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La compression dimages animées Sébastien CRESPIN TER Réseaux – DESS TNI Université Montpellier II 5 décembre 2001.

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1 La compression dimages animées Sébastien CRESPIN TER Réseaux – DESS TNI Université Montpellier II 5 décembre 2001

2 Plan de lexposé 1. Principes de base La vidéo – La compression vidéo – Les données vidéo 2. La compression MPEG Le codage spatial – Le codage prédictif – La compensation de mouvement – Le codage bidirectionnel – La partie système 3. Normes et produits MPEG-1 – MPEG-2 – MPEG-4 – MPEG-7 – MPEG-21 – Formats propriétaires

3 1. Principes de base 1.1. La vidéo Lœil humain retient pendant un certain temps toute image imprimée sur la rétine.Lœil humain retient pendant un certain temps toute image imprimée sur la rétine. Principe : faire défiler un nombre suffisant dimages fixes par seconde, pour donner lillusion de mouvement.Principe : faire défiler un nombre suffisant dimages fixes par seconde, pour donner lillusion de mouvement. En fait, au moins 25 images/sec.

4 1. Principes de base 1.1. La vidéo Deux grandes familles de systèmes vidéo : -Systèmes vidéo analogiques -Systèmes vidéo numériques

5 1. Principes de base 1.1. La vidéo Les systèmes analogiques : principe de balayage PAL/SECAM : 625 lignes, 25 trames/sec NTSC : 525 lignes, 30 trames/sec

6 1. Principes de base 1.1. La vidéo Les systèmes numériques : chaque trame est une matrice rectangulaire de pixelsLes systèmes numériques : chaque trame est une matrice rectangulaire de pixels N&B : 8 bits par pixel, c.à.d. 256 niveaux de grisN&B : 8 bits par pixel, c.à.d. 256 niveaux de gris Couleur : 24 bits par pixel, c.à.d. 16,8 millions de couleursCouleur : 24 bits par pixel, c.à.d. 16,8 millions de couleurs

7 1. Principes de base 1.2. La compression vidéo Petit calcul simple : débit nécessaire pour un affichage vidéo numérique couleur en 1024 x 768 :Petit calcul simple : débit nécessaire pour un affichage vidéo numérique couleur en 1024 x 768 : Taille dune image : 1024 x 768 x 24 = 2,25 Mo Débit nécessaire : 2,25 x 25 = 56,25 Mo/sec Taille dun film de 2 h : 56,25 x 7200 = 395,5 Go La compression est obligatoire !La compression est obligatoire !

8 1. Principes de base 1.2. La compression vidéo But : réduire les redondances dinformations, tout en gardant une certaine qualité.But : réduire les redondances dinformations, tout en gardant une certaine qualité. Compression avec pertes : on accepte des pertes dinformations pas toujours visibles à lœil.Compression avec pertes : on accepte des pertes dinformations pas toujours visibles à lœil. Difficulté : le taux de compression saméliore, en même temps que la qualité devient médiocre.Difficulté : le taux de compression saméliore, en même temps que la qualité devient médiocre.

9 1. Principes de base 1.2. La compression vidéo Deux sortes de redondances en vidéo : La redondance spatiale : redondance dans chaque image prise individuellement.La redondance spatiale : redondance dans chaque image prise individuellement. Codage en JPEG de chaque image : on parle alors de MJPEG (Motion JPEG).

10 1. Principes de base 1.2. La compression vidéo La redondance temporelle : deux images qui se suivent sont quasiment identiques.La redondance temporelle : deux images qui se suivent sont quasiment identiques. Lidée : coder uniquement ce qui est modifié lors du passage dune image à lautre. On utilise la technique de compensation de mouvement.

11 1. Principes de base 1.2. La compression vidéo La redondance spatiale et la redondance temporelle

12 1. Principes de base 1.3. Les données vidéo Hiérarchie des données dans le flux vidéo

13 2. La compression MPEG MPEG : Moving Picture Experts GroupMPEG : Moving Picture Experts Group (on trouve aussi Motion Picture Experts Group) Comité fondé en 1988 dans le but de créer une norme pour stocker de la vidéo sur CD-ROMComité fondé en 1988 dans le but de créer une norme pour stocker de la vidéo sur CD-ROM Dans cette partie : décrire et expliquer le principe de compression vidéo commun aux différentes normes MPEGDans cette partie : décrire et expliquer le principe de compression vidéo commun aux différentes normes MPEG

14 2. La compression MPEG 2.1. Le codage spatial Les images I (intracodées) : images complètes codées en JPEG.Les images I (intracodées) : images complètes codées en JPEG. Typiquement, on code une image I toutes les 10 à 15 images.Typiquement, on code une image I toutes les 10 à 15 images. Les images I sont indispensables.Les images I sont indispensables.

15 2. La compression MPEG 2.2. Le codage prédictif Les images P (prédictives) : images codées par rapport à limage précédente.Les images P (prédictives) : images codées par rapport à limage précédente. La différence entre les deux images est codée spatialement

16 2. La compression MPEG 2.2. Le codage prédictif Utilité des images P : exempleUtilité des images P : exemple On utilise la technique de compensation de mouvementOn utilise la technique de compensation de mouvement

17 2. La compression MPEG 2.2. Le codage prédictif Exemple de séquence MPEG basiqueExemple de séquence MPEG basique Problèmes de gestion de pertes et derreursProblèmes de gestion de pertes et derreurs

18 2. La compression MPEG 2.3. La compensation de mouvement Principe : pour chaque macrobloc de limage, on recherche dans limage précédente un macrobloc identique ou semblable.Principe : pour chaque macrobloc de limage, on recherche dans limage précédente un macrobloc identique ou semblable. On calcule ensuite la différence entre les deux macroblocs, et on code cette différence spatialement.

19 2. La compression MPEG 2.3. La compensation de mouvement Le fichier ainsi compressé contient : Un vecteur de déplacement entre le macrobloc de référence et le macrobloc qui va être codéUn vecteur de déplacement entre le macrobloc de référence et le macrobloc qui va être codé Le terme derreurs : la différence entre le contenu du macrobloc de référence et le macrobloc qui va être codéLe terme derreurs : la différence entre le contenu du macrobloc de référence et le macrobloc qui va être codé

20 2. La compression MPEG 2.3. La compensation de mouvement Calcul des vecteurs de déplacements : la norme ne dit rien, implémentation laissée libre.Calcul des vecteurs de déplacements : la norme ne dit rien, implémentation laissée libre. Méthode la plus courante : similitude de blocs.

21 2. La compression MPEG 2.3. La compensation de mouvement

22 2. La compression MPEG 2.4. Le codage bidirectionnel

23 2. La compression MPEG 2.4. Le codage bidirectionnel Les images B (bidirectionnelles) : semblables aux images P, avec le macrobloc de référence qui peut être soit dans limage précédente soit dans limage suivante.Les images B (bidirectionnelles) : semblables aux images P, avec le macrobloc de référence qui peut être soit dans limage précédente soit dans limage suivante. Les images B peuvent se référer soit à une image I soit à une image P, mais pas à une autre image B.

24 2. La compression MPEG 2.4. Le codage bidirectionnel

25 2. La compression MPEG 2.4. Le codage bidirectionnel A cause des images B, on est obligé de changer lordre des images dans le flux vidéo

26 2. La compression MPEG 2.5. La partie système Deux flux à synchroniser : la vidéo et le son.Deux flux à synchroniser : la vidéo et le son. Utilisation de deux paramètres inclus dans les paquets de données codées :Utilisation de deux paramètres inclus dans les paquets de données codées : –Lhorloge de référence du système –Le marquage temporel

27 2. La compression MPEG 2.5. La partie système

28 3. Normes et produits 3.1. MPEG-1 Norme ISO/IEC 11172, finalisée en 1992.Norme ISO/IEC 11172, finalisée en But : stocker et reproduire de la vidéo avec le son associé sur des supports de stockage, en qualité magnétoscope (352 x 288), avec un débit maximum de 1,5 Mbits/sec.But : stocker et reproduire de la vidéo avec le son associé sur des supports de stockage, en qualité magnétoscope (352 x 288), avec un débit maximum de 1,5 Mbits/sec.

29 3. Normes et produits 3.1. MPEG-1 Principe : cf. partie 2Principe : cf. partie 2 Restrictions techniques :Restrictions techniques : –Maximum 30 trames/sec –Mode progressif uniquement –Format de couleur 4:2:0 Aujourdhui, MPEG-1 est la norme de stockage des vidéos sur CD-ROM au format CD-I ou CD-vidéo.Aujourdhui, MPEG-1 est la norme de stockage des vidéos sur CD-ROM au format CD-I ou CD-vidéo.

30 3. Normes et produits 3.2. MPEG-2 Norme ISO/IEC 13818, finalisée en 1996.Norme ISO/IEC 13818, finalisée en But : compression de la vidéo de qualité télévision à un débit de 4 à 6 Mbits/sec, et compression de la télévision à haute définition (TVHD).But : compression de la vidéo de qualité télévision à un débit de 4 à 6 Mbits/sec, et compression de la télévision à haute définition (TVHD).

31 3. Normes et produits 3.2. MPEG-2 Principe : identique au MPEG-1.Principe : identique au MPEG-1. Différences techniques avec MPEG-1 :Différences techniques avec MPEG-1 : –Mode entrelacé autorisé –Maximum 60 trames/sec (ou 120 champs/sec) –Formats de couleur 4:2:2 autorisé –Résolutions : de 352 x 288 à 1920 x 1152 –Débits : de 4 Mbits/sec à 100 Mbits/sec –Multiplexage

32 3. Normes et produits 3.2. MPEG-2 Aujourdhui, MPEG-2 est la norme de compression pour la TVHD et pour le stockage des films sur DVD.Aujourdhui, MPEG-2 est la norme de compression pour la TVHD et pour le stockage des films sur DVD. Produits :Produits : –Sharewares aux alentours de 30 euros –Logiciels professionnels de 100 à 600 euros –Codecs gratuits de laboratoires universitaires

33 3. Normes et produits 3.3. MPEG-4 Norme ISO/IEC 14496, finalisée en v.2 en 1999.Norme ISO/IEC 14496, finalisée en v.2 en But : fusionner trois mondes (informatique, télécommunications et télévision). Standardisation multimédia à tous les nouveaux : production, distribution et diffusion.But : fusionner trois mondes (informatique, télécommunications et télévision). Standardisation multimédia à tous les nouveaux : production, distribution et diffusion. Domaines dapplication : visiophonie, multimédia mobile, téléconférence, post-production, etc.Domaines dapplication : visiophonie, multimédia mobile, téléconférence, post-production, etc.

34 3. Normes et produits 3.3. MPEG-4 Principe : méthode orientée objets.Principe : méthode orientée objets. Une scène devient une composition d'objets médias hiérarchisés, chaque objet étant décomposé en différents paramètres.

35 3. Normes et produits 3.3. MPEG-4 Utilisation du langage XMT (eXtensible MPEG-4 Textual format), pour décrire les relations spatiales et temporelles entre les objets vidéo.Utilisation du langage XMT (eXtensible MPEG-4 Textual format), pour décrire les relations spatiales et temporelles entre les objets vidéo. Les objets sont des VOP (Video Object Plan).Les objets sont des VOP (Video Object Plan). Similitude avec le MPEG-1 et 2 : on a des I-VOP, P-VOP et B-VOP, et le principe de compensation de mouvement.

36 3. Normes et produits 3.3. MPEG-4 Aujourdhui, MPEG-4 est utilisé dans son profil bas (10 trames/sec, débit maximum de 64 Kbits/sec), pour la visioconférence et le multimédia mobile.Aujourdhui, MPEG-4 est utilisé dans son profil bas (10 trames/sec, débit maximum de 64 Kbits/sec), pour la visioconférence et le multimédia mobile. Stockage des films sur CD grâce au codec DivX;-)

37 3. Normes et produits 3.4. MPEG-7 Norme ISO/IEC 15938, en élaboration depuis 1997Norme ISO/IEC 15938, en élaboration depuis 1997 But : simplifier et optimiser la recherche de fichiers multimédia.But : simplifier et optimiser la recherche de fichiers multimédia.

38 3. Normes et produits 3.4. MPEG-7 Principe : spécifier une description standard des différents types d'informations multimédia.Principe : spécifier une description standard des différents types d'informations multimédia. Cette description devra être associée au contenu lui-même pour permettre la recherche rapide et efficace des informations qui intéressent l'utilisateur.

39 3. Normes et produits 3.4. MPEG-7 Description en plusieurs niveaux :Description en plusieurs niveaux : –Forme, couleur, texture, mélodie, etc. –Auteur, date de création, genre, etc. –Agencement des objets dans la séquence –Taille, durée, méthodes de codage, etc. Domaines dapplication : bases de données multimédia, télévision et cinéma, e-commerce, journalisme, services culturels et éducatifs, etc.Domaines dapplication : bases de données multimédia, télévision et cinéma, e-commerce, journalisme, services culturels et éducatifs, etc.

40 3. Normes et produits 3.5. MPEG-21 Norme ISO/IEC 18034, en élaboration depuis 2000Norme ISO/IEC 18034, en élaboration depuis 2000 Ajout dune couche sécurité (déclaration, identification, protection) lors des échanges de matériaux audiovisuelsAjout dune couche sécurité (déclaration, identification, protection) lors des échanges de matériaux audiovisuels Optimisation des interactions possibles entre les objets audiovisuels, et entre les utilisateurs et ces mêmes objetsOptimisation des interactions possibles entre les objets audiovisuels, et entre les utilisateurs et ces mêmes objets

41 3. Normes et produits 3.6. Formats propriétaires QuickTime : lancé par Apple en 1991.QuickTime : lancé par Apple en Indeo : lancé par Intel. Il est maintenant à la base de nombreux formats vidéo dont QuickTime et AVI.Indeo : lancé par Intel. Il est maintenant à la base de nombreux formats vidéo dont QuickTime et AVI. Codec DivX;-) : piratage et amélioration du codec MPEG-4 de Microsoft.Codec DivX;-) : piratage et amélioration du codec MPEG-4 de Microsoft. Cinepak, Microsoft Video Codecs, Real, etc.Cinepak, Microsoft Video Codecs, Real, etc.

42 Références Livres MPEG-2, John Watkinson, Focal Press, 1999MPEG-2, John Watkinson, Focal Press, 1999 Réseaux, Andrew Tanenbaum, Dunod, 1996Réseaux, Andrew Tanenbaum, Dunod, 1996 Sites web MPEG.orgMPEG.org MPEG home pageMPEG home page FAQ MPEGFAQ MPEG Travaux universitaires diversTravaux universitaires divers

43 En guise de conclusion La preuve par lexemple Séquence vidéoSéquence vidéo –Nombre total dimages : 750 –Durée totale : 30 sec –Nombre dimages/sec : 25 –Résolution : 352 x 288 Taille originale : 222,5 MoTaille originale : 222,5 Mo –Vidéo : 352 x 288 x 24 x 750 = 217,5 Mo –Son (à 172 Ko/sec) : 172 x 30 = 5,0 Mo

44 En guise de conclusion La preuve par lexemple Compression en MPEG-1 : 2,1 MoCompression en MPEG-1 : 2,1 Mo Taux de compression : 106:1Taux de compression : 106:1 Débits nécessaires :Débits nécessaires : –Sans compression : 7,42 Mo/sec –Avec compression MPEG-1 : 72 Ko/sec


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