Apuntes de Tecnología para Medios Audiovisuales. Vídeo digital: compresión. Parte 3

3.1. Entropía y Redundancia.

·                     Compresión: consiste en la simplificación o la eliminación de un tipo de información existente en todo mensaje, la redundante. Es un método utilizado para bajar drásticamente el flujo binario sin pérdida apreciable de la calidad subjetiva de la imagen o del sonido. La compresión debe realizarse con posterioridad al proceso de conversión A/D para obtener los mejores resultados.

·                     Información entrópica: mínima información que es necesario transmitir para que el receptor recomponga el mensaje completo, sin error ni ambigüedad. Entropía (H).

·                     Información redundante: aquella información que no es necesaria porque no aporta datos nuevos ni varía la esencia del mensaje. Redundancia (R).

[Información transmitida = H + R]

3.2. Fundamento de la compresión.

·                     Tasa, ratio o factor de compresión: la cuantía de la reducción de la tasa binaria o cantidad de datos que componen el mensaje suele expresarse en forma de relación numérica llamada tasa o ratio de compresión. Indica como factor inicial la cantidad de datos originales y como segundo factor la que sobrevive al proceso. Es, por tanto, el cociente entre los flujos de entrada y de salida del dispositivo que comprime.

3.3. Tipos de compresión.

- Perceptivas y estadísticas: las perceptivas se basan en modelos de percepción psicoacústico y/o psicovisual y las estadísticas en la estructura interna de la información.

- Simétricas y asimétricas: esta clasificación atiende a la necesidad de recursos en los procesos opuestos de compresión y descompresión. Cuando son similares se dice que la compresión es simétrica y en caso contrario asimétrica.

- Una última clasificación hace referencia a la comparación de la información antes de la aplicación de la compresión y la recuperada tras la descompresión:

Ø  Sin pérdida: si ambas informaciones son idénticas bit a bit, no habiendo pérdida alguna de información. También llamada lossless. Está generalmente restringida a factores o ratios de compresión alrededor de 2:1 (reducción de aproximadamente el 50% en la cantidad de datos). Opera únicamente sobre el sumando “R”. Utilizada, entre otras muchas aplicaciones, por las herramientas lógicas que aumentan la capacidad aparente de los sistemas de almacenamiento de los ordenadores.

Ø  Con pérdida: cuando aparezcan diferencias entre la información previa a la compresión y la recuperada tras la descompresión. Opera sobre el sumando “H” dañando el mensaje.

-          Artefacto: deterioro visible surgido en una imagen digital ocasionado por manipulaciones realizadas sobre el flujo entrópico.

3.4. Compresión de la Imagen.

·         Redundancia Temporal (T): igualdad, parecido o similitud entre píxeles homólogos de imágenes sucesivas. El eje de medida es el tiempo. La sucesión de imágenes se expresa como I, I, I, I, I,…I (I = Intercuadro)

* Compresión Intercuadro o Interframe: técnica de compresión de vídeo que explota la similitud entre la información de imágenes cercanas o sucesivas en el tiempo, actuando sobre el flujo redundante temporal.

·         Redundancia Espacial (E): igualdad, parecido o similitud entre píxeles adyacentes de la misma imagen. La vecindad se establece en dos ejes – vertical y horizontal-. El eje de medida es el espacio.

* Compresión Intracuadro o Intraframe: compresión que se realiza dentro de cada imagen o trama, sin considerar las anteriores o posteriores, actuando sólo sobre la redundancia espacial. La aplicación de la compresión intracuadro tiene más limitaciones en producción que en difusión, lo que no quiere decir que no se aplique.

Reflexiones:

-          En la imagen de TV hay mucha redundancia temporal y espacial.

-          La entropía aumenta con el movimiento de los objetos en la imagen.

-          La entropía aumenta cuando la filigrana (complejidad) de la imagen aumenta.

-          Algoritmo: procedimiento matemático de cálculo utilizado para la compresión. La descompresión requerirá usar el algoritmo inverso.

v  COMPRESIÓN DCT INTRACUADRO.

·                     DCT (Transformada Discreta del Coseno): uno de los algoritmos intracuadro de mayor prestigio es la DCT. Es la más usual para compresión de imagen, ya sea fija o en movimiento, y puede funcionar con o sin pérdida. Para descompresión DCT -1.

-                      La compresión DCT 2:1 permite mantener una multigeneración casi indefinida (hasta unas 100 generaciones). 166/2 = 85 Mb/s. Cuando se aumenta este factor se hace preciso reducir también el flujo entrópico y comienza la degradación que será creciente con el número de generaciones.

-                      La compresión DCT de factor 3,3:1 constituye una cifra muy aceptable para la producción de prestigio. 166/3,3 = 50 Mbit/seg (flujo de compromiso ideal de trabajo). Permite la producción de calidad profesional 4:2:2 y garantiza una media de 15 generaciones sin degradación subjetiva apreciable. Lo usan por ejemplo los formatos: Digital – S y DVCPro-50.

[Cuando la toma se ha realizado en 4:2:2 la compresión que le sigue debe ser moderada para sostener la calidad a lo largo de la post-producción].

-                      La compresión DCT de factor 5:1 se considera ideal para sostener la calidad de la toma de imagen en 4:1:1 y 4:2:0 del Periodismo Electrónico y la Producción Ligera (ENG/EFP). Flujo de 33 Mb/s. Es aceptable en estas áreas porque requieren menos generaciones (documentales, debates…), la pérdida en la primera generación es grande pero luego se mantiene. Lo usan por ejemplo los formatos: DV, DVCam y DVCPro-25.

-                      La compresión DCT de factor 10:1 se comporta como el vhs.

v  COMPRESIÓN M-JPEG INTRACUADRO.

·                     M-JPEG: estándar de compresión con pérdida, puesto que elimina información redundante. Aún así, es el sistema utilizado en los sistemas broadcast de edición no lineal, puesto que permite el posterior paso del vídeo ya montado a cinta de vídeo o su difusión directa

-                      La digitalización M-JPEG puede ser con formato de fichero Video for Windows o QuickTime.

v  COMPRESIÓN MPEG INTERCUADRO.

-          Ofrece tres principales ventajas:

a)       Compatibilidad internacional: diseñado como estándar internacional.

b)       Ofrece mayores ratios de compresión que otros formatos, reduce el tamaño de los vídeos originales en ratios en torno a 200:1.

c)       Ofrece mayor calidad que otros formatos (excepto M-JPEG, que no es un formato para distribución).

MPEG utiliza compresión interframe. Los Keyframes (I Frames) mantienen toda la información de la imagen; además existen otros dos tipos de delta frames, los P frames (predictive, añaden información no redundante a la del frame previo I o P, el que esté más cerca) y los B frames (bidirectional, construyen la información a partir del frame previo o siguente I o P). Los programas de edición sólo permiten el acceso a los frames cuya información es completa (los I Frames), por lo que normalmente los programas que se pasan a MPEG ya están editados en cinta o en M-JPEG.

-          Tipos de MPEG:

MPEG-1

-          Flujos de 1-3 Mbits/s

-          Primer grupo de estudio de compresión para imágenes en movimiento.

-          Su trabajo iba destinado a conseguir flujos de transferencia muy bajos, del orden de 1,5 Mbit/s, requerido por el CD-ROM.

MPEG-2

-          Flujos de 3-10 Mbits/s.

-          Este grupo afrontó el estudio de una compresión satisfactoria para el entorno profesional de la televisión.

-          Fue declarada estándar de compresión para la tv digital europea DVB y para la americana ATSC.

-          Calidad de transmisión broadcast.

-          Vídeo de alta calidad (HD)

-          Compatibilidad en sentido descendente.

-          Difusión: MPEG-2 MP@ML (tv convencional) y MPEG-2 MP@HL (alta definición)

-          Producción: MPEG-2 4:2:2 P@ML (tv convencional) y MPEG-2 P@HL (alta definición).

-          El soporte DVD usa MPEG-2 (con ratios variables).

MPEG-3 (integrado en MPEG-2)

-          Flujo 20-40 Mbits/s.

-          Fue creado para investigar una compresión específica para la alta definición (16:9)

MPEG-4

-          Fue creado para investigar varios frentes de necesidades en la codificación. El más importante que dio nombre a la compresión fue el de adaptar el vídeo a las redes telefónicas.

-          Se aplica en videoconferencias y teleconferencias. También con el mundo multimedia, ordenador y televisión.

-          Tres posibilidades:

Ø  Flujos inferiores a 64 Kb/s. - Módem.

Ø  Flujos entre 64 y 384 Kb/s. - Rdsi y adsl.

Ø  Flujos entre 384 Kb/s y 4 Mb/s. - Adsl 2 y 3, fibras ópticas.

No trabajan en la compresión digital:

MPEG-7

- Está implicado en los metadatos. Reconocimiento de imágenes y sonido. Acceso detallado a todo tipo de contenidos del material audiovisual. Su aplicación estará en archivos, edición y montaje, redacción periodística, etc.

MPEG-21

-    Su objetivo fundamental es crear la codificación oportuna para la gestión comercial y uso del material audiovisual. Gestión de derechos de autor y de producción.

Preguntas de exámenes anteriores:

-          MPEG que no trabajan en la compresión digital: MPEG-7 y MPEG-21.

-          Quién trabaja con metadatos: MPEG-7

-          Mínima información que es necesario transmitir para que el receptor recomponga el mensaje completo: Entropía.

-          Qué ratio de compresión de la DTC permite una multigeneración indefinida: 2:1

-          Cuál es la compresión 4:2:2 necesaria para mantener la calidad: 3,3:1

-          Qué es un GOP: grupo de imágenes IPB utilizado en la compresión.

-          Características del formato M-JPEG: intracuadro, con pérdida.

-          Algoritmo MPEG para flujos entre 1 y 3 Mb/s: MPEG-1

-          Sistema de compresión que fue integrado en MPEG-2: MPEG-3