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1 Normes de compression vidéo Riadh ABDELFATTAH École supérieure de Télécommunications rnu tn

2 Objectifs du cours 1. Mode de représentation des données vidéo Image fixe Graphique et couleur Image animée et vidéo 2. Norme de compression vidéo Fonctionnement des normes de compression MPEG1 et MPEG2 Description des données multimédia avec MPEG4 3. Programmation multimédia Langage de description des scènes : VRML Représentation textuelle des scènes MPEG4 R. ABDELFATTAH SUP'COM 2

3 Plan du cours 1. Partie cours (4 séances) Introduction au mode de représentation des données vidéo Normes de compression vidéo MPEG1 et MPEG2 La norme multimédia MPEG4 2. Partie pratique (4 séances) Le langage VRML Représentation textuelle des scènes MPEG4 par VRML R. ABDELFATTAH SUP'COM 3

4 Introduction au mode de représentation ti des données vidéo Riadh ABDELFATTAH École supérieure de Télécommunications rnu tn R. ABDELFATTAH SUP'COM 4

5 Plan 1. Introduction 2. Graphiques et images fixes 3. Images animées 3. Conclusion R. ABDELFATTAH SUP'COM 5

6 1. Introduction Les phénomènes physiques sont continus L'ordinateur manipule des données discrètes Acquérir, gérer et manipuler des chiffres du texte du son des graphiques des images de la vidéo Solution Numériser l'information Compromis stockage, g, transport,,q qualité, affichage et coût R. ABDELFATTAH SUP'COM 6

7 1. Introduction Norme Normes et Standards "La norme est un document établi par un consensus et approuvé par un organisme reconnu, qui, fournit, pour des usages communs et répétés, des règles, des lignes directrices ou des caractéristiques, pour des activités ou leurs résultats, garantissant t un niveau d'ordre d optimal dans un contexte t donné" (Eric Sutter). ISO CEI ITU Standard Accord long à établir : conflits d intérêts Mode d expression défini par un constructeur, parfois accepté par d autres constructeurs Norme de fait, varie selon le poids du constructeur, de la communauté Type Normes Standards d Texte html pdf, rtf Image png, jpeg gif, bmp Vidèo quicktime applevideo R. ABDELFATTAH SUP'COM 7

8 2. Graphiques et images fixes 2.1 L image et la résolution (0, 0) X Image : Matrice 2D de PIXELs (PICture Element) Y Figure 1 : Le repère cartésien d image Voir l exemple sous Matlab R. ABDELFATTAH SUP'COM 8

9 2. Graphiques et images fixes 2.1 L image et la résolution Pitch : espace entre deux points lumineux Figure 2 : Différence entre primitive de l image et celle de l écran R. ABDELFATTAH SUP'COM 9

10 2. Graphiques et images fixes 2.2 La lumière La lumière est issue de deux composantes Une onde électromagnétique ondulatoire Un aspect corpusculaire (les photons) Caractéristiques Fréquence Intensité Vitesse de déplacement : ~ km/s Fréquence : ~ 600'000 Ghz R. ABDELFATTAH SUP'COM 10

11 2. Graphiques et images fixes 2.2 La lumière L'oeil humain : Des cônes perçoivent la lumière 3 types : percevoir le bleu, le vert et le rouge Perception entre 400 et 700 nm Si un type de cônes fait défaut : daltonisme λ (nm) Figure 3 : Courbe de la sensibilité relative de l œil humain au longueurs d onde composant la lumière blanche R. ABDELFATTAH SUP'COM 11

12 2. Graphiques et images fixes 2.3 Le codage de la couleur Le nombre de couleurs la composant (bits/pixel) : Noir & Blanc : 1 bit 256 nuances de gris : 8 bits 256 couleurs : 8 bits (palette de couleurs) Les pixels La palette L image Limage correspondante R. ABDELFATTAH SUP'COM 12

13 2. Graphiques et images fixes 2.3 Le codage de la couleur 2 32 : 32 bits, on ajoute une quatrième composante sur 8 bits : Le canal alpha Permet de gérer la "transparence" des points Evitant ainsi les effets de "marches d'escalier" pouvant apparaître sur des images R. ABDELFATTAH SUP'COM 13

14 2. Graphiques et images fixes 2.3 Le codage de la couleur bitmap noir et blanc en stockant un bit dans chaque case (pixel), bitmap 256 niveaux de gris en stockant un octet dans chaque case.gif.gif palette de couleurs (colormap) en codant les indices d une palette de couleurs sur 8 bits.gif true color (RGB: rouge, vert, bleu). Chaque pixel est codé sur 24 bits (16 millions de couleurs) Chaque pixel est codé sur 32 bits.jpg information de transparence ou de texture R. ABDELFATTAH SUP'COM 14

15 2. Graphiques et images fixes 2.4 La sensibilité de l'oeil Image couleur Image de luminance Image de chrominance beaucoup plus grande aux variations d'intensité (luminance) qu'aux variations de couleur (chrominance) R. ABDELFATTAH SUP'COM 15

16 2. Graphiques et images fixes 2.5 Synthèse de couleurs La synthèse additive La couleur est définie comme somme pondérée de trois couleurs 3 couleurs primaires (rouge, vert, bleu) : Modèle RGB C'est le principe de fonctionnement des tubes cathodiques La synthèse soustractive La couleur est définie comme différence pondérée entre le blanc et trois couleurs 3 couleurs complémentaires de rouge, vert, bleu (cyan, magenta, jaune) : Modèle CMY C'est le principe de fonctionnement des imprimantes. R. ABDELFATTAH SUP'COM 16

17 2. Graphiques et images fixes 2.5 Synthèse de couleurs R G B Black ( 0, 0, 0) White (255, 255, 255) Red (255, 0, 0) Green ( 0, 255, 0) Blue ( 0, 0, 255) Cyan ( 0, 255, 255) Magenta (255, 0, 255) Yellow (255, 255, 0) R. ABDELFATTAH SUP'COM 17

18 2. Graphiques et images fixes 2.5 Synthèse de couleurs La synthèse additive La synthèse soustractive Y M C Extension : le modèle CMYK. En pratique, le noir n'est pas tout à fait noir. Ajout d'une composante "noir pur". CMYK : Cyan, Magenta, Yellow BlacK R. ABDELFATTAH SUP'COM 18

19 2. Graphiques et images fixes 2.6 Format et résolutions d images image vectorielle image bitmap WMF EPS CDR PCT DXF T.4 et T.6 BMP PSD PCX DCP GIF JPEG TIFF PNG R. ABDELFATTAH SUP'COM 19

20 2. Graphiques et images fixes 2.6 Format et résolutions d images.jpg 314 x x 199.jpg.jpg 79 x x 50.jpg R. ABDELFATTAH SUP'COM 20

21 2. Graphiques et images fixes 2.6 Format et résolutions d images Dimensions Image en noir Image en 256 Image en de l image et blanc (Ko) niveaux de gris (Ko) True color (Ko) 320x x x x768 R. ABDELFATTAH SUP'COM 21

22 2. Graphiques et images fixes 2.6 Format et résolutions d images Dimensions Image en noir Image en 256 Image en de l image et blanc (Ko) niveaux de gris (Ko) True color (Ko) 320x x x x R. ABDELFATTAH SUP'COM 22

23 3. Images animées Vidéo Suite rapide dimages d'images Généralement obtenue à partir d'une source vidéo analogique (caméra, magnétoscope,...) Une séquence audio est synchronisée avec les images. Animation Suite d'images de débit moins important que la vidéo Les images ont généralement été produite grâce à un logiciel de dessin L'aspect visuel d'une animation se rapproche donc de celui d'un dessin animé Une animation peut comporter du son R. ABDELFATTAH SUP'COM 23

24 3. Images animées 3.1 Critères de qualité d une vidéo ou d une animation Nombre d'images (trames) par seconde : Mouvements fluides : afficher plus de 20 images par secondes (persistance rétinienne 1/15s) Cinéma : 24 images/seconde Télévision : 25 (France) ou 30 (USA, Japon) Qualité propre aux images Résolution Nombre de couleurs R. ABDELFATTAH SUP'COM 24

25 3. Images animées Vidéo Une image est découpée é en lignes : TVHD 16/9 : 1250 lignes TV 4/3 : 625 lignes. Une image est composée de deux trames de 312,5 lignes (la trame impaire et la trame paire) Balayage entrelacé Bande passante 5,5Mhz 5Mhz R. ABDELFATTAH SUP'COM 25

26 3. Images animées 3.2 Vidéo analogique Un signal vidéo analogique est composé d une : Information représentant t la luminosité ité (brillance) Y = 0.30R G B Pour la compatibilité avec le noir et blanc, on transmet Y, U et V Information représentant la couleur (chrominance) U = R Y & V = B Y Information sonore (audio) Information de synchronisation R. ABDELFATTAH SUP'COM 26

27 3. Images animées 3.2 Vidéo analogique Modèles de transmission et d enregistrement RGB (câbles séparés : R & G & B) S-Vidéo(deux câbles : luminance & chrominances, même piste) Vidéo composite (un seul signal de luminance & chrominance) (la plus utilisée) Vidéo en composante (deux câbles et deux pistes différentes) Exemple : Signal vidéo SECAM R. ABDELFATTAH SUP'COM 27

28 3. Images animées 3.2 Vidéo analogique Vidéo analogique : Les standards télé 1953 NTSC (National Television System Comittee) US, Japon 525 lignes, 60 trames/s, 30 images/s 480 lignes de vidéo, 45 pour des sous-titres 1960 SECAM (SEquentiel Couleur à Mémoire) France 625 lignes, 50 trames/s, 25 images/s 1963 PAL (Phase Alternation by Line) EU 625 lignes, 50 trames/s, 25 images/s Film 24 images/s Toutes les lignes d une trames ne sont pas visualisées (synchronisations) : En 625 : 576 lignes visibles En 525 : 480 lignes visibles R. ABDELFATTAH SUP'COM 28

29 3. Images animées 3.2 Vidéo analogique Vidéo composite : PAL, SECAM et NTSC Définition iti : Les composantes de la vidéo (luminance, chrominance, informations de synchronisation, ) sont codées et combinées dans un même et unique signal avant transmission Conséquences : Moins robuste aux interférences qualité plus réduite Vidéo en composante : magnétoscope VHS et cam. Vidéo (S-VHS, Betamax) Définition : Les composantes de la vidéo sont codées séparément et transmis dans des signaux distincts Conséquences : Plus robuste aux interférences qualité améliorée R. ABDELFATTAH SUP'COM 29

30 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Objectif : préserver la qualité lors de copies multiples facilité le stockage, la manipulation et la transmission Principe : Numériser chacun des signaux vidéo analogiques échantillonner quantifier coder Problèmes : taille des fichiers immenses Exemple : 2 heures de TV numérique (PAL-SECAM): Gigabits R. ABDELFATTAH SUP'COM 30

31 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique deux étapes pour obtenir un débit utilisable l échantillonnage la compression Echantillonnage PAL/SECAM : 720 pixels x 576 lignes NTSC : 720 pixels x 480 lignes Luminance Y, Chrominances Cb et Cr Y R Cb = V Cr B Profondeur d échantillonnage : de 8 à 10 bits R. ABDELFATTAH SUP'COM 31

32 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Conversion analogique numérique 4:2:2 (CCIR 601) R. ABDELFATTAH SUP'COM 32

33 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Images vidéo numériques (A partir de 1972) L image de luminance numérique fait 720x576 : Il y a 720 échantillons de luminance par ligne Il y a 576 ligne visibles L image de chrominance numérique fait 360x576 : Il y a 360 échantillons de chrominance par ligne Il y a 576 ligne visibles C est le format 4:2:2 R. ABDELFATTAH SUP'COM 33

34 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Conversion analogique numérique (Norme CCIR 601) 4:2:2 : 4:2:0 :0 4:1:1 : Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz Fréquence d'échantillonnage Luminance : Chrominance : Fréquence d'échantillonnage Luminance : Chrominance : Echantillon de luminance Echantillon de luminance et de chrominance R. ABDELFATTAH SUP'COM 34

35 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Conversion analogique numérique (Norme CCIR 601) 4:2:2 : 4:2:0 :0 4:1:1 : Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz une ligne sur 2 Fréquence d'échantillonnage Luminance : Chrominance : Echantillon de luminance Echantillon de luminance et de chrominance R. ABDELFATTAH SUP'COM 35

36 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Conversion analogique numérique (Norme CCIR 601) 4:2:2 : 4:2:0 :0 4:1:1 : Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz une ligne sur 2 Fréquence d'échantillonnage Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 3,375 MHz Echantillon de luminance Echantillon de luminance et de chrominance R. ABDELFATTAH SUP'COM 36

37 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Conversion analogique numérique (Norme CCIR 601) Chrominance Format 4:2:2 2 (PAL/SECAM) Format 4:2:0 (PAL/SECAM) Format 4:1:1 (NTSC) Format SIF ou 2:1:0 R. ABDELFATTAH SUP'COM 37

38 3. Images animées 3.3 Vidéo numérique Format de fichiers d images animées QuickTime (films Quick kti Time) («.mov») Movies AVI MPEG Audio-Video Interleaved (entrelacement audio-vidéo) («.avi») Moving Picture Expert Group (groupe d'experts d'images mobiles(«.mpg») RealVideo Produit vidéo de Progressive Networks GIF 89a Graphic Interchange Format 89a («animated GIF») R. ABDELFATTAH SUP'COM 38

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