Pregi e difetti delle tecnologie VideoCD, SVCD, DVD e DivX per la condivisione dei filmati digitali
luglio 2003 Analizzeremo in questo articolo le varie tecnologie di registrazione
del videodigitale: DVD, VideoCD, SuperVideoCD
e DivX cercandone i relativi vantaggi e svantaggi.
Perché il video deve essere compresso
Se non si usassero sistemi di compressione per i dati, un solo minuto di video
registrato su un hard disk o DVD come sequenza di immagini occuperebbe ben 1.270
MB. Questo significa che un comune film di 95 minuti (1h e 35′)
a 25 fotogrammi/sec occuperebbe 120 GB e un comune DVD da 4.7 GB potrebbe
contenere solo 4 minuti di video.
Per ridurre il filmato a dimensioni accettabili si deve far ricorso
ad un codec (DivX è uno di questi). Codec sta per Codificatore-Decodificatore
ed è un sofware che a basso livello indica al programma che registra
il filmato (l’Encoder) come effettuare la compressione.
Lo stesso codec indica al programma di visualizzazione (il Player)
come va decompressa la sequenza dei fotogrammi per essere visualizzata.
Il Moving Pictures Expert Group, da cui viene la sigla MPEG,
è un consorzio di esperti dell’ISO (Industry Standard
Organization) che rilascia le specifiche di compressione per il video e l’audio
digitale. Gli algoritmi MPEG sono di tipo “distruttivo”
lossy ossia applicano una compressione che rimuove alcuni dettagli
meno significativi dalle immagini.
I formati di compressione MPEG1, 2 e 4 si basano sulla codifica IDCT
(Inverse Discrete Cosine Transform – Trasformata discreta inversa del
coseno).
Come funziona la compressione video
L’immagine presente nel singolo fotogramma viene suddivisa in
blocchi di 16×16 pixel ed ognuno di essi in successivi sottoblocchi
di 8×8. L’algoritmo IDCT tenta di fondere la struttura ed il colore dei
blocchi 8×8 in un solo pixel per poi applicare la stessa procedura ai macroblocchi.
A seconda del livello di compressione applicato tale fusione può essere
elevata, media o lieve con relativa qualità di immagine scarsa, media
od ottima. Nelle zone di colore uniforme, per esempio una strada sgombra
con lo sfondo del cielo, l’MPEG1 risulta efficace, la compressione
è bassa con minima perdita di dettaglio mentre in una scena ricca di
dettagli, come la visione dell’interno di un bosco, si può percepire
una certa “blocchettizzazione” dell’immagine ed artefatti
attorno agli oggetti dovuti alla compressione elevata.
Ma non ogni singolo fotogramma subisce la stessa compressione. Nelle
specifiche MPEG si individuano tre tipi di fotogrammi: esistono gli
I-frame (Intra frame), i fotogrammi chiave di riferimento meno
compressi, quindi i P-frame (Predictive Frame), più
compressi e ricavati per interpolazione dalle differenze di struttura con l’I-frame,
e infine i B-frame (Bidirectional predictive frame) la cui
struttura è ricavata sia dal fotogramma precedente che da quello successivo
e sui quali è applicata la massima compressione.
In MPEG2 per esempio le sequenze di fotogrammi si presentano in modo ciclico
IBBPBBPBBPBB a gruppi di 12. Dopo il dodicesimo B frame inizierà un nuovo
I-frame; ogni gruppo di fotogrammi è detto GOP (Group Of Pictures).
L’algoritmo IDTC viene usato per la compressione degli I-frame mentre
per stimare le differenze strutturali sui P-frame e sui successivi B-frame si
applicano anche gli algoritmi di Motion Compensation (compensazione
del moto) e Motion Estimation (stima del moto). Se tra un fotogramma
e l’altro c’è stato uno spostamento di una parte dell’immagine,
questi algoritmi tentano di prevedere come si sposteranno i vari blocchi in
modo da ricostruire correttamente la struttura del fotogramma successivo.
La maggior parte delle schede video attuali implementa in hardware le
funzioni IDTC e Motion Compensation per favorire la visione dei file
MPEG1/2 dei VideoCD e DVD senza gravare sul processore di sistema.
Le differenze di compressione in MPEG
MPEG2 rispetto a MPEG1 può operare
in dual-pass: dall’esame del film si crea un database delle scene statiche
e dinamiche e poi successivamente si applica una compressione mirata alle varie
parti, si passa quindi da un valore di compressione costante (CBR, Constant
BitRate) a uno variabile (VBR, Variable BitRate).
L’ultima specifica MPEG4 oltre alle caratteristiche di
MPEG2 vanta nuovi algoritmi di matematica frattale e una struttura ad oggetti
disposti su livelli di uno spazio 3D virtuale. La compressione avviene usando
usando GMC (Global Motion Compensation) che tiene conto della struttura dell’intero
fotogramma e migliora la nitidezza nelle scene di movimento in cui la telecamera
si sposta in una direzione continua.
SA-DCT (Shape Adaptive DCT) è
invece una evoluzione dell’algoritmo DCT descritto prima. Nei nuovi codec
MPEG4 è presente anche la funzione PsychoVisual Enanchement, attraverso
essa sono compressi moltissimo gli sfondi e poco gli oggetti in primo piano,
i più percepiti dal cervello umano.
Il risultato è una compressione fino ad otto volte maggiore rispetto
a MPEG2 ma con una perdita qualitativa molto limitata. Il formato MPEG4
è oggi disponibile gratuitamente attraverso il codec DivX e
sarà probabilmente la base di sviluppo per i futuri DVD-video ad altissima
definizione.
Il rapporto compressione/ risoluzione/qualità
Se la compressione è elevata il file video occupa poco spazio ma si ha
una significativa perdita qualitativa; al contrario se la compressione è
bassa si ha un file video di ottima qualità ma con una occupazione di
spazio su disco maggiore.
Facciamo un esempio: vogliamo far rientrare su un CD da 700 MB un video di un’ora
con risoluzione di 720×576 (PAL) e che occupa nativamente 5.600 MB, per esempio
un film DVD o il video delle nostre vacanze ripreso con una videocamera DV.
Potremo agire su due fronti: applicare un’elevata compressione MPEG o
diminuire la risoluzione oppure, cosa ancora migliore, effettuare tutte e due
le cose. è chiaro a questo punto che il miglior codec di compressione
sarà quello che ci darà, a parità di spazio occupato su
disco, la migliore qualità visiva, ci permetterà cioè di
tenere una risoluzione abbastanza alta e un’ottima qualità di immagine
pur usando un fattore di compressione elevato che ridurrà a 700 MB, ossia
di ben otto volte, la dimensione del nostro video.
Il flusso di bit compressi in encoding (o decompressi in playing) nel
file video nell’unita di tempo (1 secondo) è chiamato bitrate.
Stabilendo per il codec un bitrate elevato la qualità sarà alta
e la compressione bassa, viceversa impostando un bitrate basso si avrà
una perdita di dettagli delle immagini a causa della elevata compressione dei
fotogrammi.
La codifica MPEG1: nasce il VideoCD
La prima specifica MPEG1 è stata rilasciata alla fine del 1993 ed è
stata usata per realizzare una compressione su un video a risoluzione medio-bassa:
352×288 punti a 25 FPS con un bitrate di 1.150 Kbit/s per il video e di 224
Kbit/s per l’audio. Il risultato è stato denominato VideoCD
(o VCD); questo supporto anche se non molto diffuso in Europa ha visto
però un boom nei paesi asiatici, Cina in particolare.
La qualità dell’immagine è simile a quella della
cassetta VHS nelle scene statiche. Nelle scene dinamiche, ossia quelle
in cui la telecamera ruota o fa degli zoom, la qualità è invece
inferiore. Un VideoCD è masterizzato su un semplice CD-R/RW da 74 o 80
minuti, può contenere dai 72 ai 78 minuti di filmato ed è compatibile
con la quasi totalità dei lettori DVD-video domestici. Molti lettori
Dvd-video leggono anche VideoCD realizzati con bitrate di 2.000 Kbit/s che però
avranno necessariamente durata inferiore (45-50 minuti). Nel caso che invece
si aumenti anche la risoluzione (es. 512×384) si produrrà un XVCD
(Extendend VideoCD) ma lo stesso, a parte rarissimi casi, non è
letto dai DVD-video ma solo dal PC.
DVD video o SVCD, per il formato MPEG2
Dalla nascita del supporto DVD (Digital Versatile Disc) si è avuta la
possibilità di memorizzare su disco ottico una quantità di dati
dalle 7 alle 28 volte superiore rispetto al CD. Il DVD infatti può contenere
4,38 GB (4.700.000 byte) per ogni faccia ma può essere anche a doppio
strato con la possibilità di avere quindi fino a 7,95 GB; proprio questi
due sono i formati più diffusi. La maggiore capacità
è dovuta al fatto che nel DVD le tracce della spirale che contengono
i dati misurano solo 0.4 micron contro 1.6 micron del CD e anche i punti incisi
dal laser di scrittura (i Pit) possono avere dimensione minima
di 0.74 micron contro gli 0.83 del CD. Oltre a ciò va considerata che
la lunghezza d’onda del laser che nel DVD è di
650 nanometri contro i 780 del CD.
Data l’elevata capacità in Gbyte il DVD-video è
stato realizzato usando la compressione MPEG2 con risoluzione di 720×576 punti
ossia la massima consentita dal formato televisivo PAL per l’Europa e
un bitrate elevato che può variare da 5.000 a 15.000 Kbit/s. Ricordiamo
che negli USA vige invece lo standard NTSC che ha un numero di linee orizzontali
inferiori (720×480 punti). Per l’audio è stata invece adottata
la compressione digitale AC3 (o la DTS) che può fornire l’effetto
surround della sala cinematografica a 5+1 canali ricreabile tra le mura domestiche
dotandosi dell’apposito kit di altoparlanti. Lo svantaggio del formato
DVD sta nei costi del supporto e nella sua delicatezza.
Ultimamente si sono andati diffondendo anche i SuperVideoCD o SVCD.
Si tratta di VideoCD registrati usando MPEG2 (invece di MPEG1) con un bitrate
di 2.254 Kbit/s e una risoluzione superiore pari a 480×576 punti. Lo stiramento
verticale dell’immagine viene poi compensato dal player video in fase
di riproduzione. Un SVCD fornisce una qualità visiva decisamente superiore
al VCD ma può contenere solo dai 35 ai 40 minuti di video e solo una
parte dei lettori DVD-video domestici legge questo formato.
Cosa è il DIVX e perché è
importante
Abbiamo visto che il DVD presenta un’eccellente qualità delle immagini
ma è un supporto delicato e costoso la cui diffusione nei masterizzatori
DVD è rallentata dalla guerra dei formati tra DVD-R/RW,
DVD+R/RW e DVD-RAM, anche se sembra un punto
di svolta l’introduzione dei multiformato. Il VideoCD ha una qualità
d’immagine appena soddisfacente mentre il SuperVideoCD ha il problema
della capacità limitata a soli 35 minuti.
In questa situazione si è inserita la codifica DivX,
vediamo di tracciarne la storia: quando fu introdotto il DVD-video nel 1995
le case cinematografiche e i distributori pretesero che il supporto fosse protetto
in modo da impedirne la copia. Furono così adottate delle chiavi
di crittografia a 10 cifre sui file video compressi in MPEG2 del DVD (i file
Vob).
Tali chiavi erano basate sull’algoritmo CSS (Content
Scramble System) che ne impediscono la visione su un supporto copiato. Fu inoltre
applicata la tecnica Macrovision (usata anche in VHS) che disturba
la visione post-copia con diminuzioni repentine di colore, contrasto e audio.
Ebbene, le chiavi di crittografia ressero per quattro anni, fino a quando nel
1999 il geniale diciottene norvegese Jon Johansen, poi finito
in tribunale, ideò e distribuì sul Web il programmino DECSS
che consente la decifratura delle chiavi associate ai file video dei DVD.
E’ pur vero che all’epoca i masterizzatori DVD-RAM costavano ancora 10
milioni di lire e su un hard disk si poterono tenere due o tre DVD al massimo
ma ecco che l’anno successivo un gruppo di hacher francesi guidati da
Jerome Rota riesce a “crackare” (ossia a sproteggere)
il nuovo codec MPEG4 di Microsoft.
Microsoft aveva realizzato questo codec per il formato ASF (Advanced Streaming
Format), un formato nato per la distribuzione di filmati via Web ma vi aveva
inserito una protezione che ne impediva la codifica nel comune formato di distribuzione
AVI (Audio Video Interleaved). Così nasceva il DivX 3.11 che
rendeva possibile trasportare un film DVD compresso in MPEG2 in file AVI su
uno o due CD-R usando la compressione MPEG4 con una perdita qualitativa
limitatissima. Diversi analisti parlarono del fenomeno DivX come dell’MP3
del video. In seguito il DivX venne “regolarizzato”, naque il sito
www.divx.com ed iniziarono le prime modifiche
nel DivX 3.22 e DivX 4 per scavalcare il copyright Microsoft. Le successive
versioni di DivX 4.12, 5.01, 5.02, 5.03 e l’ultima 5.05 sono tutte compatibili
a ritroso ma non è vero il viceversa: un PC con installato un codec DivX
3 non può vedere filmati DivX 4 che a sua volta non può leggere
i DivX 5.
I produttori di DVD-video non avevano finora supportato questo formato, anche
spinti da azioni di lobby delle major di Hollywood, nonostante la elevatissima
qualità dei film realizzati con esso ed era necessario un PC per visualizzare
film DivX. Moltissimi utenti hanno però gia eseguito backup dei loro
DVD su CD-R usando DivX ed altri hanno scaricato con ADSL filmati da Internet,
è proprio per questo che oggi iniziano a diffondersi i primi lettori
DVD-video compatibili DivX.
