Claves para la codificación de señales UHD para difusión y enlaces de contribución

Juan José Anaya Luengo, director técnico de Sapec; José Manuel Menéndez, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid; y Sonia Valladares, ingeniera de soluciones de Dolby, todos miembros de UHD Spain, dan todas las claves para la codificación de señales en ultra alta definición.

Con la aparición de las señales UHD se crean nuevos retos para su manipulación y transporte. Estamos hablando de señales que multiplican por entre 4 y 16 veces (en función de si es 4K u 8K) la resolución de una señal de vídeo HD, y que, como es lógico, se quiere trasportar y difundir por los sistemas actuales. Por ello, son necesarios nuevos sistemas de codificación que, por un lado, sean más eficientes que los anteriores y, por otro, que aprovechen mejor las características (sus redundancias tanto espaciales como temporales) de este tipo de señales.

A continuación, se dan unas pinceladas de la problemática y sistemas de procesado para las señales UHD. En el Libro Blanco, creado dentro del marco de la asociación UHD Spain, se profundiza y se aportan más detalles de todo lo aquí expuesto.

1. Sistemas de codificación UHD para entornos de contribución.

En las etapas de contribución (las primeras etapas desde que se origina la señal hasta los diferentes centros de producción) se requiere mantener una muy elevada calidad y una latencia muy baja (por debajo de los 400 ms) para los casos de emisiones en directo. En el caso de señales UHD, la velocidad binaria requerida se dispara en función del sistema de codificación que se utilice. Así, dependiendo de las diferentes capacidades en los enlaces disponibles, los sistemas de codificación para UHD que se suelen utilizar son:

• Por encima de 10 Gbps: estas velocidades binarias se suelen generar cuando se transmite video sin comprimir. Para el caso de señales UHD son necesarias nuevas redes que puedan soportar los 12 Gbps necesarios, y que suelen estar basadas en interfaces físicos 12G-SDI y, de manera creciente, IP (ST2110 y ST2022/6).
• De 500 Mbps a 10Gbps: codificaciones mezzanine de pérdidas casi nulas, para lo que se utilizan diferentes sistemas de codificación en función de la capacidad de compresión necesaria (Tico, JPEG2K, JPEG-XS, HEVC-Intra, AVC-Intra), operando en modo “intra”.
• De 30Mbps a 150Mbps: codificaciones MPEG de muy alta calidad. Cuando los sistemas de codificación se basan en técnicas MPEG, el rendimiento conseguido aumenta considerablemente, ya que estos sistemas aprovechan tanto las redundancias espaciales como las temporales de la señal de video, con esquemas “inter”. Y, dentro de las técnicas MPEG, el sistema que se ha estandarizado es el H.265 o HEVC en su perfil 4:2:2 10 bits. Este sistema es la evolución del H264, con un rendimiento que, para señales de UHD, está en torno al doble que su predecesor (permitiendo reducir la velocidad binaria necesaria en un factor de 2), y con una mejora de la calidad perceptual de las imágenes.

Un elemento común a todos estos sistemas, aparte del mantenimiento de la calidad, es la posibilidad de realizar procesos de multigeneración (codificar y decodificar varias veces la misma señal) sin que se degrade apreciablemente la calidad.

2. Sistemas de codificación UHD para difusión broadcast

En España, la difusión broadcast es muy importante, ya que ofrece coberturas muy grandes del territorio (superando el 96% del mismo en difusión terrestre (la conocida TDT), y alcanzando el 100% en difusión vía satélite). El recorrido histórico de ambos tipos de difusión es largo, lo cual ha facilitado el despliegue de un amplio parque de receptores en los domicilios de los usuarios. Hacer evolucionar dicho parque lleva su tiempo, lo cual obliga a mantener esquemas de compresión tal vez obsoletos para evitar que un número mayoritario de usuarios se vea impedido de seguir disfrutando de sus canales habituales.

La difusión broadcast hace siempre uso de los sistemas de compresión aprobados por el proyecto europeo DVB para realizar las emisiones. El primer sistema de compresión de vídeo aprobado fue MPEG-2, utilizado masivamente para la codificación de señales SD. Dicho compresor se sigue utilizando actualmente para la compresión de señales SD en TDT, por ejemplo, y dado que en España se va a realizar un apagado de dichas señales a finales de 2022, es muy probable que su uso en TDT muera con ese apagado.

El segundo compresor adoptado por DVB para vídeo fue el estándar H.264 (también conocido por AVC). Es el estándar que se adoptó para la compresión de señales HD, y es el que se sigue actualmente utilizando para la compresión de señales HD vía TDT, satélite e IPTV.

La estandarización del H.265

Tras H.264, DVB adoptó también el estándar H.265 (o HEVC), y es el estándar que se está utilizando para emisiones de señal UHD. Se podría utilizar también para comprimir muy eficientemente señales HD, pero el parque de receptores de los usuarios no ha evolucionado suficientemente, y requiere continuar con el uso de H.264 para señales HD. Afortunadamente, el Real Decreto 391/2019, de 21 de junio, por el que se aprueba el Plan Técnico Nacional de la Televisión Digital Terrestre y se regulan determinados aspectos para la liberación del segundo dividendo digital, establece requisitos y exigencias para los aparatos receptores que se vendan en España con pantalla de más de 40” y con capacidad de recepción de señales UHD, lo cual está facilitando la evolución del parque de receptores para que se pueda usar, masivamente, sistemas eficientes de compresión con H.265.

Cuando hablamos de realizar difusión de una señal UHD aquí si es imprescindible optimizar al máximo el uso del ancho de banda, pues estamos utilizando sistemas por los que, actualmente, se están emitiendo señales SD y HD. Para la compresión de vídeo, HEVC se ha establecido como el estándar a utilizar en la industria del broadcast, debido fundamentalmente a su elevada eficiencia, sobre todo para imágenes de resolución UHD que es donde aprovecha al máximo su potencial.

En entornos de difusión broadcast, aunque la latencia siempre es importante, ya no es un elemento crítico como en el caso de la contribución, y podemos considerar admisible más de 1 segundo. Con esta premisa, es posible sacar el máximo partido de la codificación HEVC utilizando estructuras de GOP más eficientes, que aprovechen al máximo las herramientas que proporciona HEVC para la redundancia temporal.

3. Sistemas de codificación UHD para streaming

En sistemas de codificación para streaming, hay que diferenciar entre plataformas del mercado, si bien también se puede diferenciar entre sistemas de emisión en directo o video bajo demanda VoD.

Cuando hablamos de plataformas, en algunos casos, hay que cumplir las especificaciones y recomendaciones dadas por ellas. Por ejemplo, en el caso Apple/HLS, están definidas resoluciones (tanto UHD como no UHD), velocidades binarias y códecs a utilizar. Estas especificaciones son públicas y deben ser cumplidas estrictamente a la hora de realizar una transmisión tanto para directo como para video bajo demanda, con lo que el margen de decisión o cambio es muy limitado.

Cuando hablamos de streaming en contenido VoD, es imposible no pensar en grandes plataformas internacionales. Tanto los grandes como las plataformas locales tienen sus sistemas de distribución y aplican sus propios métodos de mejora. La codificación de video bajo demanda tiene la ventaja de que no se realiza en tiempo real, lo que permite procesar el vídeo con varias pasadas, logrando con ello mayores ratios de compresión. Por ejemplo, Netflix desde 2015 utiliza un método conocido como “per-title encoding” que permite una optimización dinámica, ahorrando en algunos casos de hasta el 50% de la tasa binaria, obteniendo una calidad superior, hasta el punto de que actualmente se están recodificando títulos anteriores al desarrollo de esta tecnología.

Cuando se habla de codificación de VoD para streaming habitualmente, siempre se está considerando la posibilidad de utilizar compresores adaptativos, que apliquen escalabilidad espacial (diferentes resoluciones espaciales) o temporal (diferentes velocidades de refresco de cuadro) en función de la capacidad de la red y del receptor del usuario. En este sentido, habría que considerar sistemas de compresión como HLS o MPEG-DASH (este último con capacidad de hacer uso de HEVC para la compresión de la señal de vídeo).

Directos en streaming y futuro

En lo que se refiere al streaming en directo, en la mayor parte de las transmisiones el codificador es compartido con el resto de tecnologías de distribución. Es decir, se hace una única codificación para las diferentes redes, terrestre, satélite y/o streaming. El mayor reto, en este caso, es la latencia, dado que hay que “trocear” y “paquetizar” el contenido. La distribución es más lenta en streaming que en broadcast, lo cual, en eventos, deportivos siempre ha sido un factor a tener en cuenta.

Entre otras cuestiones a futuro, está la adopción o no de codificadores libres de patentes, como AV1, que es ligeramente más eficiente que HEVC, a costa de una mayor complejidad y tiempo de procesado, si bien no incluye el pago de royalties. Netflix recientemente ha anunciado que soporta AV1. La gran pregunta es si llegará a sustituir a otros codecs a nivel masivo. Esto es debido al tiempo que tardan los receptores en adaptarse a estas nuevas tecnologías, y como evolucionar estos nuevos codecs para que soporten HDR con metadatos dinámicos.

4. Codificación de UHD en emisiones en directo: desafíos y oportunidades

La codificación de emisiones en directo tiene unos condicionantes muy diferentes al procesado de contenido “enlatado” que se almacena para su posterior distribución por las diferentes plataformas. Los contenidos de VoD permiten el uso de técnicas que mejoren la calidad a costa de aumentar el tiempo de procesado previo necesario. Pero, cuando tratamos con señales en directo, es necesario codificar cada una de las imágenes en menos de 20 ms (para señales UHD p50) o 16,66 ms (para señales UHD p60).

También es necesario tener en cuenta el sistema de transmisión que se va a utilizar. Para sistemas de muy baja latencia o emisiones broadcast, la velocidad binaria de salida del codificador tiene que ser muy estable, ya que un incremento elevado y puntual de la tasa binaria puede que no sea admisible por el resto de la cadena de transmisión. Aquí es donde entran en juego las técnicas de control de tasa binaria para mantener un flujo constante de salida.

Para conseguir esa capacidad de proceso en tiempo real se requiere el uso de plataformas de procesado muy potentes, que actualmente suelen estar basadas en 2 tecnologías muy diferentes:

• Plataformas basadas en circuitos dedicados (FPGA’s), donde todo está muy orientado al proceso de codificación en tiempo real con una muy elevada eficiencia. Se pueden conseguir unas latencias de codificación y decodificación muy bajas con unos consumos extremadamente bajos. Además, suelen ser soluciones muy compactas y de muy poco peso, ideales para unidades móviles, sistemas portátiles, etc., así como estaciones fijas donde la latencia y el consumo sean factores primordiales.
• Plataformas basadas en servidores genéricos, donde se utilizan servidores muy potentes que realizan el procesado en tiempo real a base de capacidad de proceso. Al no requerir un hardware específico, el tiempo de desarrollo es menor. Por el contrario, las latencias de procesado suelen ser bastante más elevadas y, sobre todo, el consumo, que suele multiplicar por 10 o 20 los consumos de las plataformas específicas.

En resumen…

Como se puede comprobar, la tecnología está lista para permitir realizar codificación eficiente de señales UHD y facilitar su transmisión por diferentes canales. Como se ha mencionado, el principal reto es conseguir que los usuarios dispongan de receptores actualizados que permitan hacer uso de los codificadores más eficientes.

Ya hay disponibles implementaciones de la evolución de HEVC, con el estándar ITU-T H.266 (también conocido como VVC), y se está trabajando en la evolución de AV1 con el codec AV2. Con ellos, podremos comprimir señales UHD con calidades y velocidades binarias similares a las que actualmente disfrutamos con señales HD.

Con todo ello, que nadie dude que la señal UHD estará en los hogares. Es solo una cuestión de tiempo.

Juan José Anaya Luengo, director técnico de Sapec; José Manuel Menéndez, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid; y Sonia Valladares, ingeniera de soluciones de Dolby.

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