Mejor, más rápido, más fuerte HEVC

Ahora que el mercado está desbordado con la televisión UHD, e incluso el contenido 4K está empezando a aparecer, H.264 ya no está a la altura del desafío. Necesitamos una solución que pueda comprimir y distribuir vídeo ultra HD a máxima calidad por canales, sin estar éstos preparados para dicha carga.

Esta solución se ha llamado H.265 o HEVC, y fue presentada por primera vez al mercado en el MWC 2012 por Qualcomm. El estándar demostró ser increíblemente eficiente incluso en aquel momento.

¿Cómo funciona la compression?

Para entender cómo funcionan la mayoría de los algoritmos de compresión, tomemos el ejemplo de hacer una maleta. Cuando se vuelve demasiado pesada, sacamos las cosas innecesarias. Lo mismo ocurre con el vídeo - cuantos menos elementos repetidos y sin importancia tenga, más fácil será transportarlos.

1. Codificando entropía

Cualquier secuencia ordenada puede ser agrupada así hasta que no queden más bloques de datos que puedan ser comprimidos. O dicho de otro modo, hasta que la secuencia de ceros y unos se vuelva absolutamente aleatoria. Por eso este tipo de codificación se ha llamado Codificación de Entropía. Sin embargo, cabe mencionar que la información en sí misma no se ve afectada. Sólo transformamos cómo se representa y reducimos la redundancia.

2. Frecuencia de recomposición

Cualquiera que esté al menos un poco familiarizado con la informática conoce su principio fundamental: los datos recibidos en forma de ceros y unos pueden ser convertidos a cualquier otro sistema, ya sea decimal, hexadecimal o incluso alfabético. Una imagen 2D es también un tipo particular de datos que pueden ser convertidos de un sistema de coordenadas a otro. Por ejemplo, estamos acostumbrados a ver una imagen en coordenadas X-Y ( largo-ancho). Este tipo de representación se llama dominio espacial. El valor de cada píxel se basa en su posición. Podemos convertir esta imagen en un dominio de frecuencia, donde no evaluamos la posición de los píxeles, sino cómo cambia su valor en relación con sus contiguos. Cuanto mayor sea el contraste de las áreas, mayor será su coordenada en los ejes freqX-freqY. Así es como se ve la misma imagen cuando se convierte del sistema X-Y a freqX-freqY.

• Los componentes de baja frecuencia se encuentran más cerca del centro de nuestra matriz. Son responsables de áreas homogéneas con transiciones graduales de luz y color.

• Los de alta frecuencia se encuentran más cerca de los bordes. Estos incluyen todos los contornos, bordes dentados y detalles finos.

Tras esta transformación, podemos recortar sin más los bordes de nuestra matriz, o en otras palabras, enmascararla. Cuando convertimos la imagen a la forma usual, perderá algunos detalles, pero en general seguirá siendo similar a la original.

Cuando seleccionamos el tamaño y la forma de la máscara necesaria, podemos controlar estas pérdidas y el grado de compresión del archivo resultante. Abajo está el mismo coche, pero ahora se le han aplicado máscaras circulares.

3. Sub-muestreo de colores

Cuando una imagen se transmite a una pantalla de TV, el esquema de color RGB se convierte en YCbCr, donde Y es el componente de luz y Cb y Cr son los componentes azules y rojos del esquema de color, o componentes cromáticos. El ojo humano es capaz de percibir incluso las más pequeñas fluctuaciones de brillo, pero no es tan bueno para distinguir sombras. Por lo tanto, si transmitimos la información de la luz en resolución completa, y el componente de color en resolución reducida, nadie se dará cuenta, y el ancho de banda se verá reducido. Codificar una señal en Y'CbCr reduce el volumen de datos casi a la mitad.

Hay varios métodos de sub-muestreo de colores. Cada uno de ellos está identificado con un código numérico que describe la resolución de los colores (2º y 3º) en relación con la resolución del color (1º).

FORMATO 4:4:4 (YUV)

El punto de color consiste en componentes de luz (Y') y color (Cr y Cb). En este caso, hay cuatro componentes de cada color por cada cuatro componentes de luz. Así es como se representan normalmente las imágenes RGB no comprimidas. Teóricamente, la fórmula 4:4:4 puede ser usada en Y'CbCr, pero no hay necesidad real de usar este formato en la práctica.

FORMATO 4:2:2 (YUY2)

La relación entre la resolución de la luz y la resolución del color es de 4:2. Éste es el formato de difusión tradicional usado por DigiBeta, DVCpro50 y otros.

FORMATO 4:1:1 (YV12)

La relación entre la resolución del componente de color y la luz se reduce en un factor de 4. Este sistema se utiliza en NTSC DV y PAL DVCPro.

FORMATO 4:2:0 (YV12)

La resolución de los componentes depende de si se utiliza el entrelazado o el escaneo de cuadros. Suele usarse para la transmisión de Н264 por Internet, PAL DV, MPEG2, y otras soluciones de software.

4. Compensación de movimiento

En casi cualquier video, cada cuadro es similar al anterior. Tienen un fondo común, casi estático, y sólo algunos objetos se mueven en relación a otros. Parece bastante natural querer codificar sólo los elementos que cambian, pero no los que permanecen iguales. Este ejemplo ilustra lo similares que son todos los marcos consecutivos.

¿Cómo funciona el algoritmo?

H.265 versus H.264

¿Por qué un video codificado en Н.265 de máxima calidad ocupa hasta un 40-50% menos de ancho de banda que el mismo video H.264? Además, la tecnología admite resoluciones de hasta 8K y codificación de color de 10 bits. Este impresionante salto en la eficiencia ha sido posible gracias a tres mejoras estructurales clave:

1. Acceso aleatorio limpio.

La decodificación de un cuadro seleccionado al azar no requiere la decodificación de cuadros anteriores. El formato H.265 no requiere la inserción de cuadros intermedios (I-frames), lo que reduce la velocidad de bits de un vídeo.

2. Cambio en el tamaño máximo del bloque.

Con H.264, el tamaño máximo del bloque es de 256 píxeles (16х16). Pero con H.265, aumenta 16 veces a 4.096 px (64х64), y el algoritmo determina el tamaño del bloque automáticamente.

3. Decodificación paralela. El nuevo formato se beneficia de las características de los procesadores de varios núcleos.

Н.265 puede calcular diferentes partes de la misma trama simultáneamente. La velocidad de procesamiento aumenta varias veces.

Dónde se usa ya el HEVC

1. Codificación

El HEVC está actualmente respaldado por muchos codificadores de software y hardware como Nvidia NVENC e Intel QSV. El H265 puede verse a veces en la televisión por satélite, en cámaras IP y en varios dispositivos de captura y codificación de HDMI (esto es especialmente conocido en la transmisión de juegos cuando no se quiere aumentar la carga del ordenador).

2. Reproducir

Actualmente se puede encontrar H.265 en las cámaras IP. También hay canales de 30 megabits comprimidos en H.265 en los satélites. Poco a poco, se está intentando implementarlo en varios servicios de OTT, donde hay control de dispositivos.

3. Difusión

El formato está ganando adeptos rápidamente, especialmente en los descodificadores y en los smart TVs. La situación con los navegadores de escritorio es menos prometedora hasta ahora, de hecho, sólo Microsoft Edge es actualmente capaz de reproducir H.265. En los móviles modernos, es probable que el H.265 se reproduzca en el procesador, lo que significa que su batería se agotará antes de que haya terminado de ver incluso un vídeo corto.

Infomir fue una de las primeras empresas en incorporar la tecnología HEVC en sus decodificadores. Por ello, ya podemos ver las ventajas del estándar en ejemplos de la vida real.

¿HEVC va a revolucionar los servicios de IPTV/OTT? Es probable que no. Los formatos no se reemplazan de la noche a la mañana. Н.264 seguirá siendo un actor activo en el mercado durante mucho tiempo, pero poco a poco dará paso a su sucesor lógico. Pero podemos decir con certeza que el futuro pertenece a Н.265. ¡Prepárense para ello con Infomir!

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