La compression vidéo avec le standard H.264/AVC

Transcription

1 Nicolas Sertier Emmanuel André Pierre Fritsch Supélec électif Audiovisuel numérique 24 janvier 2005

2 Plan Présentation générale 1 Présentation générale Origines et historique Caractéristiques 2 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo 3

3 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

4 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

5 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

6 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

7 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

8 Le H.264/AVC Présentation générale Origines et historique Caractéristiques Le standard d encodage vidéo international le plus récent Commencé en 1998 Création du groupe de travail en décembre 2001 Document publié en mars 2003 promet des performances meilleures que les standards existants réduction du débit par un facteur 2 à qualité équivalente le futur de la compression de signaux de télévision

9 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG)

10 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) H.264

11 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) H.264 ISO / IEC Motion Picture Experts Group (MPEG)

12 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) H.264 ISO / IEC Motion Picture Experts Group (MPEG) MPEG-4 AVC

13 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) H.264 Joint Video Team (JVT) ISO / IEC Motion Picture Experts Group (MPEG) MPEG-4 AVC

14 Origines et historique Caractéristiques Organismes de normalisation participant à la définition ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) H.264 Joint Video Team (JVT) H.264 / AVC ISO / IEC Motion Picture Experts Group (MPEG) MPEG-4 AVC

15 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source

16 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement

17 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement Encodage

18 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement Encodage Décodage

19 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement Encodage Post-traitement correction d erreurs Décodage

20 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement Encodage Destination Post-traitement correction d erreurs Décodage

21 Portée de la standardisation Origines et historique Caractéristiques Source Pré-traitement Encodage Destination Post-traitement correction d erreurs Décodage Portée du standard Ce standard spécifie la syntaxe du flux qu un décodeur doit pouvoir décoder.

22 Origines et historique Caractéristiques Adapté à une diffusion sur un réseau H.264/AVC est prévu pour être transmis sur des réseaux instables : Découpage de l image en tranches indépendantes Informations prioritaires séparées des autres Macroblocs pas forcément parcourus dans l ordre Possibilité d envoyer des informations redondantes

23 Origines et historique Caractéristiques Adapté à une diffusion sur un réseau H.264/AVC est prévu pour être transmis sur des réseaux instables : Découpage de l image en tranches indépendantes Informations prioritaires séparées des autres Macroblocs pas forcément parcourus dans l ordre Possibilité d envoyer des informations redondantes

24 Origines et historique Caractéristiques Adapté à une diffusion sur un réseau H.264/AVC est prévu pour être transmis sur des réseaux instables : Découpage de l image en tranches indépendantes Informations prioritaires séparées des autres Macroblocs pas forcément parcourus dans l ordre Possibilité d envoyer des informations redondantes

25 Origines et historique Caractéristiques Adapté à une diffusion sur un réseau H.264/AVC est prévu pour être transmis sur des réseaux instables : Découpage de l image en tranches indépendantes Informations prioritaires séparées des autres Macroblocs pas forcément parcourus dans l ordre Possibilité d envoyer des informations redondantes

26 Origines et historique Caractéristiques Adapté à une diffusion sur un réseau H.264/AVC est prévu pour être transmis sur des réseaux instables : Découpage de l image en tranches indépendantes Informations prioritaires séparées des autres Macroblocs pas forcément parcourus dans l ordre Possibilité d envoyer des informations redondantes

27 Origines et historique Caractéristiques Quelques spécificités du codage H.264/AVC Macroblocs de taille variable de 4x4 à 16x16 pixels Référence à des frames passés (jusqu à 4) ou futurs Transformation sur des entiers Transformée inverse exacte Débordement des motion vectors hors de l image Deblocking filter intégré

28 Origines et historique Caractéristiques Quelques spécificités du codage H.264/AVC Macroblocs de taille variable de 4x4 à 16x16 pixels Référence à des frames passés (jusqu à 4) ou futurs Transformation sur des entiers Transformée inverse exacte Débordement des motion vectors hors de l image Deblocking filter intégré

29 Origines et historique Caractéristiques Quelques spécificités du codage H.264/AVC Macroblocs de taille variable de 4x4 à 16x16 pixels Référence à des frames passés (jusqu à 4) ou futurs Transformation sur des entiers Transformée inverse exacte Débordement des motion vectors hors de l image Deblocking filter intégré

30 Origines et historique Caractéristiques Quelques spécificités du codage H.264/AVC Macroblocs de taille variable de 4x4 à 16x16 pixels Référence à des frames passés (jusqu à 4) ou futurs Transformation sur des entiers Transformée inverse exacte Débordement des motion vectors hors de l image Deblocking filter intégré

31 Origines et historique Caractéristiques Quelques spécificités du codage H.264/AVC Macroblocs de taille variable de 4x4 à 16x16 pixels Référence à des frames passés (jusqu à 4) ou futurs Transformation sur des entiers Transformée inverse exacte Débordement des motion vectors hors de l image Deblocking filter intégré

32 L efficacité en compression 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Amélioration significative des performances Gain en débit d un facteur 2 pour une qualité équivalente à MPEG-2 Complexité algorithmique plus élevée impose une taille mémoire élevée pénalise certaines applications

33 L efficacité en compression 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Amélioration significative des performances Gain en débit d un facteur 2 pour une qualité équivalente à MPEG-2 Complexité algorithmique plus élevée impose une taille mémoire élevée pénalise certaines applications

34 L efficacité en compression 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Amélioration significative des performances Gain en débit d un facteur 2 pour une qualité équivalente à MPEG-2 Complexité algorithmique plus élevée impose une taille mémoire élevée pénalise certaines applications

35 L efficacité en compression 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Amélioration significative des performances Gain en débit d un facteur 2 pour une qualité équivalente à MPEG-2 Complexité algorithmique plus élevée impose une taille mémoire élevée pénalise certaines applications

36 L efficacité en compression 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Amélioration significative des performances Gain en débit d un facteur 2 pour une qualité équivalente à MPEG-2 Complexité algorithmique plus élevée impose une taille mémoire élevée pénalise certaines applications

37 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Comparaison MPEG-4 AVC / MPEG-2 Illustration du gain de 50%.

38 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Comparaison MPEG-2 / H.264 statique MPEG kbps (source) MPEG-2 100kbps H kbps

39 Classement de codecs Présentation générale 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Classement (tests subjectifs) : Qualité visuelle XviD DivX RV10 VP6 WMV9 H264 Low Medium High Source (mai 2003) : Matrix II 720*304 Source DVD PAL, chap , frames

40 Comparaison du PSNR de codecs 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo

41 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Comparaison PSNR entre H.264 et XviD

42 Démonstration sur une vidéo 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Extrait de Monstres et cie. Original à 6000 kbps (vidéo DVD) Codeur H.264/AVC utilisé : démo de NeroDigital Avec un bitrate de 1000 kbps

43 Démonstration sur une vidéo 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Extrait de Monstres et cie. Original à 6000 kbps (vidéo DVD) Codeur H.264/AVC utilisé : démo de NeroDigital Avec un bitrate de 1000 kbps

44 Démonstration sur une vidéo 50 % de gain en débit sur le MPEG-2 Comparatif avec d autres codecs Démonstration vidéo Extrait de Monstres et cie. Original à 6000 kbps (vidéo DVD) Codeur H.264/AVC utilisé : démo de NeroDigital Avec un bitrate de 1000 kbps

45 Image extraite 1 original

46 Image extraite 1 XviD

47 Image extraite 1 AVC

48 Image extraite 2 original

49 Image extraite 2 XviD

50 Image extraite 2 AVC

51 Image extraite 3 original

52 Image extraite 3 XviD

53 Image extraite 3 AVC

54 Applications du H.264/AVC Applications potentielles Diffusion : câble, satellite, xdsl, terrestre,... vidéo haute qualité avec internet haut débit classique Stockage sur supports optiques ou magnétiques une heure de film qualité DVD sur un CD Services de conversation, visiophonie Vidéo à la demande et services de streaming multimédia Services de messagerie multimédia (MMS)

55 Applications du H.264/AVC Applications potentielles Diffusion : câble, satellite, xdsl, terrestre,... vidéo haute qualité avec internet haut débit classique Stockage sur supports optiques ou magnétiques une heure de film qualité DVD sur un CD Services de conversation, visiophonie Vidéo à la demande et services de streaming multimédia Services de messagerie multimédia (MMS)

56 Applications du H.264/AVC Applications potentielles Diffusion : câble, satellite, xdsl, terrestre,... vidéo haute qualité avec internet haut débit classique Stockage sur supports optiques ou magnétiques une heure de film qualité DVD sur un CD Services de conversation, visiophonie Vidéo à la demande et services de streaming multimédia Services de messagerie multimédia (MMS)

57 Applications du H.264/AVC Applications potentielles Diffusion : câble, satellite, xdsl, terrestre,... vidéo haute qualité avec internet haut débit classique Stockage sur supports optiques ou magnétiques une heure de film qualité DVD sur un CD Services de conversation, visiophonie Vidéo à la demande et services de streaming multimédia Services de messagerie multimédia (MMS)

58 Applications du H.264/AVC Applications potentielles Diffusion : câble, satellite, xdsl, terrestre,... vidéo haute qualité avec internet haut débit classique Stockage sur supports optiques ou magnétiques une heure de film qualité DVD sur un CD Services de conversation, visiophonie Vidéo à la demande et services de streaming multimédia Services de messagerie multimédia (MMS)

59 Profils d utilisation du H.264/AVC Applications potentielles Ce nouveau format de compression cible plusieurs types d application suivant le profil considéré : Baseline Profile pour les applications type vidéoconférence Main Profile pour la TV numérique Extended Profile pour la vidéo mobile

60 Conclusion H.264/AVC : le standard universel du futur proche Grâce à lui, la diffusion de la HD devient possible sur tous les types de réseau Mais grosse complexité... Merci de votre attention!

61 Conclusion H.264/AVC : le standard universel du futur proche Grâce à lui, la diffusion de la HD devient possible sur tous les types de réseau Mais grosse complexité... Merci de votre attention!

62 Conclusion H.264/AVC : le standard universel du futur proche Grâce à lui, la diffusion de la HD devient possible sur tous les types de réseau Mais grosse complexité... Merci de votre attention!

63 Conclusion Compléments H.264/AVC Normes précédentes Sources H.264/AVC : le standard universel du futur proche Grâce à lui, la diffusion de la HD devient possible sur tous les types de réseau Mais grosse complexité... Merci de votre attention!

64 Compléments H.264/AVC Normes précédentes Sources Structure H.264/AVC Critère PSNR Structure basique pour un codeur H.264/AVC

65 Compléments H.264/AVC Normes précédentes Sources Structure H.264/AVC Critère PSNR PSNR : Peak Signal to Noise Ratio Pseudo code (pour ceux qui veulent faire leur propre analyse PSNR) : For (each pixel) { Difference = Pixel from Image A - Pixel from Image B SummedError = SummedError + Difference * Difference } MeanSquaredError = SummedError / Number of Pixels RMSE = sqrt (MeanSquaredError) PSNR = 20*log10 (255 / RMSE)

66 Compléments H.264/AVC Normes précédentes Sources Normes de l ITU et ISO Les organismes de normalisation et l historique des normes

67 Sources Compléments H.264/AVC Normes précédentes Sources IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, July 2003 (Volume 13, Issue 7)