vdcompresion

7/25/2019 VdCompresion

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Compresin de la informacin de vdeoVdeo Digital

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3. Compresin de la informacin de vdeo

3.1. Introduccin

La necesidad de la compresin en vdeo digital aparece en el momento que se tratanlas secuencias de imgenes como seales digitales. El problema principal que tiene el maneodel vdeo digital es la cantidad de bits que aparecen al reali!ar la codificacin. En la siguientetabla" se muestran varios eemplos. En ella" se considera la digitali!acin de una seal detelevisin de#$% lneas a una velocidad de $% imgenes por segundo.

Estndar &recuenciamuestreo '()'*+!)

&recuenciamuestreo'C,"C-) '*+!)

Datos 1 seg.almacenados

'*bs) '/)

Datos 1 seg.parte activa'*bs) '//)

Capacidad dedisco 10 -'mm2ss)

3232332$2$32121

14.%14.%14.%

14.%#.5%

4.45%

4$3$1#1#$

$36.61#%.71$3.3

%m $$s6m 0$s

10m 34s

'/).8 Cantidad de datos que se necesitan para almacenar 1 segundo de seal de televisin digitali!ada a lafrecuenciade muestreo real.'//).8 Cantidad de datos que se necesitan para almacenar 1 segundo de seal de televisin" eliminando todoaquello que no es directamente imagen 'intervalos de sincronismo...).

9i nos centramos en el estndar 32$2$ definido por la recomendacin :;ora aplicamos sobre esta informacin distintos factores de compresin" veremosque la eficiencia de almacenamiento aumenta considerablemente. @s para el estndar 32$2$con diferentes factores de compresin se obtendran los resultados de esta tabla2

Compresin ;amao parte activa '*bs) Capacidad en disco 10-

121$21

4.421%21

1021%021

1#%.764.0%0.444.$1#.#4.4

6m 0$s1#m 03s$#m 40s30m 10s

1> $0m $0s#> 31m 30s

En el caso de la transmisin o distribucin de seales por cualquier medio fsico'radioenlaces" redes de banda anc>a" satAlite" cable...) 9i consideramos que una transmisindigital de un canal telefnico de vo! ocupa #3 Bbs" en el anc>o de banda espectral en el que se


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enviara un canal de televisin en formato 32$2$ sin comprimir se podran enviar del orden de$%70 canales telefnicos.

uesto que" tanto el espacio en disco por minuto como el anc>o de banda radioelActricoson recursos limitados" se >ace conveniente aplicar factores de compresin para latransmisin" para el almacenamiento" e incluso para la produccin de programas. adegradacin. 9egn estas consideraciones" podemos clasificar la compresin en tres tiposdiferentes2 compresin sin pArdidas" compresin subetivamente sin pArdidas = compresin

subetivamente con pArdidas. stas" las vamos a tratar en los pr?imos prrafos.


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En la compresin sin pArdidas" la informacin original se recupera en su integridaddespuAs del proceso de compresin8descompresin. Este tipo es mu= utili!ado para lacompresin de datos informticos. Dependiendo del tipo de arc>ivo" este modo tiene niveles

de compresin variables. Con algunos arc>ivos puede llegar a compresiones de 5021" pero enotros casos" no es posible comprimir =a que el arc>ivo comprimido podra ser incluso dema=or tamao que el original.

or otra parte" con la compresin subetivamente sin pArdidas" en el proceso decompresin8descompresin" no se recupera absolutamente toda la informacin original" peroel sistema receptor" como por eemplo el sistema visual >umano" no detecta las diferencias. Enel mbito de la compresin digital de sonido e imagen" e?iste una norma general = es que loque el ojo no ve, o lo que el odo no oye, no se codifica. Este tipo de compresin" es el que seutili!a en vdeo digital" = es el que ms nos interesa por su mantenimiento de la calidad"consiguiendo factores de compresin interesantes.

&inalmente" en la compresin subetivamente con pArdidas" durante el proceso decompresin8descompresin se degrada significativamente la calidad de la informacin" pero elusuario lo tolera en beneficio del servicio recibido. Este tipo de compresin" lleva asociadosgrandes factores de compresin = se utili!a generalmente en multimediaF en los sistemas devideoconferencia como se dio anteriormenteF en sistemas de vigilancia = seguridadF enconsultas de video = en edicin fuera de lneaF es decir" procesos todos ellos en los que lacalidad no es un factor importante" sino el mantenimiento del servicio con un coste ra!onable.

Dentro de todas estas categoras e?isten gran cantidad de tAcnicas de compresin

dependiendo de la aplicacin para la que se utili!an. En el caso del vdeo" el nmero demAtodos se disparaF = actualmente" es uno de los campos de ma=or investigacin dentro delmundo del tratamiento digital de las imgenes.

@lgunas tAcnicas de compresin se >an conseguido" simplemente atendiendo a lasdiferentes sensibilidades que tiene el oo >umano frente al brillo = a los colores. Esta

posibilidad de compresin" viene e?presada en la recomendacin :;ablade las distintas familias que se desarrollan bao esta norma '32323" 32$2$" 32121" 32$20" ...)" cadauna de ellas" con diferentes fluos binarios.

El conocido formato de video 32323 utili!a la misma frecuencia de muestreo para las

seales de color que para la de luminancia. En el formato 32$2$" en cambio" la frecuencia demuestreo de las seales de color pasa a ser la mitad. 9in embargo" esta forma de compresinno degrada subetivamente la calidad" sino que este formato se austa ms a las distintassensibilidades del oo.

El sistema 32323 se utili!a" no porque ofre!ca una ma=or calidad subetiva" sino porquelas operaciones de tratamiento digital de imgenes" u otras operaciones como el croma8Be='llave de color)" en el que se conmuta de imagen a partir de la informacin del color de los

p?eles" se reali!a con muc>a ms precisin.


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8 En los casos de distribucin de la seal va radio" se aplican factores de compresin msgrandes segn el canal disponible. or eemplo" en los satAlites de distribucin lonormal es utili!ar un factor de compresin que permite enviar de 3 a 5 canales

digitales en el mismo anc>o de banda que ocupara uno analgico.

8 En la difusin de televisin digital" el fluo binario es diferente" segn la calidad requerida.En la siguiente tabla se muestran los distintos niveles de calidad = sus fluos binariosrecomendados2

Calidad 8 Definicin &luo binario

+D;V 'alta definicin)ED;V 'Calidad de estudio :;ec>o de que la naturale!a est llena de

obetos slidos con superficies = te?turas

uniformesF los decorados" los paisaes" eincluso los rostros no varansignificativamente la informacin de pi?el a

pi?el" sino que encontraremos generalmentegrandes superficies sin variacin.


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Figura 1. ,edundancia espacial. Ionas

El >ec>o de que varios p?eles ad=acentes amplias de p?elesiguales. sean prcticamente iguales nos va a permitir" enve! de transmitirlos todos o almacenarlos todos" transmitir un p?el representativo del

conunto" = las diferencias de cada uno respecto a Aste. Dic>as diferencias" por sergeneralmente pequeas" pueden codificarse con menos bits.

ando la redundancia espacial son lacodificacin de cadenas largas de datos iguales ',LC 8 ,un Leng>t Code" codificacin delongitudes de recorrido). En el caso de que se detecte en el tren binario una cadena larga dedgitos que se repiten" en lugar de codificar cada dgito" parece una buena tAcnica codificarcul es el dgito de que se trata" = cuantas veces se repite. abitualmente en lo que llamaremoscodificacin JintracuadroK" es decir dentro de cada fotograma.

3.3.2. Redundancia temporal.

La redundancia temporal viene dada porla relacin entre los p?eles >omlogos deimgenes sucesivas. Esta redundancia aparece

porque la vida no cambia significativamente defotograma a fotograma. Evidentemente" en30ms. suponiendo una frecuencia de cuadro de$% fs. no ocurren grandes cosas desde el puntode vista del espectador. Lo que el espectadorespera al contemplar una secuencia de vdeo" esuna continuidad en la accin" = no un cambiocontinuo en los planos.

@s" en la ma=ora de los casos podemos

afirmar que un fotograma va a ser similar alFigura 2. ,edundancia temporal2 cambiosiguiente o al anterior. 9i comparamos losmnimo de fotograma en fotograma.


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Figura 3. Codificacin DC*.La cantidad de valores posibles disminu=e drsticamente.

fotogramas de un tro!o de pelcula observaremos que" en general" son similares. Es necesarioavan!ar varios fotogramas para apreciar diferencias.

o ma=ores que la diferencia entre unamuestra = la anterior.

Los >istogramas de la figura 4 muestran el nmero de ocurrencias para cada valor delos p?eles en una imagen con codificaciones C* = DC*. Con codificacin C*" imageni!quierda" se deben procesar todos los valores comprendidos entre 10 = $00F mientras que enDC*" imagen derec>a" slo tiene que codificar valores comprendidos entre $0 = 8$0"consiguiendo por tanto una reduccin importante de bits.

E?isten variantes de este mAtodo" que tratan de reducir al m?imo los errores atransmitir" efectuando las predicciones en base a un conunto de p?eles significativos.

3.3.3. Redundancia estadstica.La redundancia estadstica" se basa en que en algunas aplicaciones" determinados

valores tienden a repetirse ms que otros.


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El eemplo de compresin VLC ms utili!ado es qui! el cdigo +uffman. 9ueecucin es un poco complea" pero la idea es la misma2 asignar cadenas de bits ms cortas alos cdigos ms frecuentes = ms largas a los menos frecuentes.

El mAtodo de eecucin es el siguiente2

a)8 9e estudia el nmero de apariciones de cada smbolo" o su probabilidad de aparicin = seconfecciona una tabla con todos ellos.

b)8 9e escogen los dos cdigos 'o grupos) que tengan menor nmero de apariciones" = se lesasigna a cada uno de ellos el bit 0 o 1" = se asocian como si fueran las ramas de unrbol.

c)8 9e quitan los dos cdigos 'o grupos) anteriores = se abre un nuevo grupo cu=o valor de

apariciones sea la suma de estos.

d)8 9e repiten los pasos b" c" = d >asta que slo quede un grupo.

f)8 ara asignar a cada smbolo un cdigo" se recorre el rbol desde el tronco principal >astalas ramas en las que est cada smbolo" obteniendo su cdigo +uffman para laaplicacin concreta que se >a estudiado.

Es obvio que los mismos smbolos pueden tener distintos cdigos +uffmandependiendo de la aplicacin que se trateF =a que en distintas aplicaciones" las probabilidades

de aparicin de los smbolos puede ser diferente.

3.4. !todos de compresin por transformacin" la

#C$

E?iste una gran variedad de mAtodos de compresin que se basan en la deteccin de laredundancia en un dominio transformado. Esto se reali!a transformando la seal desde elmbito temporal o espacial al mbito de las frecuencias.

En el dominio espacio8temporal" la probabilidad de aparicin de todos los valores delos p?eles es constante" = por tanto es difcil reducir el nmero de datos" en base a unaredundancia estadstica. En cambio" en el dominio de la frecuencia no se tiene una distribucinuniforme del espectro. En general" las altas frecuencias aparecen menos veces" =a que es ms>abitual encontrar cambios suaves = grandes superficies monocolor que grandes contrastes.Los contrastes grandes se sitan en los contornos de los obetos" que en general son menosabundantes. or eso podemos decir que e?iste muc>o ms contenido en las baas frecuenciasque en las altas. Este >ec>o =a se comprob en las prcticas 4 = 3 correspondientes al tema 1.

Gtro aspecto que >emos de tener en cuenta" es que nuestro oo atiende ms a las

grandes superficies" por tanto a las baas frecuencias" que a los detalles pequeos quegenerarn valores


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de alta frecuencia. Los mAtodos de compresin por transformacin se aprovec>an de estacircunstancia para reducir el nmero de datos a codificar.

La transformada discreta del coseno es la >erramienta de transformacin ms utili!adapor los mAtodos de compresin intracuadro. Esta transformada" que aprovec>a la e?istencia deredundancia espacial en las imgenes = la encontraremos en los estndares ME" *ME =sus derivados" = en la familia *E.

3.4.1. C%lculo de la #C$ unidimensional

La DC; es una transformacin matemtica que convierte una secuencia de muestras deH valores" en otra secuencia del mismo tamao H cu=os valores" como a>ora veremos"

representan una distribucin de frecuencias La e?presin de la transformada discreta delcoseno 'DC;) unidimensional correspondiente a una secuencia de nmeros ?NnO de tamao Hes la siguiente.

DCT'xNnO)P CNuOP Q'u) RxNnO R cos'$nS1) T u

nP0 $N

En esta e?presin" la variable JuK de salida" que representa el ndice del coeficiente quese est calculando" adopta los valores comprendidos entre 0 = H81" de manera que la DC;resulta ser una secuencia tambiAn de tamao H. @simismo" el valor de JnK representa a losndices de cada elemento de la secuencia que se quiere transformar.

El parmetro Q'u) tiene dos valores posibles" que son estos2

1 $Q'u) UuP0

PN

Q'u) Uu 0

PN

E?isten otras formas de escribir esta e?presin con valores derivados de este Q'u)" perollevan a resultados equivalentes. Los H valores CNuO" obtenidos al aplicar esta transformada ala secuencia de H valores ?NnO" se denominan JcoeficientesK de dic>a transformada.

La transformada inversa ':DC; DC;81) permitir obtener la secuencia ?NnO a partirde los coeficientes transformados" = se define as.

DCTV1'CNuO) PxNnOP

Q'u) RCNuO R cos'$nS1) T u

uP0 $N

El clculo de la DC; que se desprende directamente de las frmulas anteriores resultaengorroso" = cuando el nmero de elementos de la secuencia es alto" se impone la utili!acindel ordenador. Ho obstante e?isten mAtodos de clculo ms sencillos. De todos ellos" aqu seva a presentar el llamado JmAtodo de las funciones baseK porque nos permite e?traerconclusiones importantes de esta transformacin.

NV1

NV1


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El mAtodo de las funciones base tiene su fundamento en el >ec>o que" de la e?presinde la DC; vista anteriormente" una ve! definido el tamao H de la secuencia a transformar" lafuncin coseno tiene valores fios. @ dic>a funcin coseno se le denomina Jfuncin baseK" =

para cada valor de JuK se calcula de esta forma

fNnO Uu

P cos'$nS1) T u

$NEn esta e?presin" el valor de H es" en general" conocido para cada aplicacin. or

eemplo" para aplicaciones de video" el valor ms usual es HW6. @ partir de estas funcionesbase" el valor de cada CNuiO se calculara segn la siguiente e?presin

NV1

DCT'xNnO)P CNuOP Q'u) RxNnO RfNnOUu nP0

Considerando la secuencia a transformar ?NnO = la funcin base fNnO Uu como vectores deH dimensiones" los CNuO resultadode la DC; resultan ser el

producto escalar de estos dosvectores" afectado por el factorconstante Q'u). Es conocido" queel resultado del producto escalarde dos vectores depende de losmdulos de ambos" = del cosenodel ngulo que forman" que serm?imo en el caso en que ambos

vectores tengan la mismadireccin = sentido.

9i se rep res ent angr f ica mente losvalores resultantes de calcularlas funciones base para cada valorde JuK con un tamao desecuencia de HW6" los resultados

pueden verse en la figura 3.

@ partir de esta figurapodemos observar que paracualquier secuencia ?NnO detamao HW6" los CNuO secalcularn a partir del productoescalar de dic>a secuencia concada una de estas funciones base Figura 4. &unciones base de la DC; unidimensional.fNnO aqu representadas. En un


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producto escalar entre dos vectores" si fiamos uno de ellos" como es el caso de cada funcinbase" el producto escalar con cualquier vector ?NnO" nos da un resultado proporcional a lacomponente que tiene el vector ?NnO en la direccin de cada funcin base fNnO. @s pues" este

producto ser ma=or cuanto ms paralelos sean ambos vectores.

9egn esto anterior" el coeficiente CN0O dar una referencia del nivel de continua'frecuencia fW0) de ?NnO. @simismo" el producto escalar de dic>a secuencia ?NnO por la funcin

base fNnOU1 resultar un CN1O ma=or" cuanto ms se pare!can la secuencia ?NnO al vector fNnOU1Fes decir" CN1O ser proporcional al contenido de frecuencia fW11# de la secuencia.9ucesivamente" CN$O ser proporcional al contenido de la secuencia en la frecuencia fW$1#"etc...

@s pues" mediante la DC; se consigue transformar una secuencia ?NnO en otra" CNuOque indica su distribucin espectral

3.4.2. &enerali'acin de la #C$ (idimensional

La DC; bidimensional es una transformacin matemtica que convierte una matri!genArica de * ? H valores" que en el caso de las imgenes corresponderan a niveles de brilloo color" en otra matri! del mismo tamao '*?H)" cu=os valores representan la distribucin delas frecuencias.


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1X'u) UuP0

PN

$X'u) Uu 0

PN

Los * ? H valores CNu" vO" obtenidos al aplicar esta transformada a la secuencia de*?H

valores ?Nm" nO" se denominan JcoeficientesK de dic>a secuencia.

La transformada inversa" :DC; DC;81" permitir obtener la secuencia ?Nn" mO a partirde los coeficientes transformados. Esta trasformada inversa se define como sigue2

MV1

xNm"nOP Q'u) R

X'v) R CNu"vO R cos'$mS1) T u

R cos'$nS1) T v

mP0nP0 $M $N

ara el clculo de la DC; bidimensional e?iste tambiAn el mAtodo basado en lasfunciones base. En este caso" las funciones base estarn compuestas por los dos cosenos que semuestran en la e?presin de la DC;" uno en la direccin m = otro en la n.

f'm"n) Uu"vP cos

'$mS1) T ucos

$M'$nS1) T v

$N

En las aplicaciones decom pre si n de im ge nes digitales" los valores de * =

H son siempre 6. @ partir de estasfunciones base" el valor de cadaCNu" vO se calculara como si setratara del producto escalar dedos vectores2 mediante la sumade los productos entreelementos >omlogos de lafuncin base" = de la matri! atransformar" afectado por los

factores Q'u) = X'v).

9i se representan conniveles de gris los valoresresultantes de calcular lasfunciones base para cada par devalores 'u" v) con un tamao desecuencia de *WHW6" losresultados pueden verse en lafigura %. Los cuadros en blanco Figura ). ,epresentacin grfica de las funciones base de

la DC; bidimensional.

NV1


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corresponden a valores de coeficientes igual a 1" = los cuadros negros corresponden acoeficientes de valor 81.

@tendiendo a la figura" cada coeficiente de la transformada representar la cantidad deinformacin que contiene el bloque 6?6 original en su conunto" entorno a las frecuenciasverticales = >ori!ontales representadas por los valores u = v. Estas componentes frecuencialescomprenden desde la frecuencia cero 'DC) cu=o coeficiente vendr representado en la partesuperior i!quierda" >asta la m?ima frecuencia espacial >ori!ontal posible" representada en la

parte superior derec>a" o la m?ima frecuencia espacial vertical posible representada en laparte inferior i!quierda" pasando por todas las posibles combinaciones de frecuenciasespaciales >ori!ontales = verticales.

9i el bloque 6?6 a transformar corresponde a un tro!o de decorado completamenteuniforme" = completamente blanco" todos los coeficientes frecuenciales seran cero e?cepto el

correspondiente a la DC 'parte superior i!quierda).

El valor de los coeficientes ms a la derec>a aumentar a medida que apare!can en Alms contenidos de altas frecuencias >ori!ontales 'incremento de perfiles verticales abruptos).En sentido vertical" los coeficientes se comportan de manera similar.

9i el bloque original correspondiese a un rea de la imagen que tuviera un dibuo enforma de ra=as verticales alternativamente blancas = negras = cada ra=a coincidiese con laanc>ura de un p?el" el coeficiente frecuencial correspondiente al bloque situado arriba a laderec>a tomara el valor m?imo" = el resto seran cero" e?cepto el correspondiente a la DC

que siempre indicar el valor medio de la DC de todo el bloque.9i un bloque de la imagen contiene una gradacin de brillo en cualquier direccin" su

DC; tiene nicamente el coeficiente de frecuencia cero 'el primero) = sus tres coeficientesperifAricos distintos de cero. El resto de los #0 coeficientes sern cercanos o iguales a cero.

Es evidente" que estas situaciones e?tremas no sern >abituales" sino que loscoeficientes frecuenciales estarn distribuidos en funcin del contenido de la imagen" si bienes cierto que estos coeficientes" por la propia naturale!a de las imgenes" tendrn unatendencia mu= clara" como vamos a ver.

De forma general" en las imgenes con poco detalle o normales en detalle" casi todoslos coeficientes que son distintos de cero se agruparn en la esquina superior i!quierda de lamatri! de coeficientes. Esta caracterstica de la DC; la trataremos en las propiedades que sedetallan en el siguiente apartado.


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3.4.3. *ropiedades de la #C$

La DC; por s misma" al pasar de una matri! a otra del mismo tamao no implica

compresin alguna" pero tiene algunas caractersticas importantes que la >acen mu= til paranuestro propsito. 9in llegar a >acer un estudio e?>austivo" nos vamos a centrar en aquellas

propiedades que nos van a ser tiles en los procesos de compresin de imgenes.

a)8


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3.4.4.1. Lectura en 'ig,'ag

La DC; por si sola" como se >a visto en el apartado de propiedades" no comprime.

sta" al transformar la informacin del dominio espacial al dominio de la frecuencia" recolocala informacin de tal manera que es ms fcil eliminar la parte redundante" consiguiendoreducir el fluo binario. @ continuacin" se presenta un eemplo de matri! 6?6 = sucorrespondiente DC; bidimensional.

x[m,n]P

C[u,v]P

9i observamos detenidamente la distribucin de los coeficientes frecuenciales en losbloques transformados" podemos ver que los ms significativos se encuentran en el cuadrantesuperior i!quierdo" que corresponde a las baas frecuencias. Conforme nos vamos aleando deeste cuadrante >acia la derec>a = >acia abao" el valor de los coeficientes disminu=edrsticamente.

Este >ec>o" surge por la propia informacin contenida en las imgenes" pero e?iste otrara!n por la que podemos decir que la informacin de alta frecuencia" que de por s es poca"

puede despreciarse. Esta ra!n aparece por la forma en que el sistema visual >umano atiende alas imgenes. De toda una imagen" el sistema visual presta atencin a un obeto o conunto de

obetos concretos" considerando lo dems como fondo que carece de importancia. or logeneral"

V76 V73 V67 V62 V58 V67 V64 V55

V65 V69 V62 V38 V19 V43 V59 V56

V66 V69 V60 V15 16 V24 V62 V55

V65 V70 V57 6 26 V22 V28 V59

V61 V67 V60 V24 V28 V40 V60 V58

V49 V63 V68 V58 V51 V65 V70 V53

V43 V57 V64 V69 V73 V67 V63 V45

V41 V49 V59 V60 V63 V52 V50 V34

V414 V29 V62 25 55 V20 V1 2

6 V21 V62 8 12 V7 V6 7

V46 8 77 V26 V30 10 6 V5

V49 12 34 V14 V10 6 1 1

11 V8 V12 V2 V1 1 V5 2

V10 1 3 V3 0 0 2 0

V3 V1 1 0 1 V4 2 V3

V1 V1 0 V3 0 0 V1 0


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los obetos a los que >a= que atender se representan en primer plano" con lo que el contenidode baas frecuencias es todava ms importante que el de altas frecuencias. La ma=or parte delos contenidos de alta frecuencia quedan en el fondo" = su eliminacin apenas resta

informacin real a la imagen.

Considerando estas caractersticas" a la >ora de seriali!ar los coeficientes de la DC;para almacenarlos o transmitirlos" se >ace conveniente una lectura de las matrices decoeficientes de manera que los de menor peso queden agrupados" = as se puedan eliminar ocodificar ms fcilmente mediante un cdigo de longitud de recorrido ',LC) que signifiqueJlos siguientes YnZ coeficientes son nulosK.

9egn esto" la lectura de los coeficientes se reali!a en !ig8!ag comen!ando desde elcoeficiente DC" = terminando en su lado opuesto. Esto permite procesar en primer lugar las

baas frecuencias espaciales = decidir

posteriormente si se procesan o see li mi na n l os c oe f i ci en te scorrespondientes a las altasfrec u enc ias " = deci dir con

posterioridad si se procesan o see l i min a n lo s c oe f ic i e n t e scorrespondientes a lasaltasfrecuencias.

Figura -. Lectura de la matri! de coeficientes en

,eali!ando la lectura de esta

e?ploracin progresiva = entrela!ada

manera" se pueden procesar loscoeficientes de ms nivel" = eliminar el resto consiguiendo factores de compresin" aunquemodestos" sin que la calidad subetiva de la imagen quede afectada. En este caso se tratar deuna compresin subetivamente sin pArdidas" consiguiendo una compresin $21 directamenteal aplicar la DC; sin efectuar redondeos.

3.4.4.2. Cuantificacin de los coeficientes

ara conseguir una ma=or compresin" podemos aplicar otra >erramienta al resultadode la DC;. Esta >erramienta va a ser una cuantificacin ponderada de los coeficientes. Estacuantificacin ponderada se basa" como es lgico" en la ma=or o menor importancia de cadacoeficiente respecto de la calidad subetiva final" es decir en el contenido frecuencial de cadacoeficiente.

@ cada coeficiente de la DC; se le aplica una cuantificacin definida por undeterminado tamao de escaln de cuantificacin. En aquellos coeficientes donde su redondeoafecte ms a la calidad" el escaln de cuantificacin ser menor" = aquellos coeficientes menosimportantes se cuantificarn con escalones ms grandes. Esta cuantificacin queda definida

por una matri! de valores que representarn los tamaos de los escalones" = que se llama

matri! de cuantificacin.


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Esta cuantificacin va a >acer que algunos coeficientes que antes eran cercanos a cero"al redondear se va=an a cero" = otros que no se va=an a cero" puede >acerse que se codifiquencon menor nmero de bits" = as se consigue un ma=or nivel de compresin. De esta manera

se consigue un ma=or nivel de compresin. E?iste toda un coleccin de matrices decuantificacin establecidas que minimi!an la degradacin subetiva de la calidad. La matri! decuantificacin por defecto aplicada a los algoritmos ME aparece en la siguiente e?presin.

JPEGP

El resultado del redondeo de coeficientes de CNu"vO anterior es2

round(C[u,v]/JPEG)P

como se observa gran parte de los coeficientes se van a cero.

En la actualidad se considera que una compresin 4"421" que provoca un redondeomoderado de los coeficientes" tampoco provoca prcticamente degradacin subetiva de lacalidad. Esta no degradacin subetiva viene marcada por la posibilidad de multigeneracin

vista en apartados anteriores. ;odos los factores de compresin ma=ores que 4"421 necesitarnun ma=or redondeo de coeficientes" = por lo tanto ma=or pArdida de informacin. Gbviamente"esta ma=or cuantificacin s merma la calidad de la imagen. Estamos entrando entonces en elterreno de la compresin con pArdidas subetivas" = dependiendo de los valores de lacuantificacin tendremos una pArdida de calidad ma=or o menor" = a costa de ello una ma=oro menor compresin.

16 11 10 16 24 40 51 61

12 12 14 19 26 58 60 55

14 13 16 24 40 57 69 56

14 17 22 29 51 87 80 62

18 22 37 56 68 109 103 77

24 3 5 55 64 81 104 113 92

49 64 78 87 103 121 120 101

72 92 95 98 112 100 103 99

V26 V3 V6 2 2 V1 0 0

1 V2 V4 0 0 0 0 0

V3 1 5 V1 V1 0 0 0

V4 1 2 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0


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3.4.4.3. Codificaciones LC / RLC

@ partir de la cuantificacin anterior" = mediante la lectura en !ig8!ag presentada se

pretende que al final de cada bloque 6?6 se codifique con el menor nmero de bits posible..Los coeficientes que despuAs del redondeo resulten nulos" se codificarn con tAcnicas delongitud de recorridos ',LC)" que agruparn en un slo cdigo toda una cadena de ceros.

E?istir un nmero grande tambiAn de coeficientes que no llegarn a ser cero" perocu=a codificacin +uffman de longitud variable 'VLC)" vista en apartados anteriores" permitesu codificacin con pocos bits.

3.). 0lgunos est%ndar de compresin

3.).1. La norma *&

La norma ME 'Moint >otografic E?perts roup) nace como consecuencia de lanecesidad de comprimir imgenes fotogrficas" = por tanto estticas. 9e puede utili!arcompresin subetivamente sin pArdidas" que alcan!ara factores de compresin de >asta el4"421" = compresin con pArdidas" que puede llegar >asta el factor 10021 dependiendo delgrado de pArdidas que estemos dispuestos a permitir. El estndar ME opera bien en el rangode fluos binarios de 4"4 a 60 *bs.

La norma ME consiste fundamentalmente en aplicar la DC; a los bloques de imagende #3 p?eles '6?6)" reali!ar el proceso de cuantificacin eliminando los coeficientes conmenor peso" reali!ar la lectura en !ig8!ag" = posteriormente considerar la redundanciaestadstica mediante una codificacin +uffman unto con la ,LC.

E?isten dos tipos de estructuracin de los datos comprimidos2 la estructura secuencial= la estructura progresiva. *ediante la estructuracin secuencial" la informacin se transmite

por bloques de 6?6 completos con toda su definicin ledos en !ig8!ag. En la estructuraprogresiva" se van enviando sucesivamente los diferentes coeficientes frecuenciales de todoslos bloques" comen!ando con los correspondientes a la DC = tambiAn utili!ando la lectura en!ig8!ag. De esta manera se e?plica la forma de carga de algunas imgenes en internet que vanganando definicin conforme van llegando los datos

La norma ME es una norma bastante abierta" =a que permite un grado de compresinvariable en funcin de las necesidades" suprimiendo los coeficientes frecuenciales necesarios>asta conseguir el grado de compresin requerido.


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3.).2. l est%ndar *&

El estndar *ME nace ante la necesidad de comprimir las imgenes en los procesosde edicin no8lineal. En esta tarea" una compresin intercuadro como la que se definir en elsiguiente apartado de *E se >ace difcil de manear" =a que en algunos casos es necesariala lectura = decodificacin de varias imgenes para obtener la informacin de un cuadroconcreto.

Con este panorama" las compaas fabricantes de equipos de edicin no8lineal sevieron en la necesidad de sacar al mercado sus equipos sin que los organismos competentes>ubieran desarrollado una norma. En realidad la tAcnica *ME" es un sistema de compresinME aplicado sucesivamente a todas las imgenes.

@l no e?istir un estndar definido" cada fabricante desarrollo el su=o" siendonormalmente incompatibles entre s. El formato @V:D utili!a un *ME con relacin decompresin 421" mientras que el EV9 utili!a compresin #21. +a= que sealar" que lacompaa 9GH( >a desarrollado un sistema de compresin intercuadro vlido para

postproduccin" = que constitu=e una de las variantes de la familia *E que veremos msadelante.

3.).2.1. #iagrama de (loues

9egn todo lo e?plicado >asta a>ora" el proceso de compresin de las imgenes detelevisin sera el siguiente2 @ partir de las tres seales primarias ," = - se obtendrn lasseales de luminancia '() = de diferencia de color ',8(" -8()" se digitali!arn segn la norma32$2$. osteriormente" se reali!ar la transformada discreta del coseno" = se procede acuantificar los coeficientes frecuencialesF se reali!a la lectura en !ig8!ag" = finalmente" seaplican las codificaciones VLC = ,LC para utili!ar el menor nmero de bits posible para latransmisin o almacenae. ;odo esto se puede ver en la figura 5.

En esta figura aparecen en la esquina superior derec>a dos bloques que anali!amos acontinuacin. En el caso de querer transmitir la informacin de vdeo por un canal con tasa

binaria constante" la compresin definida de esta manera produce diferentes niveles decompresin dependiendo del contenido del bloque 6?6 a procesar. ace imprevisible la velocidad ala que puede enviarse la informacin comprimida.

ara solucionar esto" los sistemas de codificacin = transmisin disponen de una cola"o un JbufferK" de salida = un bucle de control de fluo binario que va cambiando la matri! decuantificacin" = con ello la compresin conseguida en funcin de las necesidades de cadamomento. 9i la cola de salida est mu= llena" el bloque de control de fluo acta sobre lamatri! de cuantificacin aumentando los escalones. Este aumento provocar un aumento en la

compresin" = por tanto" una disminucin de la entrada de datos a la cola. En el caso en que la


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Figura . Diagrama de bloques de un compresor de vdeo digital para transmisin basado enla DC;.

cola se estA vaciando" el bloque de control de fluo disminu=e el tamao del escaln"disminu=endo temporalmente la compresin.

La variacin de la compresin afectar a la calidad instantnea de las imgenes. Hoobstante" se debe tener en cuenta que los aumentos de compresin se producirn en losinstantes en que la escena tenga muc>o detalle" con lo que el oo probablemente sea menossensible a este cambio de compresin. En el caso en que las imgenes tengan poco detalle" eloo ser ms sensible" pero al disminuir la compresin se conseguir mantener una calidadsubetiva alta.

3.-. st%ndar de compresin *&,2

Las normas *E" >an revolucionado la industria de la televisin = lascomunicaciones" al conseguir reducir de manera drstica el fluo binario" sin pArdida subetivade calidad en la imagen. Dada la importancia que tiene el estndar de compresin *E8$ enla televisin digital actual" se >a preferido tratarlo en un apartado completo" aunque como se

podr comprobar" utili!a la ma=ora de las tAcnicas de compresin vistas >asta a>ora.

En el mundo del vdeo digital" la cantidad de aplicaciones se >a disparado en losltimos aos. Cada aplicacin adems" requiere unos niveles de calidad distintos" as como unfactor de compresin diferente. *ientras que en un sistema de difusin de televisin digital lacalidad es un requerimiento importante" en el caso de la videoconferencia" que es el poloopuesto" la restriccin est en el anc>o de banda del canal de que se dispone" = por tanto" la

velocidad binaria que se puede utili!ar" quedando la calidad de la imagen en un segundo plano.


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Los mAtodos *E de compresin pretenden ser lo suficientemente fle?ibles parapoder satisfacer las necesidades de todos esos usuarios potenciales. ara cada uno de ellos" se>a creado un nico mAtodo normali!ado de compresin que asegura una forma de trabao

nica" pero que permite manear distintos niveles de calidad = distintos factores decompresin" de manera que se auste fcilmente a los requerimientos de utili!acin de cadaservicio 'coste" resolucin" velocidad binaria" ...).

Lo que cada uno de estos estndar intenta es ofrecer un mismo ncleo bsicoparametri!able para cada una de las aplicaciones. El utili!ar este mismo ncleo bsico suponeun abaratamiento en los equipos de compresin = descompresin" debido a su ampliautili!acin.

El primer estndar que se desarroll fue el *E81" que apareci >acia 1766. Esteestndar naci con la idea inicial de reducir el fluo binario al nivel utili!ado por los soportes

de audio CD" del cual deriv el CD8,G*" para almacenar en este soporte" imgenes enmovimiento con un fluo binario de 1"%*bs. De >ec>o" este estndar opera bien en el rangode fluos binarios de 1"% a 4 *bs.

La norma *E81" antes del proceso de compresin" somete a la seal de entrada aprocesos de eliminacin de informacin drsticos. Lo primero es eliminar un campo de laimagen quedndose con una resolucin de 4#0?$66 a $% fs. @ partir de esto" este mAtodoaplica la compresin intracuadro e intercuadro de forma parecida al formato *E8$ que sedesarrollar ms ampliamente. [nicamente varan parmetros tAcnicos" de muestreo"cuantificacin" etc. siendo ms riguroso en *E8$ =a que va destinado al entorno

profesional de ma=or calidad.El estndar *E8$ est orientado al entorno profesional de la televisin digital. ste

opera bien para fluos binarios de 4"% a 100 *bs" = se aplica desde en los sistemas deproduccin" >asta en las transmisiones de la televisin digital terrestre" por cable" = va satAlite.Este estndar es capa! de soportar desde calidad V+9 >asta calidad ;V@D 'en formato 1# 7).

La codificacin *E8$ va orientada a la eliminacin de la redundancia espacial =temporal. Esta compresin es adecuada para imgenes de calidad en movimiento 'televisin).ara ello" aplica codificacin intracuadro e intercuadro" = adems aplica una codificacin final

de correccin de errores. Con esto se consiguen relaciones de compresin como $50*bs a %0*bs para comunicaciones dentro del estudio" 6*bs para difusin con calidad de estudio" =>asta 4"%*bs = 1"%*bs para transmisiones de menor calidad. Este estndar *E8$ tambiAnse utili!a en servidores de video bao demanda" = en arc>ivos de imgenes. ara la grabacinmagnAtica se utili!a solamente en el formato -etacam 9\.

E?isti un formato *E84 orientado a la televisin de alta definicin" pero susavances se incorporaron posteriormente al estndar *E8$" no teniendo ma=or relevancia.

El grupo *E83 fue creado para investigar varios frentes de necesidades en lacodificacin. El ms importante fue el de adaptar la informacin de vdeo a las redestelefnicas. Este grupo traba sobre tres posibilidades2 para fluos inferiores a #3 Bbs" entre#3 Bbs = 463 Bbs" = entre 463 Bbs = 3 *bs. La compresin *E83 se aplica envideoconferencias. Los


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defectos temporales = espaciales son abundantes como corresponde a los baos fluos binariosde transmisin" pero se atenan controlando el movimiento de los obetos.

La filosofa de *E83 cambia con respecto al resto de los estndares anteriores" =aque introduce el concepto de codificacin de obetos" es decir" las imgenes se segmentan enobetos = es la informacin de los mismos la que se transmite. El estndar no fia como sedeben obtener los obetos" estimar su movimiento" etc. Los algoritmos sern elegidos por cadadiseadorF la norma slo fia cmo guardar la informacin de dic>os obetos.

La compresin *E83 a pesar de sus niveles de calidad >a permitido poner enservicio aplicaciones de comunicacin mu= interesantes. Gtros trabaos que reali!a el grupo*E83 estn relacionados con el interfa! entre el mundo multimedia" el ordenador = latelevisin.

El grupo *E85 no est implicado en temas de compresin" sino en los metadatos.Este trabao inclu=e la preparacin de normas sobre los contenidos audiovisuales" como poreemplo llegar a la locali!acin de las escenas en que aparecen ciertos personaes. Con ello seconseguira un acceso detalladsimo a todo tipo de contenidos del material audiovisual. 9uaplicacin est en los arc>ivos" en la edicin = montae" en la redaccin periodstica" etc.

El grupo *E8$1 tampoco trabaa en compresin digital. 9u obetivo fundamental escrear la codificacin oportuna para la gestin = uso del material audiovisual" inclu=endo elsoporte de infraestructura necesario para las transacciones comerciales = la gestin de losderec>os correspondientes.

3.-.1. La compresin intracuadro de *&,1 / 2

La codificacin intracuadro elimina la redundancia espacial. La compresinintracuadro de los estndar *E81 = $ es similar a la vista en ME. Esta compresin est

basada en el algoritmo de la DC;.

La lectura de la matri! de coeficientes resultado de la DC; 'de tamao 6?6) se reali!aen !ig8!ag para imgenes no entrela!adas" =a que los elementos significativos que serndistintos de cero" estn ms a la i!quierda = >acia arriba. Con esto" los ceros de la matri!quedan en los ltimos lugares de la secuencia reordenada. osteriormente se aplican losmAtodos VLC = ,LC de minimi!acin de la redundancia estadstica.


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3.-.2. La compresin intercuadro" Compensacin de

movimiento

La compresin intercuadro intenta detectar = eliminar la redundancia temporal entrecuadros sucesivos. Esta compresin se reali!a mediante un proceso de codificacindiferencial" = otro llamado Jcompensacin de movimientoK. Con estas tAcnicas se consiguenlos niveles ms elevados de compresin.

3.-.2.1. Codificacin diferencial

La codificacin diferencial se establece de forma parecida a la codificacin DC*vista en uno de los apartados anteriores. La imagen diferencia de un cuadro con respecto alanterior se puede obtener de manera sencilla. En primer lugar" se >ace pasar a la seal por uncircuito que tenga un retardo de un fotograma" o se almacena en una memoria de 1 cuadro decapacidad. Esta imagen retardada un cuadro" se suma posteriormente a la imagen actual 'sinretardar) pero cambiada de signo" el resultado ser la imagen diferencia" que en la ma=or partede su contenido ser cero.

Con esto" las !onas de la imagen que no cambian" no se codifican" limitndose eldecodificador del receptor a repetir los pi?eles del fotograma anterior. La tAcnica decodificacin de la diferencia es buena cuando las imgenes son estticas. En el caso deimgenes con muc>o movimiento" como acontecimientos deportivos en los que la imagen

diferencia puede contener bastante informacin" al producirse cambios importantes de unfotograma al siguiente" ser ms productivo utili!ar tambiAn la tAcnica de compensacin demovimiento que se e?pone a continuacin.

3.-.2.2. $!cnica de compensacin de movimiento

La tAcnica de compensacin del movimiento trabaa sobre pequeas reas de la imagendenominadas macrobloques de $%# p?eles '1#?1#)F estos macrobloques estn compuestos porcuatro bloques. En las imgenes en movimiento" es >abitual que algunas !onas de la imagen se

desplacen en un fotograma con respecto al anterior. El sistema de compensacin delmovimiento" trata de buscar el nuevo empla!amiento de los macrobloques" = calcular losvectores de despla!amiento codificando solamente dic>os vectores.

El proceso de prediccin comien!a por comparar el macrobloque actual con el>omlogo del fotograma anterior" si estos no son iguales" buscar un macrobloque idAntico enla denominada !ona de bsqueda" si lo encuentra codificar los vectores de despla!amiento" =si no lo encuentra reali!ar la comparacin con el ms parecido" codificando la diferenciaentre los dos = los vectores de movimiento. La bsqueda se reali!a en dos niveles"

primeramente se reali!a en una !ona ms amplia" = la comparacin es gruesa" posteriormentese afina en una !ona ms reducida.


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El codificador compara los resultados = toma las decisiones sobre el bloque idAntico obien sobre el ms apro?imado. 9i la diferencia es ma=or que la cifra establecida" abandonar labsqueda presumiendo que el bloque no se encuentra =a en la imagen" = codificar el mismo

con codificacin espacial.

3.-.3. Im%genes I5 * / 6

La ma=or compresin de los sistemas *E81 = $ no radica en la DC; = su ma=or omenor cuantificacin. La ma=or potencia de estos algoritmos *E est en tres modos decompresin de las imgenes. Estos modos de compresin dan lugar a lo que llamamosimgenes :" imgenes e imgenes -.

3.-.3.1. Im%genes 7I8 9intracuadro:

Las imgenes : son imgenes que utili!an slo compresin intracuadro. Cada cuadro :es comprimido = procesado de forma independiente de los dems" = contiene por s solo todala informacin necesaria para su reconstruccin.

Las imgenes : son las que ms informacin contienen" = por tanto las que menoscompresin aportan. Las imgenes :" siempre inician una secuencia = sirven de referencia a lasimgenes = - siguientes.

En secuencias largas" es necesario disponer de imgenes : intercaladas" =a que facilitanel acceso aleatorio a un fotograma dentro de la secuencia. 9i todas las imgenes dependen dela anterior podemos llegar a la situacin en que para recuperar una imagen" >emos de leeranteriormente todas las anteriores desde el principio" = eso" en ocasiones" no es productivo.

La compresin intracuadro de las imgenes : coincide con el mAtodo ME paraimgenes estticas. @qu se busca la redundancia de la imagen dentro del cuadro que se est

procesando.

3.-.3.2. Im%genes 7*8 9prediccin:

Las imgenes se generan a partir de la imagen : o anterior ms pr?ima. Elcodificador compara la imagen actual con la anterior : o " = codifica nicamente los vectoresde movimiento = el error de prediccin. 9e utili!a en este caso una prediccin >acia adelante.Estas aportan un grado importante de compresin.


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3.-.3.3. Im%genes 768 9(idireccionales:

or ltimo las imgenes - '-idireccionales) se generan a partir de imgenes previa =

futura de los tipos : o . *ientras que las imgenes : = pueden propagar errores" =a que deellas dependen otras" las imgenes - no lo >acen" =a que no intervienen en otras predicciones

posteriores.

La filosofa de la prediccin bidireccional se fundamenta en el >ec>o en que la cmaraen cualquier momento puede reali!ar una panormica" un JtravelingK" o que dentro de laescena los obetos se mueven. Cuando la cmara >ace una panormica" una parte de la imagense va escondiendo por un lado mientras que otra parte se va desvelando por el otro. ;ambiAnaunque la cmara estA fia" cuando se producen despla!amientos de obetos en la escena" poruna parte irn desvelando partes fias de la escena 'edificios" decorados" etc)" = por otra irnocultando otras partes. En estos casos" cuando se quiere predecir el contenido de una imagen"

puede resultar ms efica! tomar como referencia imgenesanteriores en una parte del fotograma" =

posteriores en otra.

En el eemplo de la figura 6" semuestra" en primer lugar una escena dela que se reali!ar una panormica. Enla parte inferior aparecen tresfotogramas

de esa panormica nombrados como &1"Figura ;. &otogramas :" =-. &$ = &4. En la e?plicacin siguiente

vamos a suponer que la imagen &1 se codifica como imagen :" el fotograma &$ se codificacomo-" = el fotograma &4 se codifica como .

@l fotograma primero" por codificarse como : se le aplica una compresin intracuadroa partir de su propio contenido. ara el fotograma &4 se utili!a la tAcnica de prediccinrespecto del fotograma &1F con lo que se e?traern los macrobloques de la !ona del personae"de la imagen &1F = la !ona donde aparece la cmara se codificar intracuadro" =a que en elfotograma : no >a= informacin al respecto.

La imagen &$ se codifica como imagen bidireccional entre los fotogramas &1 = &4. Enella" los macrobloques de la !ona del bafle pueden recuperarse de la imagen &1F la parte quecorresponde al personae puede tomarse de cualquiera de las dos imgenes &1 o &4F =finalmente" la parte de la cmara se puede sacar del fotograma &4" con lo que el fotograma

bidireccional puede codificarse mediante unos cuantos vectores de movimiento = un error deprediccin que puede llegar a ser mu= pequeo.

@unque el procesamiento de los fotogramas - complica los algoritmos decodificacin" esta complicacin compensa el beneficio de conseguir importantes niveles decompresin en estos cuadros.


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3.-.3.4. &rupo de fotogramas 9&


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Compresin de la informacin de vdeoVdeo Digital

3.-.4. suema del decodificador *&,2

El esquema del decodificador es muc>o ms sencillo que el del codificador. or ello lo

presentamos en primer lugar

En primer lugar" el demultiple?or separa los datos correspondientes al error deprediccin del fotograma de los vectores de movimiento. osteriormente se decodifica el errorde prediccin" = se suma a la imagen obtenida del fotograma anterior = de los vectores demovimiento" obteniAndose la imagen actual. Esta imagen actual se almacena para ladecodificacin del siguiente fotograma. &inalmente" se reordenan los fotogramas para obtenerel orden natural de la secuencia a partir del orden de transmisin de la misma.

+a= que destacar que el proceso codificacin decodificacin en *E no es simAtrico.El codificador es bastante ms complicado = por tanto necesita una ma=or potencia de clculo"mientras que el decodificador debe reali!ar procesos ms sencillos. Esta estructura es lgica"teniendo en cuenta que el codificador se encuentra en el equipamiento profesional de

produccin = emisin" = el decodificador es un elemento del equipamiento domAstico de losreceptores.

,esumiendo" el sistema *E8$ divide la imagen en pequeas reas de 6?6 p?elesllamadas bloques" = de 1#?1# p?eles llamadas macrobloques" reali!ando diversos

procesamientos diferentes a cada uno de ellos.

E?isten dos etapas diferenciadasF la compresin intracuadro que trata de minimi!ar laredundancia espacial" = la compresin intercuadro que >ace lo propio con la redundanciatemporal. La compresin intracuadro consiste fundamentalmente en aplicar la DC; a los

bloques6?6" cuantificar los coeficientes" = aplicar una codificacin VLC 'normalmente +uffman). Lacompresin intercuadro se basa en la aplicacin de la compensacin de movimiento a losmacrobloques" = la codificacin diferencial a la imagen completa. 9egn la compresinintercuadro podemos distinguir imgenes :" imgenes " e imgenes -.

La suma de todos estos procesos lleva a niveles de compresin notables" manteniendo

no obstante la calidad subetiva de la imagen = >aciendo posible la reversibilidad del proceso afin de recuperar la imagen original.


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3.-.). suema del codificador *&,2

@ la vista del codificador *E8$ la primera operacin a reali!ar es reordenar lasimgenes de la secuencia al orden de transmisin" =a que para codificar las imgenes - >emosde >aber codificado antes las imgenes : = posteriores. @ continuacin" = a partir de lasimgenes =a codificadas se calculan los vectores de movimiento.

@ partir de los vectores de movimiento = de la prediccin de la imagen ofrecida por elcodec ME 'bloques ;DC" ]" ]81" = ;DC81) se reali!a la codificacin diferencial.

Con la imagen diferencia se reali!a la DC; = posteriormente el cuantificador reali!auna cuantificacin distinta en los coeficientes dependiendo de la frecuencia a la querepresentan. ;ambiAn aparecen el cuantificador inverso = una DC; inversa. 9u misines simular al decodificador en la forma de predecir las imgenes" para despuAs calcular la

diferencia entre la imagen real = la prediccin que utili!a el decodificador.

El bloque CLV >ace referencia a las codificaciones de longitud variable = de longitudde recorrido. La codificacin de longitud variable asigna palabras de cdigo ms cortas aaquellos cdigos que tienen una ma=or frecuencia de aparicin" mientras que la codificacinde longitud de recorrido codifica" a partir del ltimo coeficiente distinto de cero" que losdems del bloque son todos cero >asta el final. Estas dos codificaciones aportan un nivel decompresin moderado.

El multiple?or de salida conforma un tren de datos en el que aparece toda lainformacin necesaria para el decodificadorF inclu=endo la informacin de todos los bloques

6?6 = los vectores de movimiento.


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&inalmente el buffer de salida = el regulador mantienen constante el fluo binario >aciael decodificador.

3.-.-. structura del tren de datos *&,2

El tren de datos de *E se estructura de ma=or a menor en los siguientes elementos29ecuencias" Gs" :mgenes" 9lices" *acrobloques" = -loques. Cada uno de estos elementoscontiene una cabecera de datos en la que se especifican los atributos del mismo" de manera quese facilite el trabao del decodificador.

Los -loques son cuadrados de #3 p?eles '6?6)" = son la unidad de proceso de la DC;.

El *acrobloque es una asociacin de cuatro bloques" = consta de $%# p?eles '1#?1#).Esta es la unidad de comparacin para el clculo de los vectores de movimiento. @dems" enelcaso de codificacin 32$20" que es >abitual en *E8$" el macrobloque es la unidad de

procesamiento de la DC; para las seales de diferencia de color.

ori!ontal = tomados de i!quierda aderec>a. ueden constar desde unmacrobloque >asta toda una lnea" pero

un mismo slice nunca debe estarcompuesto por macrobloques dediferentes lneas. En la figura serepresenta un conunto de slices de unaimagen en determinadas posicionesFestas posiciones pueden cambiar deuna imagen a otra.

Ho es necesario que toda laimagen estA cubierta por slices" pueden Figura 11. Divisin en slices de una imagen.q ueda r macrobloques quenocorrespondan a ninguno de ellos. Esas !onas sin slice definido quedarn sin codificar para esaimagen. La norma *E no especifica lo que debe >acer el decodificador en estos casos"aunque lo ms intuitivo es mantener esas !onas iguales a la imagen anterior. Gbviamente estoslo es aplicable a imgenes tipo = -" =a que las imgenes :" por definicin" vancodificadas por completo.

El concepto de imagen en *E8$ no es el mismo al que estamos acostumbrados.Dependiendo de los casos" cuando utili!amos e?ploracin entrela!ada puede ser ventaosoconsiderar imagen" tanto un campo" como un cuadro. En imgenes sin movimiento" puede

considerarse como imagen un campo o un cuadro indistintamente" puesto que el contenido deambos campos sera mu= similar. En cambio" si e?isten movimientos rpidos utili!ando


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e?ploracin entrela!ada" las diferencias en cuanto a contenido entre los campos pueden sermu= importantes" as que ser conveniente procesar por separado cada campo.

En el caso que utilicemos el concepto de imagen como un cuadro completo se >abla decodificacin J&rame DC;K" = si definimos como imagen a un campo >ablaremos decodificacin J&ield DC;K. :ndependientemente del tipo de codificacin descrito" una imagen

puede ser :" o -" dependiendo de la compresin que se realice sobre ella. Esta informacinse indica en la cabecera de datos.

Los G 'group of pictures) son grupos de imgenes" acotados por dos imgenes detipo intracuadro. Hormalmente constan de 1$ fotogramas = constitu=en la unidad decompresin temporal. El G es el mnimo elemento capa! de contener por s solo toda lainformacin necesaria para su descompresin" =a que como >emos visto algunos tipos deimgenes necesitan de otras para su total descompresin.

a presentado en apartados anteriores como un mAtodo decompresin fle?ible en cuanto a las caractersticas de la secuencia de vdeo a comprimir" alfactor de compresin" a la calidad de la secuencia de vdeo de salida = al coste de los equipos.

La norma *E8$ contempla imgenes con e?ploracin entrela!ada = progresiva" ascomo los estndares de codificacin 32323" 32$2$" = 32$20. ;ambiAn admite distintos valores deresolucin de imgenes" que inclu=en todas las frecuencias de campo = trama usadas entelevisin desde la ms baa resolucin >asta la alta definicin. @simismo" esta norma definediferentes tipos de codificacin que permiten conseguir diferentes niveles de calidad = de

precio. 9e inclu=en sistemas ms econmicos aunque de menor calidad" = sistemas de ma=orcalidad aunque por supuesto ms caros.

Esta fle?ibilidad es posible mediante la definicin de diferentes niveles = perfiles que

son capaces de conseguir un modo de compresin adaptado a las necesidades de cadaaplicacin.

3.-..1. =iveles

El nivel define la resolucin de las imgenes en base al nmero de p?eles = lneas acodificar. El nmero de cuadros por segundo se define siempre por la seal original antes decomprimir. Esta resolucin va desde la ms baa resolucin 9:& '$2120) correspondiente a*E81" >asta la televisin de alta definicin con 17$0?11%$ p?eles.


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Hivel bao 'Lo^) ,esolucin 9:& utili!ada en *E81Hivel principal '*ain) ,esolucin 32$20 normal >asta 5$0?%5#Hivel alto 1330 '>ig>81330) revisto para ;V@D >asta 1330?11%$

Hivel alto '>ig>) revisto para ;V@D >asta 17$0?11%$.

9lo se codifican las muestras activas indicadas. Las seales originales tendrnmuestras activas = no activas. Las no activas no son codificadas por *E8$" = sernregeneradas con nivel de borrado en el decodificador. uede que el nmero de muestrasactivas no coincida con la resolucin de cada nivel. ara que esto sea posible" uno de los datosde sistema que deben conocerse es el tamao de imagen digital original.

Es evidente que cada nivel usado dar lugar a un rAgimen binario diferente. De cara ala construccin de los codificadores" no es necesario que todos ellos sean capaces de codificara todos los niveles sino que e?istirn codificadores especficos para cada nivel. En este

sentido" es importante saber que un codificador *E8$ que codifique en un nivel tambiAn lo>aga en niveles inferiores.

3.-..2. *erfiles

Los perfiles" en cambio" definen un valor de compromiso entre compresin = coste deldecodificador" = adems >acen posible la escalabilidad de la corriente de datos. El conseguiruna ma=or compresin sin perder calidad va a implicar una complicacin" tanto en elcodificador" como en el decodificador" = esta complicacin llevar consigo un ma=or coste de

ambos. En *E8$ se definen los perfiles siguientes.

*erfil simple., 9implifica el codificador = decodificador. Ho utili!a imgenes tipo -'bidireccionales)" = el tipo de muestreo soportado es 32$20. En este caso el factor decompresin es bao.

*erfil principal 9main:., *eor compromiso entre factor de compresin = calidad.as imgenes : con el finde poder referenciar constantemente cuadros completos. Este perfil opera con fluos entre $0= %0 *bs = admite generaciones mltiples de compresin = descompresin


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*erfil >er%ruico 9?cala(le:., La informacin que contiene el fluo de datos *E8$se estructura en dos capas2 una primera capa con menor definicin llamada Jcapa baseK" =una segunda capa llamada Jcapa de meoraK o Jcapa de realceK con la informacin

suplementaria que se necesita para conseguir la meora de calidad. La Jcapa baseK contiene lainformacin fundamental para decodificar la seal. Esta capa bsica se transmite fuertementeprotegida soportando ambientes mu= ruidosos" = puede ser decodificada por todo tipo dedecodificador. @ esta capa bsica se le aaden capas denominadas de realce que aumentan ladefinicin de la imagen" o su formato" = que slo podrn ser decodificadas por equipos mscompleos" instalados en los receptores ms caros. Las capas de realce suelen ir menos

protegidas = por tanto son ms vulnerables en entornos ruidosos.

Los perfiles escalables permiten transmitir al mismo tiempo diferentes resolucionesespaciales = diferentes grados de definicin" por eemplo puede transmitir el mismo programaen alta definicin = en definicin estndar" o en formato 324 = 1#27. Esto lo >ace" por una

parte" ugando con la resolucin espacial 'spatial= scalable profile)" = por otra" con lacuantificacin '9H, scalable profile).

En el caso de la escalabilidad 9H," la Jcapa baseK contiene la informacin de vdeocon menos bits por muestra" = la Jcapa de meoraK agrega aquella informacin que se necesita

para conseguir una ma=or calidad. En la escalabilidad espacial la Jcapa baseK contiene lainformacin necesaria para conseguir un determinado nivel de la norma" como puede ser elnivel JbaoK" = la Jcapa de meoraK aporta el suplemento necesario para llegar a un nivelsuperior como el JprincipalK o el JaltoK.

Este concepto de escalabilidad tiene su aplicacin en la televisin digital terrestre" en laque van a coe?istir dos tipos de receptores2 receptores porttiles que solamente utili!arn lacapa bsica" = receptores estacionarios utili!ados en las viviendas" = dotados de undecodificador ms compleo" = con una seal ms estable" que adems de la capa bsicadecodificarn tambiAn las capas de realce.

ara la televisin digital europea" e?iste un gran interAs en las aplicaciones de losperfiles errquicos. El perfil de escalabilidad espacial que permite dividir los datos de acuerdocon la resolucin = tambiAn con la relacin 9H," se puede crear una seal compuesta por treselementos que conuntamente darn lugar a una seal de alta definicin. De las tres partes dela seal" la capa de base utili!ara erarqua espacial para proporcionar una seal de #$% lneas.

El resto de la seal se puede dividir aplicando el criterio de relacin 9H," creando as unasegunda seal que unto con la capa base proporcionara una seal de alta definicin con unformato 34 = una relacin seal8ruido reducida. El tercer elemento de la seal" conuntamentecon los otros dos" dara una seal con el formato 1#7 de alta definicin

*erfil alto 9@ig@:., Est previsto para aplicaciones en +D;V. 9e utili!an imgenes tipo:" = -" = el muestreo puede ser 32$2$ o 32$20. La transmisin es escalable tanto en 9H, comoespacialmente.


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Entre estos perfiles e?iste compatibilidad ascendenteF los decodificadores de perfil msalto son capaces de soportar perfiles ms baos. La combinacin de niveles = perfiles produceuna arquitectura que define la capacidad de un codificador para manear determinado fluo

binario. Los niveles = perfiles utili!ados en Europa = @mArica a nivel domAstico son el nivelprincipal = el perfil principal. El fluo binario oscila entre % = 7 *bs.

En la tabla siguiente se representan las posibles combinaciones entre niveles = perfiles.Ho todas ellas encuentran aplicacin prctica. Las combinaciones que aparecen son lasespecificadas por la


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Figura 12. Diagrama de bloques de conformacin de corrientes de programa o detransporte de programa simple..

La corriente de programa es una multiple?in simple intercalando los E9 unos con otros.Esta opcin se aplica en canales libres de ruido" como por eemplo la grabacin de un DVD" =de otros soportes multimedia. Como no se espera ruido en el canal" no es necesario usarcorreccin de errores. Este sistema conlleva una gran simplicidad. Ho obstante una corrientede programa puede acomodar >asta 1# corrientes de vdeo = 4$ de audio. Lo que s esobligatorio en las corrientes de programa es que todas las corriente sean sincrnicas" es decir

que tengan una base de tiempos comn.

La corriente de transporte es apropiada para entornos ruidosos" opcin que encaa enlas necesidades de la difusin de televisin terrestre" por cable = va satAlite. Esta opcin e?ige

pasar los E9 a otros paquetes ms cortos" de 166 b=tes de longitud" = aplicar tAcnicas decorreccin de errores. Con esto se puede organi!ar una corriente de transporte de un slo

programa '9;9 8 9ingle rogram ;ransport 9tream). Esta longitud de paquetes inclu=e 3b=tes de cabecera = es apropiada para utili!arse en redes @;*" as como en una ampliavariedad de sistemas de transmisin = almacenamiento.

La corriente de transporte puede formarse con varios programas de televisin" cada

uno de ellos con varias corrientes elementales. Como es lgico las corrientes elementales queforman un mismo programa de televisin deben ser sincrnicas. 9in embargo" los diferentes

programas pueden tener cada uno una sincroni!acin independiente. En este caso" se organi!aun mltiple? con todos los programas. El fluo binario de la corriente de transporte completaes constante" aun cuando varen los fluos de cada corriente elemental. ara mantener estefluo total constante" se pueden incluir paquetes nulos.

Entre otras informaciones" la corriente de transporte tambiAn lleva informacin decifrado para el acceso condicional a determinados programas de pago.


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Figura 13. Conformacin de la corriente de transporte en el caso de transmisinmultiprograma

3.. 0plicaciones de la compresin de vdeo

La gran cantidad de informacin resultante de la digitali!acin de la seal de vdeo>ace que la compresin sea prcticamente una necesidad en casi todos los mbitos. Hoobstante" las diferentes aplicaciones para las que est destinada la informacin de videorequieren mAtodos = factores de compresin diferentes" en base a la calidad que se pretendaconseguir" = al precio que se estA dispuesto a pagar.

De todos los mAtodos de compresin que e?isten" el utili!ado ms ampliamente en el

mundo de la televisin digital es el mAtodo *E8$" que se >a convertido en un estndardentro de este sector. En este apartado se tratarn todo tipo de aplicacionesF unas utili!an esteestndar como medio de compresin" = otras no. ;rataremos tambiAn de acercarnos a lasventaas e inconvenientes de estos mAtodos en cada caso.


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3..1. *roduccin en estudios de televisin

En produccin e?iste un gran atractivo por la reduccin del coste de almacenae devdeo usando *E8$" especialmente para aplicaciones de arc>ivo" produccin de noticias =edicin de estas. ero las producciones = ediciones de alta calidad tienen claramente vedadoel uso de compresiones elevadas debido a la necesidad de alta multigeneracin.

9in embargo" salvo que el proceso se limite al uso de imgenes codificadas sinprediccin" las operaciones de insercin = borrado son difcilmente reali!ables directamentesobre la seal comprimida" lo que es una limitacin crtica en las aplicaciones de vdeo.*E8$ con imgenes e?clusivamente de tipo : puede tener alguna ventaa sobre MEdebido a la posibilidad de seleccionar la cuantificacin para una misma imagen = la ma=or

facilidad para transmitirse como tren de datos" =a que el formato ME no se refiere en ningncaso a la transmisin.

Debe tenerse cuidado en las operaciones de produccin que involucran mltiplesgeneraciones de manipulacin de la seal. En formatos sin comprimir no sufren degradacin"

pero si se manea material *E8$" especialmente cuando se manean fluos binariosespecialmente dedicados a transmisin '487 *bs)" la aparicin de defectos en la seal puedeser rpida en unos pocos procesos de compresin = descompresin.

ara solucionar los problemas de alta compresin" *E8$ inclu=e un perfil deestudio" el perfil 32$2$" que admite regmenes binarios comprimidos de >asta %0 *bs. Este

perfil est teniendo gran aceptacin" e incluso se empie!a a utili!ar en los magnetoscopiosdigitales. Esta posibilidad de basa en reducir el tamao del G a $ o 4 imgenes 'poreemplo2 :-:-:-" :-:-" etc.) de manera que se pueda conseguir una acceso aleatoriosencillo" una compresin moderada '4"421)" = una calidad final mu= alta.

3..2. *eriodismo electrnico 9=& , lectronic =eBs

&at@ering:

En el periodismo electrnico" la caracterstica qui! ms importante" = que se anteponea las dems es su portabilidad" que viene asociada al tamao de los equipos = a su peso. Demanera indirecta" tambiAn es importante minimi!ar el consumo de los equipos" lo que redundaen un menor tamao = peso de las bateras para una determinada autonoma defuncionamiento. @simismo es importante" en cuanto al tamao" el tipo de cintas necesarias

para su funcionamiento. or estas ra!ones" en general los equipos de periodismo electrnicoutili!an formatos de muestreo menos e?igentes que el conocido 32$2$.

eneralmente" los formatos de muestreo que se utili!an en EH son el 32121 = el 32$20.Estos formatos de muestreo" por ser ms sencillos necesitan almacenar bastante menoscantidad de informacin" consiguiendose un nivel de calidad bastante aceptable. Esta

reduccin de la cantidad de informacin a almacenar implicar un menor tamao de lascintas" = un menor


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consumo de bateras. ero a pesar de conseguirse un nivel de calidad aceptable" la cantidad demultigeneraciones posibles disminu=e a valores entre # = 10.

Estos valores de multigeneracin son adecuados a la aplicacin que se est tratando2 lacaptacin de imgenes en el lugar de la noticia" = su posterior insercin en el instanteadecuado de un programa. Esta aplicacin no suele requerir mltiples procesos dedecodificacin ni grandes procesos de edicin. or ello" a la >ora de valorar la compresin deesta informacin" se permite un factor de compresin ma=or que en el caso de la seal deestudio. Los factores de compresin que se suelen dar son entre %1 = 101F lo que resultafluos binarios de 1% *bs a 40 *bs. La aplicacin de estos factores de compresineconomi!a las transmisiones va satAlite" cuando son necesarias" debido a la disminucin delos requerimientos de fluo binario.

3..3. $ransmisin / difusin de la seal de video

En enlaces punto a punto dentro o fuera del estudio" donde se pretenda mantener unaalta multigeneracin debemos aplicar las mismas ideas que el en caso de la produccin dentrode los estudios. En estos casos se debe comprimir moderadamente para mantener la calidad dela seal en posibles ediciones posteriores.

En cuanto a las grandes aplicaciones de difusin directa" =a sea por va terrestre" vacable o fibra de vidrio" = va satAlite" Astas =a estn estandari!adas en base al sistema *E8$.En el caso de la difusin" no se necesita una alta multigeneracin" =a que estamos al final de la

cadena = los nicos procesos necesarios para la representacin en pantalla sern ladescompresin" = su conversin a analgico. or ello" en difusin se permiten factores decompresin ms altos.

9e estima que para conseguir calidad de estudio" segn la recomendacin #01" senecesita un sistema con velocidad binaria de unos 7*bs. ara una calidad equivalente al @Lse necesitan unos % *bs.

En la actualidad" los satAlites de radiodifusin directa actan como plataformasdigitales de canales de televisin temticos con posibilidad de distribucin de mltiples

canales especiali!ados en documentales" deportivos" cine" etc. que tratan de competir con elmercado de alquiler de vdeos.

3..4. ?ervidores de video

Los servidores de video para Jvdeo bao demandaK deben almacenar grandescantidades de vdeo digital" para que pueda >aber un acceso rpido = su posterior transmisin.Los a>orros en coste de almacenamiento usando compresin *E8$ son mu= altos" aunqueel acceso aleatorio es ms complicado que en el material sin comprimir" es posible. En este

campo e?iste muc>a competencia entre diversos mAtodos de compresin


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Vdeo Digital Compresin de la informacin de vdeo

3..). ultimedia

La compresin de imgenes en los ordenadores tiene su ustificacin por la poca

capacidad de almacenamiento de los ordenadores domAsticos. La escasa implantacin en elordenador de sistemas >ardâre de compresin de vdeo >ace que se utilicen en generalalgoritmos softâre que permitan una alta compresin" aunque no en tiempo real. Lanecesidad de multigeneracin es" en general" baa.

E?isten diversos algoritmos de compresin diferentes para su uso con ordenadores"muc>os de ellos en base a arc>ivos @V:" lo que qui! dificulta su identificacin. :ncluso seutili!an algoritmos *ME. Estos algoritmos proporcionan una menor calidad a ma=orrAgimen binario que el formato *E al trabaar cuadro a cuadro pero son ms econmicos.;ambiAn se utili!a en muc>os casos el formato *E81 por su afinidad directa con las

posibilidades de soporte CD.

La posible ma=or calidad visual de *E8$ es atractiva pero requiere una ma=orpotencia de procesamiento = decodificacin. @ falta de que se abaraten algo ms las taretascodificadoras" e?isten codificadores" no en tiempo real" por softâre. La progresivaintroduccin de la familia de discos DVD unto con interfaces = buses ms rpidos puedenmeorar las aplicaciones multimedia basadas en ordenador de propsito general = lacodificacin *E8$.

Gtro formato mu= utili!ado en aplicaciones multimedia por su capacidad decompresin es el formato *E83. ara este formato e?isten codificadores softâre" que

aunque no trabaen en tiempo real" ofrecen una calidad ra!onable con compresiones bastantealtas.

3..-. ?istemas dom!sticos

La implantacin del DVD como soporte digital para pelculas de consumo supone laimplantacin de *E8$ como formato de seal digital en este entorno" =a que el DVD graba

pelculas en este formato. El secreto de su implantacin es que para ver pelculas grabadasslo es necesario el decodificador *E8$" que es el elemento ms barato de la cadena. Es la

misma situacin que las aplicaciones de difusin de ;V digital. Gtra cuestin es si ser taneconmico el grabador de DVD" con codificador *E8$. Ese es el punto clave para sugenerali!acin como sustituto del magnetoscopio domAstico.

En cuanto a estos magnetoscopios" la compresin puede disminuir el coste de unvideograbador respecto de su versin sin comprimir dado que los regmenes binariosrequeridos son ms baos. 9in embargo un magnetoscopio econmico para el consumorequiere un codificador sencillo" = econmico. La codificacin *E8$ a este nivel de precioest todava leana. or tanto otros formatos menos comprimidos empe!arn a dominar lagrabacin domAstica" como es el caso del DV.


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3... ideoconferencia

Las videoconferencias o los enlaces en directo" el retardo que sufre la seal que secodifica cuando se usan imgenes - puede convertir a *E8$ en intil para la comunicacinen ambos sentidos. *E8$ puede ser utili!ado" pero sin cuadros tipo -. Ho obstante lacodificacin que ms se utili!a en la actualidad para estas aplicaciones" = que adems fuediseada para ello es el formato *E83. ste permite la comunicacin con regmenes

binarios mu= baos = con una calidad aceptable" con la sola condicin de que se limite elmovimiento de los obetos en la escena a transmitir.

3.;. Compresin / descompresin en cascada

Dadas las diferentes aplicaciones de la compresin de vdeo" en un sistema puedenencontrarse varias etapas o procesos de compresin8descompresin en cascada. Las sucesivascompresiones = descompresiones cuando se utili!a el mismo algoritmo causan un deterioro

progresivo en la calidad de la imagen en funcin del factor de compresin empleado.

9i se utili!an algoritmos distintos" con distintos criterios aritmAticos" supresin dep?eles" etc. pueden llegar a producirse resultados de degradacin imprevisibles. or ello serecomienda utili!ar el mismo algoritmo e incluso el mismo factor de compresin en toda lacadena de produccin de vdeo.


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3.. 6i(liografa

'$001)-et>encourt *ac>ado" ;. J;elevisin D:gitalK Coleccin -eta. ;emas audiovisuales.

aviln Estelat" E. J*E8$ ie!a clave de la televisin digitalK


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*ossi arca" M.*. J9istemas de televisinK. 9ervicio ublicaciones +ouse. 1775.

;eerina" M.L. J-it8rate reduction of +D;V" based on Discrete Cosine ;ransformK.@rtculo de ;elettra" n3%.

vdcompresion

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