H.264/MPEG-4 AVC

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a: navegación, búsqueda

H.264 o MPEG-4 parte 10 es una norma que define un códec de vídeo de alta compresión, desarrollada conjuntamente por el ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) y el ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). La intención del proyecto H.264/AVC fue la de crear un estándar capaz de proporcionar una buena calidad de imagen con tasas binarias notablemente inferiores a los estándares previos (MPEG-2, H.263 o MPEG-4 parte 2), además de no incrementar la complejidad de su diseño.

Para garantizar un ágil desarrollo de la misma, la ITU-T y la ISO/IEC acordaron unirse para desarrollar conjuntamente la siguiente generación de códecs de vídeo. El Joint Video Team (JVT) estaba formado por expertos del VCEG y MPEG y nació en diciembre de 2001 con el objetivo de completar el desarrollo técnico del estándar hacia 2003. La ITU-T planeó adoptar el estándar bajo el nombre de ITU-T H.264 e ISO/IEC bajo el nombre de MPEG-4 Parte 10 Códec de Vídeo Avanzado (AVC) y de aquí surgió el nombre híbrido de H.264/MPEG-4 AVC. Para empezar a programar el código del nuevo estándar adoptaron las siguientes premisas:

  • La estructura DCT + Compensación de Movimiento de las versiones anteriores era superior a otros estándares y por esto no había ninguna necesidad de hacer cambios fundamentales en la estructura.
  • Algunas formas de codificación de vídeo que habían sido excluidas en el pasado debido a su complejidad y su alto coste de implementación se volverían a examinar para su inclusión puesto que la tecnología VLSI había sufrido un adelanto considerable y una bajada de costes de implementación.
  • Para permitir una libertad máxima en la codificación y evitar restricciones que comprometan la eficiencia, no se contempla mantener la compatibilidad con normas anteriores.

Características[editar]

El uso inicial del MPEG-4 AVC estuvo enfocado hacia el vídeo de baja calidad para videoconferencia y aplicaciones por Internet, basado en 8 bits/muestra y con un muestreo ortogonal de 4:2:0. Esto no daba salida al uso de este códec en ambientes profesionales que exigen resoluciones más elevadas, necesitan más de 8 bits/muestra y un muestreo de 4:4:4 o 4:2:2, funciones para la mezcla de escenas, tasas binarias más elevadas, poder representar algunas partes de video sin pérdidas y utilizar el sistema de color por componentes RGB. Por este motivo surgió la necesidad de programar unas extensiones que soportasen esta demanda. Tras un año de trabajo intenso surgieron las “extensiones de gama de fidelidad” (FRExt) que incluían:

  • Soporte para un tamaño de transformada adaptativo.
  • Soporte para una cuantificación con matrices escaladas.
  • Soporte para una representación eficiente sin pérdidas de regiones específicas.

Este conjunto de extensiones denominadas de "perfil alto" son:

  • La extensión High que soporta 4:2:0 hasta 8 bits/muestra.
  • La extensión High-10 que soporta 4:2:0 hasta 10 bits/muestra.
  • La extensión High 4:2:2 que soporta hasta 4:2:2 y 10 bits/muestra.
  • La extensión High 4:4:4 que soporta hasta 4:4:4 y 12 bits/muestra y la codificación de regiones sin pérdidas.

A continuación podemos ver una tabla con más especificaciones sobre estos perfiles en contraste con el perfil original:

Original High High 10 High 4:2:2 High 4:4:4
slices I y P
slices B NO
slices SI y SP NO NO NO NO NO
imágenes de referencia múltiples
filtro "deblocking"
codificación CAVLC
codificación CABAC NO
ordenación flexible de macrobloques (FMO) NO NO NO NO
ordenación arbitraria de slices (ASO) NO NO NO NO
slices redundantes (RS) NO NO NO NO
partición de datos (DP) NO NO NO NO NO
codificación entrelazada NO
formato 4:2:0
formato monocromo (4:0:0) NO
formato 4:2:2 NO NO NO
formato 4:4:4 NO NO NO NO
8 Bits/píxel
9 y 10 Bits/píxel NO NO
11 y 12 Bits/píxel NO NO NO NO
transformada 8x8 NO
matrices de cuantificación NO
cuantificación Cb y Cr separadas NO
codificación sin pérdidas NO NO NO NO
Original High High 10 High 4:2:2 High 4:4:4

Niveles[editar]

Número de nivel Max. macrobloques por segundo Max. tamaño de trama (macrobloques) Max. video bit rate (VCL) para Baseline, Extended and Main Profiles Max. video bit rate (VCL) para High Profile Max. video bit rate (VCL) para High 10 Profile Max. video bit rate (VCL) para High 4:2:2 and High 4:4:4 Predictive Profiles Ejemplos para alta resolución @
frame rate
(max stored frames)
in Level
1 1485 99 64 kbit/s 80 kbit/s 192 kbit/s 256 kbit/s 128x96@30.9 (8)
176x144@15.0 (4)
1b 1485 99 128 kbit/s 160 kbit/s 384 kbit/s 512 kbit/s 128x96@30.9 (8)
176x144@15.0 (4)
1.1 3000 396 192 kbit/s 240 kbit/s 576 kbit/s 768 kbit/s 176x144@30.3 (9)
320x240@10.0 (3)
352x288@7.5 (2)
1.2 6000 396 384 kbit/s 480 kbit/s 1152 kbit/s 1536 kbit/s 320x240@20.0 (7)
352x288@15.2 (6)
1.3 11880 396 768 kbit/s 960 kbit/s 2304 kbit/s 3072 kbit/s 320x240@36.0 (7)
352x288@30.0 (6)
2 11880 396 2 Mbit/s 2.5 Mbit/s 6 Mbit/s 8 Mbit/s 320x240@36.0 (7)
352x288@30.0 (6)
2.1 19800 792 4 Mbit/s 5 Mbit/s 12 Mbit/s 16 Mbit/s 352x480@30.0 (7)
352x576@25.0 (6)
2.2 20250 1620 4 Mbit/s 5 Mbit/s 12 Mbit/s 16 Mbit/s 352x480@30.7(10)
352x576@25.6 (7)
720x480@15.0 (6)
720x576@12.5 (5)
3 40500 1620 10 Mbit/s 12.5 Mbit/s 30 Mbit/s 40 Mbit/s 352x480@61.4 (12)
352x576@51.1 (10)
720x480@30.0 (6)
720x576@25.0 (5)
3.1 108000 3600 14 Mbit/s 17.5 Mbit/s 42 Mbit/s 56 Mbit/s 720x480@80.0 (13)
720x576@66.7 (11)
1280x720@30.0 (5)
3.2 216000 5120 20 Mbit/s 25 Mbit/s 60 Mbit/s 80 Mbit/s 1280x720@60.0 (5)
1280x1024@42.2 (4)
4 245760 8192 20 Mbit/s 25 Mbit/s 60 Mbit/s 80 Mbit/s 1280x720@68.3 (9)
1920x1088@30.1 (4)
2048x1024@30.0 (4)
4.1 245760 8192 50 Mbit/s 62.5 Mbit/s 150 Mbit/s 200 Mbit/s 1280x720@68.3 (9)
1920x1088@30.1 (4)
2048x1024@30.0 (4)
4.2 522240 8704 50 Mbit/s 62.5 Mbit/s 150 Mbit/s 200 Mbit/s 1920x1088@64.0 (4)
2048x1088@60.0 (4)
5 589824 22080 135 Mbit/s 168.75 Mbit/s 405 Mbit/s 540 Mbit/s 1920x1088@72.3 (13)
2048x1024@72.0 (13)
2048x1088@67.8 (12)
2560x1920@30.7 (5)
3680x1536/26.7 (5)
5.1 983040 36864 240 Mbit/s 300 Mbit/s 720 Mbit/s 960 Mbit/s 1920x1088@120.5 (16)
4096x2048@30.0 (5)
4096x2304@26.7 (5)
Número de niveles Max. macrobloques por segundo Max. tamaño de trama (macrobloques) Max. video bit rate (VCL) for Baseline, Extended and Main Profiles Max. video bit rate (VCL) for High Profile Max. video bit rate (VCL) for High 10 Profile Max. video bit rate (VCL) for High 4:2:2 and High 4:4:4 Predictive Profiles Ejemplos para alta resolución @
frame rate
(max stored frames)
in Level

Nuevas especificaciones[editar]

H.264/MPEG-4 AVC no supone una gran tecnología con respecto a las normas de codificación de vídeo anteriores. Las diferencias se pueden encontrar a pequeña escala sobre el principio general de codificación (predicción, transformada, cuantificación, etc.). La clave de todo ello es la menor cuantía de información que se necesita almacenar en los videos codificados mediante este códec.

Tipos de imágenes[editar]

Podemos encontrar las mismas imágenes que en las normas precedentes (Imágenes I, P y B) y dos nuevas, la SP (Switching P) y la SI (Switching I) que sirven para codificar la transición entre dos flujos de vídeo. Permiten, sin enviar imágenes intra muy costosas en tiempos de procesamiento, pasar de un vídeo a otro utilizando predicción temporal o espacial como antes, pero con la ventaja que permiten la reconstrucción de valores específicos exactos de la muestra aunque se utilicen imágenes de referencia diferentes o un número diferente de imágenes de referencia en el proceso de predicción.

Compensación de movimiento[editar]

El proceso de compensación de movimiento es diferente de las normas precedentes puesto que propone una gran variedad de formas y de particiones de bloques. De cara a la compensación de movimiento, cada macrobloque, aparte del tamaño original (16x16 píxeles), puede ser descompuesto en subbloques de 16 x 8, 8 x 16 u 8 x 8 píxeles. En este último caso, es posible descomponer a su vez cada subbloque de 8 x 8 píxeles en particiones de 8 x 4, 4 x 8 o 4 x 4 píxeles. Antes, el estándar más novedoso introducía particiones de 8x8. Esta variedad de particiones proporciona una mayor exactitud en la estimación, a lo que se suma una precisión que puede llegar hasta un cuarto de píxel.

Transformada[editar]

Es una aproximación a la DCT (transformada discreta del coseno) que viene utilizándose en vídeo pero con las siguientes particularidades:

  • Tamaño: 4x4 píxeles (8x8 en los perfiles FRExt).
  • Coeficientes enteros: lo que permite evitar los errores de redondeo habituales en la DCT clásica (coeficientes irracionales) y garantizar un ajuste perfecto entre la transformación directa y la inversa.
  • Precisión finita: Otra consecuencia favorable de la característica anterior es que se puede calcular sin exceder los 16 bits de precisión.
  • Eficiencia: Se puede implementar exclusivamente por medio de sumas y desplazamientos binarios.
Matcast.jpg

Cuantificación[editar]

Cada paso del parámetro de cuantificación (QP) incrementa un 12,5% el intervalo de cuantificación, lo que equivale a duplicarlo por cada 6 pasos. El rango dinámico del QP ha aumentado respecto a normas precedentes, puesto que los valores van de 0 a 51. Los macrobloques se cuantifican utilizando un parámetro de control que puede cambiar adaptándose al bloque ehor cada bit adicional (partiendo de 8 bits, 52 pasos). Además, para poder conseguir los mejores resultados visuales la cuantificación de la crominancia es más esmerada que la de luminancia.

Filtro de "deblocking"[editar]

H.264 también integra un filtro antibloques que mejora la eficacia de compresión y la calidad visual de las secuencias de vídeo eliminando efectos indeseables de la codificación como por ejemplo el efecto de bloques.

Exploración de los coeficientes[editar]

Existen dos modos de exploración de los coeficientes transformados: "zig-zag" y "zig-zag inverso". El segundo modo de exploración permite en particular la lectura del macrobloque en sentido contrario para poder funcionar con la codificación entrópica adaptativa.

Zgcast.jpg

Codificación entrópica[editar]

La codificación entrópica se puede realizar de tres formas diferentes. Un primer método utilizado es el conocido UVLC (Universal Variable Length Coding). Este tipo de codificación es utilizado para codificar la gran mayoría de los elementos de sincronización y cabeceras. Los otros dos métodos son utilizados para codificar buena parte del resto de elementos sintácticos (coeficientes, vectores de movimiento). Las codificaciones utilizadas para esta tarea están basadas en VLC (Variable Length Coding) de forma adaptativa, de este concepto nace el CAVLC (Context Adaptative Variable Length Coding) y el CABAC (Context Adaptative Binary Arithmetic Coding).

Vlccast.jpg

Adaptación a la red[editar]

Conceptualmente los algoritmos están divididos en dos capas: una primera capa de codificación de vídeo VCL (Video Coding Layer) que se ocupa de representar eficazmente el contenido de vídeo y una capa de adaptación a la red NAL (Network Adaptación Layer) que está dirigida más particularmente a adaptar el formato de datos de vídeo al soporte de transmisión.

Algoritmos para la prevención de pérdidas[editar]

FMO y ASO[editar]

La ordenación flexible de macrobloques (FMO) y la ordenación arbitraria de slices (ASO) son técnicas para reestructurar la representación de las regiones fundamentales (macrobloques) aunque también pueden ser utilizadas para otros objetivos.

DP[editar]

La partición de datos (DP) proporciona la capacidad de separar los elementos de sintaxis más importantes de los menos importantes en paquetes de datos diferentes, permitiendo el uso de protección de error desigual (UEP).

RS[editar]

El algoritmo de slices redundantes (RS) permite a un codificador enviar una representación suplementaria de una región de imagen que puede ser usada si la representación primaria es corrompida o perdida.

Véase también[editar]

Enlaces externos[editar]