Principales algoritmos de compresión para aplicaciones de vigilancia IP y ventajas y desventajas de cada uno de ellos
Dado que cada día son más los sistemas de vigilancia que se conectan en red, el problema de gestionar la transmisión de imágenes digitales desde estos sistemas se ha convertido en un punto crítico para la adopción generalizada de la vigilancia IP.
Afortunadamente existe una solución para esto, consistente en la selección de un algoritmo de compresión adecuado. El objetivo de este artículo consiste en facilitar esta selección evaluando algunos algoritmos de compresión específicos y sus méritos relativos. En la actualidad existen cinco algoritmos de compresión de imágenes cuyo uso está extendido en toda la industria de la vigilancia. Algunos de ellos se utilizan más que otros. Estos sistemas son, para las imágenes dinámicas/vídeo, MPEG, H.261 y H.263, y para las imágenes estáticas JPEG, JPEG 2000 y Wavelet.
Principales algoritmos de compresión
JPEG son las siglas de Joint Photographic Experts Group (Grupo de expertos en ensamblaje fotográfico, el comité responsable del desarrollo de este estándar y de su sucesor, el estándar JPEG 2000). JPEG es el formato de compresión más extendido hoy en día. Este formato se diseñó, como su nombre indica, para gestionar la compresión de imágenes estáticas individuales. De este modo, trata la salida de vídeo como imágenes estáticas capturadas. Ofrece la opción de una alta relación de compresión, pero baja calidad de imagen, o unas relaciones de compresión ligeramente más bajas con buena calidad de imagen. En el caso de que aparezcan ‘artefactos’ en sus imágenes, denominados en ocasiones ‘cuadriculación’, éstos constituyen una indicación bastante buena de que está empleando una relación de compresión demasiado alta, como ocurre en el ejemplo de abajo a la derecha (Figura 2):
Figura 1: Imagen original Figura 2: Una imagen JPEG con una compresión excesiva
Las altas relaciones de compresión también implican que las imágenes se hacen más pequeñas, retirando una cantidad y tipo de datos almacenados, de forma que la calidad de la imagen siempre se ve afectada en cierta medida. Por otra parte, JPEG consigue la compresión mediante varias técnicas complejas que incluyen la ‘cuantización’ o eliminación de información redundante que existe en el interior de toda imagen digital sin añadir nada apreciable a la calidad de la imagen. Una muy buena idea.
JPEG 2000 actualiza este estándar a fin de incorporar trenes de ondas, que básicamente eliminan la ‘cuadriculación’ a niveles de compresión más altos y en su lugar sustituyen este efecto con una sensación global de imagen borrosa que es menos molesta para el ojo (observe la Figura 3):
Figura 3: Una imagen comprimida en formato JPEG 2000 mediante trenes de ondas
Motion JPEG o M-JPEG ofrece una mayor relación de compresión y está diseñado específicamente para imágenes dinámicas o vídeo. Básicamente, M-JPEG considera la salida de vídeo digital como una serie de imágenes JPEG. Las ventajas de este estándar son las mismas que las de JPEG, dado que las técnicas de compresión son semejantes. Ambos estándares son relativamente simples en términos de la tecnología que emplean para comprimir los datos y, de este modo, se pueden construir motores de codificación y decodificación económicos utilizando estos estándares. Por su parte, esto permite la producción barata de cámaras de red, DVR y servidores de vídeo con estos estándares. También se encuentra disponible el estándar MJPEG 2000.
MPEG son las siglas de Motion Picture Experts Group (Grupo de expertos en imágenes dinámicas). Este comité se formó a finales de los años 80 con el objetivo de crear un estándar para la codificación de imágenes dinámicas y sonido. Desde entonces ha creado los estándares MPEG-1, MPEG-2 y MPEG-4. La siguiente generación de estándares incluirá MPEG-7 y MPEG-21.
- MPEG-1 fue el primer estándar público, presentado en 1993. MPEG-1 adoptó las técnicas de compresión de vídeo desarrolladas para el estándar JPEG y le añadió más técnicas para conseguir una codificación eficaz de secuencias de vídeo. Con el vídeo comprimido mediante MPEG, sólo se incluyen las partes nuevas de una secuencia de vídeo, mientras que los bits de imagen inalterados simplemente se reutilizan, lo que redunda en la necesidad de comprimir menos datos. MPEG-1 es el estándar empleado, por ejemplo, para almacenar vídeo digital en CD. El objetivo principal es la relación de compresión, más que la calidad de la imagen. Muchos consideran que este estándar crea una salida con calidad de VCR a pesar de ser digital.
- MPEG-2 se centró en ampliar la técnica de compresión de MPEG-1 a fin de trabajar con imágenes más grandes y de mayor calidad a expensas de una menor relación de compresión y del resultante aumento de uso de ancho de banda. Asimismo, este estándar proporciona unas técnicas más avanzadas destinadas a potenciar el vídeo a la misma velocidad de transmisión de 1,5 Mbps. Estas técnicas avanzadas tienen un mayor precio y hacen que el estándar MPEG-2 resulte inadecuado para la mayor parte de las aplicaciones de vigilancia en tiempo real, aunque el estándar se emplea ampliamente para comprimir salidas de vídeo digital para su almacenamiento en DVD.
- MPEG-4 soporta incluso las aplicaciones con menor consumo de ancho de banda, tales como los teléfonos móviles y las PDA, pero también sirve para imágenes de alta calidad y aplicaciones de ancho de banda casi ilimitado. Actualmente las películas se comprimen empleando MPEG-4. De igual forma, los teléfonos móviles con vídeo utilizan este estándar. Tanto MPEG-2 como -4 cubren un intervalo de tamaños de imagen, velocidades de imagen y usos de ancho de banda.
| MPEG | -1 |
-2 |
-4 |
| Ratio de transmisión (Mbps) |
1.86 |
15 |
15 |
| Ancho de imagen (píxeles): |
352 |
720 |
720 |
| Altura de imagen (píxeles): |
288 |
576 |
576 |
| Imágenes por segundo (ips): | 30 |
30 |
30 |
Figura 4: Tabla comparativa entre los distintos tipos de MPEG que ilustra las diferencias en tamaño y velocidad de imagen y uso de ancho de banda de las distintas versiones de MPEG
H.26x, el término común para los algoritmos de compresión H.261 y H.263, fue desarrollado específicamente para las videoconferencias y, como tal, está diseñado para transmitir datos de vídeo y sonido a través de líneas con un ancho de banda extremadamente limitado, tales como líneas telefónicas analógicas PSTN (red telefónica pública conmutada). También se ha empleado ampliamente para transmitir imágenes de vigilancia a través de líneas telefónicas estándar. En esta aplicación se ha ganado muchos amigos entre aquellos que desean mantener en el mínimo absoluto el consumo de ancho de banda.
Sin embargo, a medida que la capacidad de red y la disponibilidad de ancho de banda representan cada vez menos un problema, es probable que el uso de este estándar en el mundo de la vigilancia IP disminuya cada vez más. Este algoritmo aún no es un estándar, sino una simple recomendación de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, según sus siglas en inglés).
Los distintos algoritmos de compresión ofrecen diversas funcionalidades y algunos son más flexibles que otros. Por consiguiente, debería considerar los requisitos de sus instalaciones antes de decidir qué dispositivos desea implantar y los algoritmos de compresión en los que estarán basados.
Resulta vital considerar qué es lo que se ha especificado que capture el sistema. ¿Espera conseguir imágenes estáticas de individuos identificables y sucesos o necesita imágenes dinámicas? ¿Representa un problema el ancho de banda? ¿De qué cantidad de ancho de banda libre dispone la red de las instalaciones para transmisión de vídeo? No tiene mucho sentido disponer de unas imágenes de alta calidad de tipo DVD en tiempo real procedentes de cámaras de red si la transmisión de las imágenes destinadas a alarmas tarda diez minutos en llegar a la pantalla del PC del director de seguridad y no se pueden almacenar en el dispositivo de almacenamiento sin sobrecargarlo en cuestión de horas.
También es necesario tener en cuenta el presupuesto. Unos algoritmos más complejos significan que los productos de vigilancia que los adopten serán más caros, multiplicando el coste global de una solución dada. De este modo, sea cual sea el sistema, existe un compromiso entre calidad y tamaño de imagen, velocidad y claridad, y rendimiento y coste. La selección del algoritmo de compresión juega un papel fundamental en el proceso de selección. De este modo, debe considerarse atentamente en las especificaciones de cualquier sistema de vigilancia.
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