Códecs de video: todo es sopa de letras para nosotros

Hay muchas cosas en la vida de las que uno nunca se cansa, como el dinero, los días de vacaciones, el buen vino, la música de su banda favorita y el postre. (¡Especialmente el postre!) Agregue ancho de banda a esa lista. Depende de tener un ancho de banda «suficiente» cada vez que envía una foto a alguien desde su teléfono inteligente, transmite Hamilton a su televisor o sube un video a Facebook desde su computadora portátil.

El hecho es que existe una búsqueda interminable para usar el ancho de banda de manera más eficiente, una que la gran mayoría de nosotros ignora felizmente. Grupos de personas muy inteligentes están constantemente desarrollando y refinando algoritmos de compresión y descompresión de video (códec) para garantizar que esos selfies, la música y las letras de Lin-Manuel Miranda y los lindos videos de gatitos lleguen a donde se supone que deben ir con una degradación mínima de la señal.

Y los desarrolladores de códecs apenas pueden seguir el ritmo. Hace 27 años, vimos surgir el primer códec de alta eficiencia para manejar video de baja resolución en discos ópticos: MPEG-1, producido para el formato interactivo de disco compacto (CD-I) de corta duración. El video comprimido con MPEG-1 se veía bien en pantallas CRT pequeñas, pero en pantallas más grandes, la calidad era bastante mala. Aunque, afortunadamente, MPEG-1 y CD-I ahora son recuerdos lejanos, el formato de compresión de audio que generaron (MPEG Audio Layer 3 o MP3 para abreviar) sigue vivo hasta el día de hoy.

MPEG-1 fue seguido por MPEG-2 en 1996 para codificar discos de video digital (DVD) y comprimir video de definición estándar y alta definición para transmisión, cable y satélite. Todavía está en uso hoy. Los codificadores MPEG-2 han recorrido un largo camino en más de 20 años y pueden empaquetar dos programas HD de 720p más un puñado de programas SD en un solo canal de TV de 6 MHz, todo con una calidad visual aceptable.

Como el óxido, los expertos en compresión nunca duermen. Hace 17 años, debutó un códec más nuevo y eficiente. MPEG-4 H.264 (también conocido como Códec de video avanzado) prometió una eficiencia de compresión del 50 % sobre MPEG-2… ¡y lo cumplió! En ese momento, el video HD se estaba volviendo ampliamente adoptado en una multitud de plataformas de entrega, pero el ancho de banda disponible era lento para mantenerse al día. Con el crecimiento de la transmisión de video unos años más tarde, MPEG-4 H.264 se convirtió en el códec elegido y es compatible con todo, desde tabletas y teléfonos inteligentes hasta computadoras portátiles, televisores inteligentes, videocámaras y DSLR.

El único problema fue que el video 4K se convirtió en el último sabor a principios de la década pasada. Y para hacer el trabajo aún más difícil, el video de alto rango dinámico con su gama de colores más amplia asociada era parte del paquete 4K. ¡Pero el ancho de banda no se había mantenido! Por lo tanto, el códec de video de alta eficiencia (HEVC) se implementó en 2013, nuevamente prometiendo un 50% más de eficiencia de compresión sobre H.264. HEVC requiere bastante potencia informática para lograr ese truco, pero funciona (al igual que su pariente cercano, el códec VP9 de Google). Y no es barato licenciar.

HEVC se utiliza para el formato de disco óptico UHD Blu-ray y para la transmisión de contenido 4K desde casi cualquier lugar, excepto YouTube, que es propiedad de Google y emplea el códec «abierto» VP9. Pero los costos de licencia impulsaron a más tipos de tecnología a crear otro códec, conocido como el códec AV-1 de Alliance for Open Media (AOM). Este es un códec libre de regalías que compite con HEVC pero está destinado únicamente a la transmisión de video a través de conexiones a Internet.

Dado que las personas que desarrollan formatos de video de alta resolución siempre parecen estar unos pasos por delante de las personas encargadas de los códecs, se han propuesto más códecs en un intento de ponerse al día. Essential Video Coding (EVC o MPEG-5) se desarrolló como un códec de video alternativo para transmisión y OTT, pero con un rendimiento de transmisión al menos equivalente a HEVC. MPEG-5 Parte 2, Codificación de video mejorada de baja complejidad (LC-EVC), es otro estándar MPEG y está destinado a proporcionar una eficiencia de compresión mejorada para los códecs de video basados ​​en MPEG existentes.

Para colmo, el sucesor de HEVC H.265 ahora se prepara para subir al escenario. El códec de video versátil, o VVC, está diseñado para lograr la máxima eficiencia de compresión en todos los dispositivos y plataformas compatibles con un enfoque específico en aplicaciones como alto rango dinámico, video de alta frecuencia de cuadros, video de 360 ​​grados para realidad virtual y aumentada, y 8K. Vídeo UHD-2.

Usando métricas de imagen solo espaciales como referencia, VVC es aproximadamente un 40 % más eficiente que HEVC para la compresión UHD y HD. Sin embargo, un codificador de referencia VVC tiene aproximadamente diez veces la complejidad de un codificador de referencia HEVC, mientras que un decodificador de referencia VVC es aproximadamente el doble de complejo que un decodificador de referencia HEVC.

Debemos mencionar que HEVC, AV-1, EVC, LC-EVC y VVC son códecs que hacen un uso intensivo del software, a diferencia de los códecs MPEG-2 y H.264 AVC más antiguos que todavía se usan ampliamente. Los cinco emplean tamaños de bloque de codificación más grandes y necesitan CPU súper rápidas y mucha memoria para analizar y comprimir transmisiones de video. Por cierto, H.264 AVC no se queda atrás: ha tenido 26 actualizaciones desde que se lanzó por primera vez en 2003.

Está bien, entonces te están dando dolor de cabeza todas estas abreviaturas. (Nosotros también). La conclusión aquí es que los métodos para permitir el transporte de video comprimido de alta tasa de bits en todo, desde ondas de radiodifusión, Wi-Fi, 5G y banda ancha, se están refinando continuamente. Irás felizmente por la vida sin saber qué códec en particular se está utilizando para transmitir The Marvelous Mrs. Maisel o te permitirá ver los equipos de fútbol de Clemson y Alabama en tu iPhone. (¡Sin embargo, notará cualquier deterioro en la calidad del video como resultado de una compresión excesiva y se quejará enérgicamente a su proveedor de servicios al respecto!)

¿Habrá alguna vez un códec unificado? Ese es el objetivo, pero nadie sabe cómo, cuándo o incluso si sucederá. En la búsqueda continua de eficiencia, los diseñadores de códecs ahora están implementando inteligencia artificial (IA) para realizar un análisis ultrarrápido del video entrante y decisiones sobre qué elementos de imagen comprimir, cuánto y por cuánto tiempo.

Ya usamos una versión simple de IA para ajustar dinámicamente las tasas de bits de varios programas en una transmisión, en función del ancho de banda de red disponible en constante cambio (la configuración dinámica de la transmisión y la codificación de la tasa de bits adaptativa son dos ejemplos). Es lógico que en algún momento surja un códec unificado, uno basado en IA avanzada que pueda optimizar la entrega de video de alta resolución en cualquier red o plataforma, y ​​nos libre de la «sopa de letras» de los formatos de códec.

Soñar en…