Las ventajas de MPEG
Con la masiva introducción de redes locales en las empresas, la difusión de Internet y la progresiva implantación de la telefonía IP para ahorrar costes y aumentar los servicios ofrecidos aprovechando la infraestructura existente, crece el interés de la digitalización y comprensión de la señal telefónica. En este terreno las ventajas del estándar MPEG son muchas.
Nadie duda de que los sistemas multimedia representan el futuro pero su despliegue se enfrenta a serios inconvenientes, como un gran consumo de recursos y un elevado tiempo de transmisión. Por ello, todo esfuerzo que se haga por reducir la cantidad de datos a enviar redunda en beneficio de una mayor eficacia, siempre que los niveles de calidad se mantengan dentro de los márgenes adecuados para evitar el rechazo de los usuarios. Como, prácticamente, ya toda la información se encuentra en formato digital, podemos aprovechar las técnicas existentes para su almacenamiento, transmisión y tratamiento.
En cuanto a las aplicaciones residenciales, para la oferta de servicios de TV o vídeo por medio de las redes de cable o de la RTC (utilizando ADSL o VDSL), estas técnicas son imprescindibles ya que la oferta de canales, al igual que el número de usuarios que pueden estar conectados al mismo tiempo, puede ser muy elevado. También en las comunicaciones por satélite, que permiten la difusión masiva (broadcasting) de programas, archivos, etc. a un gran número de usuarios, resulta crucial el tiempo de descarga. En todos estos casos, las técnicas de compresión son críticas para el éxito de la aplicación.
Si analizamos las aplicaciones destinadas al ocio, entre las formas de transmitir la música a través de Internet destacan particularmente los nuevos formatos de compresión de audio (los MPEG), que están causando un gran impacto por su fácil manipulación, codificación, decodificación y almacenamiento, y que, en poco tiempo, han alcanzado niveles de gran popularidad entre los usuarios que buscan fidelidad, calidad y variedad en el sonido digital. Entre todos estos formatos, el MPEG-1 Layer III, más conocido como MP3, ha desatado una enorme controversia, debido a la legalidad o ilegalidad de utilizar estos ficheros cuando contienen temas musicales, no sólo por ser fácilmente accesibles sino también por el bajo coste y gratuidad de dichas copias.
Actualmente, la mayoría de las operaciones realizadas sobre señales de sonido son digitales, pues tanto el almacenamiento como el procesado y transmisión de la señal en forma digital ofrece ventajas muy significativas sobre los métodos analógicos. La tecnología digital es más avanzada y ofrece mayores posibilidades, menor sensibilidad al ruido en la transmisión y la capacidad de incluir códigos de protección frente a errores, además de encriptación. Asimismo, con los mecanismos de decodificación adecuados, se puede tratar simultáneamente señales de diferentes tipos transmitidas por un mismo canal.
Pero también hay desventajas. La principal es que requiere un ancho de banda mucho mayor que el de la señal analógica. No es de extrañar, por tanto, el enorme interés que despiertan las técnicas de compresión de datos.
Codificacion y compresión
Antes de describir los sistemas de codificación y compresión, debemos detenernos en un breve análisis de la percepción auditiva del ser humano para comprender por qué una cantidad significativa de la información que proporciona el método PCM puede desecharse. El centro de la cuestión se basa en un fenómeno conocido como enmascaramiento.
El oído humano percibe un rango de frecuencias entre 20 Hz. y 20 kHz. En primer lugar, la sensibilidad es mayor en la zona alrededor de los 2-4 kHz, de manera que el sonido resulta menos audible cuanto más cercano se está a los extremos. En segundo lugar, aparece el enmascaramiento, cuyas propiedades utilizan exhaustivamente los algoritmos más interesantes: cuando la componente a cierta frecuencia de una señal tiene una energía elevada, el oído no puede percibir componentes de menor energía en frecuencias cercanas, tanto inferiores como superiores. A una cierta distancia de la frecuencia enmascaradora, el efecto se reduce tanto que resulta despreciable; el rango de frecuencias en las que se produce el fenómeno se denomina banda crítica (critical band).
Las componentes que pertenecen a la misma banda crítica se influyen mutuamente y no afectan ni se ven afectadas por las que aparecen fuera de ella. La amplitud de la banda crítica es diferente según la frecuencia en la que nos situemos y viene dada por unos determinados datos que demuestran que es mayor con la frecuencia. Hay que señalar que estos datos se obtienen por experimentos psicoacústicos, que se realizan con expertos entrenados en percepción sonora, dando origen con sus impresiones a los modelos psicoacústicos.
La digitalización de la señal mediante PCM es la forma más simple de codificación, y es la que utilizan tanto los CD como los sistemas DAT. Como toda digitalización, añade ruido a la señal, generalmente indeseable. Como hemos visto, cuantos menos bits se utilicen en el muestreo y la cuantificación, mayor será el error al aceptar valores discretos para la señal continua, esto es, mayor será el ruido. Para evitar que el ruido alcance un nivel excesivo hay que emplear un gran número de bits, de forma que a 44,1 kHz, y utilizando 16 bits para cuantificar la señal, uno de los dos canales de un CD produce más de 700 kbit/s. Gran parte de esta información es innecesaria y ocupa un ancho de banda que podría liberarse, a costa de aumentar la complejidad del sistema decodificador e incurrir en cierta pérdida de calidad. El compromiso entre ancho de banda, complejidad y calidad es el que produce los diferentes estándares del mercado.
Tipos de formatos
Los archivos de audio tienen diferentes formatos, que dependen generalmente del con qué, del cómo y del para qué fueron creados. Cuando se trabaja con una aplicación, el software asigna una extensión al tipo de archivo que está creando con el fin de identificarlo, como, por ejemplo, .doc para Word o .xls para Excel. De la misma manera, los formatos de los archivos de sonido se caracterizan por su extensión, como .wav y .avi para WAVE y Audio-Video for Windows, respectivamente, de Microsoft, .ra para Real Audio de Real Networks o .mov para Quick Time de Apple.
Si los archivos .wav fueron sustituidos por los .au para ser utilizados en la Web, los AVI son sustituidos por los MPEG para el tratamiento de audio y vídeo. Este tipo de formato no soporta el tiempo real, por lo que, si transportar un archivo de audio por la red ocupa espacio y tiempo, un archivo de video y audio ocupará más.
Existen más formatos; algunos permiten reproducir también video, ya sea en tiempo real o no. Ninguno es excelente en todo, es decir, unos son buenos para reproducir música, otros para la voz, etc., por lo que habrá que tener mucho cuidado a la hora de seleccionar el adecuado para una aplicación concreta; así, por ejemplo, Real Audio resulta muy adecuado para streaming de vídeo sobre Internet.
El estándar MPEG Audio
El estándar MPEG Audio contempla tres niveles diferentes de codificación-decodificación de la señal de audio, de los cuales sólo el primero está totalmente terminado. Los otros dos son aplicables, y
Nadie duda de que los sistemas multimedia representan el futuro pero su despliegue se enfrenta a serios inconvenientes, como un gran consumo de recursos y un elevado tiempo de transmisión. Por ello, todo esfuerzo que se haga por reducir la cantidad de datos a enviar redunda en beneficio de una mayor eficacia, siempre que los niveles de calidad se mantengan dentro de los márgenes adecuados para evitar el rechazo de los usuarios. Como, prácticamente, ya toda la información se encuentra en formato digital, podemos aprovechar las técnicas existentes para su almacenamiento, transmisión y tratamiento.
En cuanto a las aplicaciones residenciales, para la oferta de servicios de TV o vídeo por medio de las redes de cable o de la RTC (utilizando ADSL o VDSL), estas técnicas son imprescindibles ya que la oferta de canales, al igual que el número de usuarios que pueden estar conectados al mismo tiempo, puede ser muy elevado. También en las comunicaciones por satélite, que permiten la difusión masiva (broadcasting) de programas, archivos, etc. a un gran número de usuarios, resulta crucial el tiempo de descarga. En todos estos casos, las técnicas de compresión son críticas para el éxito de la aplicación.
Si analizamos las aplicaciones destinadas al ocio, entre las formas de transmitir la música a través de Internet destacan particularmente los nuevos formatos de compresión de audio (los MPEG), que están causando un gran impacto por su fácil manipulación, codificación, decodificación y almacenamiento, y que, en poco tiempo, han alcanzado niveles de gran popularidad entre los usuarios que buscan fidelidad, calidad y variedad en el sonido digital. Entre todos estos formatos, el MPEG-1 Layer III, más conocido como MP3, ha desatado una enorme controversia, debido a la legalidad o ilegalidad de utilizar estos ficheros cuando contienen temas musicales, no sólo por ser fácilmente accesibles sino también por el bajo coste y gratuidad de dichas copias.
Actualmente, la mayoría de las operaciones realizadas sobre señales de sonido son digitales, pues tanto el almacenamiento como el procesado y transmisión de la señal en forma digital ofrece ventajas muy significativas sobre los métodos analógicos. La tecnología digital es más avanzada y ofrece mayores posibilidades, menor sensibilidad al ruido en la transmisión y la capacidad de incluir códigos de protección frente a errores, además de encriptación. Asimismo, con los mecanismos de decodificación adecuados, se puede tratar simultáneamente señales de diferentes tipos transmitidas por un mismo canal.
Pero también hay desventajas. La principal es que requiere un ancho de banda mucho mayor que el de la señal analógica. No es de extrañar, por tanto, el enorme interés que despiertan las técnicas de compresión de datos.
Codificacion y compresión
Antes de describir los sistemas de codificación y compresión, debemos detenernos en un breve análisis de la percepción auditiva del ser humano para comprender por qué una cantidad significativa de la información que proporciona el método PCM puede desecharse. El centro de la cuestión se basa en un fenómeno conocido como enmascaramiento.
El oído humano percibe un rango de frecuencias entre 20 Hz. y 20 kHz. En primer lugar, la sensibilidad es mayor en la zona alrededor de los 2-4 kHz, de manera que el sonido resulta menos audible cuanto más cercano se está a los extremos. En segundo lugar, aparece el enmascaramiento, cuyas propiedades utilizan exhaustivamente los algoritmos más interesantes: cuando la componente a cierta frecuencia de una señal tiene una energía elevada, el oído no puede percibir componentes de menor energía en frecuencias cercanas, tanto inferiores como superiores. A una cierta distancia de la frecuencia enmascaradora, el efecto se reduce tanto que resulta despreciable; el rango de frecuencias en las que se produce el fenómeno se denomina banda crítica (critical band).
Las componentes que pertenecen a la misma banda crítica se influyen mutuamente y no afectan ni se ven afectadas por las que aparecen fuera de ella. La amplitud de la banda crítica es diferente según la frecuencia en la que nos situemos y viene dada por unos determinados datos que demuestran que es mayor con la frecuencia. Hay que señalar que estos datos se obtienen por experimentos psicoacústicos, que se realizan con expertos entrenados en percepción sonora, dando origen con sus impresiones a los modelos psicoacústicos.
La digitalización de la señal mediante PCM es la forma más simple de codificación, y es la que utilizan tanto los CD como los sistemas DAT. Como toda digitalización, añade ruido a la señal, generalmente indeseable. Como hemos visto, cuantos menos bits se utilicen en el muestreo y la cuantificación, mayor será el error al aceptar valores discretos para la señal continua, esto es, mayor será el ruido. Para evitar que el ruido alcance un nivel excesivo hay que emplear un gran número de bits, de forma que a 44,1 kHz, y utilizando 16 bits para cuantificar la señal, uno de los dos canales de un CD produce más de 700 kbit/s. Gran parte de esta información es innecesaria y ocupa un ancho de banda que podría liberarse, a costa de aumentar la complejidad del sistema decodificador e incurrir en cierta pérdida de calidad. El compromiso entre ancho de banda, complejidad y calidad es el que produce los diferentes estándares del mercado.
Tipos de formatos
Los archivos de audio tienen diferentes formatos, que dependen generalmente del con qué, del cómo y del para qué fueron creados. Cuando se trabaja con una aplicación, el software asigna una extensión al tipo de archivo que está creando con el fin de identificarlo, como, por ejemplo, .doc para Word o .xls para Excel. De la misma manera, los formatos de los archivos de sonido se caracterizan por su extensión, como .wav y .avi para WAVE y Audio-Video for Windows, respectivamente, de Microsoft, .ra para Real Audio de Real Networks o .mov para Quick Time de Apple.
Si los archivos .wav fueron sustituidos por los .au para ser utilizados en la Web, los AVI son sustituidos por los MPEG para el tratamiento de audio y vídeo. Este tipo de formato no soporta el tiempo real, por lo que, si transportar un archivo de audio por la red ocupa espacio y tiempo, un archivo de video y audio ocupará más.
Existen más formatos; algunos permiten reproducir también video, ya sea en tiempo real o no. Ninguno es excelente en todo, es decir, unos son buenos para reproducir música, otros para la voz, etc., por lo que habrá que tener mucho cuidado a la hora de seleccionar el adecuado para una aplicación concreta; así, por ejemplo, Real Audio resulta muy adecuado para streaming de vídeo sobre Internet.
El estándar MPEG Audio
El estándar MPEG Audio contempla tres niveles diferentes de codificación-decodificación de la señal de audio, de los cuales sólo el primero está totalmente terminado. Los otros dos son aplicables, y
