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Técnicas para mejorar la distribución de vídeo y TV IP
Ana de Armas y Villada Multimedia & Aplicaciones Alcatel-Lucent España os servicios de televisión evolucionan y, con ellos, las exigencias de los teleespectadores subscritos a televisiones de pago. Contenidos de vídeo con calidad DVD o incluso en alta definición, audio en estéreo o envolvente son cada vez más demandados por los usuarios, en consonancia con los receptores de TV y reproductores de audio de avanzadas prestaciones que están cada vez más extendidos en los hogares españoles. Los usuarios también esperan una buena respuesta de las aplicaciones de TV: cambios de canal instantáneos y tiempos cortos de respuesta del portal de TV y de la guía electrónica de programación. En este contexto, proporcionar a los clientes de TV de pago una experiencia de usuario intachable, que les permita ver contenidos de su interés cuando quieran hacerlo y con una alta calidad de imagen y sonido, es una de las claves del éxito para los operadores de plataformas de TV digital. ¿Cómo se distribuye la señal de vídeo en redes de TV sobre IP? Una secuencia de vídeo está compuesta de una sucesión de imágenes, equidistantes entre sí en el tiempo, llamadas tramas. Cada trama se codifica con un conjunto de bits y para que la distribución de contenidos de vídeo en la red IP sea eficiente, se aplican mecanismos de compresión y codificación que eliminan las redundancias de información entre tramas. Para ello, se distinguen tres tipos de tramas en función de su contenido: tramas que contienen una imagen completa (tramas I), y tramas que lo que contienen son diferencias con respecto a la trama anterior (tramas P) o respecto a la anterior y posterior (tramas B). Es decir, la secuencia de vídeo se descompone en imágenes y sólo se distribuyen de manera completa algunas de ellas (tramas I), mientras que otras se reducen distribuyéndose de ellas sólo la parte que las dife- L Técnicas para mejorar la distribución de vídeo y TV IP Tres son los fundamentos para que un servicio de televisión digital interactiva resulte satisfactorio para el cliente teleespectador: calidad de imagen y sonido, variedad de servicios y facilidad de acceso a los mismos. En buena medida, la técnica utilizada para la transmisión de la señal de TV digital condiciona la manera en que se pueden cumplir estos tres requisitos. En el caso de la TV sobre IP la manera en que se transmiten los contenidos de vídeo desde la red hasta el usuario permite un gran control del proceso y también hace posible el desarrollo de técnicas novedosas para ofrecer una mayor calidad de imagen y mejores prestaciones del servicio. En este artículo analizaremos qué son y cómo funcionan dos de estas nuevas técnicas destinadas a que el usuario disfrute más y mejor con la TV digital: los mecanismos para proporcionar cambios rápidos de canal (zapping instantáneo) y los métodos para conseguir distribuciones de vídeo fiables mediante retransmisiones y/o corrección de errores que evitan las pérdidas momentáneas de calidad de imagen en la transmisión digital de la señal de televisión, como paradas de imagen, pixelados, etc. rencia de las demás (tramas P y B), por lo que se eliminan las redundancias espaciales y temporales. A continuación las tramas se agrupan y cada conjunto de ellas está formado por una única trama I y varias tramas B y P. Los conjuntos de tramas se organizan en lo que se llama flujo de vídeo. El estándar utilizado en la codificación determina el número de tramas de cada tipo que se usan en cada uno de los flujos así como el número de bits por trama. Esto determina dos aspectos esenciales de la transmisión: por un lado el número de bits que hay que transmitir en cada instante de tiempo, esto es, la velocidad de transmisión o ancho de banda necesario y, por otro, la calidad de la imagen y sonido que va a percibir el usuario. Dado que estos dos aspectos tienen “intereses opuestos” (el ancho de banda requerido es menor cuanto menor sea el número de bits a transmitir mientras que la calidad mejora cuanto más bits se transmitan), el truco consiste en “jugar” con ambas posibilidades de forma adecuada. Por otra parte, hay que tener en cuenta que el ancho de banda mínimo que garantiza buena calidad de imagen y sonido depende en gran medida del contenido del vídeo. Vídeos con mucho movimiento, colores saturados y gran riqueza de imágenes requieren anchos de banda mayores para garantizar una buena calidad de imagen y sonido que otros más sencillos. Todo ello indica que el desarrollo y la implementación de técnicas de compresión y codificación de vídeo eficientes es el primer hito para la mejora de la distribución de vídeo y TV sobre IP que se suele tratar. Mientras que los primeros despliegues de TV sobre IP se basaban en codificación MPEG2, los operadores de plataformas de TV sobre IP ya se plantean la migración de sus redes al estándar MPEG4 que proporciona un ahorro en ancho de banda del 50% para la misma calidad de vídeo y audio de los contenidos codificados. Y las tecnologías de codificación de vídeo siguen evolucionando. Otra forma de reducir el ancho de banda, a la vez que se mejora la calidad subjetiva del vídeo, es hacer un procesamiento inicial de la imagen para eliminar el ruido de la misma. La imagen sin ruido se codifica y se distribuye y el ruido puede añadirse de nuevo al decodificar esa imagen en el receptor del usuario para devolver a la imagen su calidad inicial. Hay otros mecanismos como el RRU (Reduced Resolution Update) que consisten en codificar tramas de un mismo vídeo a diferente resolución para aumentar la eficiencia de la compresión. El zapping instantáneo Pero a medida que se incrementa la eficiencia de la codificación, el cambio de canal se hace más lento y se aleja del ideal de instantaneidad que buscan los usuarios. Técnicamente, el cambio de canal supone una transición brusca de imagen: el flujo de vídeo que se está distribuyendo a un usuario se interrumpe y sustituye por el flujo de vídeo correspondiente al nuevo canal solicitado. Pero el decodificador o reproductor de vídeo del TENDENCIAS. Técnicas para mejorar la distribución de vídeo y TV IP “Proporcionar a los clientes de TV de pago una experiencia de usuario intachable, que les permita ver contenidos de su interés cuando quieran hacerlo y con una alta calidad de imagen y sonido, es una de las claves del éxito para los operadores de plataformas de TV digital” Figura 1. Ejemplo de secuencia de tramas de vídeo. bit 168 ABR.-MAY. 2008 61 TENDENCIAS. Técnicas para mejorar la distribución de vídeo y TV IP usuario sólo puede sintonizar un flujo de vídeo cuando recibe una trama con información completa de la imagen, es decir, el cambio de canal será efectivo sólo en el momento en que el decodificador del usuario reciba una trama I del flujo de vídeo del nuevo canal. Cuanto más eficiente es la codificación y menor ancho de banda se utiliza para codificar el vídeo, más tiempo pasa entre una trama I y la siguiente, por lo que el tiempo que se tarda en cambiar de canal, es decir, el tiempo que pasa hasta que llega la primera trama con información completa de la imagen, aumenta. Para resolver este problema existen varias soluciones posibles, todas ellas orientadas a distribuir de forma rápida al decodificador del usuario un flujo de vídeo que comience con una trama I del nuevo canal que quiere ver. Así, por ejemplo, hay una solución basada en la instalación de dispositivos de almacenamiento de los flujos de vídeo en equipos de red próximos a los nodos de acceso que proporcionan el servicio de TV sobre IP a los usuarios. Estos dispositivos son capaces de almacenar y ordenar adecuadamente las tramas de los flujos de vídeo de todos los canales de manera que, tan pronto como un usuario solicita un cambio de canal, se le envía el flujo de vídeo almacenado y ordenado del nuevo canal. Este flujo de vídeo comenzará con una trama I que permitirá visualizar instantáneamente una imagen del nuevo canal. Este método requiere el uso de un pequeño búfer de almacenamiento de los flujos de vídeo del mayor número de canales posible, lo cual puede ser crítico en ofertas de cientos de canales de TV y por otro lado, una vez que se han enviado las tramas almacenadas hay que sincronizar la imagen con la emisión en tiempo real del canal. Para el primero de los problemas existen soluciones basadas en el uso de las estadísticas habituales de cambio de canal: en lugar de almacenar los flujos de vídeo de todos los canales en todos los dispositivos, se almacenan solamente aquellos canales que el usuario solicitará con mayor probabilidad. Si la asignación de canales grabados en estos dispositivos se realiza de manera dinámica en función de este tipo de parámetros se puede optimizar considerablemente la capacidad de almacenamiento requerida. Para el caso de la sincronización con el canal de TV en tiempo real la solución ha de pasar por ajustar, en el menor tiempo posible, la transmisión de ambos flujos de vídeo, el almacenado y el canal en vivo. Puede conseguirse, básicamente, de dos formas. La primera de ellas consiste en transmitir en el momento del cambio de canal el flujo de vídeo almacenado a una velocidad mayor y acelerar de esta forma la alineación con el flujo real. Esto supone un pequeño aumento de la necesidad de ancho de banda durante el cambio de canal. La segunda técnica consiste en transmitir a la misma velocidad el flujo de vídeo almacenado pero codificado con menos bits (por ejemplo, despreciando tramas con escasa información como las tramas B o P), llegando al cabo de un corto espacio de tiempo a alinearse con el canal en vivo. Puede presentar un cierto empeoramiento de la imagen recibida en el cambio de canal, pero tengamos en cuenta que se produce en apenas milisegundos de tiempo por lo que el empeoramiento resultaría inapreciable. Transmisión de vídeo fiable A pesar de que los equipos de las redes IP son cada vez más fia- Figura 2. Cambio instantáneo de canal. bles y seguros es inevitable que en este tipo de redes las tramas se pierdan, sufran retardos y estén sometidas al efecto del ruido impulsivo u otras interferencias. Esta problemática de las redes IP, aunque es imperceptible para el usuario en algunos servicios como el acceso a Internet, resulta especialmente grave en servicios de tiempo real como la distribución de vídeo y TV. Si no se aplican mecanismos de detección y corrección de estos errores los usuarios los percibirán en sus receptores de TV como congelaciones de imagen, pantallas en negro, falta de nitidez, distorsiones... y la tolerancia a fallos en la imagen de los usuarios de TV de pago es muy baja. Existen varias estrategias de protección del flujo de vídeo en la red. Dos de las más importantes son las retransmisiones y los mecanismos de corrección de errores (FEC, Forward Error Correction). El mecanismo basado en retransmisiones consiste en detectar las tramas que se han perdido y las que han sufrido algún tipo de error y volver a distribuirlas por la red IP a petición del decodificador de vídeo del usuario. La principal ventaja de esta técnica es que consume muy poco ancho de banda en la red para estas retransmisiones y además el coste de procesamiento de los datos es muy bajo. Como desventaja hay que destacar que puede crear retardos en las tramas, que hay que controlar y minimizar. En cuanto a los mecanismos de corrección de errores se basan en la introducción de bits de protección en las tramas que permitan reconstruirlas en el caso de que sufran fallos en la distribución o se pierdan, sin necesidad de volverlas a transmitir. La introducción de estos bits de protección añade complejidad al flujo de vídeo y, por tanto, mayor complejidad de procesamiento en los codificadores y decodificadores de vídeo. Una vez más, a la hora de aplicar estrategias de protección de los flujos de vídeo hay que encontrar el equilibrio entre proporcionar al usuario la mejor calidad de imagen y sonido posible y maximizar la eficiencia de la red IP. Estos dos métodos no son excluyentes: es posible implantar uno, otro, o una combinación de ambos de manera que se llegue a optimizar la fiabilidad de la distribución de señal. Además, en el caso de la retransmisión es necesaria una cierta capacidad de almacenamiento temporal de las tramas en algún punto de la red cercano al usuario para que, en caso de que haya que transmitir una trama, haya tiempo para reconstruir el flujo original de vídeo. Esta necesidad de almacenamiento intermedio puede resolverse con una solución de almacenamiento como la analizada en el caso del cambio rápido de canal, optimizando la red para que soporte ambos mecanismos. El almacenamiento temporal para la posible reconstrucción de flujos de vídeo o para optimizar el cambio de canal, puede servir también para desarrollar nuevas aplicaciones como la inserción de tramas de vídeo específicas para ofrecer anuncios publicitarios o modificar las imágenes originales con cambios personalizados, por ejemplo. En conclusión, parece claro que la elección de tecnologías de distribución de vídeo y TV en redes IP permite encontrar un buen equilibrio entre distintas posibilidades que, a su vez, facilitan el desarrollo y despliegue de un servicio de TV mucho más rico y flexible. En la actualidad, es posible proporcionar un servicio de TV sobre IP con una calidad de imagen y sonido que satisfaga plenamente las expectativas del teleespectador. Y la tecnología sigue evolucionando. TENDENCIAS. Técnicas para mejorar la distribución de vídeo y TV IP Figura 3. Mecanismo de retransmisiones.
30 oct 2015