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les normes decompression JPEG et

MPEG

La compression JPEG

Le mode de compression bien connu JPEG a t normalis au milieu des annes1980, linitiative du Joint Photoraphic E!perts Group" Grace au #ormat JPEG, ilest possible de dcompresser et de visualiser des imaes laide dun naviateur$eb standard" JPEG permet dobtenir le der de compression souhait % le tau!de compression est paramtrable" La compression slectionne est directement

lie la &ualit de limae voulue" 'utre le der de compression, limae elle(meme in)uence alement le tau! de compression obtenu" Par e!emple, un murblanc peut produire un *chier imae de taille relativement petite +et un tau! decompression lev, tandis &ue le meme der de compression appli&u unesc-ne comple!e et chare produira un *chier de plus rande taille, avec un tau!de compression plus #aible" .

Le codage YUV

La compression JPEG peut s'appliquer des images monochromes (luminance seule) ou des

images couleurs RGB (3! "its pour les trois composantes rouge# $ert et "leu). Elle est

toute%ois le plus sou$ent appliqu&e au images cod&es en # comme les images P*L de nos+# car le tau de compression o"tenu est meilleur. la correspondance entre RGB et est

uni$oque et r&$ersi"le , - luminance# - R# -B. +oute%ois# on constate que les

signau de chrominance ren%erment le plus sou$ent "eaucoup moins d'in%ormations que la

luminace et on ne les code donc que sur une r&solution in%&rieure de moiti& en $ertical. /e

codage particulier est appel& 0,1,1# ce qui d&crit la proportion de "its utilis&s pour d&crire les

trois composantes l'int&rieur du signal. /ette d&cimation des in%ormations de couleur

est en g&n&ral asse2 peu percepti"le (on l'utilise en studio). n utilise ausii un codage 0,1,4

qui r&ser$e encore moiti& moins de place au in%ormations de couleur. La d&gradation de

qualit& &tant plus importante# cette compression n'est utilis&e que pour la di%%usion %inale

quand le signal ne doit plus 5tre consid&r& comme une 'source' d'in%ormation suscepti"ler

d'5tre r&utilis&e.

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La compression JPEG : Dcomposition en blocs

L'image est d&coup&e en "locs carr&s de ! piels. ne image + P*L standard (dite aussi

//6R 748) de 914:97 piels cod&e en 0,1,1 donnera donc 70!4 (;491) "locs pour la

luminance et 3104 (;437) "locs pour chacune des composantes et . Les images %ies

JPEG de taille quelconque seront coup&es de la m5me manians le cas des images# on utilise une >/+ "idirectionnelle quitrans%ormera un "loc de @@ piels (de luminance ou de chrominance) en un autre "loc de

@@ coe%%icients correspondant l'amplitudes des %onctions harmoniques dans l'espace

trans%orm&

Les compressions JPEG et APEG ont choisi de touours tra$ailler sur des "locs de !! piels.

Le premier coe%%icient# en haut gauche de la matrice# repr&sente la composante continue.

L'&l&ment en "as droite# celui de %r&quence la plus &le$&e dans les deu directions. En

g&n&ral# l'&l&ment (4#4 a une $aleur &le$&e et les autres des $aleurs "eaucoup plus %ai"les#

$oire nulles. /eci d&pend "ien sCr de contenu de l'image. n constate tr/+ est r&$ersi"le et ne r&duit pas la qualit& de l'image# mais elle la rend

"eaucoup plus %acile comprimer par les &tapes sui$antes.

Figure 1: Codage DCT

La compression JPEG : Seillage et !antification

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/'est ici que l'on r&duit $raiment la quantit& d'in%ormation de l'image et donc que l'on d&grade

le signal original. Le seuillage consiste mettre 2&ro toutes les $aleurs de la matrice

in%&rieures un seuil donn&. Plus celuici est &le$ plus la compression sera %orte. La

quanti%ication r&duit les nom"res restant un petit nom"re de $aleurs discrans l'eemple de la %igure cidessus# si le seuil est 84# il ne reste que 88 coe%%icients non

nuls sur les 70. La quanti%ication diminuera le nom"re de $aleurs di%%&rentes pr&sentes dans la

matrice# ainsi par eemple# 81 sera assimil& 80 et 14 et 18 seront consid&r&s comme

identiques. La composante continue (;!9 dans l'eemple) sera cod&e comme $alant un

nom"re de petite taille# di%%&rence entre ;!9 et la luminosit& moDenne du "loc pr&c&dent dans

l'image.

La compression JPEG : Lectre en "ig"ag

Les $aleurs de la matrice sont ensuite lues et rang&es dans une ta"le une seule colonne. n

lit les $aleurs en 2ig2ags inclin&s 0: en commenFant par le coin sup&rieur gauche et en

%inissant en "as droite. >e cette %aFon le $ecteur des $aleurs contient presque toutes ses

$aleurs non nulles au d&"ut et presque touours un grand nom"re de 2&ros la %in. /eci

%acilite de nou$eau les &tapes de compression sui$antes.

La compression JPEG : Codage VLC

/ette derni

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Figure 2- Comparaison des images JPEG compresses

La compression MPEG

Nous avons voqu prcdemment le principe de base de la compression vido, savoir ladiminution de la redondance spatiale d'une part et de la redondance temporelle d'autre part. Nousallons tudier ici en dtail ce principe dans PEG.

Le codage spatial

!e "lu# de sortie de PEG comporte trois t$pes d'images % les images & intracodes(, les images Pprdictives( et les images ) bidirectionnelle(. Etudions tout d'abord les images I.

Comme nous l'avons d* dit, il s'agit d'images compl+tes codes en JPEG. ans entrer dans lesdtails de la compression JPEG, l'algoritme de compression d'une image "i#e s'e""ectue en quatretapes % trans"ormation en cosinus discr+te C/, pour Discrete Cosinus Transform(, quanti"ication,codage en longueur de plage 0!C, pour Run Length Coding( et codage de 1u""man. 2ous pourre3trouver sur le 4eb ou dans la littrature beaucoup d'in"ormations sur la compression d'images "i#es.

/$piquement, une image & est intercale dans le "lu# vido toutes les 56 57 images. 8vec un dbit de97 :6 images par seconde, cela veut dire qu'il $ a 9 ou : images & par seconde dans le "lu#. /roisraisons principales "ont que les images & sont indispensables. /out d'abord, PEG-5 peut ;tre utilispour "aire de la di""usion multi-destinataires, caque utilisateur pouvant se connecter tout moment.i toutes les images dpendaient de la prcdente, en remontant ainsi *usqu' la premi+re, et que l'onait manqu la premi+re, on ne pourrait plus dcoder le "lu#. 'autre part, si une image tait errone,

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on serait bloqu de la m;me mani+re. En"in, les images & permettent la lecture avant ou retour rapide,sans que le dcodeur ait besoin de calculer caque image survole.

Le codage prdictif

!es images Pimages prdictives( sont codes par rapport l'image prcdente. Elles ne codent en"ait que la di""rence bloc par bloc avec l'image prcdente.

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Figure #- @n signal basique PEG

La compensation de mou"ement

0evenons un peu sur le principe de compensation de mouvement. Ce principe est, on l'a vu, la basede la gnration des images P. !a "igure B montre le "onctionnement d'un s$st+me de compressionpar compensation de mouvement. !a partie gauce de la "igure reprsente le codeur, et la partiedroite le dcodeur.

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!a norme PEG-9 est enregistre l'&< sous le code &

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!a norme PEG- propose donc une approce radicalement di""rente pour le codage des vidos, endcomposant caque sc+ne en plusieurs ob*ets mdias irarciss. 8insi, dans l'arborescence decette irarcie, on trouve des images "i#es arri+re-plan(, des ob*ets vido ob*ets en mouvementsans arri+re-plan( et des ob*ets audio la voi# associe l'ob*et en mouvement(. !a "igure 5 illustre lescma de structure d'une sc+ne PEG-. Cette approce ob*et permet alors de tr+s nombreusesoprations sur une squence PEG- % a*out, suppression ou dplacement d'un ob*et, trans"ormation

gomtrique, cangement de point de vue, etc. En bre", l'utilisateur interagit vraiment avec les ob*etsde la squence vido.

Figure &- tructure d'une sc+ne PEG-

Cette approce ob*et ncessite la d"inition d'ob*ets audiovisuels 82

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Figure '- @n s$st+me de compression par compensation de mouvement

ais comment calcule-t-on prcisment les vecteurs de dplacements O !a norme PEG ne spci"iepas comment "aire la recerce, ni *usqu'oI la "aire, ni m;me le seuil de ressemblance que l'on doitatteindre. Caque implmentation est libre de "i#er ses param+tres et d'utiliser des algoritmes plusou moins per"ormants. /rois grandes mtodes e#istent % la similitude de blocs bloc" matching(, lasimilitude de gradients gradient matching( et la corrlation de pase #hase correlation(.

!a mtode par similitude de blocs est la plus courante et la plus simple comprendre. ans uneimage donne, un bloc de pi#els est coisi et stocD en mmoire. i le bloc contient un ob*et enmouvement, un bloc similaire doit e#ister dans une image suivante, mais pas la m;me place.Comme le montre la "igure 56, on bouge simplement le bloc de r"rence autour de sa position initialedans la seconde image pour trouver les pi#els similaires. >uant une similitude est *uge acceptable, levecteur de dplacement correspond au dplacement entre le bloc de r"rence et le bloc similaire.

Figure (- imilitude de blocs % on bouge le bloc de r"rence la recerce d'un bloc similaire

8ussi simple que cette mtode a l'air, elle n'en est pas moins a priori tr+s gourmande en calculs, cause du grand nombre de possibilits tester avant de tomber sur le bon bloc. Cependant, enpartant du principe qu'un ob*et en mouvement ne cange pas de direction caque image, on peut

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rduire ces calculs en testant d'abord les blocs obtenus par les vecteurs de dplacements prcdents,et en continuant ventuellement la recerce partir de l.

!es mtodes par similitude de gradients et par corrlation de pase sont autrement plus comple#eset ne seront pas dveloppes ici.

Le codage )idirectionnel

!a tecnique de compensation de mouvement avec les images P est tr+s puissante, mais elle nersout pas tous les probl+mes de la compression vido. En e""et, dans les "ilms, il $ a beaucoup desituations oI cette tecnique coue lamentablement % considrons par e#emple une sc+ne oI unpersonnage ouvre une porte, il n'$ aucun mo$en de prdire les dtails de la pi+ce qui se trouvederri+re la porte avec l'image prcdente oI la porte tait "erme H

Figure *- Codage bidirectionnel % il peut ;tre plus e""icace de cercer les donnes dans l'imagesuivante que dans l'image prcdente

'oI l'utilit des images +images bidirectionnelles( % elles ressemblent au# images P, mis part le"ait qu'elles permettent au bloc de r"rence de se trouver soit dans l'image prcdente soit dansl'image suivante. Cela peut ;tre utile de se r"rer l'image suivante, comme l'illustre la "igure 55.

!es images ) peuvent se r"rer soit une image & soit une image P, mais *amais une autre image). Elles ne propagent donc pas, a priori, leurs propres erreurs. !a "igure 59 montre le "onctionnementdu codage bidirectionnel.

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Figure 1,- Codage bidirectionnel % on peut insrer des images ) entre des images & ou P

!e codage bidirectionnel est tr+s puissant. Par e#emple, une squence &))P consomme F6 de bitsen moins qu'une squence &&&&, pour une qualit quivalente. Cependant, l'encodage et le dcodaged'une telle squence sont plus coteu# en temps de traitement.

!'algoritme PEG n'impose pas la "rquence et la place des images-cls images &(. C'est aucodage que l'on coisit la "rquence des images-cls. Par e#emple, pour une application oI l'acc+salatoire est important, une image-cl peut ;tre positionne toutes les demi-secondes. !e nombred'images prdites images P et )( est aussi au coi# de l'encodeur. &l dpend en "ait souvent de lapuissance du dcodeur mmoire(, ainsi que des caractristiques du "ilm rapidit des plans(.

8 cause des images ), PEG est oblig de canger l'ordre des images dans le "lu# vido. En e""et, ledcodeur serait dans l'incapacit de dcoder une image ) sans avoir encore reQu l'image der"rence si celle-ci se situe plus loin dans la squence vido. !a "igure 5: illustre ce principe. 8insi,caque image de r"rence est d* dans le dcodeur pour permettre que le dcodage bidirectionnelcommence.

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La partie s-st.me

&l reste un probl+me que nous n'avons pas encore tudi. En e""et, m;me si cet e#pos se concentreprincipalement sur la partie vido de la compression PEG, n'oublions pas que les "ilms comportentla plupart du temps du son. Nous n'allons pas tudier la compression audio, sur laquelle il $ auraitbeaucoup dire PEG est notamment l'origine du dsormais cl+bre "ormat P:(. 2ous trouvere3

sur le 4eb ou dans la littrature beaucoup de documentations sur la compression audio. Par contre, ilnous "aut parler de la partie s$st+me de PEG, qui g+re la s$ncronisation des deu# "lu# vido etaudio.

!a norme PEG d"init donc un mcanisme qui inclut deu# param+tres % l'orloge de r"rence dus$st+me C0, pour S$stem Cloc" Reference( et le marquage temporel P/, pour resentation TimeStam#s(. !a valeur de ces param+tres et leur utilisation est quelque peu di""rente d'une norme PEG l'autre, mais le principe gnral reste le m;me. Par e#emple, dans PEG-5, on utilise une orloges$st+me cadence B6 D13 qui donne l'eure courante au# deu# codeurs vido et audio. Ces valeurssont sur :: bits, ce qui permet d'avoir des "ilms qui durent 9 eures sans rebouclage de l'orloge.Ces marqueurs temporels sont inclus dans les paquets de donnes codes et le destinataire les utilisepour s$ncroniser les "lu# vido et audio la dcompression voir "igures : et (.