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Reducción de defectos visibles en sistemas de video digital

Cuando en una cadena de distribución un flujo continuo de video digital se somete a varios procesos de compresión/decompresión es perfectamente posible que en cada paso el codificador haga su trabajo de forma diferente, y ahí es donde empiezan los problemas.

Una de las principales limitaciones que tienen las señales de video convertidas en flujos digitales con compresión MPEG es que no son editables. Aunque el flujo de bits que transmitimos transporta una representación digital y reducida de una señal de video conformada por cuadros separados en la práctica es necesario descomprimir esa señal para poder procesarla.

Paradójicamente esto nos lleva a que la utilización de flujos MPEG para transportar señales de video genera un potencial importante de deterioro de la imagen por la utilización de varios pasos de compresión/decompresión a lo largo de una cadena de distribución. El uso de varios codecs en cascada produce daños imprevisibles en la imagen, pues son muchas las variables involucradas en los procesos de compresión MPEG.

Lo grave del asunto reside en que en la práctica es imposible controlar desde el origen cuál va a ser el resultado de la decodificación de un flujo MPEG que llega a su destino después de cuatro o cinco procesos de compresión/decompresión que pueden o no ser parcialmente incompatibles entre sí. Tratemos de revisar someramente como se manejan estas situaciones en el mundo real.

Los ingredientes...

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Vamos a plantear desde la perspectiva de ingeniería un escenario típico de producción que involucra el uso de flujos MPEG. Se trata de la transmisión de un partido de fútbol que debe ser entregada a un sistema de televisión satelital.

La primera parte del proceso es muy compleja pero en la práctica no presenta mayores problemas. Instalar la unidad móvil, hacer pruebas y entregar señales de audio y video es algo que sabemos hacer. Ahora bien, estas señales deben pasar por algún tipo de enlace para llegar hasta los centros de transmisión, y tal como están las cosas es muy posible que utilicemos un enlace digital basado en compresión MPEG.

Una vez que nuestra señal llega al canal la decodificamos para convertirla en una señal 601 y la ponemos en nuestro router. Esta señal pasa a una sala de control donde se inserta el logo del canal y algunos gráficos. Posteriormente este feed "marcado" se somete a otro proceso de compresión para poder ser transmitido vía satélite a nuestro cliente internacional. Muchas veces olvidamos que la señal que entregamos debe pasar por varios "saltos" antes de llegar a su destino final... en este caso asumamos que vamos a comunicarnos directamente con un gran telepuerto que recibe nuestro feed, lo descomprime e inmediatamente lo recomprime para enviarlo por fibra óptica al centro de transmisión del sistema de DTH. Allí se descomprime nuevamente para poder insertarle logos y gráficos... y al final vuelve a ser comprimido para enviarlo al centro de contribución donde se descomprime para poder comprimirlo nuevamente y así "empaquetarlo" junto con los otros 64 canales que constituyen el paquete premium que nuestro proveedor de DTH ofrece orgullosamente a sus clientes.

El resultado...

Después de todo el proceso anterior el televidente recibirá una señal que aunque tiene el look limpio y estable propio de los procesos digitales presenta muchos defectos visibles originados por la concatenación de los errores originados por cada paso de compresión. Es posible que en medio de la emoción del partido el televidente corriente no perciba los pequeños saltos en la imagen del balón, la especie de halo que aparece alrededor de los jugadores que corren o el aspecto extraño del público en las panorámicas, pero el hecho es que los defectos están ahí.

El uso de pasos sucesivos de compresión/decompresión en las cadenas de distribución introduce daños irreversibles en la imagen y esta situación se deriva fundamentalmente de las grandes diferencias entre los procesos de codificación MPEG utilizados por cada fabricante de equipos.

Posible solución...

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Uno de los más importantes fabricantes de equipos para televisión ha puesto en el mercado una serie de equipos que ofrecen la posibilidad de minimizar los errores ocasionados por los pasos sucesivos de compresión. El eje de la propuesta de Snell&Wilcox es el uso de la tecnología MOLE ("El Topo"), que fundamentalmente es un sistema que permite reproducir la codificación MPEG original en cada uno de los pasos de la cadena de distribución.

Los sistemas basados en MOLE aprovechan la posibilidad de transmitir información adicional en los flujos MPEG para incluir en los mismos la información sobre cómo se hizo el primer paso de codificación a partir de una señal en banda base. En el caso de nuestro ejemplo, si en el estadio se utilizara un codificador habilitado para MOLE entonces el flujo MPEG del primer enlace incluiría la información exacta sobre tamaño y posición de macrobloques, secuencias GOP utilizadas y procedimiento de reducción de datos aplicado a cada parte de la imagen.

Al llegar la señal a nuestra sala de control la información MOLE estaría embebida en la señal 601 con la que entramos al switcher que hace el trabajo de insertar logos y títulos, y atravesaría sin ningún problema toda la cadena hasta llegar al siguiente codificador.

Un codificador/re-codificador habilitado para MOLE tiene la capacidad de recuperar los datos embebidos en una señal 601 y clonar la compresión original pixel por pixel, lo que implica que en todos los macrobloques que no hayan sido afectados a su paso por el switcher se reproducirá exactamente el procedimiento original de compresión, sin desechar información adicional en el nuevo paso de compresión. En la práctica esto equivale a contar con un sistema de transporte transparente que reduce notoriamente el efecto de la concatenación de errores al conservar la calidad de imagen lograda con el primer paso de compresión que haya introducido información MOLE.

¿Qué pasa con los macrobloques que si han sido modificados a su paso por el switcher? Estos segmentos de la imagen son comprimidos de forma convencional y se genera nueva información MOLE para prevenir daños en pasos posteriores. En el caso de un logo que aparezca en una esquina de la pantalla solamente se recomprimirán los bloques adyacentes al logo, minimizando de esta forma el deterioro global de la imagen.

Con la adición de procedimientos como MOLE es posible aumentar significativamente la calidad de las señales transmitidas a través de cadenas de distribución convencionales, y se simplifica de manera importante la instalación de sistemas de contribución, pues estos pueden recurrir a entornos sin compresión para el procesamiento de señales sin temor a deteriorar las señales de forma innecesaria.

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Una reflexión final: A pesar de su aparente complejidad el sistema MOLE no es más que una aplicación inteligente de la capacidad de los flujos de video digital para transportar metadatos. No hay que olvidar que un conjunto amorfo de bits puede representar cualquier cosa... hasta un programa automatizado de control de calidad.

¿Por qué produce daños en la imagen el uso de varios pasos sucesivos de compresión MPEG?

El principio fundamental de los procesos de compresión de video digital es la supresión de información redundante la cual, en teoría, no debe afectar la percepción de la imagen. Normalmente esto se logra mediante un análisis estadístico de la imagen basado en regiones de pixels de tamaño fijo conocidas como macrobloques. El resultado del análisis de cada macrobloque se filtra según las metas de ancho de banda y/o calidad de imagen que se quieran lograr, y la información resultante constituye la versión comprimida del flujo de video original.

Un codec (codificador/decodificador) es la pieza de hardware o software que hace el intenso trabajo aritmético que conlleva la reducción de la rata de datos de un flujo continuo de información digital. Cada fabricante desarrolla sus propios codecs siguiendo con mayor o menor exactitud los estándares establecidos por los organismos de normalización y tratando siempre de obtener mejoras en función de calidad o eficiencia.

Algunos sistemas de compresión comparan los macrobloques de cada cuadro con los de los siguientes, lo que les permite eliminar también las redundancias temporales de la imagen (por ejemplo la repetición de un elemento estático en varios cuadros consecutivos). El análisis temporal de la imagen es el principio básico de los sistemas MPEG, que se han convertido en el estándar de facto de la industria para aplicaciones de distribución de video digital.

Los sistemas de compresión MPEG codifican el video digital como una sucesión de tres tipos de paquetes de información: Cuadros I, que son básicamente cuadros JPEG, cuadros B que almacenan información sobre los cambios ocurridos respecto a los cuadros anteriores y cuadros P que almacenan predicciones acerca de los cambios que pueden ocurrir en los siguientes cuadros. Los cuadros I/B/P se agrupan en secuencias de tamaño fijo o variable que se conocen como paquetes GOP (group of pictures). Por otra parte el sistema de muestreo del video puede variar... algunos sistemas MPEG manejan video 4:2:2, otros utilizan 4:2:0... y adicionalmente se reserva "espacio" para transporte de audio y metadatos...

Conclusión inmediata: La codificación de flujos MPEG es una tarea difícil, que requiere gran capacidad de procesamiento. Por esto se dice que los sistemas MPEG son asimétricos. ¿Qué quiere decir esto? Que un decodificador MPEG de bajo costo puede tener la capacidad de manejar flujos de video comprimido originados por diferentes codificadores, pues estos codificadores son equipos complejos y costosos que hacen el trabajo difícil: generar flujos de video digital que incluyen la información necesaria para descomprimirlos de forma exitosa.

Esto quiere decir que (casi siempre) los decodificadores MPEG pueden manejar cualquier flujo de video comprimido que reciban, aunque varíen significativamente el tamaño del GOP, de los macrobloques o incluso la resolución espacial de la imagen (la cantidad de pixels que la conforman). Y es posible que en algunos casos un decodificador "comprenda" mejor que otro algún flujo de video digital.

Ahora bien, cuando en una cadena de distribución un flujo "continuo" de video digital se somete a varios procesos de compresión/decompresión es perfectamente posible que en cada paso el codificador haga su trabajo de forma diferente, y ahí es donde empiezan los problemas.

Si el tamaño de los macrobloques varía el proceso de compresión de la imagen ésta va a ser totalmente diferente. Y si la estructura del GOP cambia el asunto se complica aún más, pues la pérdida de calidad de imagen inherente al proceso de compresión puede aplicarse a cuadros de video que contienen los defectos introducidos por los pasos anteriores.

Resultado final: Cada paso de compresión agrega defectos a la imagen. Y uno de los factores más importantes en este proceso de deterioro "en cascada" es la intervención de codecs de varios fabricantes que manejan algoritmos muy diferentes, aunque sean compatibles en la fase de decodificación.

Esta es otra de las razones por las que "digital" no es siempre sinónimo de "bueno"... y aunque la industria ya ofrece soluciones para este tipo de problemas hay que tomar siempre en cuenta la necesidad de contar con los problemas de concatenación de errores al diseñar sistemas de transporte de video digital.

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