La compression vidéo

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1 La compression vidéo Pourquoi compresser les vidéos? Pour réduire les coûts de stockage et de transmission des fichiers vidéos. 5 minutes de vidéo non compressée = 9,750 Go

2 Cette synthèse a pour objectif de présenter les grands principes de la compression vidéo. Pas de panique, nous ne rentrerons pas dans le détail des algorithmes mathématiques complexes. Nous allons simplement comprendre les enjeux et les techniques de base de la compression vidéo.

3 La compression des fichiers multimédias de type image, audio, ou vidéo, consiste à réduire la quantité de données tout en minimisant les pertes sur la qualité. On entend par qualité une bonne résolution d’image et une bonne fluidité.

4 Compresser une vidéo, c’est jouer sur ce qui la compose. Aussi, avant d’exposer les techniques majeures de compression, nous devons comprendre ce qui constitue le format d’une vidéo. En avant pour une petite explication des concepts de formats, conteneurs et codecs

5 Les formats vidéo & les notions de conteneur et de codec  Un flux vidéo est composé d'une succession d'images qui défilent à un rythme fixe pour donner l'illusion du mouvement ( 25 i/sec); On retrouve généralement un flux audio et aussi d’autres informations comme des sous-titres, des menus, des chapitrages, des interactions et des métadonnées, des informations de propriétés sur la vidéo comme la date de création, le nom de la vidéo, son auteur, etc.… Il existe une multitude de formats vidéo  AVI (Audio Video Interleave) de Microsoft, du format MPEG (Moving Picture Experts Group) de l’organisme du même nom, du format Quicktime d’Apple ou encore du format FLV (Flash Video) d’Adobe  Ce que peu de gens savent, c'est qu'un format résulte en fait de deux concepts techniques distincts : les conteneurs et les codecs

6 Exemples de schémas de Compression :  Video = H.264, H.263, VP6, Sorensen Spark, MPEG-4, MPEG-2, etc...  Audio = AAC, MP3, Vorbis, etc...  Metadata = XML, RDF, XMP, etc...

7 Le conteneur décrit la structure du fichier. Il est utilisé pour stocker la vidéo (flux images, flux audio et métadonnées) selon un schéma bien défini. Il précise notamment quel codec vidéo et potentiellement audio sont utilisés. Le principal objectif du conteneur est donc d’organiser la coexistence entre l'image, le son, éventuellement du texte et d'autres données liées. Dans le langage du monde vidéo, on parle de multiplexage. Il s'agit globalement de prendre les flux ou objets séparés et de les grouper dans un seul fichier. Le conteneur Flux vidéo Flux Audio Métadonnées Conteneur Structure du fichier

8 Le conteneur utilisé est généralement identifié grâce à l'extension du fichier de la vidéo.

9 Le codec  Les données audio et vidéo du conteneur doivent être encodées pour correspondre au format attendu en optimisant la compression avec une perte de qualité minimum. C'est le rôle du codec, abréviation de « codeur/décodeur ». Il propose une méthode pour encoder les signaux vidéo et audio selon un format attendu par le conteneur COdec coDEC Conteneur

10 Ce qu'il faut comprendre c'est que la plupart des conteneurs les plus utilisés supportent différents codecs et un codec ne peut pas être utilisé avec n’importe quel conteneur. Il y a une question de compatibilité. Par exemple, le conteneur MP4 peut utiliser les codecs MPEG-4, H.264 ou encore XVID. Le format AVI lui, est compatible avec les codecs MJPEG, MPEG-4, DIVX ou encore XVID. Quelle différence me direz-vous ? Et comment choisir le bon codec ? La différence principale se joue sur les algorithmes de compression. Le choix se portera donc en fonction ce que l’on souhaite privilégier : plutôt une faible taille de fichier, une bonne qualité ou encore en fonction de l’objectif de diffusion en ligne ou de stockage sur support numérique. Dans tous les cas, la vidéo a comme finalité d'être lue sur un lecteur qui doit donc être compatible avec le format, c'est-à-dire avec le conteneur et avec le codec utilisé Un des lecteurs les plus universels est le lecteur VLC

11 La compression vidéo : généralités La compression vidéo est une méthode de compression de données, qui consiste à réduire la quantité des données, en minimisant l'impact sur la qualité visuelle de la vidéo. Cela permet de réduire l’espace de stockage nécessaire et facilite aussi sa diffusion. C’est la lourde tâche du codec qui définira la technique et les paramètres de compression puis de décompression pour la lecture. Les types de compression vidéo La compression spatiale La compression temporelle La compression pour le web: le streaming

12 Les types de compression vidéo – La compression spatiale Compression des images individuellement Utilisation de la norme JPEG Cas d'application: le montage vidéo utilise les principes de la compression spatiale

13 Les types de compression vidéo – La compression temporelle Encodage des pixels différents uniquement Production de quatre types d'images compressées: 1.Les images I (images clés codées uniquement en JPEG) 2.Les images P (images résultant du codage des différences des images clés) 3.Les images B (images P résultant d'images I et P) Cas d'application: le stockage vidéo utilise la compression spatiale accompagnée d’une compression temporelle

14 Les types de compression vidéo – La compression pour le web: le streaming Lecture en continu et régulier des vidéos Hébergement des fichiers streamés sur des serveurs de flux vidéos Deux types de diffusion de fichiers streamés: – Le multicast (diffusion du flux vers plusieurs clients) – L'unicast (diffusion du flux vers un seul client)

15 Les Formats vidéos L'outil qui sert à la compression des vidéos est un CODEC (Codeur / Décodeur Selon le type de compression vidéo, on obtient un format vidéo spécifique:  MPEG-1  MPEG-2  MPEG-4 / H264 etc Un codec est un procédé capable de compresser et/ou de décompresser un signal numérique. Ce peut être un composant électronique ou un logiciel.  D'un côté, les codecs encodent des flux ou des signaux pour la transmission, le stockage ou le chiffrement de données.  D'un autre côté, ils décodent ces flux ou signaux pour l’édition ou la restitution.

16 Pour bien comprendre les formats vidéo, il faut avant tout connaître ce qui existe sur le marché. Actuellement, il existe 2 formats de diffusion qui sont le PAL (Europe & Afrique) à 25 images par seconde et le NTSC (Etats-Unis et Japon) à 30 images par secondes. Aujourd'hui il existe aussi les formats haute définition HD. Ensuite, il existe le mode entrelacé (le fameux i de 1080i) qui travaille avec des trames paires et impaires, et le mode progressif ( le p du 720p) qui ne gère qu'une seule trame.

17 Liste des différentes vitesses de défilement d'images : Il existe ensuite en HD plusieurs vitesses de défilement d'images :  24P : vitesse de défilement progressif du cinéma (film)  25P : vitesse de défilement progressif en Europe (et dans les pays en PAL et SECAM  30P : vitesse de défilement progressif aux États-Unis et Japon qui est en fait de 29,97 im/s  50I : standard de télévision dite PAL (en fait 50 demi-images par seconde en entrelacé)  60I : standard de télévision NTSC (en fait 59,94 demi-images par seconde en entrelacé) Et depuis la mise à jour de l‘AVCHD en 2.0 :  50P : fluidité doublée en progressif en Europe  60P : fluidité doublée en progressif aux États-Unis et Japon. Plus il y a d'images par seconde, plus les mouvements sont fluides.

18 Liste des différentes définitions TV: 1080p : 1 920 × 1 080  1080i : 1 920 × 1 080  720p : 1 280 × 720  480p ou 576p : 720 × 480 ou 720 × 576 (appelé ED - Enhanced Definition)  576i : 720 × 576 (appelé SD, sous PAL ou SECAM)  480i : 720 × 480 (appelé SD, sous NTSC) Le p signifie « progressif » (progressive en anglais), le i signifie « entrelacé » (Interleave en anglais).

19 Le problème c'est que les diffuseurs TV, les sites web, le DVD ou le Blue-Ray utilisent tous des formats qui peuvent être différents, les caméras possèdent chacune leur format suivant la marque, de plus il y a aussi les formats de compression qui changent suivant le constructeur. ARTE diffuse en Full-HD, c’est à dire avec une résolution de 1920X1080 pixels. Certaines chaînes (Canal+ sport, Paris première…) exploitent le MPEG-4 pour la diffusion de leurs programmes en définition standard. You tube lui utilise le format 1280x720p et depuis peu le 1080p avec le nouveau format WebM et son codec VP8 (petite précision toutes les vidéo au format H264 ont été transcodées pour ce nouveau format). Le Blue-Ray c'est du 1920x1080p pour la 2D. Les appareils photos comme Canon eux fournissent une image 1980x1080p avec une compression H264 (l'un des meilleur format de compression actuel, utilisé par le Blue-Ray).

20 Les formats vidéo : MJPEG Motion JPEG Motion JPEG Le codec vidéo MJPEG compresse la vidéo image par image, en utilisant la technologie JPEG appliquée à l’image fixe, et réunit ces images en mouvement et le son dans un même format de fichier. Le MJPEG est le codec le plus utilisé pour les captures vidéo des ensembles cartes d’acquisition et logiciels de montage vidéo. La conservation d'une bonne qualité d'image produit toutefois de gros fichiers. Le format MJPEG est un format non normalisé. Développé au début des années 90, sans concertations par divers fabricants, conduisant à des solutions propriétaires et à des fichiers très souvent incompatibles entre eux.

21 Les formats vidéo : MPEG Moving Picture Experts Group Moving Picture Experts Group Les formats MPEG sont des formats de compression avec pertes pour les séquences vidéos. Créé en 1988 Chargé du développement de normes internationales pour : la compressionla compression la décompressionla décompression le traitement et le codage de la vidéo et de l’audiole traitement et le codage de la vidéo et de l’audio de façon à satisfaire un large panel d’applications.

22 Les formats vidéo : MPEG Les formats produits par MPEG sont ouverts, mais non libres : leur utilisation est soumise au paiement de redevances. Ce groupe a développé les standards suivants : o le MPEG-1 o le MPEG-2 o le MPEG-4 o le MPEG-7 o le MPEG-21

23 Les formats vidéo : MPEG-2 Extension :.mpeg,.mpe,.mpg,.mpv,.mp2,.m2p,.vob ( données MPEG-2 contenues dans un DVD-Vidéo) Normalisé en 1994, le MPEG-2 est devenu le standard de compression de référence pour tous les secteurs de diffusion/distribution audiovisuelles. Il s'agit du format utilisé par les films en DVD.

24 Les formats vidéo : MPEG-4 Edicté en 1998, normalisé en 2000, ses usages englobent toutes les nouvelles applications multimédias : le téléchargementle téléchargement le streaming sur Internetle streaming sur Internet le multimédia sur mobilele multimédia sur mobile la radio numériquela radio numérique les jeux vidéoles jeux vidéo la télévisionla télévision les supports haute définition.les supports haute définition. Le BluerayLe Blueray MPEG-4 est lisible sur la plupart des plates-formes. Il est utilisé comme base sur le DivX ou le Xvid.

25 Extension (encapsulé dans un format conteneur) :.mp4,.mov,.avi,.asf,.wm MPEG-4 est destiné à permettre le codage de données multimédia sous formes d'objets numériques (codage orienté objet) : Il permet une grande interactivité, ce qui rend son usage particulièrement adapté au Web et aux périphériques mobiles. MPEG-4 autorise des taux de compression très élevés, mais la qualité de l'image n'est pas aussi bonne que celle du MPEG-2, MJPEG, RAW, etc... Les formats vidéo : MPEG-4

26 Le MPEG et la TV La Télévision Numérique Terrestre gratuite a été lancée en utilisant la norme de compression Mpeg-2. Pour les chaînes TNT payantes, le Mpeg-4 a été retenu, ce qui vous obligera peut-être à changer votre adaptateur s’il ne la gère pas !!!

27 Les formats vidéo : DivX Digital vidéo Express Extension :.avi Codec propriétaire et fermé proposé par DivX Inc., conçu à partir de MPEG-4 part 2, modifié afin de compresser le son au format MP3. Permet d'obtenir des vidéos compressées très peu volumineuses avec une perte de qualité raisonnable. Stockage d’un film complet de 110 à 120 minutes sur un CD-ROM de 650 ou 700 Mo.

28 Les formats vidéo : XviD Extension :.avi Codec MPEG-4 part 2. Format propriétaire et ouvert : le format XviD est une implémentation OpenSource du codec Divx Développée à partir de 2001, lors du passage du format DivX original (OpenDivX porté par le groupe Project Mayo) à un format propriétaire. Compression MPEG-4 de très bonne qualité.

29 Les formats vidéo : H264 MPEG-4 AVC : Advanced vidéo Coding MPEG-4 AVC : Advanced vidéo Coding Extension : dans un fichier conteneur.mp4,.avi Format propriétaire et ouvert. Le format H264 est fréquemment utilisé pour les enregistreurs vidéo AVCHD et les lecteurs Bluray. H.264 est un codec de compression vidéo numerique des images et vidéo haute définition à la norme MPEG4, développé par le VCRG (Video Coding Experts Group) en partenariat avec leMPEG (Moving Picture Experts Group), aussi connu sous l'appellation AVC (Advanced Video Coding).

30 H.264 est la nouvelle génération de format de compression vidéo. H.264 est aussi connue sous le nom MPEG-4 AVC. Ce format a été conçu pour l'utilisation avec des vidéos de haute définition tels que HDTV, Blu-Ray et HD DVD. La technologie H.264 offre une meilleur qualité, ainsi que des fichiers de plus petite taille (environ la moitié) que les format MPEG-2 et MPEG-4 ASP (aussi connus sous le nom de DivX ou XviD). La technologie H.264 a été adoptée par des sociétés de renom international, telles que Apple (sur iPhone, iPod et QuickTime) Compression video: H.264

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32 H.265 est un codec vidéo, également désigné par HEVC (High Efficiency Video Coding), il permet notamment une compression en UltraHD Succédant au H264, le codec HEVC H.265 propose un ratio de compression plus important, à titre de comparaison il permet de quasiment diviser par deux le débit de données à utiliser pour proposer une qualité d'image globalement équivalente. Ce "gain" peut notamment être utilisé pour la gestion de vidéos affichant une résolution Ultra Haute Définition (3840 x 2160 pixels), ou encore pour faciliter celle des vidéos FullHD. H.265 (HEVC) Réduire le poids des vidéos d'environ 50% à qualité visuelle égale (ce que perçoit le spectateur dans des conditions optimales). Ce gain permettra donc plus facilement de faire passer et d'enregistrer des images 4 K (3860 x 2160 pixels) qui correspondent à 4X la HD actuelle et même 8K (Ultra HD TV, 7680x4320 pixels), soit 16 fois la HD.

33 MXF ou Material eXchange Format est un conteneur pour les données audio et vidéo numériques. Il s'agit d'un format défini par des standards de la SMPTE. Les fichiers MXF sont générés par plusieurs caméras vidéo haut de gamme : Panasonic HVX200/HPX300, Canon XF300 et XF305, Sony EX caméra, etc.. Ces fichiers sont reconnus par seulement quelques logiciels de montage vidéo dont Edius, Sony Vegas Pro, Final Cut Pro 7, FCPX avec un logiciel externe, Adobe Première Pro et Avid Media Composer. Lorsque vous exportez la vidéo de la carte-mémoire de votre caméra vers votre disque dur, vous avez 5 fichiers distincts sur votre carte mémoire. Ces fichiers contiennent, en plus de votre vidéo et de ses deux pistes sons, trois autres fichiers : Le fichier.XML, qui est en code html, renferme le modèle ainsi que le numéro de série de votre caméra vidéo. Les deux autres renseignent sur les méta données et réglages de votre appareil vidéo. Pour les besoin du montage, vous n'utiliserez que le fichier.MXF contenant la vidéo et le son. C'est ce dernier seulement que vous glisserez sur le disque dur de votre ordinateur.

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