Decodificando los Video Codec: una comparación completa de H.264, HEVC y AV1 para el éxito de la transmisión

La calidad y eficiencia de la entrega de contenido dependen de dos procesos críticos: la compresión y descompresión de datos de video. En el centro de estos procesos se encuentra el códec de vídeo, el héroe anónimo que lo hace todo posible.

A lo largo de los años, innumerables empresas se han embarcado en la búsqueda de desarrollar el códec de vídeo definitivo. La feroz competencia que estalló en las décadas de 2000 y 2010 transformó el panorama y afectó tanto a los espectadores como a los distribuidores de contenidos y a los fabricantes de equipos. Hoy en día, estamos sobre los hombros de gigantes, con unos pocos códecs seleccionados que salen victoriosos en la batalla por una calidad superior de transmisión de video y brillantez visual.

En esta publicación de blog, profundizaremos en los tres códecs líderes de nuestro tiempo: H.264, HEVC y AV1. Exploraremos sus historias, analizaremos sus diferencias y destacaremos los beneficios que ofrecen a los proveedores de TV/IPTV, servicios OTT y productoras profesionales.

¿Qué es un códec de vídeo?

Un códec de vídeo, abreviatura de compresor-descompresor, es una tecnología vital que se utiliza para codificar y decodificar archivos de vídeo. El proceso de codificación comprime los datos de vídeo, reduciendo el tamaño del archivo para facilitar la transmisión y el almacenamiento. La decodificación, por otro lado, restaura el vídeo comprimido a su calidad original para una reproducción perfecta. El códec que elija puede afectar significativamente la calidad del video, el tamaño del archivo y la compatibilidad entre varios dispositivos.

Es importante aclarar la distinción entre códecs de vídeo y formatos contenedores:

Códec: Este es el software responsable de comprimir y descomprimir archivos de vídeo. Ejemplos notables incluyen H.264 y HEVC (H.265), que dictan cómo se codifican los datos de video para minimizar el tamaño del archivo y se decodifican para su reproducción.

Formato de contenedor: Esto se refiere al formato de archivo que encuentre, como .avi, .mov o .mp4. Los contenedores agrupan secuencias de vídeo y audio en un único archivo, pero no gestionan la compresión por sí mismos; sirven como contenedor para el contenido codificado en códec.

Por ejemplo, un archivo de vídeo con extensión .mp4 podría utilizar el códec H.264 para la compresión de vídeo, junto con AAC para la compresión de audio. El contenedor .mp4 simplemente mantiene unidas estas transmisiones, lo que lo hace esencial para una transcodificación de video eficiente en el panorama dinámico de transmisión actual.

¿Cómo funciona un códec?

En el centro de la codificación de vídeo se encuentra una matriz de píxeles que forman los fotogramas del vídeo. Un códec de vídeo identifica y rastrea grupos de píxeles similares que comparten características idénticas, como el color de fondo. En lugar de registrar los detalles de cada píxel (como el color y el brillo) individualmente, el códec almacena el píxel clave y cuenta cuántas veces se repite este píxel hasta que cambia de color. El códec determina la calidad de la imagen estableciendo un umbral en el que las diferencias menores entre píxeles se consideran idénticas.

Este método lo emplean códecs de vídeo más simples, mientras que los códecs más sofisticados integran factores adicionales. Consideran el movimiento de grupos de píxeles que crean la imagen, aplican diferentes calidades de compresión a través de la segmentación y utilizan secuencias de cuadros codificados de diferentes maneras y presentados en un orden específico.

Los códecs modernos están ingeniosamente diseñados para aprovechar las características psicofísicas de la visión humana y el sistema nervioso. Esto les permite reducir drásticamente el tamaño de los datos sin comprometer la calidad de la imagen, allanando el camino para una experiencia de transmisión sin igual.

The Codec Wars: una búsqueda del códec de vídeo perfecto

A medida que la industria del streaming de vídeo crecía a principios de la década de 2000, surgió una feroz competencia entre empresas y organizaciones dedicadas al desarrollo de códecs. Esta batalla, conocida como Codec Wars, fue algo más que crear códecs superiores; fue una lucha por el control de los estándares del mercado y los avances tecnológicos. Los actores clave, incluidos los desarrolladores de códecs y los gigantes tecnológicos, invirtieron recursos en investigación, desarrollo y cabildeo para dar forma a los estándares, los precios y el dominio tecnológico de la industria.

Las empresas compiten por el control de las tecnologías de códec no sólo para mejorar sus ofertas sino también para influir en los precios y la adopción del mercado. Las tarifas de licencia y las regalías asociadas con códecs como HEVC han tenido un impacto significativo en las decisiones de la industria. Por el contrario, los códecs libres de derechos como AV1 pretenden alterar este paradigma, ofreciendo una alternativa rentable que reduce la carga financiera de los creadores y distribuidores de contenidos.

H.264 (AVC): un punto de inflexión en la compresión de vídeo

Desarrollado en colaboración por el Grupo de Expertos en Codificación de Vídeo del ITU-T y el Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento ISO/IEC, H.264 logró un equilibrio impresionante entre calidad de vídeo y tamaño de archivo. Introdujo avances innovadores, como una eficiencia de compresión mejorada y soporte para una amplia gama de resoluciones y velocidades de cuadros, lo que lo convierte en la opción preferida tanto para los creadores como para los distribuidores de contenido.

YouTube fue una de las primeras plataformas importantes en adoptar H.264 para sus servicios de transmisión de video. Esta decisión estratégica permitió a los usuarios disfrutar de una reproducción de vídeo fluida en una multitud de dispositivos, garantizando que siempre se mantuviera el equilibrio entre calidad y tamaño de archivo. La versatilidad de H.264 también lo convirtió en una opción preferida para configuraciones de codificadores de IPTV y otras tecnologías de transmisión, consolidando su posición en el mercado.

Cómo funciona H.264 (AVC)

H.264 emplea varias técnicas innovadoras que contribuyen a su eficiencia:

• Compensación de movimiento basada en bloques: este método divide un fotograma de vídeo en pequeños bloques (normalmente de 16 x 16 píxeles) y sigue su movimiento de un fotograma a otro. Al capturar únicamente los cambios entre estos bloques, H.264 logra una compresión notable.

• Tamaño de bloque variable: A diferencia de los códecs más antiguos que dependen de un tamaño de bloque fijo, H.264 permite diferentes dimensiones de bloque, como 4x4 u 8x8 píxeles. Esta adaptabilidad es particularmente beneficiosa para comprimir escenas con movimiento variable, mejorando la eficiencia general del códec.

• Predicción intracuadro: Para áreas estáticas de un vídeo, H.264 aprovecha la información de los píxeles vecinos para predecir los valores de los píxeles, lo que reduce significativamente la cantidad de datos necesarios para el almacenamiento.

• Codificación de entropía: H.264 utiliza dos métodos sofisticados (CAVLC y CABAC) para comprimir aún más los datos. Si bien CABAC ofrece una eficiencia superior, exige más potencia de procesamiento.

Por qué H.264 fue un hito

• Eficiencia: H.264 proporcionó una mejora sustancial en la eficiencia de la compresión en comparación con sus predecesores, como MPEG-2. Esto permitió la entrega de vídeo de alta calidad a tasas de bits más bajas, lo que lo hace ideal para la transmisión.

• Adopción generalizada: Su combinación de eficiencia y licencias relativamente simples condujo a una amplia adopción en varias plataformas y dispositivos, solidificando el legado de H.264 en el panorama de los medios digitales.

Ingrese HEVC: el próximo gran paso

A medida que aumentó la demanda de vídeo de mayor calidad por parte de los consumidores con la llegada del contenido HD y 4K, las limitaciones de H.264 se hicieron evidentes. Esto allanó el camino para el desarrollo de HEVC (H.265), finalizado en 2013 como sucesor de H.264. Desarrollado por los mismos grupos de expertos, HEVC tenía como objetivo duplicar la tasa de compresión de datos en comparación con su predecesor, abordando la creciente necesidad de una mejor compresión.

Netflix adoptó rápidamente HEVC, lo que permitió la entrega de impresionante contenido en streaming 4K. Esta transición permitió a la plataforma brindar una calidad de imagen superior y al mismo tiempo administrar de manera eficiente el ancho de banda, mejorando la experiencia de visualización de sus suscriptores.

Cómo funciona HEVC (H.265)

HEVC introdujo varios avances que lo diferencian de H.264:

• Unidades de árbol de codificación (CTU): En lugar de depender de bloques más pequeños, HEVC emplea bloques más grandes (hasta 64x64 píxeles). Este cambio mejora la compresión, particularmente para videos de alta resolución como 4K, al minimizar la sobrecarga asociada con bloques más pequeños.

• Predicción de movimiento avanzada: HEVC mejora el seguimiento del movimiento con técnicas más precisas, utilizando movimientos más pequeños y múltiples marcos de referencia para mejorar la predicción del movimiento de los objetos, mejorando así la eficiencia de los datos.

• Más modos de predicción: Con una gama más amplia de técnicas de predicción, HEVC puede gestionar mejor diferentes partes de un fotograma, lo que mejora la precisión de la compresión.

• Codificación de entropía mejorada: HEVC presenta una versión avanzada de CABAC, que proporciona una mejor compresión pero con mayor complejidad en comparación con H.264.

• Procesamiento paralelo: HEVC admite la división de un vídeo en secciones más pequeñas para su procesamiento simultáneo, lo que acelera significativamente la codificación y decodificación, especialmente para contenido de alta resolución.

Lo que HEVC pretendía lograr

• Compresión mejorada: HEVC (High Efficiency Video Coding) fue desarrollado con una misión clara: revolucionar la compresión de video. Al prometer duplicar la eficiencia de su predecesor, H.264, HEVC permite la misma calidad de vídeo sorprendente a la mitad de la velocidad de bits. Este avance es crucial para ofrecer contenido de alta definición y 4K a los espectadores sin comprometer su experiencia.

• Mejor calidad para tecnologías emergentes: con el aumento de la demanda de vídeo 4K, HEVC dio un paso al frente y administró de manera eficiente archivos de video de gran tamaño. Esta capacidad no sólo mejora la experiencia de visualización sino que también respalda el floreciente mercado de tecnologías de vídeo avanzadas.

Desafíos con HEVC

• Complejidad: si bien las técnicas avanzadas de compresión de HEVC fueron innovadoras, también introdujeron una capa de complejidad. Los procesos de codificación y decodificación se volvieron más complejos y requirieron tecnología y experiencia sofisticadas.

• Costos de licencia: la adopción de HEVC enfrentó obstáculos debido a sus múltiples conjuntos de patentes, lo que resultó en importantes tarifas de licencia. Estos costos crearon barreras que obstaculizaron su implementación generalizada, limitando su accesibilidad para muchos proveedores de contenido.

El ascenso de AV1: un nuevo contendiente

A medida que la industria siguió evolucionando, se hizo evidente la necesidad de un códec más rentable y eficiente. Esto llevó al desarrollo de AV1, finalizado en 2018 por la Alliance for Open Media (AOMedia). Diseñado como una alternativa libre de regalías a HEVC, AV1 tiene como objetivo mejorar la eficiencia de la compresión y al mismo tiempo eliminar la carga de las tarifas de licencia.

YouTube ya ha adoptado AV1 para algunas de sus transmisiones de video, particularmente para contenido de alta resolución y HDR. Este movimiento estratégico permite a YouTube ofrecer una calidad de video superior a velocidades de bits más bajas, brindando una mejor experiencia a los usuarios con conexiones a Internet más lentas. A medida que AV1 gana terreno, su integración en varias tecnologías de codificación de transmisión aumenta constantemente.

Cómo funciona AV1

AV1 está diseñado para superar a HEVC en varias áreas clave:

• Codificación basada en bloques y en mosaicos: AV1 emplea un enfoque híbrido, utilizando técnicas de codificación basadas en bloques y en mosaicos. Esta flexibilidad le permite manejar una amplia gama de tamaños de bloques, desde 4x4 hasta 128x128 píxeles, lo que permite una adaptación eficiente a diferentes contenidos de video.

• Cuantización adaptativa: una de las características destacadas de AV1 es su capacidad para ajustar la retención de detalles en función de la complejidad del vídeo. Esta cuantificación dinámica garantiza que los datos se utilicen de manera eficiente, evitando el consumo innecesario de recursos en escenas más simples.

• Técnicas avanzadas de predicción: AV1 incorpora métodos de predicción de vanguardia para anticipar el contenido de vídeo, reduciendo significativamente los datos necesarios para escenas complejas. Esta innovación es clave para mantener imágenes de alta calidad sin un uso excesivo del ancho de banda.

• Codificación de entropía multicapa: con sus sofisticadas técnicas de codificación de entropía, AV1 logra una eficiencia de compresión aún mayor, lo que lo convierte en un reproductor formidable en el campo de los códecs de video.

• Compatibilidad con HDR: AV1 destaca en el manejo de contenido de alto rango dinámico (HDR), mejorando la precisión del color y la calidad general, algo esencial para las pantallas modernas que exigen la mejor experiencia visual.

Lo que AV1 pretendía lograr

• Compresión superior: AV1 fue diseñado para superar a HEVC en eficiencia de compresión, con un rendimiento aproximadamente un 30% mejor. Esto significa que se pueden entregar videos de mayor calidad a velocidades de bits más bajas, lo que hace que la transmisión sea más accesible para todos.

• Eficiencia de costos: al eliminar las tarifas de licencia y los costos relacionados con las patentes, AV1 se posiciona como una opción más asequible tanto para los creadores como para los distribuidores de contenido.

• Preparación para el futuro: AV1 no se trata solo de satisfacer las necesidades actuales; está diseñado para manejar avances futuros, incluido el video 8K y más, lo que garantiza que siga siendo relevante en un panorama tecnológico en constante cambio.

Desafíos con AV1

• Complejidad: a pesar de sus ventajas, las funciones avanzadas de AV1 conllevan su propio conjunto de desafíos. La mayor complejidad de codificación y decodificación exige más potencia computacional y hardware avanzado, lo que puede suponer una barrera para algunos usuarios.

• Adopción: Si bien la adopción de AV1 va en aumento, todavía está por detrás de códecs establecidos como H.264 y HEVC. La implementación más lenta del hardware y software de soporte sigue siendo un desafío, pero el impulso está cobrando impulso.

Análisis comparativo

Para comprender cómo funciona cada códec en escenarios prácticos, comparemos sus características técnicas clave y sus implementaciones en el mundo real. La siguiente tabla destaca las diferencias técnicas clave entre H.264, HEVC y AV1. Esta comparación destaca cómo cada códec aborda los desafíos de la compresión de video y sus respectivas fortalezas y debilidades.