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Articulo de referencia

Formato de codificación de vídeo

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Un formato de codificación de vídeo ( o, a veces, formato de compresión de vídeo ) es un formato codificado de contenido de vídeo digital , como un archivo de datos o un flujo de bits . Normalmente utiliza un algoritmo de compresión de vídeo estandarizado , generalmente basado en la codificación de la transformada discreta del coseno (DCT) y la compensación de movimiento . Un componente de software o hardware que comprime o descomprime un formato de codificación de vídeo específico se denomina códec de vídeo .

Algunos formatos de codificación de vídeo están documentados en un documento de especificaciones técnicas detallado, conocido como especificación de codificación de vídeo . Algunas de estas especificaciones son redactadas y aprobadas por organizaciones de estandarización como normas técnicas , y por lo tanto se conocen como normas de codificación de vídeo . Existen normas de facto y normas formales.

El contenido de vídeo codificado con un formato de codificación de vídeo específico suele ir acompañado de una pista de audio (codificada con un formato de codificación de audio ) dentro de un formato contenedor multimedia como AVI , MP4 , FLV , RealMedia o Matroska . Por lo tanto, el usuario normalmente no dispone de un archivo H.264 , sino de un archivo de vídeo , que es un contenedor MP4 de vídeo codificado en H.264, normalmente junto con audio codificado en AAC . Los formatos contenedores multimedia pueden contener varios formatos de codificación de vídeo diferentes; por ejemplo, el formato contenedor MP4 puede contener formatos de codificación de vídeo como MPEG-2 Parte 2 o H.264. Otro ejemplo es la especificación inicial del tipo de archivo WebM , que especifica el formato contenedor (Matroska), pero también el formato de compresión de vídeo ( VP8 ) y audio ( Vorbis ) que contiene el contenedor Matroska, aunque Matroska es capaz de contener vídeo VP9 y posteriormente se añadió compatibilidad con audio Opus a la especificación WebM .

Distinción entre formato y códec

Un formato es el plan de diseño para los datos producidos o consumidos por un códec .

Aunque los formatos de codificación de vídeo como H.264 a veces se denominan códecs , existe una clara diferencia conceptual entre una especificación y sus implementaciones. Los formatos de codificación de vídeo se describen en especificaciones, y el software, el firmware o el hardware para codificar/decodificar datos en un formato de codificación de vídeo determinado, desde/hacia vídeo sin comprimir, son implementaciones de dichas especificaciones. A modo de analogía, el formato de codificación de vídeo H.264 (especificación) es al códec OpenH264 (implementación específica) lo que el lenguaje de programación C (especificación) es al compilador GCC (implementación específica). Cabe destacar que para cada especificación (por ejemplo, H.264 ), puede haber muchos códecs que la implementen (por ejemplo, x264 , OpenH264, productos e implementaciones H.264/MPEG-4 AVC ).

Esta distinción no se refleja de forma consistente en la terminología de la literatura. La especificación H.264 llama a H.261 , H.262 , H.263 y H.264 estándares de codificación de vídeo y no contiene la palabra códec . [ 2 ] La Alianza para Medios Abiertos distingue claramente entre el formato de codificación de vídeo AV1 y el códec que están desarrollando, pero llama al formato de codificación de vídeo en sí una especificación de códec de vídeo . [ 3 ] La especificación VP9 llama al formato de codificación de vídeo VP9 en sí mismo un códec . [ 4 ]

Como ejemplo de confusión, las páginas de Chromium [ 5 ] y Mozilla [ 6 ] que enumeran sus formatos de video admiten ambos formatos de codificación de video de llamadas, como los códecs H.264 . Como otro ejemplo, en el anuncio de Cisco de un códec de video gratuito, el comunicado de prensa se refiere al formato de codificación de video H.264 como un códec ("elección de un códec de video común"), pero llama a la implementación de Cisco de un codificador/decodificador H.264 un códec poco después ("de código abierto nuestro códec H.264"). [ 7 ]

Un formato de codificación de vídeo no dicta todos los algoritmos que utiliza un códec que lo implementa. Por ejemplo, gran parte de cómo funciona la compresión de vídeo normalmente es encontrar similitudes entre fotogramas de vídeo (coincidencia de bloques) y luego lograr la compresión copiando subimágenes similares previamente codificadas (como macrobloques ) y agregando pequeñas diferencias cuando sea necesario. Encontrar combinaciones óptimas de tales predictores y diferencias es un problema NP-difícil , [ 8 ] lo que significa que es prácticamente imposible encontrar una solución óptima en un tiempo razonable. Aunque el formato de codificación de vídeo debe admitir dicha compresión a través de fotogramas en el formato de flujo de bits, al no exigir innecesariamente algoritmos específicos para encontrar dichas coincidencias de bloques y otros pasos de codificación, los códecs que implementan la especificación de codificación de vídeo tienen cierta libertad para optimizar e innovar en su elección de algoritmos. Por ejemplo, la sección 0.5 de la especificación H.264 dice que los algoritmos de codificación no forman parte de la especificación. [ 2 ] La libre elección del algoritmo también permite diferentes compensaciones de complejidad espacio-temporal para el mismo formato de codificación de video, de modo que una transmisión en vivo puede usar un algoritmo rápido pero ineficiente en cuanto al espacio, y una codificación de DVD única para producción masiva posterior puede intercambiar un tiempo de codificación largo por una codificación eficiente en cuanto al espacio.

Historia

El concepto de compresión de vídeo analógico se remonta a 1929, cuando RD Kell, en Gran Bretaña, propuso transmitir únicamente las partes de la escena que cambiaban de un fotograma a otro. El concepto de compresión de vídeo digital se remonta a 1952, cuando los investigadores de Bell Labs , BM Oliver y CW Harrison, propusieron el uso de la modulación por impulsos codificados diferencial (DPCM) en la codificación de vídeo. En 1959, los investigadores de NHK, Y. Taki, M. Hatori y S. Tanaka, propusieron el concepto de compensación de movimiento entre fotogramas, así como la codificación predictiva de vídeo entre fotogramas en la dimensión temporal . [ 9 ] En 1967, los investigadores de la Universidad de Londres , AH Robinson y C. Cherry, propusieron la codificación de longitud de ejecución (RLE), un esquema de compresión sin pérdidas , para reducir el ancho de banda de transmisión de las señales de televisión analógicas . [ 10 ]

Los primeros algoritmos de codificación de vídeo digital eran para vídeo sin comprimir o utilizaban compresión sin pérdidas ; ambos métodos eran ineficientes y poco prácticos para la codificación de vídeo digital. [ 11 ] [ 12 ] El vídeo digital se introdujo en la década de 1970, [ 11 ] inicialmente utilizando modulación por impulsos codificados (PCM) sin comprimir, lo que requería altas tasas de bits de alrededor de 45 a 200 Mbit/s para vídeo de definición estándar (SD), [ 11 ] [ 12 ] que era hasta 2000 veces mayor que el ancho de banda de telecomunicaciones (hasta 100 kbit/s ) disponible hasta la década de 1990. [ 12 ] De manera similar, el vídeo de alta definición (HD) 1080p sin comprimir requiere tasas de bits que superan 1 Gbit/s , significativamente mayor que el ancho de banda disponible en la década de 2000. [ 13 ]  

DCT con compensación de movimiento

La compresión de vídeo práctica surgió con el desarrollo de la codificación DCT con compensación de movimiento (MC DCT), [ 12 ] [ 11 ] también llamada compensación de movimiento por bloques (BMC) [ 9 ] o compensación de movimiento DCT. Este es un algoritmo de codificación híbrido, [ 9 ] que combina dos técnicas clave de compresión de datos : la codificación de la transformada discreta del coseno (DCT) [ 12 ] [ 11 ] en la dimensión espacial y la compensación predictiva de movimiento en la dimensión temporal . [ 9 ]

La codificación DCT es una técnica de codificación de transformación de compresión de bloques con pérdida que fue propuesta por primera vez por Nasir Ahmed , quien inicialmente la concibió para la compresión de imágenes , mientras trabajaba en la Universidad Estatal de Kansas en 1972. Posteriormente, Ahmed la desarrolló como un algoritmo práctico de compresión de imágenes junto con T. Natarajan y KR Rao en la Universidad de Texas en 1973, y se publicó en 1974. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

El otro desarrollo clave fue la codificación híbrida con compensación de movimiento. [ 9 ] En 1974, Ali Habibi en la Universidad del Sur de California introdujo la codificación híbrida, [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] que combina la codificación predictiva con la codificación de transformación. [ 9 ] [ 20 ] Examinó varias técnicas de codificación de transformación, incluyendo la DCT, la transformada de Hadamard , la transformada de Fourier , la transformada oblicua y la transformada de Karhunen-Loeve . [ 17 ] Sin embargo, su algoritmo se limitó inicialmente a la codificación intra-fotograma en la dimensión espacial. En 1975, John A. Roese y Guner S. Robinson extendieron el algoritmo de codificación híbrida de Habibi a la dimensión temporal, utilizando la codificación de transformación en la dimensión espacial y la codificación predictiva en la dimensión temporal, desarrollando la codificación híbrida con compensación de movimiento inter-fotograma . [ 9 ] [ 21 ] Para la codificación de transformación espacial, experimentaron con diferentes transformadas, incluyendo la DCT y la transformada rápida de Fourier (FFT), desarrollando codificadores híbridos entre fotogramas para ellas, y encontraron que la DCT es la más eficiente debido a su complejidad reducida, capaz de comprimir datos de imagen hasta 0,25 bits por píxel para una escena de videoteléfono con una calidad de imagen comparable a la de un codificador intra-fotograma típico que requiere 2 bits por píxel. [ 22 ] [ 21 ]

La DCT fue aplicada a la codificación de video por Wen-Hsiung Chen, [ 23 ] quien desarrolló un algoritmo DCT rápido con CH Smith y SC Fralick en 1977, [ 24 ] [ 25 ] y fundó Compression Labs para comercializar la tecnología DCT. [ 23 ] En 1979, Anil K. Jain y Jaswant R. Jain desarrollaron aún más la compresión de video DCT con compensación de movimiento. [ 26 ] [ 9 ] Esto llevó a Chen a desarrollar un algoritmo práctico de compresión de video, llamado DCT con compensación de movimiento o codificación de escena adaptativa, en 1981. [ 9 ] La DCT con compensación de movimiento se convirtió más tarde en la técnica de codificación estándar para la compresión de video desde finales de la década de 1980 en adelante. [ 11 ] [ 27 ]

Estándares de codificación de vídeo

El primer estándar de codificación de vídeo digital fue H.120 , desarrollado por el CCITT (ahora ITU-T) en 1984. [ 28 ] H.120 no era utilizable en la práctica, ya que su rendimiento era demasiado bajo. [ 28 ] H.120 utilizaba codificación DPCM con compensación de movimiento, [ 9 ] un algoritmo de compresión sin pérdidas que era ineficiente para la codificación de vídeo. [ 11 ] A finales de la década de 1980, varias empresas comenzaron a experimentar con la codificación de transformada discreta del coseno (DCT), una forma de compresión mucho más eficiente para la codificación de vídeo. El CCITT recibió 14 propuestas para formatos de compresión de vídeo basados ​​en DCT, en contraste con una sola propuesta basada en la compresión de cuantificación vectorial (VQ). El estándar H.261 se desarrolló basándose en la compresión DCT con compensación de movimiento. [ 11 ] [ 27 ] H.261 fue el primer estándar práctico de codificación de vídeo, [ 28 ] y utiliza patentes licenciadas de varias empresas, incluidas Hitachi , PictureTel , NTT , BT y Toshiba , entre otras. [ 29 ] Desde H.261, la compresión DCT con compensación de movimiento ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de vídeo (incluidos los formatos H.26x y MPEG ) que le siguieron. [ 11 ] [ 27 ]

MPEG-1 , desarrollado por el Moving Picture Experts Group (MPEG), apareció en 1991 y fue diseñado para comprimir vídeo con calidad VHS . [ 28 ] Fue sucedido en 1994 por MPEG-2 / H.262 , [ 28 ] que fue desarrollado con patentes licenciadas de varias compañías, principalmente Sony , Thomson y Mitsubishi Electric . [ 30 ] MPEG-2 se convirtió en el formato de vídeo estándar para DVD y televisión digital SD . [ 28 ] Su algoritmo DCT con compensación de movimiento pudo alcanzar una relación de compresión de hasta 100:1, lo que permitió el desarrollo de tecnologías de medios digitales como vídeo bajo demanda (VOD) [ 12 ] y televisión de alta definición (HDTV). [ 31 ] En 1999, fue sucedido por MPEG-4 / H.263 , que fue un gran salto adelante para la tecnología de compresión de vídeo. [ 28 ] Utiliza patentes con licencia de varias empresas, principalmente Mitsubishi, Hitachi y Panasonic . [ 32 ]

El formato de codificación de vídeo más utilizado a partir de 2019.es H.264/MPEG-4 AVC . [ 33 ] Fue desarrollado en 2003 y utiliza patentes con licencia de varias organizaciones, principalmente Panasonic, Godo Kaisha IP Bridge y LG Electronics . [ 34 ] A diferencia del DCT estándar utilizado por sus predecesores, AVC utiliza el DCT entero . [ 23 ] [ 35 ] H.264 es uno de los estándares de codificación de video para discos Blu-ray ; todos los reproductores de discos Blu-ray deben poder decodificar H.264. También es ampliamente utilizado por fuentes de transmisión de Internet, como videos de YouTube , Netflix , Vimeo y iTunes Store , software web como Adobe Flash Player y Microsoft Silverlight , y también varias transmisiones de HDTV por tierra ( estándares ATSC , ISDB-T , DVB-T o DVB-T2 ), cable ( DVB-C ) y satélite ( DVB-S2 ). [ 36 ]

Un problema importante para muchos formatos de codificación de video han sido las patentes , lo que hace que su uso sea costoso o potencialmente arriesgado a una demanda por patentes debido a patentes submarinas . La motivación detrás de muchos formatos de codificación de video diseñados recientemente, como Theora , VP8 y VP9, ​​ha sido crear un estándar de codificación de video ( libre ) cubierto únicamente por patentes libres de regalías. [ 37 ] El estado de las patentes también ha sido un punto importante de controversia para la elección de qué formatos de video admitirán los navegadores web principales dentro de la etiqueta de video HTML .

El formato de codificación de vídeo de última generación es HEVC (H.265), introducido en 2013. AVC utiliza la DCT entera con tamaños de bloque de 4x4 y 8x8, y HEVC utiliza transformadas DCT y DST enteras con tamaños de bloque variables entre 4x4 y 32x32. [ 38 ] HEVC está fuertemente patentado, principalmente por Samsung Electronics , GE , NTT y JVCKenwood . [ 39 ] Se enfrenta al desafío del formato AV1 , destinado a una licencia libre. A partir de 2019AVC es, con diferencia, el formato más utilizado para la grabación, compresión y distribución de contenido de vídeo, utilizado por el 91 % de los desarrolladores de vídeo, seguido de HEVC, que es utilizado por el 43 % de los desarrolladores. [ 33 ]

Lista de estándares de codificación de vídeo

Sin pérdidas, con pérdidas y sin comprimir

Los vídeos de consumo suelen comprimirse utilizando códecs de vídeo con pérdida , ya que esto da como resultado archivos significativamente más pequeños que la compresión sin pérdida . Algunos formatos de codificación de vídeo están diseñados específicamente para compresión con pérdida o sin pérdida, y algunos formatos como Dirac y H.264 admiten ambos. [ 49 ]

Los formatos de vídeo sin comprimir , como Clean HDMI , son una forma de vídeo sin pérdidas que se utiliza en ciertas circunstancias, como al enviar vídeo a una pantalla a través de una conexión HDMI . Algunas cámaras de gama alta también pueden capturar vídeo directamente en este formato.

Dentro del fotograma

La compresión entre fotogramas complica la edición de una secuencia de vídeo codificada. [ 50 ] Una subclase de formatos de codificación de vídeo relativamente simples son los formatos de vídeo intra-fotograma , como DV , en los que cada fotograma del flujo de vídeo se comprime de forma independiente sin hacer referencia a otros fotogramas del flujo, y no se intenta aprovechar las correlaciones entre imágenes sucesivas a lo largo del tiempo para una mejor compresión. Un ejemplo es Motion JPEG , que es simplemente una secuencia de imágenes JPEG comprimidas individualmente. Este enfoque es rápido y simple, a costa de que el vídeo codificado sea mucho más grande que un formato de codificación de vídeo que admita la codificación entre fotogramas .

Debido a que la compresión entre fotogramas copia datos de un fotograma a otro, si el fotograma original simplemente se corta (o se pierde en la transmisión), los fotogramas siguientes no se pueden reconstruir correctamente. Realizar cortes en vídeo comprimido intraframe durante la edición de vídeo es casi tan fácil como editar vídeo sin comprimir: se encuentra el principio y el final de cada fotograma y simplemente se copia bit a bit cada fotograma que se desea conservar, descartando los fotogramas que no se desean. Otra diferencia entre la compresión intraframe e interframe es que, con los sistemas intraframe, cada fotograma utiliza una cantidad similar de datos. En la mayoría de los sistemas interframe, ciertos fotogramas (como los fotogramas I en MPEG-2 ) no pueden copiar datos de otros fotogramas, por lo que requieren muchos más datos que otros fotogramas cercanos. [ 51 ]

Es posible crear un editor de vídeo informático que detecte problemas causados ​​por la eliminación de fotogramas I mientras otros fotogramas los necesitan. Esto ha permitido utilizar formatos más recientes, como HDV, para la edición. Sin embargo, este proceso exige mucha más potencia de cálculo que la edición de vídeo comprimido intraframe con la misma calidad de imagen. Además, esta compresión no es muy eficaz para ningún formato de audio. [ 52 ]

Perfiles y niveles

Un formato de codificación de vídeo puede definir restricciones opcionales para el vídeo codificado, denominadas perfiles y niveles. Es posible disponer de un decodificador que solo admita la decodificación de un subconjunto de perfiles y niveles de un formato de vídeo determinado, por ejemplo, para que el programa o el hardware del decodificador sean más pequeños, sencillos o rápidos.

Un perfil restringe las técnicas de codificación permitidas. Por ejemplo, el formato H.264 incluye los perfiles baseline , main y high (entre otros). Si bien las secciones P (que se pueden predecir en función de las secciones precedentes) son compatibles con todos los perfiles, las secciones B (que se pueden predecir en función de las secciones precedentes y posteriores) son compatibles con los perfiles main y high , pero no con baseline . [ 53 ]

Un nivel es una restricción sobre parámetros como la resolución máxima y las tasas de datos. [ 53 ]

Véase también

Notas

Referencias

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