TVD, principios MPEG2

Perfiles y Niveles MPEG2:

Los distintos formatos de MPEG2 permiten cubrir las diferentes necesidades surgidas en la industria de la televisión, tanto desde el punto de vista de la producción, post producción como del transporte de la señal. La cadena de agentes que intervienen en el sector de la televisión, no solo son las cadenas de TV sino todas aquellas empresas del sector audiovisual que desde la elaboración de contenidos, pasando por la producción, transporte, procesado y hasta el consumo final del producto, recalan en las definiciones de MPEG2, para el establecimiento de un mercado audiovisual digital que compatibiliza el uso de criterios comunes, sin detrimento de la calidad (incidencia directa sobre la economía de escala y costes). Las especificaciones MPEG2 están concebidas para ser genéricas con el fin de servir a una amplia gama de aplicaciones. Tanto es así, que abarcan velocidades de hasta 400 Gbps y resoluciones de imágenes con tamaños de hasta 16.000x16.000 pixeles. Con el propósito de poner limites prácticos a tanta dispersión de valores y disponer de aplicaciones reales, se ha definido un sistema de perfiles y niveles (Profiles and Levels) que permiten acotar y orientar el mercado de la televisión digital.
En la relación de perfiles y niveles definidos por los estándares de MPEG2, los “Profiles” definen los límites de la complejidad de los algoritmos empleados en el tratamiento de las señales de vídeo para su compresión y, por lo tanto, en cierto modo, la complejidad del diseño de los vídeo codecs.
Los “Levels” orientan en cuanto a la resolución, o lo que es lo mismo, el nivel de calidad de la señal de vídeo, es decir, el número de líneas activas y el número de muestras empleadas para la digitalización de dichas líneas. Como ejemplo, el perfil “main” y el nivel “main” permiten un máximo de velocidad binaria de 15 Mbps mientras que para el mismo perfil “main” y nivel “high” permite un máximo de velocidad binaria de hasta 80 Mbps.
De los cinco perfiles de compresión, el DVB ha elegido el denominado Principal (Main Profile) y en cuanto a los niveles de calidad definidos por el MPEG2, el DVB ha seleccionado el nivel Principal de definición normal (Main Level). El DVB ha definido de las 20 opciones posibles sólo 11, y dentro de estas 11 posibilidades ha seleccionado el “Main Profile and Main Level” 4:2:0 (MP@ML@4:2:0) como el más adecuado para empezar a utilizar la señal digital comprimida con los algoritmos de compresión definidos por el MPEG2. No obstante, los 15 Mbps que definió el MPEG2, como MP&ML, no ha sido una velocidad con suficiente calidad para algunos sectores de la producción del vídeo y, sobre todo, para las transmisiones entre estudios de televisoras. Una de las operaciones habituales es la realización de operaciones de post-producción, para lo cual, los profesionales demandan mayor nivel de calidad, nivel de calidad de contribución 4:2:2 e índices de compresión menores (p. ej.: 270 Mbps:50Mbps = 5,4), e incluso formatos 4:4:4. Como consecuencia de dicha demanda, se ha aprobado y adoptado el PP@ML (Professional Profile and Main Level) o simplemente P@ML, con una salida entre 40 Mbps y 50 Mbps con calidad contribución 4:2:2 para el tráfico digital comprimido MPEG2 entre estudios.
Para ser riguroso con el estándar MPEG2, los descodificadores que operan en uno de los 11 perfiles/niveles deben poder descodificar cualquier perfil/nivel definido a la izquierda y/o por debajo a uno dado. La mayoría de los productos desarrollados actualmente son para el perfil “main” y nivel “main” (ML&MP) o bien para el perfil “main” y nivel “high” (HDTV).
Cuando se habla de señal digital comprimida, según los estándares definidos por MPEG2 y adoptados por el DVB, hay que tener en cuenta dos variables importantes para valorar el nivel de calidad:

• formato de la señal digital a la entrada del vídeo codec, a:b:c
• índice de compresión del vídeo codec.

Esta combinación de tres dígitos a:b:c, se refiere a la calidad de la señal digital, no se refiere en ningún caso, al nivel de calidad a la salida del compresor MPEG2, por el contrario, se refiere al nivel de calidad a la entrada de los vídeo codecs MPEG2, y cuanto más altos sean los tres índices de estructura de muestreo de las componentes de luminancia y crominancia, menos pérdida de información y, por lo tanto, mayor nivel de calidad tendrán las imágenes a la salida del compresor. Si consideramos como frecuencia de muestreo fm = 13,5 Mhz y la aplicamos a la señal de luminancia, se obtienen un total de 864 muestras por línea (13,5 Mmuestras * 64 us) en un formato de señal analógica PAL. Gracias a las facilidades que proporcionan los PLL´s, se podrían emplear frecuencias de muestreo submúltiplos de la frecuencia de referencia (13,5 Mhz) fm/2, fm/4, etc. En las entradas de los vídeo codecs MPEG2 nos encontraremos señales de vídeo con distintos formatos, y consecuentemente con distinto nivel de calidad (4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, etc.).

Componente	Y	Ur	Ub
fm	13,5 MHz	6,75 MHz	6,75 MHz
Muestras/línea	864	432	432
Resolución del ADC	10 bits	10 bits	10 bits
WB =(864 + 432 + 432) * 625 líneas * 25 cuadros/s * 10 bits = 270 Mbps

En la nomenclatura habitual se suele designar por un “1” a la frecuencia más baja (fm/4 = 3,375 Mhz), por un “2” a la frecuencia mitad (fm/2 = 6,75 Mhz) y con un “4” a la frecuencia fundamental o de referencia (debe cumplir el principio de Nyquist). Con estos criterios, cuando se trabaja con señales de vídeo en componentes (Y, Ur , Ub) y el nivel de calidad de entrada, de una señal de vídeo en banda base (señal digital sin comprimir), es 4:2:2 se está diciendo (ver Tabla). En algunos sistemas de compresión, y como fase previa a la propia compresión, se convierte el formato 4:2:2 al 4:2:0. Este formato (4:2:0) no significa que una de las componentes no se muestrea, sino que una línea se muestrea a 4:2:2 y en la siguiente a 4:0:0 (no se muestrea) y así sucesivamente.

Formatos de TV en producción:

Actualmente, los Estándares de Definición en Televisión (Standar Definition TV, SDTV) se emplean en los estudios para la producción de programas tanto en formato de vídeo compuesto como de vídeo en componentes. La señal digital compuesta se obtiene como resultado de un proceso de tres fases: la primera fase consiste en, a partir de la señal de vídeo en componentes, reconstruir la señal de vídeo compuesta mediante la modulación en cuadratura de las dos señales de crominancia por la subportadora de color (4,43 Mhz para la señal PAL) y su posterior incorporación a la señal de luminancia; una vez obtenida la señal analógica compuesta de vídeo, se digitaliza mediante el correspondiente ADC, el cual presenta una frecuencia de muestreo de cuatro veces la frecuencia de la subportadora de color. La tercera fase la compone un registro de desplazamiento paralelo serie convirtiendo la señal digital paralelo a una interfaz digital serie.
Otro de los formatos empleados en la producción de señales de TV es la señal digital en componentes, este formato proporciona una imagen de mayor calidad mediante el tratamiento, por separado, de la señal de luminancia y cada una de las dos señales diferencia de color. Las salidas de los tres ADC´s se distribuyen por un bus de transmisión local, a una velocidad de 27 Mpalabras por segundo, hasta el serializador que convierte la interfaz paralela a la interfaz serie (Rec. 656) de 270 Mbps SDI.
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(*).-Telefónica Formación, TV: Transporte de señales de vídeo, Junio 1999