Un códec de video es un software o hardware que comprime y descomprime video digital . En el contexto de la compresión de video, el códec es un acrónimo de codificador y decodificador , mientras que un dispositivo que solo comprime generalmente se llama codificador , y uno que solo descomprime es un decodificador .
El formato de datos comprimidos generalmente se ajusta a un formato de codificación de video estándar . La compresión suele tener pérdidas , lo que significa que el video comprimido carece de información presente en el video original. Una consecuencia de esto es que el video descomprimido tiene menor calidad que el video original sin comprimir porque no hay información suficiente para reconstruir con precisión el video original.
Existen relaciones complejas entre la calidad del video , la cantidad de datos utilizados para representar el video (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 retraso de un extremo a otro ( latencia ).
Historia
Históricamente, el video se almacenaba como una señal analógica en cinta magnética . Aproximadamente en el momento en que el disco compacto ingresó al mercado como un reemplazo del formato digital para el audio analógico, se volvió factible almacenar y transmitir video en forma digital. Debido a la gran cantidad de almacenamiento y ancho de banda necesarios para grabar y transmitir video sin procesar, se necesitaba un método para reducir la cantidad de datos utilizados para representar el video sin procesar. Desde entonces, ingenieros y matemáticos han desarrollado una serie de soluciones para lograr este objetivo que implican comprimir los datos de video digital.
En 1974, Nasir Ahmed , T. Natarajan y KR Rao introdujeron la compresión por transformada de coseno discreta (DCT) . [1] [2] [3] A fines de la década de 1980, varias empresas comenzaron a experimentar con la compresión con pérdida DCT para codificación de video, lo que llevó al desarrollo del estándar H.261 . [4] H.261 fue el primer estándar práctico de codificación de video, [5] y fue desarrollado por varias empresas, incluidas Hitachi , PictureTel , NTT , BT y Toshiba , entre otras. [6] Desde H.261, la compresión DCT ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de video que le siguieron. [4]
Los estándares de codificación de video más populares utilizados para los códecs han sido los estándares MPEG . MPEG-1 fue desarrollado por Motion Picture Experts Group (MPEG) en 1991, y fue diseñado para comprimir video de calidad VHS . Fue sucedido en 1994 por MPEG-2 / H.262 , [5] que fue desarrollado por varias empresas, principalmente Sony , Thomson y Mitsubishi Electric . [7] MPEG-2 se convirtió en el formato de video estándar para DVD y televisión digital SD . [5] En 1999, fue seguido por MPEG-4 / H.263 , que supuso un gran avance en la tecnología de compresión de vídeo. [5] Fue desarrollado por varias empresas, principalmente Mitsubishi Electric, Hitachi y Panasonic . [8]
El formato de codificación de video 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 video para discos Blu-ray y es ampliamente utilizado por servicios de transmisión de Internet como YouTube , Netflix , Vimeo y iTunes Store , software web como Adobe Flash Player y Microsoft Silverlight , y Varias transmisiones de HDTV a través de televisión terrestre y satelital.
AVC ha sido reemplazado 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, es reemplazado por Versatile Video Coding (VVC).
También están los formatos de codificación de video abiertos y gratuitos VP8 , VP9 y AV1 , utilizados por Youtube, todos los cuales fueron desarrollados con la participación de Google.
Aplicaciones
Códecs de vídeo se utilizan en los reproductores de DVD, vídeo por Internet , vídeo a la carta , cable digital , televisión digital terrestre , videotelefonía y una variedad de otras aplicaciones. En particular, se utilizan ampliamente en aplicaciones que graban o transmiten video, lo que puede no ser factible con los altos volúmenes de datos y anchos de banda del video sin comprimir. Por ejemplo, se utilizan en quirófanos para registrar operaciones quirúrgicas, en cámaras IP en sistemas de seguridad y en vehículos submarinos operados a distancia y vehículos aéreos no tripulados .
Diseño de códec de video
Los códecs de video buscan representar un conjunto de datos fundamentalmente analógicos en un formato digital. Debido al diseño de señales de video 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 códec es representar y almacenar la imagen en un espacio de color YCbCr . La conversión a YCbCr proporciona dos beneficios: primero, mejora la compresibilidad al proporcionar una descorrelación de las señales de color; y en segundo lugar, separa la señal luminosa, que es mucho más importante desde el punto de vista perceptual, de la señal de croma, que es menos importante desde el punto de vista perceptual y que se puede representar a una resolución más baja utilizando submuestreo de croma para lograr una compresión de datos más eficiente. Es común representar las proporciones de información almacenada en estos diferentes canales de la siguiente manera Y: Cb: Cr. Los diferentes códecs utilizan diferentes proporciones de submuestreo de croma según corresponda a sus necesidades de compresión. Los esquemas de compresión de video para Web y DVD utilizan un patrón de muestreo de color 4: 2: 1, y el estándar DV usa relaciones de muestreo de 4: 1: 1. Códecs de video profesionales diseñados para funcionar a velocidades de bits mucho más altas y para registrar una mayor cantidad de información de color para muestras de manipulación de posproducción en proporciones 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), Prores HQ 422 de Apple (4: 2 : 2).
También vale la pena señalar que los códecs de video también pueden funcionar en el espacio RGB. Estos códecs tienden a no muestrear los canales rojo, verde y azul en diferentes proporciones, ya que hay menos motivación perceptiva para hacerlo; solo el canal azul podría estar submuestreado.
También se puede utilizar una cierta cantidad 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 hacen uso de una transformación wavelet también están ingresando al mercado, especialmente en los flujos de trabajo de la cámara que implican lidiar con el formato de imágenes 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 fundamental del diseño de códec de vídeo, consulte B-frames .
La salida de la transformación se cuantifica primero , luego se aplica la codificación de entropía a los valores cuantificados. Cuando se ha utilizado un DCT, los coeficientes se escanean típicamente usando un orden de escaneo en zig-zag , y la codificación de entropía generalmente combina un número de coeficientes cuantificados de valor cero consecutivos 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 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 video en un proceso de varios pasos llamado codificación de n pasadas (por ejemplo, 2 pasadas), que realiza una compresión de calidad más lenta pero potencialmente más alta.
El proceso de decodificación consiste en realizar, en la medida de lo posible, una inversión de cada etapa del proceso de codificación. [ cita requerida ] La única etapa que no se puede invertir exactamente es la etapa de cuantificación. Allí, se realiza una aproximación de inversión de mejor esfuerzo. Esta parte del proceso a menudo se denomina cuantificación inversa o descuantificación , aunque la cuantificación es un proceso intrínsecamente no invertible.
Los diseños de códecs de video generalmente se estandarizan o eventualmente se estandarizan, es decir, se especifican con precisión en un documento publicado. Sin embargo, solo es necesario estandarizar el proceso de decodificación para permitir la interoperabilidad. El proceso de codificación generalmente no se especifica en absoluto en un estándar, y los implementadores son libres de diseñar su codificador como quieran, siempre que el video se pueda decodificar de la manera especificada. Por esta razón, la calidad del video producido al decodificar los resultados de diferentes codificadores que usan el mismo estándar de códec de video puede variar dramáticamente de una implementación de codificador a otra.
Códecs de video de uso común
Se pueden implementar una variedad de formatos de compresión de video en PC y en equipos de electrónica de consumo. Por lo tanto, es posible que varios códecs estén disponibles en el mismo producto, lo que reduce la necesidad de elegir un único formato de compresión de video dominante para lograr la interoperabilidad .
Los formatos de compresión de video estándar pueden ser compatibles con múltiples implementaciones de codificadores y decodificadores de múltiples fuentes. Por ejemplo, el video codificado con un códec MPEG-4 Parte 2 estándar, como Xvid, se puede decodificar utilizando cualquier otro códec MPEG-4 Parte 2 estándar, como FFmpeg MPEG-4 o DivX Pro Codec, porque todos usan el mismo formato de video.
Los códecs tienen sus cualidades e inconvenientes. Las comparaciones se publican con frecuencia. La compensación entre potencia de compresión, velocidad y fidelidad (incluidos los artefactos ) suele considerarse la figura más importante del mérito técnico.
Paquetes de códecs
El material de video en línea está codificado por una variedad de códecs, y esto ha llevado a la disponibilidad de paquetes de códecs: un conjunto preensamblado de códecs de uso común combinado con un instalador disponible como un paquete de software para PC, como K-Lite Codec Pack , Perian y Combined Community Codec Pack .
Ver también
- Formato de codificación de video
- Bitrate
- Comparación de códecs de video
- Compresión de datos § Video
- Resolución de pantalla
- Cuadros por segundo
- Lista de códecs § Formatos de compresión de video
- Lista de códecs de código abierto
- Multiplexación
- Tasa de muestreo
- Calidad de video subjetiva
- Transcodificación
- Calidad de video
Referencias
- ^ Ahmed, Nasir ; Natarajan, T .; Rao, KR (enero de 1974), "Discrete Cosine Transform", IEEE Transactions on Computers , C-23 (1): 90–93, doi : 10.1109 / TC.1974.223784
- ^ Rao, KR ; Yip, P. (1990), Transformada discreta del coseno: algoritmos, ventajas, aplicaciones , Boston: Academic Press, ISBN 978-0-12-580203-1
- ^ "T.81 - COMPRESIÓN DIGITAL Y CODIFICACIÓN DE FOTOGRAFÍAS EN TONO CONTINUO - REQUISITOS Y DIRECTRICES" (PDF) . CCITT. Septiembre de 1992 . Consultado el 12 de julio de 2019 .
- ^ a b Ghanbari, Mohammed (2003). Códecs estándar: compresión de imágenes a codificación de video avanzada . Institución de Ingeniería y Tecnología . págs. 1-2. ISBN 9780852967102.
- ^ a b c d http://www.real.com/resources/digital-video-file-formats/
- ^ "Patente declarada Recomendación UIT-T" . ITU . Consultado el 12 de julio de 2019 .
- ^ "Lista de patentes MPEG-2" (PDF) . MPEG LA . Consultado el 7 de julio de 2019 .
- ^ "MPEG-4 Visual - Lista de patentes" (PDF) . MPEG LA . Consultado el 6 de julio de 2019 .
- ^ "AVC / H.264 - Lista de patentes" (PDF) . MPEG LA . Consultado el 6 de julio de 2019 .
- ^ "Lista de patentes HEVC" (PDF) . MPEG LA . Consultado el 6 de julio de 2019 .
- ^ "Lista avanzada de patentes HEVC" . HEVC Advance . Consultado el 6 de julio de 2019 .
enlaces externos
- Wyner-Ziv Coding of Video describe otro algoritmo para la compresión de video que funciona cerca del límite de Slepian-Wolf (con enlaces al código fuente).
- Códecs de medios AMD: descarga opcional (antes llamado ATI Avivo )