H.264/MPEG-4 AVC
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[editar] Historia
H.264 o MPEG-4 parte 10 es una norma que define un códec de vídeo de alta compresión, desarrollada conjuntamente por el ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) y el ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). La intención del proyecto H.264/AVC fue la de crear un estándar capaz de proporcionar una buena calidad de imagen con tasas binarias notablemente inferiores a los estándares previos (MPEG-2, H.263 o MPEG-4 parte 2), además de no incrementar la complejidad de su diseño.
Para garantizar un ágil desarrollo de la misma, la ITU-T y la ISO/IEC acordaron unirse para desarrollar conjuntamente la siguiente generación de códecs de vídeo. El Joint Video Team (JVT) estaba formado por expertos del VCEG y MPEG y nació en diciembre de 2001 con el objetivo de completar el desarrollo técnico del estándar hacia el 2003. La ITU-T planeó adoptar el estándar bajo el nombre de ITU-T H.264 y ISO/IEC bajo el nombre de MPEG-4 Parte 10 Códec de Vídeo Avanzado (AVC) y de aquí surgió el nombre híbrido de H.264/MPEG-4 AVC. Para empezar a programar el código del nuevo estándar adoptaron las siguientes premisas:
- La estructura DCT + Compensación de Movimiento de las versiones anteriores era superior a otros estándares y por esto no había ninguna necesidad de hacer cambios fundamentales en la estructura.
- Algunas formas de codificación de vídeo que habían sido excluídas en el pasado debido a su complejidad y su alto coste de implementación se volverían a examinar para su inclusión puesto que la tecnología VLSI había sufrido un adelanto considerable y una bajada de costes de implementación.
- Para permitir una libertad máxima en la codificación y evitar restricciones que comprometan la eficiencia, no se contempla mantener la compatibilidad con normas anteriores.
[editar] Características
El uso inicial del MPEG-4 AVC estuvo enfocado hacia el video de baja calidad para videoconferencia y aplicaciones por Internet, basado en 8 bits/muestra y con un muestreo ortogonal de 4:2:0. Esto no daba salida al uso de este códec en ambientes profesionales que exigen resoluciones más elevadas, necesitan más de 8 bits/muestra y un muestreo de 4:4:4 o 4:2:2, funciones para la mezcla de escenas, tasas binarias más elevadas, poder representar algunas partes de video sin perdidas y utilizar el sistema de color por componentes RGB. Por este motivo surgió la necesidad de programar unas extensiones que soportasen esta demanda. Tras un año de trabajo intenso surgieron las “extensiones de gama de fidelidad”(FRExt) que incluían:
- Soporte para un tamaño de transformada adaptativo.
- Soporte para una cuantificación con matrices escaladas.
- Soporte para una representación eficiente sin pérdidas de regiones específicas.
Este conjunto de extensiones denominadas de "perfil alto" son:
- La extensión High que soporta 4:2:0 hasta 8 bits/muestra
- La extensión High-10 que soporta 4:2:0 hasta 10 bits/muestra
- La extensión High 4:2:2 que soporta hasta 4:2:2 y 10 bits/muestra
- La extensión High 4:4:4 que soporta hasta 4:4:4 y 12 bits/muestra y la codificación de regiones sin pérdidas.
A continuación podemos ver una tabla con más especificaciones sobre estos perfiles en contraste con el perfil original:
| Original | High | High 10 | High 4:2:2 | High 4:4:4 | |
|---|---|---|---|---|---|
| slices I i P | SI | SI | SI | SI | SI |
| slices B | NO | SI | SI | SI | SI |
| slices SI i SP | NO | NO | NO | NO | NO |
| imagenes de referencia múltiples | SI | SI | SI | SI | SI |
| Filtro "deblocking" | SI | SI | SI | SI | SI |
| codificación CAVLC | SI | SI | SI | SI | SI |
| codificación CABAC | NO | SI | SI | SI | SI |
| ordenación flexible de macrobloques (FMO) | SI | NO | NO | NO | NO |
| ordenación arbitraria de slices (ASO) | SI | NO | NO | NO | NO |
| slices redundantes (RS) | SI | NO | NO | NO | NO |
| partición de datos (DP) | NO | NO | NO | NO | NO |
| codificación entrelazada | NO | SI | SI | SI | SI |
| formato 4:2:0 | SI | SI | SI | SI | SI |
| formato monocromo (4:0:0) | NO | SI | SI | SI | SI |
| formato 4:2:2 | NO | NO | NO | SI | SI |
| formato 4:4:4 | NO | NO | NO | NO | SI |
| 8 Bits/píxel | SI | SI | SI | SI | SI |
| 9 y 10 Bits/píxel | NO | NO | SI | SI | SI |
| 11 y 12 Bits/píxel | NO | NO | NO | NO | SI |
| transformada 8x8 | NO | SI | SI | SI | SI |
| matrices de cuantificación | NO | SI | SI | SI | SI |
| cuantificación Cb i Cr separadas | NO | SI | SI | SI | SI |
| codificación sin pérdidas | NO | NO | NO | NO | SI |
| Original | High | High 10 | High 4:2:2 | High 4:4:4 |
[editar] Nuevas especificaciones
H.264/MPEG-4 AVC no supone una gran ruptura tecnológica con respecto a las normas de codificación de vídeo anteriores. Las diferencias se pueden encontrar a pequeña escala sobre el principio general de codificación (predicción, transformada, cuantificación, etc.).
[editar] Tipos de imágenes
Podemos encontrar las mismas imágenes que en las normas precedentes (Imágenes I, P y B ) y dos nuevas, la SP (Switching P) y la SI (Switching I) que sirven para codificar la transición entre dos flujos de vídeo. Permiten, sin enviar imágenes intra muy costosas en tiempos de procesamiento, pasar de un vídeo a otro utilizando predicción temporal o espacial como antes, pero con la ventaja que permiten la reconstrucción de valores específicos exactos de la muestra aunque se utilicen imágenes de referencia diferentes o un número diferente de imágenes de referencia en el proceso de predicción.
[editar] Compensación de movimiento
El proceso de compensación de movimiento es diferente de las normas precedentes puesto que propone una gran variedad de formas y de particiones de bloques. De cara a la compensación de movimiento, cada macrobloque, aparte del tamaño original (16x16 píxeles), puede ser descompuesto en sub-bloques de 16x8, 8x16 o 8x8 píxeles. En este último caso, es posible descomponer a su vez cada sub-bloque de 8x8 píxeles en particiones de 8x4, 4x8 o 4x4 píxeles. Antes, el estándar más novedoso introducía particiones de 8x8. Esta variedad de particiones proporciona una mayor exactitud en la estimación, a lo que se suma una precisión que puede llegar hasta un cuarto de píxel.
[editar] Transformada
Es una aproximación a la DCT que viene utilizándose en vídeo pero con las siguientes particularidades:
- Tamaño: 4x4 píxeles (8x8 en los perfiles FRExt).
- Coeficientes enteros: lo que permite evitar los errores de redondeo habituales en la DCT clásica (coeficientes irracionales) y garantizar un ajuste perfecto entre la transformación directa y la inversa.
- Precisión finita: Otra consecuencia favorable de la característica anterior es que se puede calcular sin exceder los 16 bits de precisión.
- Eficiencia: Se puede implementar exclusivamente por medio de sumas y desplazamientos binarios.
[editar] Cuantificación
Cada paso del parámetro de cuantificación (QP) incrementa un 12,5% el intervalo de cuantificación, lo que equivale a duplicarlo por cada 6 pasos. El rango dinámico del QP ha aumentado respecto a normas precedentes, puesto que los valores van de 0 a 51. Los macrobloques se cuantifican utilizando un parámetro de control que puede cambiar adaptándose al bloque en cuestión. Si utilizamos FRExt tendremos un rango dinámico que se multiplicará por 6 por cada bit adicional(partiendo de 8 bits, 52 pasos). Además, para poder conseguir los mejores resultados visuales la cuantificación de la crominancia es más esmerada que la de luminancia.
[editar] Filtro de "deblocking"
H.264 también integra un filtro antibloques que mejora la eficacia de compresión y la calidad visual de las secuencias de vídeo eliminando efectos indeseables de la codificación como por ejemplo el efecto de bloques.
[editar] Exploración de los coeficientes
Existen dos modos de exploración de los coeficientes transformados: "zig-zag" y "zig-zag inverso". El segundo modo de exploración permite en particular la lectura del macrobloque en sentido contrario para poder funcionar con la codificación entrópica adaptativa.
[editar] Codificación entrópica
La codificación entrópica se puede realizar de tres formas diferentes. Un primer método utilizado es el conocido UVLC (Universal Variable Length Coding). Este tipo de codificación es utilizado para codificar la gran mayoría de los elementos de sincronización y cabeceras. Los otros dos métodos son utilizados para codificar buena parte del resto de elementos sintácticos (coeficientes, vectores de movimiento). Las codificaciones utilizadas para esta tarea están basadas en VLC (Variable Length Coding) de forma adaptativa, de este concepto nace el CAVLC (Context Adaptative Variable Length Coding) y el CABAC (Context Adaptative Binary Arithmetic Coding).
[editar] Adaptación a la red
Conceptualmente los algoritmos están divididos en dos capas: una primera capa de codificación de vídeo VCL (Video Coding Layer) que se ocupa de representar eficázmente el contenido de vídeo y una capa de adaptación a la red NAL (Network Adaptación Layer) que está dirigida más particularmente a adaptar el formato de datos de vídeo al soporte de transmisión.
[editar] Algoritmos para la prevención de pérdidas
[editar] FMO y ASO
La ordenación flexible de macrobloques (FMO) y la ordenación arbitraria de slices (ASO) son técnicas para reestructurar la representación de las regiones fundamentales (macrobloques) aunque también pueden ser utilizados para otros objetivos.
[editar] DP
La partición de datos proporciona la capacidad de separar los elementos de sintaxis más importantes de los menos importantes en paquetes de datos diferentes, permitiendo el uso de protección de error desigual (UEP).
[editar] RS
El algoritmo de slices redundantes permite a un codificador enviar una representación suplementaria de una región de imagen que puede ser usado si la representación primaria es corrompida o perdida.
[editar] Véase también
X264 códec de compresión en h.264
