¿Qué es MPEG? MPEG (Moving
Picture Experts Group) es un estándar de compresión de audio,
video y datos establecido por la Unión Internacional de Telecomunicaciones.
Originariamente había 4 tipos diferentes MPEG-1, 2 ,3 y 4 que se
diferencian en la calidad y ancho de banda utilizado.
Ofrece tres ventajas : compatibilidad mundial,
gran compresión y poca degradación de la imagen. El estándar
no especifica cómo se debe hacer la compresión. Los diferentes
fabricantes luchan para determinar el mejor algoritmo, manteniendo siempre
la compatibilidad.
Está pensado de manera que la descompresión
sea relativamente sencilla y barata. Sin embargo, la compresión
es realmente compleja y , hasta hace poco, cara.
Un cadena MPEG se compone de tres capas:
audio, video y una capa a nivel de sistema. Esta última incluye
información sobre sincronización, tiempo, calidad , etc.
MPEG-1
Establecido en 1991, se diseñó
para introducir video en un CD-ROM. Por aquel entonces eran lentos, por
lo que la velocidad de transferencia quedaba limitada a 1.5 Mbits y la
resolución a 352 x 240. La calidad es similar al VHS. Se utiliza
para videoconferencias, el CD-i, etc. Si es usado a mayor velocidad, es
capaz de dar más calidad.
MPEG-2
Establecido en 1994 para cubrir una serie
muy amplia de necesidades, desde ëcalidad VHSí hasta HDTV (hight definition
TV), mediante diferentes perfiles de algoritmos y niveles de resolución
de imágenes. Con velocidades de transferencia de datos entre 1,2
y 15 Mbits/seg., hay un interés muy grande en el uso de MPEG-2
para la transmisión digital de señales de televisión,
incluyendo HDTV, aplicación para la que se concibió el sistema.
La codificación de video es muy compleja, sobretodo porque es preciso
que el sistema de descodificación en la recepción sea lo
más simple, y por lo tanto, barato posible.
La compresión MPEG puede ofrecer
imágenes de mejor calidad para relaciones elevadas de compresión
que la JPEG pura, pero con la complejidad de la descodificación
y en particular de la codificación y los grupos de imágenes
de 12 fotogramas (GOP). No resulta un sistema de compresión ideal
para la edición; si se utiliza algún cuadro P o B, entonces
incluso un corte requerirá volver a utilizar codificación
MPEG compleja (e imperfecta).
De los cinco perfiles y cuatro niveles que
generan un conjunto de 20 combinaciones posibles, 11 ya han sido implementadas.
Las variaciones que esto define son tantas que no sería práctico
construir un codificador o decodificador universal. Actualmente el interés
se centra en el "perfil principal" (Main profile), "nivel
principal" (Main level), algunas veces designado como MP@ML, que
cubre formatos de televisión broadcast de hasta 720 pixels x 576
líneas a 30 fotogramas/seg. Estas cifras se consideran máximas,
así que también incluye 720 x 486 a 30 fotogramas y 720
x 576 a 25 fotogramas. Dado que el propósito de la codificación
es la transmisión, se utiliza el muestreo 4:2:0, que resulta más
económico.
Una reciente adición al MPEG-2 es
su versión de estudio. Diseñado para el trabajo en estudio,
su muestreo es 4:2:2. La configuración de estudio se denomina 422P@ML.
Para mejorar la calidad de la imagen se utilizan velocidades de transferencia
más altas. Las primeras aplicaciones para esto parecen ser en el
campo de la producción electrónica de noticias (ENG), y
en algunos servidores de video.
MPEG-3
Fue una propuesta de estándar para
la TV de alta resolución, pero como se ha demostrado que MPEG-2
con mayor ancho de banda cumple con este cometido, se ha abandonado.
MPEG-4
Está en discusión. Se trata
de un formato de muy bajo ancho de banda y resolución de 176 x
144, pensado para videoconferencias sobre internet, etc.
MPEG-7
El estándar de representación
para la búsqueda de información en los entornos multimedia,
sistemas de filtrado y proceso de datos (será aprobado en julio
2001).
JPEG
Joint Photographic Experts Group . Como
su nombre indica es un sistema de compresión de fotografías.
Muchos de los sistemas de compresión de video, tal como el M-JPEG
( motion JPEG ) Cinepak e Indeo, se basan en él. Consideran el
video como una sucesión de fotografías. MPEG introduce la
noción de movimiento de una manera mucho más compleja y
agresiva que el M-JPEG.
MPEG-2
Bueno, vamos con él. La compresión
intraframe ( no voy a traducir esta palabra ) trata cada fotograma como
una foto independiente, mientras que la interframe , usada por MPEG, crea
fotogramas de referencia para luego comparar los anteriores o posteriores
con él. Sólo las diferencias son almacenadas. Por tanto
el codec no tiene que almacenar cada fotograma, sino lo distintivo con
el anterior.
En MPEG se distinguen tres tipos de fotogramas
: I o intraframes, P o foto predecida y B o frames bidirecionales. Las
I son los únicos fotogramas completos en una cadena MPEG. Contienen
pues una información completa, lo que las convierte en posibles
puntos de acceso aleatorio. La P es un frame basado en uno anterior pero
conteniendo sólo las diferencias. Están
muy comprimidos. Las B se refieren tanto
a una anterior como a una futura y son las que menos ocupan. Nunca se
usan como referencia para otras.
Las técnicas de compresión
son dos : Compensación de movimientos ( Motion Compensation ) y
redundancia espacial. La primera determina cómo los frames P o
B se relacionan con los fotogramas de referencias. El primer paso es dividir
cada imagen en bloques de 16 x 16 pixels que se comparan con bloques equivalentes
en otro fotograma. Si son similares se obtiene una buena compresión.
Si se detecta movimiento en el bloque se almacena un "vector de movimiento".
El otro método, redundancia espacial,
comprime aún más describiendo las diferencias entre bloques.
Usando un proceso matemático llamado Discrete Cosine Transform
( DCT ), los macrobloques son divididos aún más en bloques
de 8 x 8 que hacen un seguimiento de los cambios de color y brillo en
el tiempo.
Se denomina GOP a la mínima cadena
MPEG completamente decodificable por sí sola. Por tanto debe tener
un frame I y sus referenciadas P o B. Este concepto es importante en el
campo de la edición.
A la hora de codificar algo en formato MPEG-2
hay que mantener o utilizar originales de la máxima calidad. MPEG-2
no se lleva nada bien con vídeos o películas degradados
y con ruido. Todo el mecanismo de predicción y compresión
se vuelve loco. Incluso vídeos calidad S-VHS contienen suficiente
ruido como para perturbar al codificador MPEG. Dado que el codificador
está continuamente buscando cambios entre imágenes, verá
un ligero ruido como un cambio, generando los correspondientes vectores
de movimiento. Como dicen en la industria del MEPG : basura de entrada
= megabasura de salida. Es importante usar filtros de entrada para mejorar
fuentes ruidosas. A menudo, estos filtros son mucho más caros que
el propio codificador MPEG. Si se dispone de fuentes digitales es mejor
no pasarlas a cinta analógica, sino transcodificar directamente.
De ahí la importancia de la salida Firewire de las cámaras
DV.
Es importante también hacer una codificación
de prueba de las escenas más difíciles de la película
( las de mayores cambios o acción ). Si los resultados no son buenos,
se puede "suavizar" la fuente a expensas de perder un poco de
detalle.
No todas las películas DVD están
igual de bien codificadas. Existen en la red páginas dedicadas
a valorar la calidad técnica de los títulos que van saliendo.
Ha habido casos en que han tenido que volver a editar la película
por la baja calidad del primer master.
Codificadores MPEG por software
Se puede realizar codificación MPEG-2
sin ningún hardware especial. Existen numerosos programas que lo
hacen. Eso sí, se necesita un ordenador lo más potente posible.
Se supone que el video ha sido digitalizado previamente ( quizás
utilizando un sistema de captura M-JPEG). De los programas existente son
cuatro los más conocidos. El más establecido es el de Xing
Technology. Los otros tres son de Ulead Systems, CeQuadrant y Heuris Pulitzer.
Dependiendo de la calidad de la fuente, son capaces de producir vídeos
MPEG-2 que no tienen nada que envidiar a los realizados con un sistema
hardware. El inconveniente es que no trabajan precisamente en "tiempo
real". Pueden tardar 30 minutos en codificar 1 minuto de video. A
la hora de elegir uno de ellos hay que pensar en si tienen filtros para
reducir el ruido de las fuentes, si tienen un sistema flexible para controlar
la velocidad de transferencia y elegir resoluciones, si soportan distintos
tipos de gráficos, si soportan "telecine" , si se pueden
controlar los puntos de inserción de frames I, etc. En general,
el sistema de Heuris es el más potente y flexible costando unos
2000 $.
Codificadores MPEG por harware
Hay bastantes compañías que
proporcionan sistemas de codificación MPEG-2. Hasta ahora eran
sistemas profesionales con precios imposibles para nosotros. Pero las
cosas están cambiando. Gracias a los nuevos chips sets de IBM,
Sigma y sobre todo, C-Cube Microsystems, se beneficien de ellos. Los precios
van a ser mucho más razonables en breve (menos de 50.000 ptas).
Las mayores diferencias las vamos a encontrar en la parte analógica,
es decir, la calidad de la conversión A/D y la cantidad de entradas
y su tipo. Los sistemas domésticos dispondrán de entradas
de video compuesto, S-vídeo y , quizás Firewire. Los profesionales
deben añadir entradas balanceadas, video digital D-1 y toda una
parafernalia de control en tiempo real. Para añadir algo más,
nombrar los principales fabricantes de sistemas profesionales : Optibase,
FutureTel, Minerva Systems, Sony y Philips. Los precios empiezan en los
20.000 $.
Los sistemas de codificación en tiempo
real utilizados por las cadenas comerciales son el tope de la gama. Deben
acomodar en un ancho de banda determinado (el que hayan contratado con
la compañía explotadora del satélite, que suele ser
de 34 Mbits), todos los canales que ofrecen la máxima calidad en
cada momento. En tiempo real analizan los contenidos de los programas
y la calidad real que se está obteniendo. En función de
ello asignan dinámicamente un ancho de banda a las distintas cadenas.
Por ejemplo, está claro que un partido de futbol necesita mayor
ancho de banda que un programa de entrevistas con imágenes poco
cambiantes.
Descodificadores MPEG por software
La descodificación es bastante más
sencilla por lo que un Pentium/K6 300 la puede llevar a cabo sin problemas.
Los programas más conocidos vienen de la mano de Xing T., Mediamatics,
C-Cube , CompCore y Quadrant. Quizás la mejor solución sea
un sistema "balanceado" en el que se tenga una cierta ayuda
del hardware para realizar la descompresión. En este sentido, los
principales fabricantes de chips aceleradores de video, empiezan a ofertar
sus productos con el "motion compensation" implementado en hardware.
La fase más compleja en la descodificación MPEG es precisamente
la relacionada con el motion compensation. (digamos que es la expansión
de los vectores de movimiento del formato MPEG). Tarjetas/Chips como el
Savage 3D de S3 y la ATI Rage Fury 128 lo soportan también el "subpicture
blending" , es decir, los subtítulos y demás información
adicional. Por el momento no está del todo claro si los programas
descodificadores sacan partido del "motion compensation" de
estas tarjetas. Ambas incluyen también salida S-vídeo y
video compuesto. En www.3dgaming.com/fps hay una buena comparativa de
tarjetas preparadas para DVD. La conclusión es que la calidad de
imagen obtenida a través de la salida de video compuesto o S-video
no tiene nada que envidiar a la de un DVD doméstico. Un lector
DVD-ROM se encuentra en las 20.000 ptas y una tarjeta basada en S3 Savage,
unas 10.000 pts. (La ATI es bastante más cara). Además,
ambas tienen un excelente rendimiento en 3D. El sonido se decodifica por
software sin mucho problema. Si se quiere disfrutar del Dolby Digital
con 5 salidas, habrá que tener una tarjeta de sonido que lo soporte.
Descodificadores MPEG por harware
Existen en el mercado kits que incluyen
un lector DVD y una tarjeta descodificadora. Los tenemos de Creative Labs,
de Diamond Multimedia, o de Sigma Desings, etc. La tarjeta suele incluir
salida de video compuesto y S-vídeo y salidas de audio ( tanto
analógicas como salida digital s-pdif). Por supuesto, encontramos
descodificadores en "las cajas" que instala Via Digital y Canal
Satélite, así como en los lectores DVD domésticos.