Un códec de vídeo es un software o hardware que comprime y descomprime vídeo digital . En el contexto de la compresión de video, 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 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 vídeo comprimido carece de cierta información presente en el vídeo original. Una consecuencia de esto es que el vídeo descomprimido tiene una calidad inferior que el vídeo original sin comprimir porque no hay información suficiente para reconstruir con precisión el vídeo original.
Existen relaciones complejas entre la calidad del vídeo , la cantidad de datos utilizados para representar el vídeo (determinada por la velocidad 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 ).
Históricamente, el vídeo se almacenaba como señal analógica en cinta magnética . En la época en que el disco compacto entró en el mercado como sustituto del audio analógico en formato digital, también se hizo posible almacenar y transmitir vídeo en formato digital. Debido a la gran cantidad de almacenamiento y ancho de banda necesarios para grabar y transmitir vídeo sin formato, se necesitaba un método para reducir la cantidad de datos utilizados para representar el vídeo sin formato. Desde entonces, ingenieros y matemáticos han desarrollado una serie de soluciones para lograr este objetivo que implican comprimir los datos de vídeo digital.
In 1974, discrete cosine transform (DCT) compression was introduced by Nasir Ahmed, T. Natarajan and K. R. Rao.[1][2][3] During the late 1980s, a number of companies began experimenting with DCT lossy compression for video coding, leading to the development of the H.261 standard.[4] H.261 was the first practical video coding standard,[5] and was developed by a number of companies, including Hitachi, PictureTel, NTT, BT, and Toshiba, among others.[6] Since H.261, DCT compression has been adopted by all the major video coding standards that followed.[4]
The most popular video coding standards used for codecs have been the MPEG standards. MPEG-1 was developed by the Motion Picture Experts Group (MPEG) in 1991, and it was designed to compress VHS-quality video. It was succeeded in 1994 by MPEG-2/H.262,[5] which was developed by a number of companies, primarily Sony, Thomson and Mitsubishi Electric.[7] MPEG-2 became the standard video format for DVD and SD digital television.[5] In 1999, it was followed by MPEG-4/H.263, which was a major leap forward for video compression technology.[5] It was developed by a number of companies, primarily Mitsubishi Electric, Hitachi and Panasonic.[8]
The most widely used video coding format, as of 2016, is H.264/MPEG-4 AVC. It was developed in 2003 by a number of organizations, primarily Panasonic, Godo Kaisha IP Bridge and LG Electronics.[9] H.264 is the main video encoding standard for Blu-ray Discs, and is widely used by streaming internet services such as YouTube, Netflix, Vimeo, and iTunes Store, web software such as Adobe Flash Player and Microsoft Silverlight, and various HDTV broadcasts over terrestrial and satellite television.
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. A HEVC, a su vez, le sucede Versatile Video Coding (VVC).
También existen los formatos de codificación de vídeo abiertos y gratuitos VP8 , VP9 y AV1 , utilizados por YouTube, todos los cuales fueron desarrollados con la participación de Google .
Los códecs de vídeo se utilizan en 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 vídeo, lo que puede no ser factible con los grandes volúmenes de datos y anchos de banda del vídeo sin comprimir. Se utilizan, por ejemplo, en quirófanos para registrar operaciones quirúrgicas, en cámaras IP de sistemas de seguridad y en vehículos submarinos y vehículos aéreos no tripulados operados de forma remota . Cualquier secuencia de vídeo o archivo se puede codificar utilizando una amplia variedad de opciones de formato de vídeo en directo. Estas son algunas de las configuraciones del codificador H.264 que deben configurarse al transmitir a un reproductor de video HTML5. [12]
Los códecs de vídeo buscan representar un conjunto de datos fundamentalmente analógicos en un formato digital. Debido al diseño de señales de vídeo analógicas, que representan información de luminancia (luma) y color (crominancia, croma) por separado, un primer paso común en la compresión de imágenes en el diseño de códecs 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 descorrelación de las señales de color; y segundo, separa la señal luma, que es perceptualmente mucho más importante, de la señal cromática, que es menos importante perceptualmente y que se puede representar con una resolución más baja utilizando submuestreo cromático para lograr una compresión de datos más eficiente. Es común representar los ratios 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 vídeo para Web y DVD utilizan un patrón de muestreo de color 4:2:1, y el estándar DV utiliza proporciones de muestreo 4:1:1. Códecs de vídeo profesionales diseñados para funcionar a tasas de bits mucho más altas y grabar 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). [13]
También vale la pena señalar que los códecs de vídeo también pueden funcionar en el espacio RGB. Estos códecs tienden a no muestrear los canales rojo, verde y azul en proporciones diferentes, ya que hay menos motivación perceptiva para hacerlo; solo el canal azul podría estar submuestreado.
También se puede utilizar cierta cantidad de reducción de resolución espacial y temporal para reducir la velocidad de datos sin procesar antes del proceso de codificación básico. La transformación de codificación más popular es la DCT 8x8. Los códecs que utilizan una transformada wavelet también están ingresando al mercado, especialmente en flujos de trabajo de cámaras que implican lidiar con el formato de imágenes RAW en secuencias de movimiento. Este proceso implica representar la imagen de vídeo como un conjunto de macrobloques . Para obtener más información sobre esta faceta crítica del diseño de códecs de vídeo, consulte B-frames . [14]
Primero se cuantifica la salida de la transformación y luego se aplica la codificación de entropía a los valores cuantificados. Cuando se ha utilizado una DCT, los coeficientes normalmente se escanean usando un orden de escaneo en zig-zag, y la codificación de entropía generalmente combina una cantidad de coeficientes cuantificados consecutivos con valor cero 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 suele utilizar tablas de codificación de longitud variable . Algunos codificadores comprimen el vídeo en un proceso de varios pasos llamado codificación de n pasos (por ejemplo, 2 pasos), que realiza una compresión más lenta pero potencialmente de mayor calidad.
El proceso de decodificación consiste en realizar, en la medida de lo posible, una inversión de cada etapa del proceso de codificación. [15] La única etapa que no se puede invertir exactamente es la etapa de cuantificación. Allí se realiza una aproximación de inversión al mejor esfuerzo. Esta parte del proceso suele denominarse cuantificación inversa o descuantificación , aunque la cuantificación es un proceso inherentemente no invertible.
Los diseños de códecs de vídeo suelen estar estandarizados o eventualmente llegar a estandarizarse, es decir, se especifican con precisión en un documento publicado. Sin embargo, sólo 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 pueda decodificarse de la manera especificada. Por este motivo, la calidad del vídeo producido al decodificar los resultados de diferentes codificadores que utilizan el mismo estándar de códec de vídeo puede variar drásticamente de una implementación de codificador a otra.
Se pueden implementar una variedad de formatos de compresión de video en PC y equipos de electrónica de consumo. Por lo tanto, es posible que haya varios códecs disponibles en el mismo producto, lo que reduce la necesidad de elegir un único formato de compresión de vídeo dominante para lograr la interoperabilidad .
Los formatos de compresión de vídeo estándar pueden ser compatibles con múltiples implementaciones de codificadores y decodificadores de múltiples fuentes. Por ejemplo, el vídeo 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 utilizan el mismo formato de vídeo.
Los códecs tienen sus cualidades y desventajas. Con frecuencia se publican comparaciones . El equilibrio entre potencia de compresión, velocidad y fidelidad (incluidos los artefactos ) suele considerarse la cifra de mérito técnico más importante.
El material de vídeo en línea está codificado mediante una variedad de códecs, y esto ha llevado a la disponibilidad de paquetes de códecs: un conjunto preensamblado de códecs de uso común combinados con un instalador disponible como paquete de software para PC, como K-Lite Codec Pack. , Perian y paquete de códecs comunitarios combinados .