La compression MPEGA. QuidelleurSRC2 Meaux 2008-2009

Culture Scientifique et Traitement de lInformationNumrisation des systmes audio et vido

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PlanRappels sur la vido numrique

Enjeux et principes de la compression vido

Principes de la compression des images base sur la DCT - Compression JPEG (rappels)

La compression MJPEG

La compression vido MPEG1 - 2Etapes de la compressionCaractristiques de MPEG1 et MPEG2

La compression audio MPEG1 - 2

La compression MPEG4

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Rappels sur la vido numrique

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Dfinition spatiale de la TVEntrelacement : les images sont constitues de 2 trames, affiches successivement lcran.

ApplicationDfinition (lignes = lignes affichables)SDTV720 pixels 576 lignesHDTV1920 pixels 1080 lignes

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Les structures dchantillonnageExploitent la plus grande sensibilit de lil la luminance qu la chrominanceMesure de Y, Cr et CbMesure de Y uniquement

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Les autres formats

FormatStructure de baseDfinition temporelleDfinition spatiale (en pixels lignes affichables)SIF4:2:225 im/s360288CIF4:2:229,97 im/s360288QCIF4:2:229,97 im/s180144

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Profondeur de codageQuantification de la luminance (TV num)Quantification de la chrominance (TV num)

Diffusion8 bits / chantillonProduction10 bits / chantillon

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Multiplexage du flux vido

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Enjeux et principes de la compression vido

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EnjeuxOccupation spectrale dun signal numrique >> signal analogique problmes pourLe stockageLa transmissionLe temps de traitementEx. : 1h vido non compresse = 1Go, 1h TVHD non compresse = 800 Go

Or linformation numrique est reprsente par une succession de signes. Tous ces signes sont-ils indispensables ?

La thorie de linformation tente dextraire les signes pertinents de linformation et dabandonner la redondance pour rduire le dbit ou la capacit de stockage dun signal.

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StratgieDeux stratgies de rduction de dbitSans perte : linformation compresse est intgre donnes informatiquesAvec perte : aprs compression, on ne peut reconstituer intgralement linformation originale suffisant pour laudio et la vido. Meilleure rduction de volume en gnral.

La compression avec pertes fragilise linformation transmise. La redondance peut servir retrouver linformation malgr les erreurs. Ex : rptition du mme signe 10 fois 9 pertes de signes tolres.

Aprs compression, les chantillons successifs ne sont plus lis, pas dinterpolation possible Besoin un code correcteur derreurs. Cependant, le gain obtenu par compression est toujours suprieur la redondance introduite par le code correcteur derreurs.

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Rapport de compression (ou taux de compression)Not :1, ce qui signifie rduction dun facteur .

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Application laudio et la vidoBeaucoup de redondance dans les phnomnes naturels (sons et images non synthtiss).

Vido = son + image

Dans une vido, o se trouve la redondance ?Dans le son, redondance temporelle.Dans limage, redondance spatiale (deux pixels voisins sont gnralement assez semblables)temporelle (peu de diffrence entre limage N et limage N+1)frquentielle : lnergie dune image est concentre essentiellement dans les basses frquences, tandis que les hautes frquences participent peu au sens.

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Application laudio et la vidoComment compresser une vido ?En exploitant la redondance de limage TVEn utilisant des codages plus adapts, utilisant moins de bits

O compresser ?En environnement studio : pour lenregistrement et le stockage uniquement. Inutile pour les liaisons entre quipements (dautant que compressions avec perte/dcompression successives dgradent la qualit du signal).En transmission et en diffusion.

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Comment compresser une vido ?Corrlation spatiale : Dans une image, il y a beaucoup de plages uniformes exploit par la Transforme en Cosinus Discrte.

Corrlation temporelle : Dune image la suivante, il y a peu de changements ; on transmet uniquement la diffrence entre images Compensation de mouvement.

Redondance subjective : On tient compte de lacuit visuelle. Les dtails fins nont pas besoin dtre cods avec autant de prcision que les parties essentielles Quantification.

Redondance statistique : Certains mots reviennent plus frquemment que dautres Codage entropique.

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Principes de la compression des images base sur la DCT Compression JPEG (rappels)

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La compression JPEGVoir matire Les images informatiques et leurs traitements

JPEG (Joint Photographic Expert Group) est une norme ISO de compression dimages fixes avec pertes, standardise en 1992.

JPEG prend en compte les failles du systmes de perception humaine, de manire rduire la quantit dinformation de limage qui sera code.

Lalgorithme de compression repose surUne transformation mathmatique de limage : la DCT (Discrete Cosine Transform)Un codage longueur variable : le codage de Huffman

Formats sourceR, V, B en 4:4:4 Y, R-Y et B-Y en 4:2:2

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La notion de frquences dans une imageUne image peut prsenter une frquence spatiale horizontale et une frquence spatiale verticale.

Pour les signaux temporels, on utilise la transforme de Fourier pour passer dans le domaine des frquences.Pour les images, on peut, entre autres, passer dans le domaine des frquences par la Transforme en Cosinus Discrte (TCD, ou DCT Discrete Cosin Transform)

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La Transforme en Cosinus Discrte dans la norme JPEGLa DCT porte sur des blocs de 88 pixels. Image INA Formation

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La Transforme en Cosinus Discrte dans la norme JPEGLa DCT fournit une reprsentation spectrale bidimensionnelle ( H et V) du bloc.Le bloc est dcompos en une combinaison linaire de fonctions images de base, de la mme manire que la transforme de Fourier dcompose un signal temporel en une somme de fonctions sinus et cosinus.

Bloc de 64 pixels reprsentant les chantillons damplitude64 coefficients transforms reprsentant les diffrentes composantes frquentielles prsentes dans le bloc 88DCTDCT-1

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La Transforme en Cosinus Discrte dans la norme JPEGLes fonctions de base de la DCT sont reprsentes dans le tableau ci-dessous (ici pour la composante de luminance si le format dentre est YCrCb).Chaque coefficient de la DCT reprsente la contribution de limage situe la mme place dans la matrice dans la construction de limage.Fonctions de baseExemple : Un extrait de la matrice des coefficients DCT dun bloc de pixel est le suivant (0 dans toutes les autres cases)Cela signifie quil faut superposer 2 images I0,0, 1 image I1,0 et 3 images I1,0 pour crer le bloc.

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Calcul des coefficients DCT ( titre indicatif)DCT

DCT-1O la fonction C() est dfinie par :

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Calcul des coefficients DCT : un exemple simplePour lexemple, bloc de taille 44.Calcul sur la luminance Yyx0123Coefficients Y de luminance du blocvu01230123Coefficients DCT correspondants?

10500021040000000

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Calcul des coefficients DCT : un exemple simpleCalcul du premier coefficient DCT5,5

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Calcul des coefficients DCT : un exemple simpleEn rptant la formule pour tous les coefficients DCT, on obtient :

En pratique, le calcul est toujours fait par ordinateur ou par un circuit lectronique ddi !!!uv01230123

5,55,381,5-0,074,764,520,69-0,8422,501-0,492,353,662,960,98

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Proprits de la DCTOn constate que les coefficients hautes frquences portent les informations de dtails de limage.Ainsi, les blocs des zones homognes dune image ont des coefficients non ngligeables en BF, et ngligeables en HF (exemple 1)Seuls les blocs des zones trs htrognes ont des coefficients importants en HF (exemple 2)Exemple 1Exemple 2

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Application la compressionPuisque les hautes frquences portent linformation de dtail de limage, on va diminuer leur valeur, voire lannuler. Cest lopration de quantification.

Limage va tre dgrade, mais compte-tenu de limperfection de lil humain, cette dgradation sera peu ou pas perceptible (tout dpendra de la svrit de la quantification).Images INA Formation

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La quantificationLa norme JPEG fournit des tables, qui permettent de retoucher la valeur des coefficients DCT de manire diminuer la valeur de ceux qui contribuent le moins au sens de limage.Les coefficients de haute frquence sont les plus rduits. Le rapport de compression dpend directement de la table utilise.

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QuantificationDes tables de quantification sont dfinies pour chaque composante (Y, Cr et Cb).La quantification est moins svre pour la luminance car lil y est plus sensible.Image INA Formation

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Illustration de leffet de la quantificationImages INA Formation

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Illustration de leffet de la quantificationImages INA Formation

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Illustration de leffet de la quantification

A retenir : Un codeur peut travailler taux de rduction constant (au dtriment de la qualit) A qualit constante : la performance du codeur en matire de taux de rduction risque dtre mdiocre.Ne pas oublier que la nature de limage intervient sur lefficacit de la compression ! Une image simple peut tre de bonne qualit avec un fort taux de rduction. Pour ce mme taux, une image complexe sera certainement de pitre qualitConservation dun unique coefficient = la composante continue (DC)Image INA Formation

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Le codageLes coefficients de la DCT sont balays en zig-zag, des basses frquences vers les hautes frquences.

Les suites de 0 sont transmises sous forme condense : couple (nb de 0 prcdant le coeff non nul, coeff).

Dans lexemple : 0 60 0 29 0 16 0 41 0 26 0 23 4 10 2 7 0 15Puis codage longueur variable : les valeurs les plus courantes sont codes par un mot court, les valeur les plus rares sont codes par un code long. (Principe du code Morse, ex. e = . et q = --.-).

Cest le code de Huffman qui est employ

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Pour rsumer : algorithme de compression JPEGDcomposition en blocs de 88 pixels par composante.

Passage du domaine spatial au domaine frquentiel par DCT.

Quantification et seuillage des coefficients DCT.

Balayage en zig-zag.

Codage entropique

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Synoptiques fonctionnels dun codeur et dun dcodeur JPEG

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La compression MJPEG

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MJEPGMoving JPEG (MJPEG) nest pas une norme !! Cest un algorithme propritaire, donc inadaptable dun appareil lautre.

MJPEG permet de compresser les images successives dune vido comme si celles-ci taient chacune une photo.

Origine : Le montage dimages compresses dpendantes les unes des autres est difficile car il y a rupture de la squence. Les monteurs ont appliqu la compression JPEG individuellement aux photogrammes constituant une vido MJPEG.

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Fonctionnalits dun codeur MJPEGAfin de garder un dbit constant, le signal est stock dans une mmoire tampon.Lorsque la mmoire dborde (par exemple, car images complexes donc DCT large) on sous-quantifie les prochaines images en changeant de table de quantification, voire on supprime certaines images.Les tables utilises sont celles normalises dans MPEG.

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La compression vido MPEG 1-2 Etapes de la compression

Spcificits des normes MPEG1 et MPEG2

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Principe de la compression MPEGLa compression repose sur la transformation DCT de limage, comme dans JPEG.

Lalgorithme part du principe que deux images successives dans une vido se ressemblent on peut alors transmettre uniquement les informations qui ont chang entre les deux images.

Ainsi, les images dune vido peuvent tre codes de deux manires :En intra : cest--dire, comme une photographie indpendante des autres images de la vido, selon un algorithme identique celui de JPEG.En prdiction : on ne transmet que les diffrences (compresses) entre limage courante et limage intra la prcdant (ou la suivant).

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La compression MPEGMesure de la diffrence entre deux images successives

Image S1 code en intra.Calcul pour chaque bloc de 88 pixels lerreur = S2-S1. est une matrice de 88 valeurs.Si les deux images se ressemblent, les coefficients de la matrice sont proches.Calcul de la DCT de la matrice .Si les deux images se ressemblent, les coefficients basse frquence de la matrice sont plus importants que les coefficients haute frquence.Donc on peut les quantifier efficacement (i.e. sans perdre trop dinformation).Au lieu de transmettre limage S2, on transmet la matrice des coefficients DCT de quantifis, qui est bien moins volumineuse.

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La compression MPEGEstimation du mouvement subi par les blocsCompensation de mouvement

Si beaucoup de mouvement, S2 est trs diffrente de S1Les coefficients de la matrice sont trs diffrentesLes coefficients DCT haute frquence de sont non ngligeables : on ne peut pas les quantifier sans dgradation importante. Le codeur va estimer le dplacement du bloc dans limage.

Le codeur ouvre une fentre de recherche dans S1 autour du bloc de rfrence.Il balaie la fentre et calcule pour chaque bloc rencontr dans la fentre lerreur (opration de block matching).Le bloc de S1 qui minimise lerreur est retenu.Le codeur transmet Les coefficients DCT quantifis de la matrice derreurLe vecteur de mouvement du bloc.

Illustration de la Forward PredictionImage INA Formation

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Illustration de la compensation de mouvementEn ralit, on ne transmet pas un vecteur de mouvement pour chaque bloc, mais pour chaque macro-bloc = 4 blocs adjacents.

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Les types dimages dune squence code en MPEGDans une mme squence vido, trois types de codage des images :Image I : en IntraImage P (prdite, forward prediction ) : par rapport une image passe Image B (bidirectionnelle, forward prediction et backward prediction) : par rapport une image passe et une image future. Le codeur transmet la moyenne des erreurs et transmet les 2 vecteurs.Le codeur choisit le mode de prdiction le plus rentable.

A lintrieur dune image P : macroblocs I ou P. A lintrieur dune image B : macroblocs I, P ou B.

En moyenne, pour un mme contenu,volume(P) = volume(I) / 2volume(B) = volume(I) / 4 Mais dpend de lalgorithme utilis par le constructeur.

Le GOPLe GOP (Group Of Picture) dfinit lenchanement des images I, P et B dans le flux vido.Le GOP commence toujours par une image I.On note GOP(M,N), o M est la distance entre deux images P et N la distance entre deux images I.Question : Un monteur peut-il travailler sur des vidos dont les GOP sont reprsents ci-dessous ?

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Rarrangement du GOPSi lenchanement des images contient des images B, le codage et dcodage ne peuvent tre effectus dans lordre darrive de la squence : rarrangement pralable des images.

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Synoptique du codeur MPEG

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La compression vido MPEG 1-2 Etapes de la compression

Spcificits des normes MPEG1 et MPEG2

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Paramtres des normes MPEGStructure dchantillonnageEn thorie, un algorithme de compression MPEG accepte nimporte quel format en entre (4:2:2, 4:2:0, SIF, SDTV, HDTV, ). La restriction se fait au niveau des profils (recommandations) dcrits dans les normes.

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Paramtres des normes MPEGGestion de lentrelacementDans un signal vido entrelac, on peut crer les macroblocs en mode image ou en mode trame. Image avec mouvement : Mode trame prfrable car les trames sont peu cohrentes entre elles Image sans mouvement : Mode image plus efficace car les trames sont fortement corrles

Codage en mode imageCodage en mode trame

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La norme MPEG1Application : lenregistrementCD-ROM, disques optiquesVCD (magntoscope numrique en Chine)Utilise par la TV numrique aux USA en attendant la mise au point du MPEG2

DbitComprime des images animes + son stro avec un dbit de 1.5Mbit/s

Format dentre : en gnral, format SIFPerformances rduites pour un signal entrelac (ex. : signal TV)

MPEG1 dfinit 3 types dimages : I, P, B2 paramtres : GOP(M, N)

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La norme MPEG2Le norme MPEG2 a t mise au point pour le stockage et la diffusion de la vido numrique. Cest la norme de compression utilise dans la tlvision numrique terrestre (TNT ou DVB-T).

A amlior MPEG1En tenant compte de lentrelacementEn rajoutant des outils de gestion des erreurs de transmission

Formats dentre accepts :4:2:2, 4:2:0, 4:4:4EDTV, HDTV, futurs formats super HDTVRVB et composantesFormats informatiquesBalayage entrelac ou progressif : lintrieur dune mme image, le codeur peut choisir de traiter des blocs trame trame ou en dsentrelac.

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La norme MPEG2Sadapte diverses qualits dimages en tlvision2Mbit/s : qualit comparable au VHS3 5 Mbit/s : qualit comparable au PAL8 10 Mbit/s : qualit comparable au 4:2:2

Dfinit 4 niveaux (dfinition des paramtres utiliss) 6 profils (applications ddies)3 types dimages : I, P, B2 paramtres : M et N

La donne dun couple profil/niveau garantit linteroprabilit des quipements.

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Profils et niveaux de la norme MPEG2Difficult technique croissanteQualit croissanteCODEC bas cotTV numriqueStudio

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Scalabilit de la norme MPEG2La qualit et la rsolution sont adaptables au mode de transmission vido. Entre autres :

Scalabilit SNR (Signal to Noise Ratio)Si le support de transmission est peu robuste, on peut dgrader la qualit de la vido et augmenter sa rsistance au bruit (en gardant le mme dbit).

Scalabilit spatialeEn attendant la migration des postes de TV de la SDTV la HDTV, transmission simultane des 2 qualits MPEG2 exploite la redondance entre le signal basse dfinition et le signal haute dfinition pour rduire la quantit dinformation transmise.

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Application : La chane de diffusion de la tlvision numrique

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La compression audio MPEG1 - 2 Proprits psycho-acoustiques exploitables pour la compression Les compressions audio MPEG 1 et 2

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Le codage perceptuelComme la compression vido MPEG utilise les failles de la vision humaine, la compression audio MPEG exploite les proprits de laudition humaine.

Compression de limage : ne coder que linformation indispensable, dans la mesure o lil est un capteur imparfait.

Compression du son : ne coder que linformation indispensable, dans la mesure o loreille est un capteur imparfait.

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Courbe de sensibilit de loreille humaineA une frquence donne, notre oreille ne peut percevoir un son qu condition que son niveau de pression acoustique soit suprieur un seuil. Le seuil est diffrent pour chaque frquence de la bande audible.Courbe de sensibilit de loreille dans un environnement calme

seuil

Le masquage frquentielSous leffet dune excitation, le seuil daudibilit minimum est amplifi au voisinage de la frquence du son.Par consquence, un autre son de frquence proche, mis en mme temps, peut tre inaudible.020406080Pression acoustique (dB)f(Hz)20200200020000100050005001005010000Seuil en environnement calmeDformation de la courbe : seuil de masquageSon masqueurSon masqu

Exploitation du masquage en frquence pour la compressionOn ne code pas les sons masqus (inaudibles)On adapte la profondeur de codage : nombre de bits minimal pour que N < seuil daudibilit.

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Exploitation du masquage frquentiel par les normes MPEG1 et 2Le spectre audible est divis en 32 sous-bandes.

Pour chaque sous-bande, on dtermine la frquence dominante et on en dduit la nouvelle courbe de seuil daudibilit ( laide de modles psycho-acoustiques).Ces modles sont sauvegards dans la ROM des codeurs.

Dans chaque sous-bande, le codeur choisit le pas de quantification adapt au niveau du seuil daudibilit.

Le flux numrique contient les valeurs du pas de quantification de chaque sous-bande pour que le dcodage soit possible.

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Le masquage temporelLoreille nentend pas un son sil est produit dans un court dlai avant ou aprs un son de mme frquence de plus grande amplitude.

On ne code pas les sons masqus temporellement.

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Le masquage de canal Loreille humaine est incapable de dtecter la provenance dun son sil a une frquence trop basse.

Coder en mono les sons basse frquence.

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La compression audio MPEG Proprits psycho-acoustiques exploitables pour la compression Les compressions audio MPEG 1 et 2

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La compression audio MPEG1Frquences dchantillonnage : 32 48 kHzDbits : 32 384 kbit/s

Trois niveaux (layers) sont dfinis

NiveauTechniqueUtilisation - PerformancesNiveau 1Masquage frquentielQualit CDNiveau 2Masquage frquentielMasquage temporelQualit CDUtilis dans le DVB-SNiveau 3Masquage frquentiel avec largeur des sous-bandes adapteMasquage temporelCodage entropiqueExploitation de la cohrence entre les voies stroMP3

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La compression audio MPEG2Frquences dchantillonnage : 16 48 kHzDbits : 8 384 kbit/s

Elle reprend lessentiel de la norme MPEG1 audio.

Gre les signaux multicanaux jusqu 5 voies

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La compression MPEG4 Lapproche objet Le codage de la vido Lintgration de la 3D Le codage des images de synthse La norme MPEG4 audio La description de scne Profils et niveaux

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Lapproche objetNouveaut majeure : dcoupe des scnes en objets

Intrt : MPEG4 se veut une norme de compression pour les applications multimdia, supporte sur nimporte quel type de support ( mergence rcente de la mobilit)et grant linteractivit (possibilit de modifier la composition dune scne et les objets dans le flux numrique sans avoir les dcoder)

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Codage de la vido : le plan alphaUn objet est dcrit parSes composantes Y, Cr, Cb : codes comme en MPEG 1 et 2 (sauf images fixes, cf. supra)Un plan alphaCod en binaire : 1 lintrieur de lobjet, 0 ailleursOu cod sur 8 bits : dfinit en plus des niveaux de transparence

Codage de la vido : le plan alphaCodage dun plan alpha binaire : technique du codage de contour

Lobjet est dcoup en blocs 1616 pixels

Plusieurs (7) types de BAB (Bloc Alpha Binaire) sont dfinis par la norme, en fonction du mouvement et de la dformation subis dans la scne

Le codage de chaque type de BAB est dfini par la norme : Intra, ou Inter avec compensation de mouvement

Chaque bloc de lobjet est donc cod suivant son BAB

Codage dun plan alpha sur 8 bitsComposante binaire : par technique de codage de contourLes niveau de gris des blocs intrieurs (= niveaux de transparence) sont ensuite cods par DCT.

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Codage dune vido : les spritesSprite : une grande image compose de tous les pixels dun objet donn visibles un moment ou un autre de la squence Ex. : un sprite dobjet fond = une vue panoramique dun paysage sans les personnages passant au premier plan

Cest une image fixe : elle est code par DCT en Intra et mise au dbut du flux MPEG.

IntrtEconomie de bitsManipulations intressantes sur la vido

Lintgration de la 3DPour habillage des structures 3D par des images naturelles (fixes), MPEG4 utilise la technique de compression par ondelettes, plus efficace que la DCT.

La compression par ondelettes consiste en une analyse multi-rsolution de limage.

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La compression par ondelettesRduction de la rsolution de limage par dcimationSparation des dtails horizontaux, verticaux, et bidimensionnels par filtrageImage originale dcime (smooth) 1 point sur 4Hautes frquences horizontalesHautes frquences verticalesHautes frquences bidimensionnellesImage originale4 petites images (dimension/2)Les 3 images de dtail contiennent les informations perdues par la dcimationTransforme par ondelettesA ce niveau, pas de pertes

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La compression par ondelettesOn peut ritrer lopration sur limage dcime (smooth) plusieurs fois : analyse multicouches.Limage smooth est plus petite chaque couche : moins dinformations coderOn peut quantifier les images de dtails et leur appliquer un codage entropique.Intrt pour la 3D : le multicouche permet dadapter le rendu des dtails la distance de visualisation (position de lutilisateur dans lenvironnement 3D).

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Le codage des images de synthseLa norme inclut des algorithmes permettant la description des visage et leur animation.Elle permet aussi la construction dobjets par treillis actifs Les objets sont dcrits par un treillis triangulaireLe dcodeur calcule lvolution de la texture dune scne lautre pour chaque triangle par interpolationUn treillis

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La norme MPEG4 audioCodage des sons naturelsDbits de 2 64 kbit/sLa norme na pas pu proposer 1 seul algorithme pour tous les types de sons (musique, parole, etc. ) Elle inclut plusieurs standards de codage, adapt chaque type de signal sonoreLes algorithmes proposs dans la norme MPEG2 audio sont notamment repris.

Synthse de sons : la norme inclut plusieurs algorithmes de gnration de sons (pluie, bruits de pas, instruments de musique).

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Description de scnesLes scnes sont organises sous forme dune structure hirarchique dobjets.

La norme inclut un standard de description de la scne en flux binaire : BIFS (Binary Format for Scene Description).

Elle permet lutilisation du VRML (langage de modlisation de la ralit virtuelle) pour permettre linterface de la 3D et de la vido.

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Description de scne : un exemple

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Profils et niveaux MPEG45 profilsProfils visuels : codage visuel des donnes naturelles, synthtiques ou hybridesProfils audio : nombre doutils implments et le dbit visProfils graphiques : lments graphiques et textuels utilisables dans une scneProfils de descripteurs de scne : types dinformations pouvant constituer une scne MPEG4 (audio, 2D, 3D) Profils de descripteurs dobjets : outils disponibles pour dcrire un objet (descripteur dobjet, synchronisation, information sur le contenu des objets)

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Profils et niveaux MPEG4

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Bibliographie Compression Numrique : JPEG, DV, MPEG, support de cours, INA Formation, mars 2003

Compression MPEG-1 MPEG-4, E. Fert, S. Jeannin, Techniques de lIngnieur - Trait Tlcommunications

Compression des images : nouveaux besoins, nouvelles technologies, support de cours, J. Weiss, Supelec, 2000

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Uniquement pour les tudiants curieux de la manire dont le calcul est effectuUniquement pour les tudiants curieux de la manire dont le calcul est effectuLorsquon dcime limage originale, on perd des dtails. Ces dtails sont inscrits dans les 3 petites images annexes. Donc ce niveau, on peut revenir limage originale depuis les 4 petites images SANS PERTE !