La compresión digital: ¿qué significa esta tecnología revolucionaria y cómo trabaja?

Por estos días "Compresión Digital" se ha convertido en un término familiar para cualquier persona relacionada con la producción de televisión. Todos estamos de acuerdo en que es la tecnología más revolucionaria de los años 90, pues nos permite lograr cosas que hace algunos años parecían imposibles como enviar (y recibir) 180 canales de televisión por satélite, o grabar imágenes de buena calidad en cinta de 4 mm de ancho. Incluso posibilita grabar películas completas en discos compactos, y ver inestables clips de video en nuestros computadores domésticos.

Pero, ¿qué significa exactamente esta tecnología revolucionaria, y cómo trabaja? Comprimir es reducir el tamaño, volumen, concentración o densidad de un objeto. Un motor de combustión interna comprime una mezcla de gases para lograr una explosión. Un fabricante de ladrillos comprime una mezcla de arcilla en un molde para formar un bloque homogéneo. Muy diferente resulta cuando un sistema de video o audio digital comprime su información para aprovechar mejor el "espacio" de sus discos duros. En sentido físico comprimir está relacionado con aplicar presión para lograr un cambio, pero esto no es lo que ocurre con la compresión digital. El "espacio libre" de un disco duro es un espacio virtual conformado por una gran cantidad de "celdas" inamovibles. Es imposible acomodar dos bytes en donde sólo cabe uno. La información digital está conformada por unidades discretas, y por eso se comporta de forma diferente que la arcilla.

El video digital es una representación de imágenes en movimiento como información digital, información que puede ser "comprendida" y manipulada por los computadores, y descrita mediante bits y bytes. Digitalizar el video tiene muchas ventajas, pues una vez que se convierten las imágenes en un "paquete" de información digital desaparecen los problemas mecánicos, magnéticos y electrónicos que hacen que el video análogo se deteriore inexorablemente. Además el video digitalizado puede almacenarse en medios más estables que la cinta magnética y se manipula con más facilidad que el video análogo, si se dispone de los equipos adecuados.

Pero la digitalización del video tiene un grave inconveniente: Para representar de forma digital una sola imagen se necesita una cantidad muy grande de bits, aproximadamente cinco millones y medio, que describen la conformación de casi 350.000 pixeles o elementos de imagen. Y es necesario repetir la misma operación 25 o 30 veces por segundo, adicionando la información correspondiente a uno o varios canales de sonido digitalizado.

Manejar video digital en un computador representa un problema de almacenamiento de transmisión de información, especialmente si se espera que el computador capture y reproduzca el video en tiempo real. Esto implica que el computador sea capaz de entregar información digital convertida en imágenes a la misma velocidad a la que estas imágenes se generan, a razón de 150 o 180 millones de bits por segundo.

Cumplir con estos requisitos es técnicamente posible. De hecho, actualmente existen en el mercado varios sistemas que manejan video digital sin utilizar compresión. Sin embargo, se trata de equipos muy costosos y que en la mayoría de los casos tienen una capacidad de almacenamiento muy limitada.

Para representar un segundo de video digital sin compresión se necesitan alrededor de 20 megabytes. Si se trata de reproducir este video, el computador debe movilizar 1.2 gigabytes de información por minuto. Y para un computador no es fácil sostener un flujo de información digital de este volumen de forma continua. Para lograrlo se necesita una gran capacidad de procesamiento, un diseño muy eficiente y discos duros especiales.

Una de las opciones para facilitar esta tarea es procesar el flujo de datos aplicando algún sistema de reducción de su volumen, de tal forma que se reduzca la demanda de capacidad del computador para almacenar y entregar el video digital. Este es precisamente el principio básico de la compresión digital. Se trata de codificar de alguna manera la información digital que representa el video para lograr un uso más eficiente del espacio de almacenamiento y de los recursos del computador. Esto hace necesario comprimir la información en el momento de capturar el video y descomprimirla nuevamente cada vez que se quiera verlo, lo cual implica un esfuerzo adicional de procesamiento de datos pues el computador debe estar descomprimiendo el video constantemente mientras se usa. Sin embargo, normalmente resulta más sencillo aumentar la capacidad de procesamiento que la de almacenamiento.

Pero, ¿cómo puede lograrse una reducción efectiva del volumen de información sin afectar la calidad de imagen? Afortunadamente para los ingenieros de software una característica básica de las secuencias de imágenes en movimiento es la redundancia. Las imágenes son redundantes de varias formas. Por una parte es posible encontrar áreas de colores uniformes dentro de un solo cuadro de video. Y además es posible que estas áreas se conserven sin cambio durante varios cuadros. Podemos hablar entonces de redundancia espacial, que ocurre dentro del espacio que describe un solo cuadro, y de redundancia temporal, que se da por la persistencia de partes de la imagen en varios cuadros. Una forma simple de compresión digital puede darse manipulando la información que describe un solo cuadro. Si estamos digitalizando un plano general con una gran área de cielo azul se puede almacenar un código que represente una cantidad determinada de puntos o pixeles azules, y esto será más eficiente que guardar la misma cantidad de pixeles azules. Este es un sistema de codificación lineal cuya eficiencia varía dramáticamente según la cantidad de detalles que se encuentren en la imagen. Si el mapa de pixeles que representa la imagen tiene una gran diversidad no se podrá lograr una compresión efectiva. Si la imagen no tiene muchos detalles se podrá comprimir notablemente.

Si se toma la opción de comprimir el video en función de las variaciones temporales encontramos un grave inconveniente: Para determinar cuáles son los cambios de la imagen necesitamos comparar constantemente la imagen que tratamos de comprimir con las anteriores, y luego con las siguientes.

En algunos casos esto hace que sea complicado diseñar procedimientos para aplicar este tipo de compresión, pues requiere una gran capacidad de procesamiento y manipulación de datos. Sin embargo los procesos de compresión basados en redundancia temporal son mucho más eficientes que los otros, por lo cual resultan especialmente adecuados para los casos en que es especialmente crítico el espacio de almacenamiento.

Al aplicar cualquier procedimiento de compresión digital a un flujo de información aparece un problema adicional. Si tenemos como premisa que nuestro sistema de video digital debe capturar y entregar imágenes en tiempo real, entonces se cuenta con un tiempo limitado para comprimir y descomprimir cada cuadro de video. Todo el proceso debe durar 1/25 o 1/30 de segundo. Hasta el momento no ha sido posible desarrollar sistemas de compresión que permitan una compresión óptima del video dentro de estos límites de tiempo.

En teoría es perfectamente posible lograr una compresión óptima del video conservando intactos todos los elementos que describen la imagen original. Sin embargo, este tipo de compresión presentaría varios problemas. Por una parte, el resultado de la compresión es impredecible, pues está directamente relacionado con la complejidad de la imagen. Si se intentara procesar una imagen compuesta de pixeles completamente diferentes entre sí no sería posible comprimirla. Además la complejidad de la imagen afectaría el tiempo en el que se efectuaría el proceso de compresión. Y al enfrentar una tarea que requeriría niveles variables de capacidad de procesamiento sería difícil asegurar un funcionamiento estable de los computadores dedicados a esta tarea.

Para poder implementar sistemas viables de compresión/decompresión de video contando con las limitaciones actuales de tiempo y capacidad de procesamiento ha sido necesario desarrollar procedimientos que logren una "traducción" válida de la imagen aunque deban desechar parte de los elementos que la conforman. Estos esquemas de compresión tratan de lograr imágenes de calidad aceptable almacenando la mínima cantidad posible de información digital. Esto implica que deben desechar algunos elementos de imagen para alcanzar el nivel de compresión deseado en el tiempo necesario.

Es evidente que las imágenes de mayor diversidad sufrirán cierto deterioro durante este proceso, pues será necesario desechar más elementos de imagen para alcanzar a cumplir las metas establecidas de reducción de flujo de datos. En la práctica, mientras más se exija del procedimiento de compresión más se deterioran las imágenes.

A fin de aumentar la efectividad de los procedimientos de compresión digital se han implementado varias técnicas, algunas de ellas externas al proceso mismo de compresión. Por ejemplo, algunos sistemas de video digital aplican "filtros" al video análogo que se quiere procesar. De esta forma se reduce su contraste, se eliminan detalles y se disminuye la diversidad de colores para lograr una compresión más eficiente. Otra opción es reducir la resolución del video, reduciendo la cantidad de pixeles que describen cada imagen. En algunos casos se reduce la cantidad de información que contiene cada pixel, especialmente la relacionada con las variaciones de color. Algunos de estos procedimientos alteran de forma notable el aspecto del video antes de ser comprimido. Sin embargo, es imposible de evaluar de forma objetiva la calidad de la imagen. De hecho, las imágenes que pueden parecer de calidad inaceptable para un ingeniero de televisión pueden resultar muy agradables para un espectador desprevenido. Y lo mismo ocurre con las imágenes comprimidas: Aunque en algunos casos resulta evidente el deterioro ocasionado por el proceso de compresión, las imágenes finales pueden considerarse adecuadas para muchas aplicaciones.

Por otra parte se han desarrollado sistemas de codificación de información comprimida que permiten efectuar un muestreo más eficiente de la diversidad de los pixeles que conforman la imagen. Por ejemplo puede recurrirse a un sistema de codificación variable, en el que las secuencias de bits no se utilicen de forma uniforme para describir los pixeles. De este modo se pueden utilizar menos bits para describir los pixeles de ocurrencia más frecuente, y así es posible reconstruir con mayor fidelidad la imagen original usando menos espacio de almacenamiento.

También es viable usar sistemas de análisis por bloques que permiten determinar con precisión la frecuencia de aparición de cada pixel en cada sector del cuadro, generando un "lenguaje de compresión" específico para cada imagen. Incluso pueden combinarse de forma dinámica la compresión espacial y la temporal para lograr mayor eficiencia. Los sistemas de compresión de uso más frecuente en la actualidad utilizan este tipo de recursos para lograr mejor calidad de imagen. Estos desarrollos de software han permitido desarrollar sistemas de compresión en los que no existe una relación directa entre el volumen de la información comprimida y la calidad de la imagen descomprimida. Por ejemplo, el uso de una compresión 2:1 no necesariamente implica que se hayan desechado el 50% de los elementos que conformaban la imagen original. Lo anterior ha permitido que prospere el uso de sistemas de compresión destructiva, que si bien afectan la calidad de la imagen lo hacen dentro de niveles que pueden resultar aceptables para muchos usos.

Es innegable que los sistemas de producción y postproducción basados en video digital comprimido han alcanzado un nivel de funcionalidad que los hace prácticos para muchas aplicaciones. Los desarrollos más recientes, especialmente en el campo del software, han llevado a la aparición de editores no-lineales, sistemas de gráficos y de distribución de video que pueden resultar sumamente productivos mientras mantienen un nivel de calidad de imagen por lo menos aceptable. Según algunos fabricantes de equipos de video digital es posible utilizar niveles de compresión de 4:1 o 5:1 para lograr imágenes de calidad broadcast y sin que se perciba un deterioro visible de la imagen. Sin embargo, al evaluar imágenes de video comprimido hay que tomar en cuenta varios factores. Primero, la calidad de la imagen comprimida nunca puede superar a la de la imagen original. Si se ha originado el material con equipo de tipo doméstico no puede esperarse un resultado excelente, aunque paradójicamente este video de menor resolución puede responder mejor al proceso de compresión. Al utilizar video de mejor calidad se harán más evidentes los efectos de la compresión, especialmente para quienes hayan aprendido a reconocerlos. Segundo, no hay que confundir la desaparición de los problemas característicos del video análogo con una "mejora" real del video. Es posible que la desaparición de los saltos y rayas haga más agradable el video, pero esto no evita la aparición de los defectos introducidos por la compresión. El video digital tendrá mayor estabilidad, pero puede presentar deterioro en la definición de los bordes, pérdida de detalle en las partes oscuras e incluso pérdida de contraste. Los algoritmos más sofisticados tienden a desechar información precisamente en las partes de la imagen donde las variaciones son menos notorias. Tercero, la calidad del video comprimido debe evaluarse en función de la aplicación. Existe una tendencia a asimilar los grados de compresión con las características de los diferentes formatos de video análogo, y esto no es válido en todos los casos. No puede afirmarse categóricamente que una compresión de 16:1 equivale a una grabación en VHS, o que un nivel de 4:1 es similar al BETACAM SP. Factores como el uso de filtros ópticos, de determinados niveles de luz o las características de una cámara pueden hacer variar la respuesta de los sistemas de compresión. Por ejemplo, las imágenes de bajo contraste tienden a perder más detalle al comprimirse, independientemente del formato en que se hayan originado. Por último, hay que tomar en cuenta el propósito de los sistemas de video digital y su adecuación para tareas específicas. Resulta tonto, por decir lo menos, querer finalizar programas en un editor no-lineal diseñado para trabajo off-line o pretender editar un documental de 45 minutos en un sistema de efectos especiales con 3 minutos de almacenamiento. Además, como muchos hemos comprobado, es necesario adaptar los sistemas de trabajo a las ventajas y limitaciones de la nueva tecnología. Quienes convierten sus sesiones de edición en interminables horas de revisión de cintas no podrán adaptarse con facilidad a los editores no-lineales con almacenamiento limitado. Y quienes no comprendan los alcances de los sistemas de video digital no lograrán usarlos de forma productiva.

La compresión digital de video pone a nuestro alcance un nuevo repertorio de herramientas de costo relativamente bajo y gran capacidad, pero no podemos esperar usarlas de forma exitosa si no hacemos un esfuerzo por generar una cultura profesional adecuada a sus peculiaridades.