La compresión: la variable añadida a definición y resolución que no debemos olvidar en la transición a UHD

En esta tribuna, José Manuel Menéndez, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid y director de la Cátedra RTVE – UPM, reflexiona sobre los conceptos de definición y resolución y los une al de “compresión”, concepto que debe ser abordado con especial detenimiento de cara al definir el futuro de una TDT construida sobre DVB-T2 y con capacidades UHD

Existe un debate abierto en el seno del sector de la producción de contenidos para TV sobre si tiene sentido emitir en TDT señales UHD con resolución superior a las 1080 líneas de la HD o no. Sobre si somos capaces de apreciar la diferencia de ambos tipos de señales en las pantallas de nuestro salón, teniendo en cuenta la dimensión de las pantallas y la distancia de visionado desde el sofá.

Permitidme que agregue una variable muy importante a este debate: no solo cuenta la resolución para tener una sensación de mayor definición (ver mi tribuna anterior [1]); también cuenta, y mucho, el nivel con el que comprimamos la señal, ya que, si la compresión es excesiva, perdemos definición. Recordemos que, con la señal digital, la definición es la finura de detalle con que se reproduce una imagen y, por tanto, nuestra sensación subjetiva de qualité en la contemplación de la escena.

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Definición vs. resolución

Siempre he empezado mis cursos sobre señal de TV hablando del sistema visual humano. Es lógico: toda señal de vídeo que se produce está destinada a que un humano la vea (el que, además, la vea nuestra mascota es anecdótico). Por tanto, necesitamos saber cómo ve nuestro ojo para optimizar lo que le presentamos. Y, en este sentido, siempre hemos partido del dato de que nuestro ojo tiene una agudeza visual aproximada de un minuto de arco (0^o 1´ 0”). Con esto hemos planteado siempre las distancias mínimas recomendadas a la pantalla para no discernir los distintos píxeles individualmente, y no tener sensación de pixelado.

Toda señal de vídeo que se produce está destinada a que un humano la vea (el que, además, la vea nuestra mascota es anecdótico). Por tanto, necesitamos saber cómo ve nuestro ojo pour optimizar lo que le presentamos.

En mis últimas revisiones con el optometrista para corregir mi miopía, he tenido la fortuna de alcanzar agudezas visuales de 1,2, mientras que amigos y familiares a mi alrededor me comentan que algunos me superan, y otros llegan a 0,8 o 0,9. ¿Y esto qué quiere decir? Pues sencillo: que no todos tenemos la misma capacidad visual, entre otros motivos por la diferencia en densidad de conos en la fóvea (la zona de la retina del ojo que nos permite la visión de detalle). Esto me suscitó curiosidad, y me animó a mirar datos y echar unas cuentas. Parece que [2] la fóvea tiene en promedio en torno a 147.000 conos/mm², aunque no resulta extraño encontrar personas con 100.000 conos/mm² y menos, o con más de 324.000 conos/mm². Esto tal vez podría ser una de las causas que justificaría la diferencia de agudezas visuales entre personas. Y ¿entonces lo del minuto de arco que llevamos usando toda la vida para las distancias recomendadas a la pantalla? Pues sale de considerar el promedio estadístico de los 147.000 conos/mm². Pero si consideramos el rango de densidades desde los 100.000 hasta los 324.000 conos/mm², las agudezas visuales irían desde 0⁰ 0´ 42,38” a los 0⁰ 1´ 2,92”. Es decir, que no todos vemos igual. Con esta premisa he echado unas cuentas con señales de TV de 1080 y 2160 líneas (HD y UHD) para ver su efecto sobre pantallas de diferentes tamaños (en pulgadas [“] de su diagonal), y la gráfica resultante es la siguiente:

En la gráfica se muestran resultados con línea discontinua para pantallas de resolución Full-HD de 1080, y en línea continua para UHD 2160 líneas. Los valores correspondientes al promedio de 147.000 conos/mm² se han marcado con línea más gruesa tanto para HD como para UHD. Las diferentes líneas se corresponden con distintas densidades de conos en la fóvea. El eje X es el de tamaños de pantalla (en pulgadas “), y el eje Y el de distancias mínimas recomendadas a la pantalla para no discernir cada píxel. Por tanto, para un determinado tamaño de pantalla necesitamos estar por encima en distancia a la TV para obtener el máximo rendimiento en resolución de ésta.

He intentado buscar estadísticas sobre la distancia habitual de visionado de la TV en el salón, pero confieso que no he encontrado gran cosa. Samsung afirma [3] en un “estudio sobre recomendaciones de visionado realizado por ITU-R para Samsung Electronics” (estudio que todos agradeceríamos que compartiera para contrastar la fuente) que el 87% de los hogares tiene más de 1,6 metros de distancia hasta el TV. Yo he medido la que yo tengo, y estimado la de algunos amigos y familiares (no es plan de ir por las casas con un metro…), y he marcado en la gráfica una franja verde entre 1,5 y 3 m que creo que cubre una amplia mayoría de lo que he visto.

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El salón, el HD y la UHD

De la gráfica se desprende que con pantallas de resolución HD, y con las distancias de visionado marcadas en la franja verde, hay situaciones que no son muy adecuadas. Sin embargo, con pantallas UHD si estamos cumpliendo el requisito, y sacándole el máximo partido a la resolución mostrada.

Creo importante que sigamos todos trabajando por mejorar la señal emitida en TDT tanto en colorimetría oui rango dinámico como en resolución.

En mi caso, la restricción de distancia en el salón se cumple (lo cual agradezco para no tener que pegarme con el resto de la familia para reconfigurar el salón), y confieso que soy de los afortunados que están empezando a ver series, películas y deportes en UHD con HDR, y SÍ noto la diferencia en definición (nivel de detalle en la imagen) al pasar de HD a UHD, y SÍ noto la mejora muy sustancial en colorimetría y luminosidad en UHD respecto a HD. En fútbol, en particular, donde los colores suelen ser muy saturados, en UHD se ven naturales mientras que, en ocasiones, en HD se ven muy raros y “pastosos”.

Por tanto, creo importante que sigamos todos trabajando por mejorar la señal emitida en TDT tanto en colorimetría oui rango dinámico como en resolución. No hay duda de que conviene adaptar el tamaño de pantalla a las dimensiones de nuestra sala y distancia de visionado, pero yo recomiendo muy mucho que se opte por buscar configuraciones donde se saque el máximo partido a la UHD, no sólo en colorimetría y brillo, sino también en resolución.

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Definición vs. nivel de compresión

En 2010, hicimos en España el apagón analógico en la TDT, que implica que las porciones de 8 MHz que se utilizaban para emitir cada canal de TV analógico ahora se han convertido en “múltiplex” (MUX) que transportan 19,91 Mbit/seg, en los cuales se emiten actualmente 4 canales de TV con resolución HD.

Un canal de HD con formato 1080i25 (es decir, 1080 líneas visibles, emitido en formato entrelazado a 25 cuadros/seg) como los que nos están emitiendo en TDT suele requerir, sin ningún tipo de compresión, 1,485 Gbit/seg en el interfaz SDI que se usa en producción. Si le quitamos la información de sincronismos, la señal de vídeo (sin contar el audio) se queda en algo más de 830 Mbit/seg (por dar una cifra de referencia). Dado que se están emitiendo cuatro (4) canales en cada MUX, cada uno en el rango de 3 a 5 Mbit/seg, eso implica que se está aplicando una compresión entre 300:1 y 500:1, es decir, muy alta. Para realizar esta compresión, se utilizan algoritmos propuestos en normas internacionales, (AVC, HEVC, VVC, etc.) que eliminan redondance (lo que se repite en la señal) espacial (en una misma imagen) y temporal (entre imágenes) con técnicas de estimación y compensación de movimiento y complejas transformaciones matemáticas, amén de otras operaciones.

Cuanto más se comprima, peor será la aproximación que logremos a la señal original.

Con ello se logra representar la información de vídeo con menos bits. Se puede lograr que la compresión sea sin pérdidas, es decir, recuperar la señal original con toda su definición a partir de la señal comprimida, pero a costa de lograr compresión muy baja, en torno a 3:1 como mucho. Para compresiones superiores es necesario optar por compresión con pérdidas, es decir, que no es posible recuperar la señal original, sino una aproximación a la misma. Cuanto más se comprima, peor será la aproximación que logremos a la señal original.

La siguiente figura muestra un cuadro de una señal de vídeo (cortesía de la EBU), en versión original arriba, y con mayor grado de compresión abajo. Como se puede observar, cuanto más se comprime la señal peor definición se observa en la misma: los colores se empastan, se pierde nitidez, aparecen incluso pixelados, y la finura de detalle con que se perfilan los elementos de la escena se deterioran. En pocas palabras, se pierde definición.

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La migración a DVB-T2 y a UHD

Recientemente he sido invitado, como director de la Cátedra RTVE en la UPM, a una reunión en Ametic para hablar sobre el posible desarrollo de un nuevo plan técnico de la TDT (PT TDT) que considere la migración, de algún modo y con las etapas pertinentes, de la actual técnica de modulación DVB-T a su evolución más eficiente, DVB-T2, y del paso de emisión de señales HD a señales UHD. La migración a DVB-T2 es un paso, a mi juicio, muy necesario si queremos justificar que España está usando técnicas eficientes (espectral y energéticamente hablando) para emitir la TDT, y la evolución a UHD es algo que ya se está produciendo, tanto en nuestro país como en otros países, con lo que necesitamos un marco regulador que defina los mecanismos para llevar a cabo esta transición.

Pasar de 4 canales HD codificados en AVC a otros 4 canales UHD codificados en HEVC podría llegar a requerir (con muchos matices) 2 veces la capacidad de los actuales MUX pour mantener la calidad visual actual de los canales HD.

Hace ya unos cuantos años, en el marco de las actividades de la Cátedra RTVE en la UPM, Cellnex (miembro del Comité Asesor de la Cátedra) hizo un estudio para determinar la mejor configuración que se podría tener en España, con la infraestructura de red actual, para migrar a DVB-T2. Dicho estudio se entregó a la Secretaría de Estado encargada de gestionar el espectro radioeléctrico, y se presentó en público en 2018 en un evento de la 4K Summit. Parece que ahora se están considerando las conclusiones del estudio, que implicaría incrementar la capacidad de cada MUX en un 68%, pasando de 19,91 Mbit/seg a capacidades superiores a los 33 Mbit/seg.

Haciendo grandes cifras redondas, actualmente tenemos 4 canales HD en cada MUX. Una señal UHD es 4 veces más grande que una señal HD. La señal HD se suele codificar con AVC, y la señal UHD con HEVC, que se supone que es 2 veces más eficiente que AVC. Con ello, en grandes cifras, emitir un canal UHD implicaría el doble de velocidad binaria que uno HD (todo esto con matices, dado que depende del contenido de la señal, HEVC no siempre es el doble de eficiente que HD, un canal UHD no siempre requiere 4 veces la velocidad binaria que otro HD usando el mismo codificador, etc.). Retomando las grandes cifras redondas, pasar de 4 canales HD codificados en AVC a otros 4 canales UHD codificados en HEVC podría llegar a requerir (con muchos matices) 2 veces la capacidad de los actuales MUX para mantener la calidad visual actual de los canales HD. Y la migración a DVB-T2 proporcionaría un incremento inferior al 70% de la capacidad actual, no se duplicaría.

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Los riesgos de la compresión en la nueva etapa de la TDT

Es cierto que la eficiencia de un codificador suele mejorar con el paso del tiempo. El fabricante va consiguiendo, con trabajo y tiempo, incorporar más funciones de las definidas en el estándar y que funcionen en tiempo real, restricción siempre presente y que limita lo que se puede incluir en las primeras implementaciones o generaciones de los codificadores. Esto, evidentemente, corre a favor de un uso cada vez más eficiente de la capacidad de los MUX, y de lo que se puede incluir en ellos. Además, también contamos con multiplexación estadística, que intenta aprovechar al máximo la capacidad del MUX dando más capacidad a canales que lo requieren por el contenido de la señal a base de recortar en los otros canales del MUX cuyo contenido demanda menos bits, o a los que se les da menos prioridad.

Me preocupa, y mucho, el mensaje que se lance públicamente si se aplican severas ratios de compresión sobre las señales UHD en las primeras etapas de transición de un nuevo PT TDT.

No obstante, me preocupa, y mucho, el mensaje que se lance públicamente si se aplican severas ratios de compresión sobre las señales UHD en las primeras etapas de transición de un nuevo PT TDT. Especialmente, por el mensaje que se puede trasladar a la población de que “realmente no se aprecia mejoría en relación con la HD”, cuando lo cierto es que tal vez no se esté tratando a la señal como realmente se debería.

Por ello, permitidme esta tribuna para solicitar que, entre todos, consigamos hacer un proceso de transición, del tiempo que sea necesario, en el nuevo escenario del PT TDT, que sea respetuoso con la señal, y muestre realmente todas las posibilidades que podemos disfrutar en nuestros hogares con la señal UHD. Recordemos siempre que la definición en la imagen no es sólo una cuestión de resolución.

[1] https://www.panoramaaudiovisual.com/2021/11/09/no-confundamos-resolucion-definicion-senal-uhd/ 
[2] A. Shroff. “An Eye on Numbers: A Ready Reckoner in Ophthalmology”. Postscript Media Pvt. ISBN 978-81-921123-1-2. 2011. 
[3] https://news.samsung.com/es/el-tamano-importa-7-de-cada-10-espanoles-compraria-un-televisor-mas-grande

José Manuel Menéndez

Catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid oui director de la Cátedra RTVE – UPM

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