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9. Normes et Standards de codage hybride avec la compensation du mouvement et compression Les premier codecs des images animées : 1974 : pour un service.

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1 9. Normes et Standards de codage hybride avec la compensation du mouvement et compression Les premier codecs des images animées : 1974 : pour un service des visioconférence à 6 puis à 2 Mbit/s 1984 : nouvelle génération de codecs pour la visioconférence (début de létude) : TCD, Compensation du mouvement. Normes et standards 1989 : norme H.261 couvrant les débits de 64 Kbit/s à 2 Mbit/s (CCITT-IUT-T) nx64 Kbit/s 1992 : ISO MPEG1 : codage des images animées pour le stockage, le débit Mbit/s (dérivé de H. 261) optimisé pour CD-I - ISO/IEC 11172, : ISO MPEG2 : Le codage générique de haute qualité pour TV numérique et TVHD – ISO/IEC 13818, 1995 Video : ITU – T H : ISO MPEG4 (version 1) : Le codage générique multi- fonctionnel, avec éléments danalyse / synthèse à bas débit et manipulation des scènes vidéo. ISO/IEC : 1998 IT – Coding of Audio-Visual Objects H.263 : recommendation IUT-T

2 Normes et standards vidéo 2003 MPEG4 10 et H.264 – ISO/IEC et Rec. H.264 Advanced Video Coding : ISO MPEG7 – Multimedia Content description Interface: description du contenu des flux multimédia.

3 Bases de larchitecture des standards MPEG1, MPEG2 MPEG = « Motion Picture Expert Group » Standards MPEG1 et MPEG2 (ainsi que les normes H.261, H. 263, H.264) sont conçus selon les mêmes principes fondamentaux : Vidéo : - codage hybride : spatial et temporel avec la compensation du mouvement; - codage spatial : TCD, quantification, codage entropique appliqué à limage dorigine ou au signal derreur. - prédiction par compensation du mouvement basée bloc (ou macro-bloc). MPEG1 vidéo : débit cible : 1,5 Mbit/sec MPEG2 vidéo : 2-15 Mbit/sec voir plus (TVHD) Les standards spécifient larchitecture du train binaire et les décodeurs, mais ne spécifient pas les méthodes de génération des trains binaires. Compatibilité descendante entre MPEG2 et MPEG1 : le décodeur MPEG2 décode le train binaire MPEG1.

4 Spécifications MPEG1, MPEG2 Trois composants des standards - Vidéo; - Audio; - Système (le système de multiplexage) Source Vidéo Source Audio Encodeur vidéo Encodeur audio Horloge système Multi- plexeur Et encodeur système

5 Schéma générique des codeurs MPEG1,2 Codage du mouvement TCD Prédiction par mvt Image précédente Estimation du mvt Décodage t=0? Q Vers VLC -Vecteurs de déplacement - Image dorigine - Signal derreur - Image codée et décodée

6 Structure dune séquence vidéo (I) Base : GOP = « group of pictures » I – « intra-coded» - codage spatial type JPEG P – « predictive-coded », « forward predicted » par compensation du mouvement à partir de limage de référence précédente B – bidirectionnaly predictive coded (par rapport au passé et /ou futur) N – la distance entre deux images I sucessives = longueur dun GOP M – la distance entre deux images de référence (anchor frames) I- P ou P-P - paramètrable

7 Structure dune séquence vidéo (II) Valeurs typiques : (1) N = 12 ou 15 = 0,5 sec pour Pal/SECAM et NTSC respectivement (2) M=1 -> absence des images B M=1,2,3 Les images B assurent des taux de compression plus importants Ordre daffichage et dencodage dun GOP

8 Structure dune séquence vidéo (III) Règles de composition dun GOP (1) Dans lordre dencodage, ou dans le train binaire, la première image dans un GOP est toujours une image I (2)Dans lordre daffichage ( à la sortie du décodeur), la première image peut être soit I, soit la première image B dans la série des images B juste avant la première image I (3) La dernière image dans un GOP est toujours soit I soit P (4) Le premier GOP dans une vidéo commence toujours avec une image I.

9 Exemples MPEG1 7ips, N=12, M=3 MPEG1 25 ips, N=12, M=3 SFRS, « De larbre à louvrage »

10 Structure hiérarchique du train binaire des standards MPEG1,2 Le train binaire des standards MPEG1,2 est organisé de façon hiérarchique en ensemble de niveaux (layers). Layer = layer header + layer data. Ensemble des niveaux 1. Séquence : Sequence layer 2. GOP : GOP layer 3. Image : Picture layer 4. Couche : Slice layer 5. Macro- Bloc: MB layer 6. Bloc: Block layer

11 Structure hiérarchique dune séquence vidéo Sequence GOP Picture Slice MB (16x16) Block 8x8

12 Propagation de lerreur en MPEG1 Limitations de la propagation spatiale : chaque « slice » est encodé indépendamment des autres Limitations de la propagation temporelle si lerreur est observée sur une image B, alors elle est limitée à cette image si lerreur est observée sur une image I, alors elle peut se propager uniquement dans le GOP courant. IBBPBBPBBPBBI si lerreur est observée sur une image P, elle peut se propager uniquement jusquà la fin du GOP courant. Erreur Codage indépendant

13 Codage inter/intra-frame par macro-bloc (I) Sequence GOP Picture Slice MB (16x16) Block 8x8 Dans notre centre dintérêt !

14 Codage inter/intra-frame par macro-bloc (II) I. Images P Modes de codage : inter-frame, intra-frame a)Inter-frame : - codage du vecteur de déplacement V - codage de lerreur de compensation Image P courante Image de référence

15 Codage des images P mode Inter-frame Image P couranteImage de référence Vecteurs de déplacement, (distance IP M=3), SFRS, « Aquaculture en Méditerranée »

16 Exemples -MPEG2, M-blocs 16x16

17 Les vecteurs de déplacement en MPEG1et 2 sont encodés à la précision de 0,5 pixels. Codage des vecteurs de déplacement En MPEG1 les vecteurs de déplacement sont limités : forward search window: / forward vector range: /

18 Types des MB dans les images P en mode Inter-Image Par rapport au : - compensation du mouvement - codage de lerreur de compensation du mouvement (1) Motion compensated (MC) : - erreur peut être codé; - non-codée (2) No-motion compensated (No MC) - pas de compensation et de codage derreur (« skipped ») – le block est directement récupéré de limage de référence précédente: - pas de codage du mouvement, mais uniquement lerreur; Ces modes sont désignées par des bit-flags dans lentête des MB.

19 Les MB « skipped » Image P courante Image P ou I de référence Prediction « forward » sans compensation du mouvement Daprès MPEG2 FAQ C. Fogg, Univ. de Berkeley

20 b) Codage des MB en « Intra » Décomposition en blocs 8x8 pixels - Codage du signal YUV (intra) - Mais aussi : Codage du signal derreur (inter) Codage en mode Intra dans les images P Algorithme de codage : ~JPEG

21 Exemple du codage P-frame (MPEG1) picture statistics: # of intra coded macroblocks: 229 (14.1%) # of coded blocks: 2093 (21.5%) # of not coded macroblocks: 277 (17.1%) # of skipped macroblocks: 829 (51.2%) # of forw. pred. macroblocks: 509 (31.4%) # of backw. pred. macroblocks: 0 (0.0%) # of interpolated macroblocks: 0 (0.0%) Pour image 64 dans le flux Hiragasy, SFRS

22 Cartes des MB de la scène 2 skipped

23 Variation du nombre des blocs codés « Intra » dans les images P Aquaculture en Méditerranée, SFRS..\2005_2006\MPEG1- 2\aqua2_21.mpg..\2005_2006\MPEG1- 2\aqua2_21.mpg Changement de plan

24 Codage inter/intra-frame par macro-bloc (III) II. Images B Modes de codage : inter-frame, intra-frame a) Inter-frame : - 3 possibilités de sélection du meilleur vecteur Image B courante Image de référence précédente (I ou P) A C

25 Types des MB dans les images B en mode Inter-Image (1) Motion compensated (MC) : - par le passé « forward-predicted »: compensation par blocA - par le futur « backward – predicted »: compensation par block C - bi-directionnel « interpolated » : et compensation par (bloc A + bloc C)/2 Codage derreur - pas de codage; - codage (2) Pas de compensation du mouvement –Intra- image dorigine –Inter – pas de codage : skipped

26 Exemple des statistiques des MBs B-frame Image B : 63 du clip Hiragasy picture statistics: # of intra coded macroblocks: 120 (7.4%) # of coded blocks: 1494 (15.4%) # of not coded macroblocks: 1016 (62.7%) # of skipped macroblocks: 157 (9.7%) # of forw. pred. macroblocks: 615 (38.0%) # of backw. pred. macroblocks: 404 (24.9%) # of interpolated macroblocks: 481 (29.7%) « Skipped » MB dans les images B-frames : quand le vecteur de déplacement est le même que pour le bloc précédemment codé dans la même image

27 Codage des images I et de lerreur de compensation du mouvement (I) Les macros-blocs dans les images I sont tous codées en mode intra –image par blocs de 8x8 pixels - « Intra-macroblocs ». Les macros-blocs dans les images P et B codés en mode intra –image sont codés de même façon. Les macros-blocs codés en mode « inter » avec lerreur de compensation de mouvement sont codés avec le même algorithme, mais avec une matrice de quantification spécifique (Test Model 5, 1993). Algorithme de codage : similaire au JPEG.

28 Algorithme de codage TCD Quantification Balayage Zig-Zag CULV (1) W - matrice de quantification (2) manquant - pas de quantification, défini pas le méchanisme du contrôle de débit, propre à chaque macrobloc. bloc 8x8

29 Quantification des blocs Intra (MPEG1) (I) ACDC Précision initiale des coefficients DC : 11 bits Quantification sur 8, 9 et 10 bits 8-bit : QDC = dc//8 9-bit : QDC = dc//4 10-bit : QDC = dc//2 // - division entière avec arrondi

30 Images « DC »

31 Quantification des blocs Intra (II) Coefficients ac : Valeurs avec le pas de quantification par bloc p3, q=4 Matrice de quantification des blocs intra

32 Quantification des blocs en mode inter-image Particularités : la matrice de quantification pour le « non-intraquantizer » est plus « plate ». Cest le signal derreur qui est quantifié et donc la distribution de lénergie dans les coefficients DCT est plus uniforme Matrice de quantification des blocs intra

33 MPEG1 est destiné aux formats progressifs et au stockage local ( CD ROM, DD). Les mécanismes de protection contre les erreurs de transmission ne sont pas suffisamment développés. Formats dentrée : SIF x288 ou SIF 525 (352x240) Chroma : 4:2:0 Formats dentrée MPEG1 et applications - valeur Y- valeurs Cr,Cb


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