Digitalización, Compresión y Descompresión de Videos para

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2003
Resumen: E-006
Digitalización, Compresión y Descompresión de Videos
para Aplicación Informática en Entorno Multimedia.
Petris, Raquel H.
Facultad de Cs. Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
9 de Julio 1449 - (3400) Corrientes - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03783) 423126 int. 130
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ANTECEDENTES
Cada una de las incorporaciones que fue obteniendo la PC marcó una revolución en el medio, como ser, las tarjetas de
sonido produjeron un cambio importante en el mundo de la informática, no solo se podía escuchar música de calidad
sino que además, permitía acompañar con sonido o relato de voz a las imágenes o fotografías, lo cual presentaba a la
situación más real. El conjunto resultaba atractivo para los sentidos y se podía aplicar con varias finalidades:
pedagógica, de investigación, comercial, promoción de turismo entre muchas otras.
A medida que iba avanzando la tecnología, a la secuencia de imágenes le faltaba vida, a pesar de la calidad de las
mismas y del sonido con que se contara, entonces aparecieron las imágenes animadas que aportaron lo suyo al medio
informático, banners, iconos animados, ayudas y tutoriales “amigables”, que hicieron más amena la tarea en la
computadora. Si bien, al principio, no era muy sencillo incorporar animaciones a todas las actividades, los logros eran
de una calidad aceptable [1].
Como la tecnología siguió avanzando y ante las inquietudes de los usuarios en proyectos cada vez más ambiciosos, las
imágenes en movimiento con sonido carecían, en ocasiones, de una cierta realidad y calidad. Por ello las tarjetas
digitalizadoras de video, unos dispositivos altamente sofisticados y prácticamente impensables hasta no hace mucho
tiempo vinieron a dar respuestas a estos requerimientos de alta calidad y realidad.
Estas tarjetas aportaron dos ventajas verdaderamente revolucionarias en el medio: por un lado permiten visualizar en la
pantalla situaciones que ocurren en otros lugares como imágenes de video en tiempo “casi real”, fracciones de minutos
con la realidad, a través de las WebCam o cámaras para PC; por otro lado permiten capturar determinados fotogramas,
de videos (tipos caseros) y efectuar modificaciones en ellos. [2]
Hoy con el rendimiento que presentan estas tarjetas, las computadoras se han convertido en las mejores herramientas
para la edición de video no sólo del entorno informático sino también para la industria cinematográfica y televisiva a la
hora de aplicar efectos especiales. Digitalizar una secuencia de video procedente de una cinta cinematográfica, editarla
en el computador, añadirle gráficos, textos, animaciones y todo tipo de efectos, es una tarea posible con una buena
calidad.[3]
MATERIALES Y METODOS
Para llevar a cabo la digitalización de una serie de videos y realizar diferentes comparaciones entre los videos blanco y
negro con y sin sonido, y los videos color con y sin sonido se ha trabajado con una computadora PC Intel Pentium 133,
con sistema operativo Windows 98, con 64 Mb de RAM, con disco SCSI Ultra Wide, grabadora de CD-ROM, placa
para digitalización de video Pinnacle VGA compatible y placa de sonido Sound Blaster y el software Studio DC10 Plus
de Pinnacle Systems.
Existen diferentes formas para llevar a cabo esta tarea, y ésta depende de la metodología que se aplique en los formatos
para almacenar los archivos en el momento de convertir la señal analógica a señal digital comprensible para la
computadora. Las imágenes en movimiento están formadas por un número determinado de fotos que con cierta
continuidad y velocidad, aproximadamente 25 fotogramas por segundo, producen en el ojo humano la sensación de
movimiento [4]. Por lo general los fotogramas se encuentran registrados en un soporte químico conocido como film,
que obviamente la computadora no tiene capacidad de reconocer, para ello debe lograr que las señales emitidas por el
film se conviertan en código binario, por lo que se debe convertir esa información en impulsos eléctricos.
En la actualidad existen cuatro sistemas de conversión que han llegado a ser estándares dentro de sus zonas de
influencia: PAL, NTSC, SECAM y HRTV.
La diferencia entre los cuatro sistemas estriba en el método de conversión que utilizan para almacenar la película en el
film, situación que los hace totalmente incompatibles, desventaja que se debe tener presente a la hora de trabajar con
videos en publicaciones para Internet. De los cuatro sistemas el NTSC es el más utilizado en Estados Unidos y América
Latina, razón por la cual fue seleccionado para llevar a cabo este trabajo, pero es oportuno destacar que el método
HRTV es conocido por su calidad y nivel de prestaciones pero requiere de tecnología más costosa. [5]
Formatos de Archivos
Para poder realizar una captura de película, es necesario guardar el grupo de imágenes y sonido en algún formato de
video. Estos formatos, al igual que ocurre con los archivos de imágenes, están estrechamente ligados al software que
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está realizando la operación de captura. Por lo general los formatos de videos suelen estar compuestos por una cabecera
en la que se almacena información sobre las características del archivo [6]. Algunas de estas características son:
• el número de fotogramas o cuadros que contiene,
• el tiempo de separación que hay entre los fotogramas,
• el tiempo de exposición,
• resolución y nivel de compresión
• datos del sonido, en caso de contener audio el video.
Todos estos parámetros se suelen definir al momento de realizar la digitalización.
Algunos de los formatos de video en el entorno PC que han dado mejores resultados, son:
AVI: El formato AVI (Audio Video Interleave), cuya traducción podría entenderse como intercalación de video y audio,
fue diseñado por Microsoft como un formato estándar de video que requiere disponer de tarjeta para realizar la captura
y la compresión, pero no requiere de ningún tipo de hardware especial para la descompresión y la reproducción, por lo
que rápidamente se ha convertido en un verdadero elemento estándar dentro de los aficionados a esta práctica en el
ambiente informático.
MOV: El formato MOV proviene de Movie es un formato específico de algunos software dedicados a la digitalización
de videos, vienen acompañando a algunas tarjetas digitalizadoras. Una ventaja importante es su compatibilidad con los
archivos AVI. El software Adobe Premiere en sus últimas versiones lo ha incorporado y esto lo está convirtiendo en un
formato popular. Con respecto a la calidad y resolución podemos decir que no ocupa el primer lugar pero se mantiene
entre los primeros.
Entre los formatos de compresión que aportan especificaciones importantes tenemos:
JPEG: (Joint Photographics Experts Group), utilizado para la compresión de imágenes de video estáticas, es decir para
la compresión de un solo cuadro por vez. La calidad, resolución y fidelidad de la imagen es muy buena y el tamaño del
archivo si bien no es muy grande tampoco lo podríamos calificar de pequeño.
MPEG: (Motion Picture Expert Group), utilizado para la compresión de imágenes en movimiento. Este método se
apoya en algoritmos matemáticos complejos los cuales vienen incluidos en el chip DSP que poseen las tarjetas
digitalizadoras. Este método aún tiene mucho que perfeccionar pero los resultados que se obtienen actualmente no son
despreciables si se cuenta con capacidad de almacenamiento externa. [7]
DISCUSION DE RESULTADOS
Con el objetivo de generar una idea acabada de la importancia que tiene el tamaño de los archivos de video, se
presentan, a modo de resultado, un grupo de tablas que muestran como varía notablemente el tamaño de los archivos
modificando algunos de los parámetros.
Los parámetros que se comparan son: a) Tamaño de los fotogramas (ventana-visor), b) Ajuste de Resolución y c)
Cantidad de fotogramas involucrados por segundo.
Tabla Nº 1: Se puede observar como se incrementa el tamaño de los archivos a medida que
se aumenta la resolución, la cantidad de fotogramas y el tamaño de la ventana-visor.
Tamaño de los
Fotogramas
160 x 120
320 x 240
640 x 480
160 x 120
320 x 240
640 x 480
160 x 120
320 x 240
640 x 480
Resolución
16 bits
375 Kb/seg
1,45 Mb/seg
5,9 Mb/seg
563 Kb/seg
2,2 Mb/seg
8,8 Mb/seg
1,1 Mb/seg
4,4 Mb/seg
17,6 Mb/seg
8 bits
188 Kb/seg
750 Kb/seg
2.,9 Mb/seg
281Kb/seg
1,1 Mb/seg
4,4 Mb/seg
563 Kb/seg
2,2 Mb/seg
8,8 Mb/seg
24 bits
563 Kb/seg
220 Mb/seg
8,89 Mb/seg
563 Kb/seg
3,2 Mb/seg
13,2 Mb/seg
1,7 Mb/seg
6,6 Mb/seg
26,4 Mb/seg
Nº de
fotog/seg.
10
10
10
15
15
15
30
30
30
Tabla Nº 2: Se muestra el resultado de dos archivos de video en blanco y negro,
exactamente iguales a los cuales únicamente se le ha cambiado el formato de compresión.
Archivo
Nombre
BlaNeg-1
BlaNeg-2
Formato
MPEG-1
MPEG-2
Tiempo
en seg.
Total de
Cuadros
Resolución
en bits
TamañoVentanaVisor
Tamaño de
Archivo
22 seg
22 seg
680
680
24 bits
24 bits
720 x480
720 x480
5,69 Mb
5,72 Mb
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En los archivos de video blanco/negro no existe prácticamente diferencia en el tamaño de los mismos, modificando el
formato de compresión de archivo y manteniendo los otros parámetros iguales. En este tipo de archivo la resolución
más adecuada es en 24 bits al igual que en el tamaño del visor no es conveniente menor a 720 x 480 por que no se
aprecian las imágenes debido a la falta de color.
Tabla Nº 3: En esta ocasión se ha incorporado audio a los archivos blanco y negro y se han
comparado en 2 formatos de compresión.
Archivo
Nombre
ByN-sonido-1
ByN-sonido-2
Formato
MPEG-2
AVI
Tiempo
en seg.
Total de
Cuadros
Resolución
en bits
TamañoVentanaVisor
Tamaño de
Archivo
22 seg
22 seg
680
680
24 bits
24 bits
720 x480
720 x480
6,21 Mb
31,22 Mb
Comparando esta tabla con la anterior podemos ver que un archivo de video en Blanco y Negro al agregarle audio se
incrementa en un Megabyte aproximadamente, pero al cambiar su formato de MPEG-2 al formato AVI su tamaño se
quintuplica.
Tabla Nº 4: A la misma situación anterior, es decir manteniendo los mismos parámetros, se
le ha incorporado videos color.
Archivo
Nombre
Proyecto-1
Proyecto-2
Formato
MPEG-2
AVI
Tiempo
en seg.
Total de
Cuadros
Resolución
en bits
TamañoVentanaVisor
Tamaño de
Archivo
22 seg
22 seg
680
680
24 bits
24 bits
720 x480
720 x480
7,41 Mb
46,65 Mb
Al agregar color en los videos ambos crecen en tamaño manteniendo aproximadamente la diferencia. Un archivo con
formato AVI en color supera en más de seis veces su tamaño a un archivo con formato MPEG-2.
Tabla Nº 5: A los archivos color de la tabla Nº 4 se le han incorporado audio y se
mantuvieron los mismos parámetros.
Archivo
Nombre
Formato
Video-Audio-1
Video-Audio-2
MPEG-2
AVI
Tiempo
en seg.
Total de
Cuadros
Resolución
en bits
TamañoVentanaVisor
Sonido
22 seg
22 seg
680
680
24 bits
24 bits
720 x480
720 x480
16 bits
16 bits
Tamaño
de
Archivo
9,62 Mb
48,63 Mb
En esta ocasión si bien los archivos crecen, en proporción creció más el archivo con formato MPEG-2 que el AVI. Pero
de todas maneras la diferencia en el tamaño es considerablemente.
La mayoría de los programas que permiten realizar todos estos tipos de modificaciones a los archivos de video cuentan
con una línea de tiempo que es usada para ordenar y manipular mejor los fotogramas, también cuentan con un espacio
para agregar los archivos de sonido y con las correspondientes herramientas para ajustar los valores y parámetros de
audio.
Los buenos software saben que el sonido es, en muchas ocasiones, el 50 % de la película, por lo tanto permiten importar
música directamente de CD-ROM, o grabar sonidos e importarlos, pero el usuario deberá disponer de una tarjeta
digitalizadora de videos que permita el ingreso y posterior almacenamiento e incluya audio.
Importante
Es importante aclarar que existe en el mercado la cámara de video digital, de la cual podríamos decir que todo en ella es
ventaja, pues la calidad que se obtiene en la película es excelente, dado que no sufre todo el proceso de transformación
de analógico a digital. Permite editar el video, aplicarle todos los efectos y modificaciones que se dese, además significa
lo último en tecnología de compresión, porque produce imágenes y sonido de alta calidad a la vez que utiliza menos
espacio de almacenamiento. [7] Pero su mayor desventaja es que solo podrá digitalizar lo que se proponga de ahora en
más, porque existen cintos de miles de archivos de cintas con tecnología de cámaras analógicas con registros muy
valiosos de la historia de la humanidad en todos sus aspectos que son únicos e irrepetibles y que nunca logrará captarlo
la cámara digital.
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CONCLUSIONES
De todas las pruebas realizadas durante este trabajo de investigación podemos formular recomendaciones y elaborar
algunas conclusiones, los archivos de video necesitan indefectiblemente de un formato de compresión y este debe ser
bueno, por lo tanto ésta es la mayor dificultad y el principal problema al que se enfrenta la producción de video para uso
informático.
Los programas y las tarjetas compresoras tienen que cumplir dos requisitos fundamentales: reducción máxima del
espacio ocupado y máxima velocidad de descompresión, y deben cumplirlos a la vez, ya que de nada vale comprimir
al máximo si luego se tarda en descomprimir; o por el contrario, se tarda poco pero prácticamente no se disminuye el
tamaño del archivo en la compresión.
Inconvenientes y recomendaciones para la captura de videos
Uno de los mayores inconvenientes que aún se tiene en la digitalización de videos es que se generan archivos cuyo peso
es considerablemente grande. Es por ello que se hacen algunas recomendaciones para la captura de videos pues en
realidad esta tarea no es sencilla, por varias razones por ejemplo:
• se necesitan de conocimientos que van más allá de los específicamente informáticos,
• se debe adquirir cierta destreza para la captura,
• el entorno de hardware es un poco más complicado y también es más limitado porque no todos cuentan con las
mismas propiedades,
• el software, hasta ahora, responde más a las especificaciones del hardware que a las propias necesidades del
usuario.
Pero de todos modos no es una tarea imposible, si el usuario se enfrenta a un proyecto donde uno de sus objetivos es
obtener sus propias imágenes, algunas de estas recomendaciones le podrían simplificar el trabajo:
• Si tiene algunas dudas relacionadas con la calidad y/o resolución y su software no presenta la opción Preview Video
podría repetir varias veces la captura modificando algunos parámetros con el objeto de poder compararlos
posteriormente y elegir el más apropiado, desechando los otros.
• Si su trabajo llevará varios videos es conveniente, y de ser posible, que a todos ellos los capture con los mismos
parámetros y principalmente respetando un único tamaño de ventana-visor porque le otorgará una cierta armonía al
proyecto y esto también es un detalle a tener en cuenta.
• Otro punto a tener presente es, si su trabajo llevará un sonido propio o relatos que lo acompañe, al capturar un
video y si este tiene audio, exclúyalo de la captura para evitar superposición de audio y archivos grandes
innecesariamente.
• Recuerde que cuando se dice capturar un video en tiempo real significa que se capturan 24 o 25 imágenes por
segundo. Este valor hace que la secuencia de imágenes en ese tiempo, genere un movimiento a la vista humana, que
simula al movimiento real. Por ello toda alteración de este valor no significa modificar la calidad de las imágenes
sino la secuencia en que se emiten las mismas.
BIBLIOGRAFIA
1234567-
Burger Jeff – La Biblia de la Multimedia – Addison-Wesley Iberoamericana – 1992
López Aguilera Ricardo – Estructura Interna de una PC - G y R – 1999
Bustos Martin Ignacio – Guía Práctica para Usuarios de Multimedia – Anaya Multimedia – 1996
Castro Lozano Carlos – The Art o f Computer Programming – Springer Verlag Second edition – 1999
Velho Josep – Image Processing for Computer Graphics. – Prentice Hall – 1997
Wodaski Ron – Multimedia para todos – Prentice Hall - 1995
Jason Roberts – Tecnología Multimedia – Curso Oficial Director 8 – Macromedia - 2000
Sitios Web:
www.creative.com
www.pinnaclesys.com
www.personal.redestb.es/video.htm (sitio de información sobre técnicas de compresión de video.)