COMPRESIÓN DE VIDEO EN EL ESTÁNDAR MPEG4

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1 COMPRESIÓN DE VIDEO EN EL ESTÁNDAR MPEG4 SUMARIO H.261 H.263 EVOLUCIÓN DEL H.263 COMPRESIÓN DE VIDEO EN EL ESTÁNDAR MPEG-4 CODIFICACIÓN ORIENTADA A OBJETOS EL MODELO DE VERIFICACIÓN EL LENGUAJE DE DESCRIPCIÓN DE ALGORITMOS 1

2 H.261 Es el primer estándar para la codificación y transmisión de secuencias de vídeo digital para redes de telecomunicación elaborado por la ITU en 1990 (versión modificada en 1993) [3]. Esta recomendación está orientada, principalmentem, para videotelefonía (normalmente un busto parlante con fondo fijo) e integrada en un conjunto de estándares descritos en la recomendación H.320 que permiten su uso en redes RDSI junto con la transmisión de sonidos y datos, enlaces multipunto, etc. La recomendación H.261 está concebida para transmitir vídeo codificado a velocidades de 64 a kbit/s. La compresión se basa en la utilización de la transformada DCT para disminuir la redundancia espacial de las imágenes y en el uso de varias de las técnicas descritas anteriormente. Permite obtener calidades próximas a las del formato de vídeo VHS utilizando velocidades de transmisión de 2 Mbit/s, pero no presenta un comportamiento de calidad con todo tipo de imágenes. Aspectos interesantes de este estándar son su perfecta adaptación a las redes RDSI y la existencia numerosos productos que lo implementan (videoteléfonos, sistemas de videoconferencia, kits para PC que permiten dotarlos de capacidad de videotelefonía o de acceso a bases de datos, etc.). Esto hace posible realizar bases de datos multimedia accesibles a través de la RDSI con productos comerciales ya disponibles. 2

3 H.263 El grupo de estudio 15 de ITU (ITU-T Study Group 15), encargado de los estándares audiovisuales que desarrolló el estándar H.261, ha continuado sus trabajos con objeto de obtener un estándar nuevo que, aumentando la compresión, permita la comunicación audiovisual usando redes de menor ancho de banda, como la red telefónica básica, y mejore la calidad en la RDSI. En 1996 se terminó una primera versión del estándar de codificación de vídeo H.263. Éste se integrará en otras familias de estándares más complejas, para su uso en diversas redes como la RTB (H.324) y la RDSI (H.320), así como en redes sin calidad de servicio garantizado (H.323). Las características principales del estándar H.263 son: Aumento de la eficiencia de compresión y del tipo de formatos, a fin de permitir una calidad de vídeo razonable en redes de baja capacidad. Baja complejidad, lo que posibilita implementaciones de bajo coste (incluso basadas exclusivamente en software, aprovechando la potencia de cálculo de la última generación de procesadores de uso general). Bajo retardo (requisito imprescindible en comunicaciones en tiempo real). Estas tres características presentan cierta incompatibilidad mutua, por lo que se ha llegado a una solución final de compromiso: el estándar consta de un codificador básico y cuatro anexos opcionales. Cada opción incorpora variaciones sobre el algoritmo base que permiten una mayor eficiencia de compresión, a costa de aumentar la complejidad. Las opciones pueden aplicarse por separado o conjuntamente, de manera negociada entre los dos terminales H.263. CODIFICADOR BASE H.263 El formato digital de entrada es CIF, con sus submúltiplos QCIF y sub QCIF (este último, inexistente en H.261, tiene un tamaño de luminancia de 96 líneas por 128 columnas). Como posibilidades se han añadido, además, los múltiplos 4CIF (4 veces CIF) y 16CIF (16 veces), aunque su ámbito de aplicación excede el del vídeo a baja velocidad. En la práctica, el formato considerado más usual es QCIF. La estimación de movimiento en el codificador base H.263 es similar a H.261. Se realiza, al igual que en este último, la búsqueda en el último cuadro transmitido del mejor predictor para bloques de imagen de 16x16 puntos. A fin de mejorar el resultado de la estimación, se ha incorporado la predicción a medio pixel de MPEG, en la cual los puntos intermedios se calculan por simple interpolación bilineal entre los puntos reales. El rango máximo de vectores es, al igual que en H.261, de aproximadamente ±15 puntos enteros. Las DCT y la cuantificación se efectúan de la misma manera que en H.261. La DCT es del tamaño estándar 8x8. La componente continua en bloques INTRA (sin predicción) utiliza un paso de cuantificación fijo de 8; los restantes coeficientes INTRA e INTER (con predicción) usan un cuantificador uniforme con zona muerta alrededor del cero. Los coeficientes se ordenan en zigzag antes de codificar, para disponer valores similares juntos. Para los vectores de movimiento, los tipos de macrobloque y los coeficientes DCT, se utilizan códigos de longitud variable tipo Huffman, al igual que en H.261. Para los vectores de movimiento se emplea predicción diferencial, de forma que lo que se transmite es el residuo de 3

4 la resta entre el vector y un predictor formado a partir de los vectores anteriores. El predictor es más elaborado que en H.261 o MPEG (calcula la mediana entre tres vectores adyacentes). En H.263 existe el concepto de cuadro INTRA (la codificación se hace sin referencias a otros cuadros), como en MPEG (en H.261 no existía), lo que hace posible una actualización completa de la imagen más eficiente. OPCIONES DEL CODIFICADOR BASE Vectores ilimitados En este modo está permitido que los vectores de movimiento apunten a zonas que están, en parte, fuera de la imagen. Para esos puntos de referencia fuera de la imagen, se usa el punto más próximo del borde de la imagen. Este modo es útil cuando existen objetos entrando en la imagen. En este caso, se podrán usar vectores prohibidos en el modo base para aproximar, al menos, la parte del objeto que ya había entrado en el cuadro de referencia. Codificador aritmético En este modo se sustituyen los códigos Huffman por un codificador aritmético basado en un modelado de datos igualmente especificado en el estándar. Los códigos aritméticos posibilitan reducir el espacio ocupado por la trama binaria respecto al usado por una codificación Huffman, pero a costa de una mayor complejidad. Modo de predicción avanzado Existen dos tipos de predicción permitidos en este modo: el especificado en el codificador base (vectores que cubren un área de 16x16 puntos) y otro en el cual el macrobloque se descompone en cuatro bloques de 8x8, se busca y transmite un vector para cada bloque de 8x8. Cada macrobloque de la imagen puede utilizar uno cualquiera de los dos métodos, de forma que en áreas estáticas de la imagen o con objetos grandes podrán usarse vectores de 16x16, en zonas de la imagen donde los objetos sean más pequeños y tengan distinto movimiento se podrá realizar una mejor aproximación usando vectores que abarquen áreas de 8x8. Además, en este modo se realiza compensación de movimiento promediada (sólo para los bloques con predicción 8x8), de forma que para cada punto se toman 3 predictores a partir de otros tantos vectores: el correspondiente al bloque donde está el punto y otros dos de bloques adyacentes. El objetivo es que la diferencia de predicciones entre bloques adyacentes no provoque residuos de predicción demasiado distintos que incrementen la visibilidad de los bloques que forman la imagen (efecto bloque). Cuadros PB Los cuadros PB son imágenes construidas con predicción bidireccional, a partir de un cuadro anterior y otro posterior, a semejanza de los cuadros B de MPEG. Sin embargo, la exigencia de bajo retardo impide adoptar directamente el esquema usado en MPEG (ya que un cuadro B requiere de reordenación de imágenes y, por tanto, incrementa el retardo). Un cuadro PB está formado por dos imágenes: una (P) se predice a partir de la última transmitida, la otra (B) 4

5 mediante esa última imagen transmitida y la imagen P compañera en el cuadro PB. Los dos cuadros comparten vectores de movimiento y otros códigos. El objetivo de la opción es doblar la frecuencia de cuadro introduciendo muy poca carga adicional al canal. Por tanto, a igual velocidad binaria, un codificador H.263, con cuadros PB, presentará un refresco de imagen doble al que se presentaría si no se empleasen, aunque empeorará un poco la calidad individual de cada imagen. En Telefónica I+D se han llevado a cabo experiencias de calidad subjetiva de codificación H.263 para comunicación de personas sordomudas, usando lenguaje de signos [7]. Se ha comparado H.261 con H.263 a distintas velocidades binarias y usando varias alternativas entre las posibles opciones de H.263. Como resultado, H.263 mejoró de una manera importante a H.261; la configuración H.263 óptima es aquella en la que todas las opciones, excepto los cuadros PB, están activadas (aparentemente, para la identificación de signos resulta más importante la definición de la imagen que la suavidad del movimiento). Esta última opción proporciona normalmente mejoras considerables en la calidad subjetiva. En general, se admite que la mejora que introduce H.263 con respecto a H.261 permite reducir la velocidad binaria manteniendo la calidad subjetiva hasta un 50 por ciento. Esto, unido a las mejoras en los algoritmos de codificación de voz, puede permitir factores de mejora próximos a 4 en algunas aplicaciones. 5

6 EVOLUCIÓN DEL H.263 Actualmente el grupo de estudio 15 de ITU trabaja en el sistema que le sucederá. Existen dos líneas diferentes de estudio, a corto y largo plazo, denominadas H.263+ y H.263L. H.263+ El objetivo de H.263+ es actualizar a corto plazo el estándar H.263, con el fin de aumentar la calidad de sus aplicaciones y permitir otras nuevas [8]. Mejoras previstas son: el aumento de la eficiencia de compresión, la reducción del retardo y la mayor protección frente a errores del canal. El modelo actual para H.263+ mantiene el codificador base H.263 y sus cuatro modos opcionales e incorpora otros [9], como: Modo intra avanzado (Advanced Intra Coding mode) En él se emplea predicción dentro de la propia imagen para los macrobloques intra. Filtro de eliminación de bloques (Deblocking Filter mode) Utiliza un filtro paso bajo alrededor de las fronteras entre bloques de 8x8, con el fin de reducir su visibilidad. El filtro está situado dentro del lazo de predicción. Bandas estructuradas (Slice Structured mode) Sustituye el concepto de grupo de bloques (GOB) por el de banda o slice, definida como en MPEG (una banda de imagen de longitud arbitraria), pero permite el reordenamiento de slices para su transmisión. El objetivo es mejorar la resistencia frente a errores. H.263+ hace posible, además, tamaños de imagen arbitrarios e incorpora una funcionalidad extendida que posibilita la congelación de la imagen o de parte de ella, con un escalado opcional de la parte congelada. El calendario previsto para H.263+ especifica la finalización del trabajo en la primera mitad de H.263L H.263L es un grupo de trabajo a más largo plazo (la decisión sobre el estándar se tomará en noviembre de 1998). Sus objetivos son: avanzar aún más en la calidad subjetiva a bajas velocidades, incrementar la robustez frente a errores en canales ruidosos y avanzar en los requisitos de retardo y complejidad [10]. El grupo está centrado en servicios conversacionales en tiempo real; ésta es la principal distinción respecto a MPEG-4, cuyo campo de actuación es más amplio. Por lo demás, el trabajo de ambos grupos está bastante solapado, por lo que se espera una profunda colaboración entre ellos. Debido al objetivo específico de comunicación conversacional en tiempo real, los requisitos impuestos a H.263L mantienen una escala de prioridades: el tipo de vídeo más importante es el de escenas de busto parlante o de grupos de gente; la calidad de la imagen debe favorecer tareas como: el reconocimiento de caras y expresiones, y la comunicación por lenguaje de 6

7 signos. El retardo debe ser bajo (150/250 ms) y deben existir medios de detección, ocultamiento y recuperación de errores. 7

8 COMPRESIÓN DE VIDEO EN EL ESTÁNDAR MPEG-4 MPEG-4 es un estándar internacional (ISO/IEC 14496) desarrollado por MPEG (Moving Picture Experts Group). La especificación de MPEG-4 fue finalizada en Octobre de 1998 y se convirtió en un estándard Internacional a pricipio del MPEG-4 Version 2 se convirtió en un estándard Internacional a pricipio del distintas extenciones han sido agregadas desde entonces, incluyendo MPEG-4 AVC. La concepción MPEG-4 comenzó a definirse formalmente en la reunión de MPEG que se celebró en Bruselas en septiembre de Se trataba, en un principio, de elaborar una iniciativa orientada al desarrollo de procedimientos de codificación para sistemas con una velocidad de transmisión muy baja. Sin embargo, este objetivo con el tiempo se ha visto ampliado, de forma que, en la actualidad, el proyecto MPEG-4 está orientado a establecer mecanismos de codificación, eficientes y universales, para los distintos tipos de información audiovisual, denominados objetos audiovisuales. Dichos objetos pueden ser de origen natural y/o sintético. Para alcanzar este objetivo han de definirse dos elementos básicos: 1. Un conjunto de herramientas de codificación para objetos audiovisuales, capaz de dar soporte a diferentes funcionalidades, tales como la interactividad y la escalabilidad orientadas a objetos, la robustez frente a errores y la eficiencia de compresión. 2. Una descripción sintáctica de los objetos audiovisuales codificados, que proporcione un método formal para describir la representación codificada de dichos objetos, así como de los procedimientos empleados para su codificación. Se pone así de manifiesto, desde el primer momento, la importancia que en MPEG-4 van a tener los conceptos de objeto audiovisual, funcionalidad y lenguaje de descripción sintáctica (MSDL), que más adelante serán tratados brevemente. Nuevas funcionalidades Existen ocho funcionalidades básicas relacionadas con la interactividad basada en el contenido, la compresión y el acceso universal y, por tanto, dentro del ámbito de interés de MPEG-4, cuyo soporte por otros estándares ya existentes o emergentes no es totalmente satisfactorio. El conjunto de herramientas de codificación y el MSDL son precisamente los elementos que soportan dichas funcionalidades que a continuación se describen: Acceso a datos multimedia basado en contenido Se desea habilitar el acceso a datos basado en contenido, mediante diversos procedimientos tales como indexado e hiperenlaces. Edición y manipulación del flujo de datos codificados basados en contenido Se va a proporcionar un MSDL y unos esquemas de codificación, a fin de soportar la manipulación y edición de flujos de datos codificados sin precisar, para ello, de transcodificaciones. El MSDL debe ser suficientemente flexible para admitir extensiones en usos futuros. Codificación de datos híbridos naturales y sintéticos Se pretende incluir métodos eficientes para combinar escenas u objetos sintéticos con escenas u objetos naturales, posibilitar la codificación y manipulación de datos de audio y vídeo 8

9 sintéticos, y dotar al descodificador de procedimientos controlables para componer datos sintéticos con otros ordinarios, de forma que se admita la interactividad. Acceso temporal aleatorio mejorado Se va a proveer a MPEG-4 de procedimientos que permitan acceder de forma aleatoria a partes de una secuencia audiovisual, con la limitación de tiempo correspondiente y con buena resolución temporal. Eficiencia de compresión mejorada MPEG-4 debera proporcionar, a las aplicaciones que lo precisen, la mejor calidad audiovisual posible, a una velocidad de transmisión determinada. Codificación de múltiples flujos de datos concurrentes Se pretende facilitar la codificación eficiente de vistas o bandas sonoras múltiples y proporcionar mecanismos de sincronización para los datos codificados resultantes. En particular, se van a incorporar procedimientos para aplicaciones estereoscópicas, compatibles con audio y vídeo normales, que permitan explotar la redundancia existente entre diversos puntos de vista o audición, así como otros en los que no sea necesaria dicha restricción. Robustez en entornos con propensión a error Se va a dotar al estándar de una robustez frente a errores (que le permita proporcionar acceso a aplicaciones que utilicen redes de acceso, tanto móviles como cableadas) y de medios de almacenamiento de datos. En concreto, suministrará una suficiente protección contra errores, en aplicaciones de baja velocidad con condiciones de error importantes (ráfagas largas de errores). Escalabilidad basada en contenido Va a proporcionarse mecanismos para conseguir codificaciones escalables con granularidad en contenido, calidad y complejidad. Todo ello debe estar orientado a proporcionar escalabilidad basada en contenido a la información audiovisual. Existen, además, otras funcionalidades nuevas o mejoradas relacionadas con la sincronización, el multiplexado de los datos, la seguridad, el formato y la calidad. 9

10 CODIFICACIÓN ORIENTADA A OBJETOS Una diferencia fundamental de MPEG-4, con respecto a otros sistemas de codificación, es el empleo de objetos audiovisuales. Un objeto audiovisual (AV) es la representación de un objeto real o virtual que se puede manifestar de forma visual o auditiva. Los objetos AV tienen frecuentemente carácter jerárquico, en tanto que pueden ser definidos como composiciones de otros objetos AV que se denominan, entonces, subobjetos. Los objetos AV que constan de diversos subobjetos son llamados objetos compuestos, se reserva la denominación de objetos AV primitivos para los que no cumplen dicha condición. Dentro del ámbito de la codificación de vídeo, en MPEG-4 se usan Planos de Objetos de Vídeo (VOPs), entendiéndose por tales las instancias de un objeto de vídeo en un instante determinado de tiempo. La figura 7 muestra la concepción del sistema de codificación/descodificación resultante. De este procedimiento, debe destacarse la flexibilidad que supone el hecho de admitir procedimientos de codificación diversos para los distintos VOPs que componen la escena. En la práctica, un VOP consta de la información que se incluye mediante un plano alfa (análogo a los que se emplean para soportar composiciones con transparencias parciales en infografía) y de la información codificada de los píxeles que componen el VOP. La información sobre la forma de los VOPs se obtiene en el proceso de edición, en el caso de imágenes sintéticas, y mediante conmutación de croma (Chroma Key) u otros procesos de segmentación, en el caso de imágenes naturales. 10

11 EL MODELO DE VERIFICACIÓN El grupo MPEG ha definido un modelo de codificador, conocido con el nombre de modelo de verificación (VM), con objeto de facilitar los trabajos para el desarrollo del estándar. El VM consta, en la actualidad, de: descripción del codificador y el descodificador, y una especificación de la sintaxis del flujo de datos codificados. El codificador está basado en esquemas convencionales adaptados al caso particular de VOPs. Incluye, para ello, elementos que le permiten codificar la información sobre la forma del VOP contenida en el correspondiente plano alfa. Está prevista la posibilidad de disminuir la redundancia temporal, mediante un proceso de compensación de movimiento. Seguidamente, se efectúa una codificación de la textura del VOP que en la actualidad hace uso de la DCT-2d y admite el empleo de cuantificadores tipo H.263 y MPEG. Por último, se multiplexan todos los elementos recabados en el análisis, empleando procedimientos de representación diferencial y códigos de longitud variable para reducir al mínimo la redundancia en el flujo de datos codificados. Es importante destacar que en el codificador se ha previsto el empleo de procedimientos mejorados para la representación y compensación de movimiento, similares a los que se emplean en el estándar H.263. Asimismo, se pueden codificar VOPs empleando predicción bidireccional según los modelos H.263 y MPEG. Está prevista también la posibilidad de producir flujos de datos codificados con escalabilidad espacial o temporal empleando, para ello, dos codificadores básicos MPEG-4 y un postprocesador específico. La idea básica consiste siempre en que el primer codificador MPEG-4 actúe sobre versiones de baja resolución (espacial o temporal) de la secuencia de entrada. Su salida se transforma, en caso de ser necesario, en el postprocesador y se emplea como información adicional por el segundo codificador MPEG-4 que debe dar lugar a un refinamiento de la secuencia codificada. La mezcla de ambos flujos de datos codificados se efectúa mediante un multiplexor MSDL. La sintaxis del flujo de datos codificados es similar a la de los estándares anteriores y tiene una representación jerárquica de cuatro capas. El descodificador propuesto para MPEG-4 incorpora elementos de recuperación de forma de los VOPs, así como elementos para combinar los distintos VOPs en una imagen de salida. Por lo demás, es análogo a los descodificadores correspondientes a los estándares anteriores. 11

12 EL LENGUAJE DE DESCRIPCIÓN DE ALGORITMOS En MPEG-4 se ha otorgado siempre una importancia crucial a la flexibilidad del estándar. De hecho, se acepta que existirán tres niveles de capacidad de programación del descodificador. En el nivel más bajo o nivel 0, el descodificador no es programable y es capaz de proporcionar un algoritmo de descodificación seleccionable perteneciente a un abanico de posibilidades preestablecido. En el nivel 1, denominado flexible, el descodificador ofrece también una colección de herramientas estandarizadas que pueden configurarse remotamente de forma flexible en un algoritmo de descodificación. En el nivel superior, o nivel 2, denominado extensible, el descodificador suministra adicionalmente mecanismos para permitir la definición remota de nuevas herramientas y algoritmos de descodificación. En este contexto, se concibe inicialmente el MSDL (MPEG-4 Syntax Definition Language) como un instrumento para la descripción de algoritmos y de su sintaxis. Sin embargo, con el transcurso del tiempo MSDL ha pasado a desempeñar el papel de trama de sistema de MPEG-4. Define, para ello, todos los elementos necesarios para soportar la flexibilidad, la extensibilidad y las diversas funcionalidades MPEG-4 anteriormente revisadas. Con esta finalidad, en MSDL se otorga una importancia primordial tanto a los objetos audiovisuales representables, como a sus procedimientos de representación. En MSDL se distinguen distintas facetas de interés: Una descripción global de la arquitectura del sistema MPEG-4. Abarca el papel que tal sistema puede desempeñar en una aplicación audiovisual y los objetos conceptuales que es posible intercambiar entre el codificador y el descodificador. Esta faceta se denomina MSDL-A (MSDL-Architecture). Una especificación de las clases de objetos que van a ser útiles para aplicaciones audiovisuales específicas, por lo que deben aparecer en el estándar. Esta área de trabajo recibe el nombre de MSDL-O (MSDL-Objects). Una descripción de un formato legible, apto para la transmisión de directrices de descodificación, que se denomina MSDL-R (MSDL-Readable). Una especificación de un formato ejecutable binario, para descripciones o directrices de descodificación, que constituirá el lenguaje binario ejecutable por el descodificador y se denominará MSDL-B (MSDL-Binary). Una especificación del lenguaje de descripción sintáctico que se va a emplear como un primer paso para describir la especificación de la sintaxis del flujo de datos codificado. Este ámbito de definición se llama MSDL-S (MSDL-Syntax). Una descripción del procedimiento de multiplexado para la información codificada conocida como MSDL-M (MSDL-Multiplex). 12

13 CODIFICACIÓN DE AUDIO Existe una gran variedad de técnicas de codificación de audio, muchas de ellas no normalizadas, que se emplean en muy diversos ámbitos. Aquí sólo se revisan brevemente algunas de las técnicas empleadas con más frecuencia, junto con las técnicas de transmisión de imágenes, que forman parte de estándares internacionales. Las técnicas de codificación de audio pueden dividirse en dos grandes grupos, según estén orientadas a sistemas de telefonía (donde generalmente se transmiten señales vocales) o a la reproducción o transmisión de señales más genéricas que abarquen un espectro más amplio. En el primer caso, se acepta cierta limitación en las prestaciones del codificador para obtener una calidad que permita oír con comodidad la voz humana. En el segundo, se trata de optimizar los codificadores, de manera que cualquier distorsión o ruido añadido quede por debajo del umbral de percepción del oído humano. Al igual que en las técnicas de codificación de vídeo, una de las funcionalidades que históricamente se han buscado con más interés ha sido la compresión de las señales, con objeto de reducir la cantidad de información que es necesario almacenar o enviar. Sin embargo, los factores de compresión que se consiguen son más limitados, debido posiblemente a que, en este caso, no existe tanta redundancia en la información. Los sistemas de codificación de audio con calidad musical parten generalmente de señales digitales obtenidas mediante el muestreo a 44,1 khz, con resolución de 16 bits por muestra de las señales originales, con lo que se consigue un margen de frecuencias de 20Hz a 20 khz y un margen dinámico de 90 db, que se adapta bien a la capacidad de percepción del oído humano. Este formato, sin otra codificación adicional, es el empleado en los Compact Disks y requiere un flujo de datos de 705 kbit/s por canal. Es posible reducir este flujo disminuyendo sólo la resolución de las muestras, con lo que se aumenta el ruido, o la frecuencia de muestreo, con lo que se reduce el margen de frecuencias. Los sistemas de codificación de audio utilizan técnicas para reducir la redundancia de la señal y emplean técnicas psicoacústicas para eliminar los sonidos que el oído humano no puede percibir. En el estado del arte actual se consigue un buen nivel de calidad con alrededor de 1 bit por muestra para señales vocales y 2 bits por muestra para señales musicales. Probablemente estos valores se reduzcan a la mitad en un futuro no muy lejano. 13

14 CODIFICACIÓN ORIENTADA A LA TELEFONÍA La recomendación más antigua es la G.711 que especifica cuáles son las claves de 8 bits que se obtienen de la codificación logarítmica (siguiendo las denominadas ley A en Europa y ley m en EEUU) de canales telefónicos digitalizados, con una frecuencia de muestreo de 8 khz y una resolución de 12 bits por muestra. Da lugar a una tasa binaria de datos de 64 kbit/s. Más adelante aparecieron normas de codificación basadas en Adaptive Differential PCM (ADPCM) en las que se codifica la diferencia entre el valor de cada muestra y el de un predictor que se calcula a partir de las muestras anteriores. La más empleada en aplicaciones audiovisuales es la G.722 que hace posible codificar señales con ancho de banda de hasta 7 khz a velocidades de 48 a 64 kbit/s. Por último, cabe citar la familia de codificadores de tipo Code Excited Linear Prediction (CELP). En este tipo de codificador, se modela la señal mediante la respuesta de un filtro lineal a una excitación que se escoge convenientemente de entre una familia contenida en un libro de códigos. Tanto el índice del código como los coeficientes del filtro se obtienen reduciendo al mínimo la diferencia ponderada entre la señal de entrada y la señal sintetizada, procedimiento éste denominado análisis mediante síntesis. Existen tres recomendaciones del ITU en vigor que especifican codificadores basados en estos principios para señales con anchura de banda telefónica: 1. G.728 Esta recomendación contiene las especificaciones para un codificador de bajo retardo que da lugar a una tasa binaria de datos de 16 kbit/s. 2. G.729 Especifica un codificador con una estructura bastante sofisticada que produce una tasa binaria de 8 kbit/s. 3. G Siguiendo esta recomendación se precisa tan sólo una capacidad de transmisión de 5,3 ó 6,4 kbit/s. Como se puede apreciar, estos últimos codificadores tienen ya prestaciones muy cercanas al valor de 1/2 bit por muestra anteriormente citado. Tradicionalmente se han usado los codificadores de vídeo basados en H.261 empleando esquemas de codificación de audio del tipo G.711, que requieren al menos 56 kbit/s. En 1996 se revisó el estándar H.320, con objeto de incluir todos los modos de codificación mencionados antes. Los codificadores de vídeo del tipo H.263 emplearán normalmente el codificador G.723.1, lo que supone una mejora, de un orden de magnitud, en la eficiencia de compresión con respecto al G.711 empleado ahora por la mayor parte de los videoteléfonos. Sistemas de codificación de audio orientados a contenidos de tipo genérico Los principales sistemas de codificación de audio orientados a obtener calidad musical y concebidos para integrarse con los sistemas de codificación de vídeo han sido desarrollados 14

15 por el grupo MPEG de la ISO. En este grupo, se han desarrollado codificadores que se engloban en los estándares MPEG-1 y MPEG-2, y en la actualidad continúan los trabajos sobre las nuevas normas que se incluirán en MPEG-4. Como parte de MPEG-1, se ha desarrollado un sistema de codificación de audio que permite codificar señales de tipo genérico con calidad equivalente a la obtenida en un disco compacto (CD) [11]. Utilizan técnicas de codificación en 32 subbandas y técnicas psicoacústicas para comprimir las señales. Presenta tres modos de codificación (layer 1 a 3) que se diferencian, principalmente, en la complejidad del codificador. Con el modo 3 es posible codificar un canal a velocidades de hasta 56 kbit/s (factor de compresión 12). En este caso, al igual que en los codificadores de vídeo, el estándar deja abierto cómo realizar el codificador, por lo que puede haber variaciones de calidad en distintas implementaciones. Existe, además, un modo específico para codificar señales estéreo, el cual tiene en cuenta la correlación existente normalmente entre los dos canales para aumentar la compresión. En el estándar MPEG-2 de audio, terminado a finales de 1994, se han incluido nuevas opciones de codificación que se pueden resumir en lo siguiente : Aumento, hasta cinco, del número de canales para codificar e inclusión de un canal para sonido de baja frecuencia (sonido surround). Inclusión de hasta 7 canales para comentarios de locutores. Nuevos modos de compresión a baja velocidad hasta 8 kbit/s. Codificación de audio en MPEG-4 El estándar MPEG-4 pretende ser extraordinariamente flexible en lo concerniente a la codificación de audio. En este momento, se está trabajando sobre un modelo de codificador orientado a señales de entrada, que abarca todo el rango de calidades comprendido entre el estándar telefónico y el de alta fidelidad. Se están considerando las tasas binarias que se encuentran entre 2 y 64 kbit/s por canal, por lo que van a ser aptas para múltiples canales de comunicación de interés práctico. Al igual que en el grupo de MPEG-4 de vídeo, se pretende incluir en este estándar de codificación numerosas funcionalidades nuevas, adicionales a la tradicional de compresión. Las principales son: Mayor flexibilidad Se hará uso del lenguaje MSDL, ya mencionado, en la parte de vídeo para dotar al sistema de gran flexibilidad. Está previsto, al igual que en vídeo, poder enviar a los descodificadores algoritmos de descodificación. Adaptación a diversos tipos de redes incluyendo las móviles Escalabilidad Se podrá descodificar el contenido con diversos grados de calidad, dependiendo del medio de transmisión utilizado. 15

16 Tratamiento específico de contenidos sintéticos Incluirá mecanismos para el manejo de música sintética, síntesis de voz, modelado de entornos acústicos, etc. LA PROTECCIÓN DE LOS DERECHOS DE AUTOR Y EL CONTROL DE ACCESO A LA INFORMACIÓN La digitalización de la información audiovisual y su codificación con las técnicas descritas en este artículo, hace que sea posible su transmisión y duplicación tantas veces como se quiera, sin que por ello se produzca una merma de la calidad. Esto facilita, en consecuencia, la reproducción ilegal de contenidos y dificulta la protección de los derechos de autor. En la actualidad, se están investigando técnicas que proporcionan diversos grados de protección. Una de ellas consiste en la inclusión de etiquetas en la trama digital que contiene la información relacionada con los derechos de autor. Por ejemplo, la trama de sistema MPEG-2 contiene un campo en el que se almacena este tipo de información. Los equipos digitales para la reproducción y grabación de la información deben leer esta etiqueta y atender las limitaciones que en ella se muestren (se pueden indicar el número de máximo copias que es posible realizar, los periodos de tiempo en que se pude reproducir los contenidos, etc.). La objeción a esta técnica es que puede ser fácilmente manipulable, sin más que utilizar un equipo programado para no atender las indicaciones de la etiqueta que contiene la información de los derechos de autor. Otro procedimiento, que actualmente se está considerando, consiste en el marcado de la información audiovisual mediante etiquetas que se introducen en el sonido o las imágenes. La particularidad de estas etiquetas es que es muy difícil averiguar su contenido o borrarlas sin conocer una clave usada en el proceso de marcado. Por otra parte, pueden resistir procesos de copiado analógico de los contenidos, que mantengan cierto nivel de calidad. Telefónica I+D está trabajando para el desarrollo de este tipo de técnicas. 16

17 El MPEG-4 SP y ASP La primera versión de MPEG-4 fue el MPEG-4SP (protocolo simple) que fue pensado para los usos de bajo ancho de banda tales como acceso a Internet por línea de discado telefónica. MPEG-4 SP utiliza tanto intra-cuadro como intra-campo para barrido progresivo o entrelazado y emplea compresión y DPCM (modulación de código de pulso diferencial) para asegurar la compresión óptima para cada tipo de vídeo. MPEG-4 ASP (protocolo simple avanzado) incluye un número de características adicionales incluyendo. H.264 o MPEG-4 AVC MPEG-4 Compensación de movimiento con 1/4 de exactitud de pel. Predicción bidireccional. Compensación de movimiento en la totalidad del área del cuadro. Compensación de movimiento por múltiples imágenes de referencia, comparada con solamente un cuadro anterior para codecs previos. la parte 10 recientemente agregada, también conocida como MPEG-4 AVC (codificación video avanzada) o H.264, ofrece una compresión perceptiblemente mayor que sus precursores. Puede proporcionar vídeo de calidada DVD con un 40% inferior de la tasa binaria de MPEG-2 y se considera prometedor para vídeo a imagen completa terrestre, satélite, y conexiones ADSL de Internet. Es también uno de los codecs de video que se han elegido provisionalmente para el laser azul HD DVD. H.264 hace uso las redundancias espaciales, temporales, y psycho-visuales para mejorar la eficiencia de la codificación de video. Las características adicionales contenidas en H.264 incluyen lo siguiente: Comparasión de formatos La siguiente ttabla compara los formatos MPEG-4 H.264 with MPEG-4 ASP and MPEG-2. H.264 offers a number of new features for improved quality and lower bit rates, which include those listed in the table. MPEG-2 MPEG-4 ASP MPEG-4 H.264 I, P, B frames Yes Yes Yes Coding Huffmann Huffmann Huffman or arithmetic Block size 16 x x 16 down to 4 x 4 Quarter pixel resolution Yes Yes Deblocking filter Yes Sliced-based motion prediction Yes Multiple reference frames Yes Weighted Prediction Yes Switching pictures Yes Bit rate comparison 100% 60% 40% 17

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