar estandarizado para permitir la interoperabilidad. El proceso de codificación normalmente no se especifica en ningún estándar, y los desarrolladores tienen libertad para diseñar su codificador como deseen, siempre que el vídeo pueda decodificarse de la forma especificada. Por este motivo, la calidad del vídeo resultante de la decodificación de los resultados de diferentes codificadores que utilizan el mismo estándar de códec de vídeo puede variar drásticamente de una implementación a otra.

En ordenadores y dispositivos electrónicos de consumo se pueden implementar diversos formatos de compresión de vídeo. Por lo tanto, es posible disponer de múltiples códecs en un mismo producto, lo que reduce la necesidad de elegir un único formato de compresión de vídeo dominante para lograr la interoperabilidad .

Los formatos de compresión de vídeo estándar pueden ser compatibles con múltiples implementaciones de codificación y decodificación de diversas fuentes. Por ejemplo, un vídeo codificado con un códec estándar MPEG-4 Parte 2 como Xvid puede decodificarse utilizando cualquier otro códec estándar MPEG-4 Parte 2 , como FFmpeg MPEG-4 o DivX Pro Codec , ya que todos utilizan el mismo formato de vídeo.

Los códecs tienen sus ventajas y desventajas. Se publican comparaciones con frecuencia. El equilibrio entre la potencia de compresión, la velocidad y la fidelidad (incluidos los artefactos ) suele considerarse el indicador técnico más importante.

El material de vídeo en línea se codifica mediante una variedad de códecs, lo que ha dado lugar a la disponibilidad de paquetes de códecs  : un conjunto preensamblado de códecs de uso común combinado con un instalador disponible como paquete de software para PC, como K-Lite Codec Pack , Perian y Combined Community Codec Pack .

• Tasa de bits
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• Compresión de datos §  Vídeo
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• Multiplexación
• Frecuencia de muestreo
• Calidad de vídeo subjetiva
• Transcodificación
• Calidad de vídeo

• El artículo "Wyner-Ziv Coding of Video Archived 2011-09-30 at the Wayback Machine" describe otro algoritmo para la compresión de vídeo que se acerca al límite de Slepian-Wolf (con enlaces al código fuente).
• Códecs multimedia AMD : descarga opcional (anteriormente llamados ATI Avivo ).