Codage et Compression de données

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1 Codage et Compression de données multimédia Département R&T IUT Nice Côte d Azur Université de Nice - Sophia Antipolis Frédéric Payan (MCF UNS) Plan du cours (II) Chapitre III : Codage binaire (compression sans pertes) Notions de base Codage entropique Codage par plages (RLE) Codage par dictionnaire Chapitre IV : Compression du son Le signal audio Le modèle psychoacoustique Un exemple : le MP3 3 Plan du cours (I) Chapitre I : Introduction Générale Les Signaux La Transmission Numérique La Compression Chapitre II : La Quantification de données Notions de base Quantification scalaire Uniforme Non Uniforme Optimale Prédictive basée Transformée Vectorielle Plan du cours (III) Chapitre V : Compression d images Les images et la vision La compression d images Un exemple : JPEG Chapitre VI : Compression vidéo Notions générales sur la vidéo Principe de l'estimation/compensation de mouvement Un exemple : MPEG (dans ses grandes lignes) 2 4

2 Codage et Compression de données multimédia Chapitre I : Introduction Générale Les Signaux Numériques La Transmission Numérique La Compression Les Signaux Signaux Analogiques Avant : Signaux analogiques Inconvénients Dégradation du signal lors de la transmission (bruit du canal ) Stockage compliqué 7 Les Signaux Introduction C est quoi un signal? Image Parole Musique Vidéo Schéma général d une transmission Emetteur Signal Récepteur Milieu de Transmission (Canal) Les Signaux Signaux Numériques Maintenant : Signaux numériques Avantages Stockage simplifié (fichier binaires) Qualité des Signaux reçus (aucune dégradation) Traitements «spéciaux» Compression des données Trucage de films Superposition d images de synthèse et d image réelles (réalité augmentée Sécurisation des données (cryptage, tatouage ) 6 8

3 Codage et Compression de données multimédia Chapitre I : Introduction Générale Les Signaux Numériques La Transmission Numérique La Compression Transmission Numérique - Contexte Schéma général d une transmission numérique en bande de base (càd sans modulation) Information originale Emission Signal Emis Source Codage source Codage canal Codage en ligne Canal Bruit Information Reçue Décodage source Décodage canal Décodage ligne Signal Reçu Réception 11 Transmission Numérique - Contexte Applications : Téléphonie : RNIS, GSM, UMTS, Visio-conférence Média : TV, CD, DVD, Blu-Ray, Radio, Photo/Camescope Réseaux informatiques en général 10 la courbe est mesurée périodiquement à une fréquence d échantillonnage fe (en Hz). Cette fréquence d échantillonnage fe va déterminer la largeur du pas d échantillonnage = (en sec) 12

4 la courbe est mesurée périodiquement à une fréquence d échantillonnage fe (en Hz). Cette fréquence d échantillonnage fe va déterminer la largeur du pas d échantillonnage = (en sec) 13 +1,98 la courbe est mesurée périodiquement à une fréquence d échantillonnage fe (en Hz). Cette fréquence d échantillonnage fe va déterminer la largeur du pas d échantillonnage = (en sec) +0,82-0,85-1,60-2,02 15 la courbe est mesurée périodiquement à une fréquence d échantillonnage fe (en Hz). Cette fréquence d échantillonnage fe va déterminer la largeur du pas d échantillonnage 0,00 = (en sec) 14 Théorème de Shannon : Codage La binaire fréquence d échantillonnage fe doit être supérieure à 2 fois la fréquence maximale du signal : 16

5 l amplitude est discrétisée sur un ensemble d intervalles codés par des mots Schéma général Valeurs réelles Symboles (entiers) Echantillonnage Quantification Codage (binaire) Transformer les symboles obtenus après quantification en une séquence binaire => réduction de la taille du fichier (en éliminant la redondance présente dans le signal original) Transmission Numérique Codage canal Principe Émission : rajouter une redondance structurée aux données pour protéger l émission contre les erreurs Augmentation du débit. Réception : Détection des erreurs Correction des erreurs (couche 1) Solliciter l émission de nouvelles données (couche 2, ARQ - Automatic Repeat request) 18 20

6 Transmission Numérique Codage canal Exemple d un codage/décodage canal codes correcteurs d erreur : Code a répétition C(3,1) Codeur Données émises Code à répétition Données reçues Décodeur 3 erreurs Transmission Numérique Codage ligne Pourquoi faire un codage canal / ligne? Données à transmettre Signal transmis Bruit Signal reçu (bruité) Données reçues (données transmises) Transmission Numérique Codage ligne Principe Émission : transformer les symboles logiques en un signal physique pour le transmettre sur le canal. Réception : c est l inverse. NRZ NRZ Codage NRZ (Non Return to Zero) Codage NRZ Unipolaire Codage RZ (Return to Zero) Codage Manchester «0» => 0, «1»=> +V 0»=> 0 ; «1» => +-V alternés Codage AMI (Alternate Mark Inversion) 0»=> 0 ; «1» => +-V alternés Codage et Compression de données multimédia Chapitre I : Introduction Générale Les Signaux Numériques La Transmission Numérique La Compression 22

7 Compression Notions Définition Réduire la quantité d informations nécessaires pour représenter des signaux numériques Où se situe l étape de compression dans la chaîne de traitement des données? Durant le codage de source Compression Rôle crucial dans les applications multimédias Compression Contraintes Contraintes relatives à la compression Temps réel (Vitesse compression/décompression) Contrainte à la réception Contrainte à l émission Contrainte bilatérale Nature des données Applications (ex : qualité des images...) Compression Notions Exemple 1 : 1 image couleur 24 bits, 620x560 pixels = ~1 Mo Vidéo = 30 images par seconde => 1 seconde de vidéo ~ 30 Mo. Comparaison : CD-ROM transfert ~ 300 ko/s PROBLEME! Exemple 2 : la TVHD 1050 lignes x 1250 colonnes 50 images/sec 3 couleurs => 1,5 Gbits/s! Compression Contraintes Contraintes à la réception Les signaux doivent être lu et decomprimé rapidement Fluidité (streaming vidéo/audio) Pas d attente coté utilisateur (visite virtuelle, consultation de documents ) => pas de contraintes en lors de la compression Contrainte à l émission Volume de données impossible à conserver (acquisition par satellite d images ) => pas de contraintes en lors de la décompression 26 28

8 Compression Contraintes Contrainte bilatérale Les signaux doivent être compressés ET décompressés rapidement Téléphone Visio-conférence Emission-Réception de données volumineuses Délai maximal dans les 2 sens Compression Contraintes Contraintes dues à la nature des données Dimension du signal (1D, 2D, 3D,...) Qualité des données selon les applications Exemple : images JPEG avec pertes ok pour photos personnelles, inacceptable pour images radar, médicales car pertes d informations! => 2 approches selon les applications 1. sans pertes Impensable! 2. avec pertes Compression Contraintes Contraintes dues à la nature des données Dimension du signal (1D, 2D, 3D,...) Qualité des données selon les applications Exemple : images JPEG avec pertes ok pour photos personnelles Compression Avec ou sans pertes? 2 approches possibles Sans pertes Signal original = signal (dé)compressé Applications : textes, exécutables Exemple : WinZip Avec Pertes Avec pertes Applications : sons, images, vidéo Exemple : MP3, AWM, JPEG, MPEG, DivX 30 Sans Pertes 32

9 Compression Avec ou sans pertes? Compression optimisation du compromis Débit/Distorsion Débit binaire : Quantité de données à stocker par échantillon (ex : image en bits/pixel) Distorsion : Traduit la dégradation du signal original / compressé Distorsion (D) D Débit (R) 33 Bibliographie principale Cours «Théorie de l Information Compression» de Frédéric Koriche Université Montpellier II, France Cours «Compression avancée d images multidimensionnelles» (Master IGMMV) de Pierre Mathieu Université de Nice Sophia Antipolis Cours «Compression de l information» de Alexandrina Rogozan INSA Rouen Cours «Images, Sons, Multimédia Analyse et Synthèse du Son Musical» de Pierre Hanna Université de Bordeaux Mémoire de thèse de Asmaa Amehraye ENST Bretagne 35 Compression Evaluation d une méthode Mesure usuelle de performance Rapport Signal à Bruit (SNR, pour Signal to Noise Ratio) Rapport entre la puissance du signal Ps et l erreur (D) de compression Ps SNR ( db ) 10log 10 D Rapport Signal à pic (PSNR, pour Peak SNR) Rapport entre la dynamique d du signal et l erreur (D) PSNR ( db ) 10log d ² D 10 Exemple : image N&B (256 niveaux de gris, d=255) Taux de compression CR Taille fichier compressé Taille fichier original 34

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