HD-DVD Y ESTÁNDARES PARA ALMACENAMIENTO DE VIDEO DE ALTA DEFINICIÓN. LA PRÓXIMA GENERACIÓN DEL DVD

HD-DVD Y ESTÁNDARES PARA ALMACENAMIENTO DE VIDEO DE ALTA DEFINICIÓN. LA PRÓXIMA GENERACIÓN DEL DVD ING. JOSÉ G. MUÑOZ R. Caracas Venezuela E-mail: muro_jg@yahoo.com RESUMEN En la actualidad existen dos tecnologías compitiendo por convertirse en el formato de la próxima generación del actual formato DVD. Blu-ray corresponde a la tecnología apoyada por la mayoría de las industrias manufactureras de artefactos electrónicos, incluyendo a SONY, así como también las empresas fabricantes de PC como DELL. HD- DVD (DVD de Alta Definición y Alta Densidad), corresponde al único formato autorizado y aprobado por el DVD FORUM (Foro de DVD). Los CODEC para el almacenamiento de video de alta definición han estado protagonizando una intensa cruzada. El DVD FORUM ha contemplado muchos CODEC, pero solo H.264, MPEG-2 con una capa de mejoramiento y Windows Media 9 de Microsoft han salido favorecidos. Este trabajo esta orientado a enfatizar el formato y los CODECs que han sido aprobados por el DVD FORUM hasta los momentos y presentar las ventajas y desventajas que ello conlleva. Palabras Claves: Formatos, HD-DVD, Blu-Ray, CODEC, H.264, Windows Media 9, MPEG-2. ABSTRAC Actually, there are two technologies competing to become the next generation DVD format. The first disk technology is called Blu-ray and this is supported by most of the large consumer electronics manufacturers, including SONY, as well as PC makers DELL. HD-DVD (High Definition and High Density-DVD) is the only official format authorized and approved by the DVD FORUM. The CODEC for the store of High Definition Video have been taking part in an intense fight. The DVD FORUM appears to be considering several CODECS as candidates. These include H.264, MPEG-4 Advanced Simple Profile, MPEG-2 with enhancement later and Microsoft Corp. s Windows Media 9, which have been chosen as HD-DVD CODECs. This brief is oriented to emphasize the format and CODECs which have been approved by DVD FORUM until now and presenting the pros and cons of those activities. Keyword: Format, HD-DVD, Blu-Ray, CODEC, H.264, Windows Media 9, MPEG-2. INTRODUCCIÓN El pasado 9 y 10 de junio de 2004 se celebró en la ciudad de Seattle (USA), el 26th Encuentro de la Comisión Directiva del Foro DVD. (DVD Forum 26th Steering Committee Meeting), y aprueba la versión 1.0 de las especificaciones físicas para HD- DVD basado en el formato de disco de láser azul dirigido a la televisión y cine de alta definición, además exige a los fabricantes de aparatos reproductores de video HD-DVD que incorporen los tres CODEC de video VC-9 ó Microsoft Media Player 9, MPEG-2 (por legado para la lectura de DVD)y MPEG-4 AVC (H.264) quienes habían

recibido un permiso provisional, sujeto a condiciones las cuales incorporaban una actualización en los términos y condiciones de las licencias. A pesar de los avances de HD-DVD, no se ha establecido claramente el dominio de un formato sobre el otro. HD-DVD Este formato trabaja con láser azul, fue desarrollado por TOSHIBA y NEC y su nombre original fue AOD Advanced Optical Disc (Disco Óptico Avanzado). Hay tres versiones en desarrollo: HD DVD-ROM. Estos discos son pregrabados y ofrecen una capacidad de 15 GB por capa por lado. Puede ser utilizado para distribuir películas HD. HD DVD-RW. Estos discos son reescribibles y pueden ser usados para grabar 20 GB por lado para las versiones re-escribibles. HD DVD-R. Estos discos son de una sola escritura con capacidad de 15 GB por lado. Este formato necesita de un láser de 405 nm de longitud de onda y son físicamente iguales a los discos DVD porque ellos usan una cubierta de 0.6 mm por lo tanto el HD DVD puede ser manufacturado utilizando las líneas de DVD existentes y utilizar el equipo de mastering UV, convirtiéndose ésta en la mejor de las características debido a que minimiza los costos de producción de un disco. Además puede reproducir los actuales DVD y los de próxima generación. El problema que presenta este formato es que solo dos compañías están detrás de esto. Fig 1.- Penetración del láser azul. HD-DVD BLU-RAY El formato esta siendo desarrollado por el grupo de fundadores de Blu-Ray el cual esta formado por las siguientes compañías: Hitachi, LG, Matsushita, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony y Thomson. Mitsubishi se unió al grupo en el 2003 y Dell y HP recientemente han anunciado su apoyo. BLU-RAY ofrece una capacidad superior a los 27 GB por capa. Esto se logra, al igual que el HD DVD, por el uso de un láser azul de 405 mm. de longitud de onda, un incremento en la apertura numérica de 0.85 y una reducción de la cubierta de 0.6 mm para DVD a 0.1 mm. Sin embargo esto presenta un problema significativo de manufactura ya que requiere de un mastering nuevo y equipos de replicación y proceso. Una versión pre-grabada (llamada BD- ROM) esta en desarrollo pero no esta claro todavía si ofrecerá 27 GB de capacidad. Fig 2.- Penetración del láser azul. Blu-ray

COMPARACIÓN ENTRE LOS FORMATOS. En la siguiente tabla se resume las diferencias encontradas entre los tres formatos. Parámetros HD- DVD DVD BD Capacidad por capa 4.7 15 25 (GB) Espesor del disco (mm) 0.6+0.6 0.6+0.6 1.1+0.1 Longitud de onda del 650 405 405 láser (nm) Apertura numérica 0.60 0.65 0.85 Cartucho No No? Tilt control needed No Yes? Complejidad More para leer - OK comple también x DVD Tabla 1.-Diferencias entre los formatos No esta claro cual formato ganará. Blu-Ray actualmente tiene mas apoyo, pero HD DVD presenta pequeños problemas de manufactura, particularmente para versiones pre-grabadas. CODEC DE VIDEO Como se mencionó anteriormente, los CODEC adoptados por HD-DVD-ROM se tienen: MPEG-2 Puede ser utilizado para SD y HD video y ha sido escogido por BD-ROM. Éste require de una tasa de bits de 25 Mbps para alta calidad 1080 lineas de video. Los estudios para desarrollar MPEG-2 comenzaron en el año 1990 con el objetivo de proveer de un estándar para la codificación de imagines en TV basados en la recomendación CCIR 601 a tasas de bits por debajo de 10 Mbps. En 1992 el potencial del MPEG-2 fue ampliado para adecuarlo a la codificación de HDTV. El esquema de codificación utilizado en MPEG-2 es genérico y similar al primero de MPEG-1, no obstante, con muchos mas refinamiento y especiales consideraciones de fuentes entre lazadas. Además, muchas más aplicaciones fueron introducidas, como la escalabilidad. Con la finalidad de mantener la implementación lo mas sencilla posible para los productos los cuales no requerían de formatos de entrada de video full, soportadas por el estándar, llamando Profiles (Perfiles) describiendo funcionalidades y Levels o niveles, describiendo la resolución, donde se introduce para proveer MPEG-2 separado de conformidad con el nivel. Características Técnicas Es esencialmente idéntico a la recomendación H.262 de la UIT-T SERIE H: SISTEMAS AUDIOVISUALES Y MULTIMEDIOS. Infraestructura de los servicios audiovisuales Codificación de imágenes vídeo en movimiento Es más general que MPEG-1 por lo que se tuvo que mejorar la resistencia a los errores en la transmisión, así como el requerimiento de transportar información a través de varios canales que no posean una base de tiempo común. Provee compatibilidad con MPEG-1.

El Flujo de Transporte, ofrece la robustez necesaria para canales ruidosos, así como la capacidad de multiplexar varios programas sobre un mismo flujo. La entrada de vídeo se lleva a un Preprocesador que produce dos señales de vídeo. Una de ellas (llamada Capa Base, Base Layer) va a un codificador de vídeo No Escalable en tanto que la otra (llamada Capa de Mejoramiento, Enhancement Layer) va al codificador de Mejora. Para poder enfrente la amplia variedad de flujos y semánticas de codificación y sus herramientas, MPEG-2 define una serie de Perfiles. De hecho cada Perfil contiene una serie de técnicas de diseñadas para una aplicación en particular. MPEG-2 soporta la resolución CIF La más utilizada en MPEG-2 corresponde al estándar CCIR-601 la cual utiliza 720 x 480 píxeles a 30 cuadros/seg y 720 x 576 píxeles a 25 cuadros/seg. Formatos utilizados 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4 En este formato las matrices Cb y Cr tendrán la mitad del ancho de la matriz Y en las dimensiones horizontal y vertical. El formato es apto tanto para presentación progresiva como entrelazada, sólo que en el segundo las muestras se toman alternadamente de ambos campos. Cada trama de vídeo entrelazado consiste en dos campos separados por un periodo de campo. La Especificación permite codificar la trama como imagen o codificar los dos campos como dos imágenes. La codificación de trama o la codificación de campo se puede seleccionar de manera adaptable trama por trama. La codificación de trama se prefiere típicamente cuando la escena vídeo contiene un detalle importante con movimiento limitado. La codificación de campo, en la cual el segundo campo puede ser precedido a partir del primero, funciona mejor cuando hay movimiento rápido. MPEG-4 AVC (H.264) Breve historia H.264/AVC es un CODEC extremamente escalable, repartiendo con excelente calidad a través de todo del ancho de banda disponible, desde Televisión de alta definición hasta video conferencias y multimedia para redes móviles 3G con solo la mitad de la tasa de bits requerida por MPEG-2. H.264 comenzó a la mitad de los 1990s como una discusión de un artículo dentro de la comunidad de estandarización técnica de UIT. Ellos creían que los costos futuros de poder computacional y memoria caerían dramáticamente, permitiendo el mejoramiento sustancial del desempeño de la compresión del video. Esta discusión se desarrolla dentro del H.26L, proyecto dentro del ITU Grupo de Expertos de Codificación de Video (VCEG), y en diciembre de 2001, juntan esfuerzos con MPEG bajo la ITU/ ISO Joint Video Team (JVT). El resultado se convirtió en el estándar H.264 (conocido también como H.26L, el codificador JVT, ISO/IEC 14496-10, MPEG-4 parte 10, y como MPEG-4 Codificación de Video Avanzado o por su

nombre en inglés Advanced Video Coding AVC ). El estándar H.264 fue introducido en diciembre de 2002 ante la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y ratificado en noviembre de 2003. Características Técnicas La norma H.264 proporciona un formato para compresión de video para una amplia gama de aplicaciones de comunicaciones lo cual permite optimizar el uso del ancho de banda en sistemas de videoconferencia en los cuales la calidad de video siempre se ha visto degradada por las consideraciones relacionadas con la compresión. Esta norma sigue los pasos de los estándares H.261, H.262/MPEG2- Vídeo, pero supera a esas normas en términos de calidad de vídeo, eficiencia de la compresión y resiliencia ante la pérdida de datos y paquetes. Este tipo de aplicaciones vienen definidas en un perfil denominado Basic Profile (Perfil Básico) o Baseline Profile o perfil de línea de fondo. El perfil Baseline esta diseñado casi perfectamente para aplicaciones para video conferencia debido a que éste provee herramientas flexibles para la robustez al error (proporcionando una buena calidad de video aunque sea en redes propensas al error como Internet) y permite baja latencia en la codificación y decodificación, lo cual hace possible que el video se sienta mas natural. El estándar no está limitado a aplicaciones de videoconferencia sino que también puede llegar a tener el ancho de banda necesario para los servicios de vídeo digital. En este caso las características vienen definidas en lo que se denomina Main Profile o perfil principal. El protocolo H.264 ofrece unas tasas de compresión muy buenas, pero requiere entre 3 y 4 veces más poder de procesamiento que MPEG-2, es decir, que se necesitará de un procesador de mínimo 1.5 GHz para obtener buena calidad en video. Los perfiles Main and Extended están mejor adecuados para aplicaciones de televisión (difusión digital, DVD), y para aplicaciones para flujo de video donde la latencia es menos critica. Otro beneficio para los usuarios del H.264 corresponde la inmensa mejora en el desempeño con redes con error. El objetivo fundamental del H.264 consiste en los siguientes cuatro escenarios principales: 1. Dividir cada cuadro (frame) de video en bloques de píxeles de manera que el procesamiento del cuadro de video pueda ser llevado al nivel de bloque por medio del uso de la transformación DCT. 2. Aprovechar las redundancias espaciales existentes dentro del cuadro de video por medio de la codificación del bloque original a través de transformación, cuantización y entropía 3. Aprovechar las dependencias temporales que existen entre los diferentes bloques en cuadros sucesivos, de manera que sólo los cambios entre cuadros sucesivos sean codificados. Esto es realizado usando estimación de movimiento y compensación 4. Aprovechar cualquier redundancia espacial restante que exista dentro del cuadro de video por codificación de bloques residuales, por ejemplo la

diferencia entre el bloque original y el correspondiente bloque estimado (predicted). En el H.264 la codificación de entropía puede realizarse usando códigos universales de Longitud Variable (UVLC) o usando Codificación Aritmética Binaria Adaptativa basada en Contexto (CABAC). Como H.264 beneficia a los usuarios de video conferencia. El compresor de video H.264 permite a los usuarios de video conferencias experimentar tanto el mejoramiento significativo de la calidad de video a la misma tasa de bits como de la calidad actual por aproximadamente la mitad de la tasa de bits requerida previamente. Por ejemplo, la codificación de video de alta calidad a la que esta acostumbrado un usuario H.263 es de 768 Kbps, esto se logra utilizando H.264 a una tasa de 384 Kbps. Eso se traduce como un uso más eficiente de la infraestructura de comunicación existente y un incremento en la accesibilidad y en los costos efectivos de negociación y calidad en la videoconferencia. El perfil de la estructura en H.264 (consiste en la colección de técnicas de compresión que están permitidas por el estándar) es considerablemente mas simple que en H.263. En H.263, habían más de 1 millón de posibles modos de combinación. Además de ofrecer una mejor calidad de imagen, el perfeccionamiento de la compresión de datos del estándar H.264 ofrece ventajas en términos del uso del ancho de banda, lo que permite más canales en los sistemas existentes o mayor capacidad de almacenamiento en medios como el DVD. Aplicaciones El dramático incremento en el desempeño de la compresión de H.264 habilitará aplicaciones como video conferencias, flujo de video sobre Internet y televisión digital sobre Satélite o por cable, ofreciendo un servicio de alta calidad a bajo costo y permitirá nuevas aplicaciones de video que fueron previamente impracticas debido a factores económicos y tecnológicos. Televisión de Alta Definición sobre DVD, video sobre telefonía móvil y video conferencias sobre conexiones de bajo ancho de banda serán muy prácticos. WINDOWS MEDIA 9 (WM9 -VC-9). Con Windows Media 9 se puede correr múltiples canales con definición estándar (SD) sobre ADSL. Windows Media 9 tiene la capacidad de revolucionar tanto la televisión con definición estándar (SD) como la televisión en alta definición (HD) sobre DSL en los próximos años. Como era de esperarse, Microsoft anuncio nuevos codificadores de audio y video, el cual, como MPEG-4, usa archivo de tamaño mas pequeño, la compañía estima que los creadores de contenido pueden obtener archivos 20% mas pequeños con la misma calidad que ellos obtienen ahora. Otro mejoramiento en el audio permite a los proveedores de contenido flujos de sonido en 5.1, el cual mejorara la calidad de sonido. Windows Media Player esta compuesto esta compuesto por 2 codificadores, Windows Media Video 9 o WMV-9 y Windows Media Audio 9 o WMA-9.

WINDOWS MEDIA VIDEO 9. El codificador WMV 9, es el codificador de video mas difundido en la serie de Windows Media 9. Permite alcanzar una calidad de compresión desde una velocidad muy baja (10kbits, resolución 160x120), a una alta velocidad (de 6 a 20 Mbps) 1920x1080 para video a alta definición. El codificador soporta los modos de codificación CBR (Constant Bit Rate o Tasa de Bit Constante) y VBR (Variable Bit Rate o Tasa de Bit Variable). WMV ha definido diferentes perfiles y niveles para operar de acuerdo a los diferentes niveles de complejidad que requieren las aplicaciones. El perfil simple y de bajo nivel soporta hasta una resolución QCIF, 96 kbit/s, y 15 cuadros por segundos (fps), destinado a dispositivos de mano de bajo alcance. El perfil principal y nivel principal (MP@ML) esta destinado a escenarios para transmitir video con definición estándar, corresponde a la función equivalente a MP@ML de MPEG-2. El perfil principal y alto nivel (MP@HL) es apropiado para aplicaciones de alta definición corresponde a la funcion equivalente a MP@HL de MPEG-2. La compresión de WMV 9 es tres veces más eficiente que la de MPEG-4. Una película a 6 Mbps en MPEG-4, es comparable en calidad a una película a 2 Mbps en WMV 9. Una película a 150 Kbps en WMV 9 se ve mejor que la misma película a 300 Kbps en QuickTime 6/MPEG-4. WINDOWS MEDIA AUDIO 9 El nuevo codificador WMA mejora el modo de codificación de un solo paso, CBR (Constant Bit Rate o Tasa de Bit Constante), usando un control de velocidad mejorado y algoritmos de enmascaramiento. La codificación de un solo paso CBR es requerida para la codificación y transmisión en vivo, WMA 9 agrega un nuevo modo de dos pasos VBR (Variable Bit Rate o Tasa de Bit Variable). La codificación de dos pasos VBR es apropiada cuando la codificación es fuera de línea para flujos en demanda. Se puede esperar que la calidad de un archivo MP3 a 128 Kbps se reduzca en tan solo 64 Kbps y puede entregar audio con calidad de CD a menos de 64 Kbps. WMA 9 soporta una larga lista de configuraciones para la codificación para audio stereo y mono con velocidades que van desde 5 Kbps hasta 320 Kbps y una tasa de muestreo desde 8 khz hasta 48 khz. CONCLUSIÓN Antes de que MPEG-4 fuera introducido para su discusión y aprobación, tres corrientes tecnológicas disfrutaban ya de la difusión de sus CODECs, : RealVideo, Microsoft Media Video y Sorenson Video. MPEG-4 ofrecía una calidad mas baja que la de los demás y además se necesita pagar los derechos no solo por codificadores y decodificadores sino también por el contenido. Dado que los decodificadores de los otros tres han sido gratis es sospechoso que este cueste más.

Es difícil obviar la importancia de la resolución del DVD FORUM aprobando el CODEC de Microsoft Media Video 9, junto con las otras dos tecnologías. Se puede resaltar que esta decisión abre las puertas para estándares propietarios los cuales compiten con los estándares producidos por los forum y comités donde están representados la mayoría de las empresas fabricantes. Finalmente se puede observar que muchas empresas invierten mucho dinero pagando los derechos de las patentes de los formatos. Cada vez que una empresa decide fabricar un CD, parte del dinero va inmediatamente a Phillips y SONY pues ellos poseen las patentes de los formatos CD, lo mismo con el DVD y lo mismo pasará con el formato HD DVD Video Data Industry Compression (Content Dependent) Windows Media (Content Dependent) Compression Savings 480/24p 720x480 pixels/frame x 8 bits per channel x 24 fps 480/30i 720x480 pixels/frame x 8 bits per channel x 24 fps MPEG-2 @ 4 6 Mbps WMV Pro @ 1.3 2 Mbps 3:1 MPEG-2 @ 6 8 Mbps WMV Pro @ 2 4 Mbps 2 3:1 720/24p 1280x720 pixels/frame x 8 bits per channel x 24 fps MPEG-2 @ 19 Mbps WMV Pro @ 5 8 Mbps 2.4 3.8:1 Tabla 2.- Comparación entre la tecnología MPEG-2 y WM 9 para la codificación de Video. Audio Data Industry Compression (Content Dependent) Windows Media (Content Dependent) Compression Savings 2 ch x 48 khz x 20 bits Dolby Digital 2.0 @ 220 Kbps 6 ch x 48 khz x 20 bits Dolby Digital 5.1 @ 384 Kbps WMA Pro @ 128 Kbps 1.7:1 WMA Pro @ 192 256 Kbps 1.5 2:1 6 ch x 48 khz x 24 bits DTS 5.1 @ 1,536 Kbps WMA Pro @ 768 Kbps 2:1 Tabla 3.- Comparación entre la tecnología MPEG-2 y WM 9 para la codificación de Audio.

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