INTRODUCTION A LA COMPRESSION VIDEO INTRODUCTION Dbit Vido

INTRODUCTION A LA COMPRESSION VIDEO

INTRODUCTION Débit Vidéo Numérique : Si nous commençons par calculer le debit de transmission d’une video en format TVHD • 2 M pixels * 25 pictures * 3 colours * 8 bits = 1. 24416 G bits / sec pour un balayage entrelacé or = 2. 4833 G bits / sec pour u balayage Progressive Ceci est insupportable par les bandes passantes TV Nous devons compresser

METHODES DE COMPRESSION Comme pour les images, les méthodes de peuvent être classées en deux familles : • Compression sans perte • Compression avec perte compression

METHODES DE COMPRESSION Compression sans perte Il s’agit essentiellement de méthodes réversibles don’t la majorité est de type entropique. La reconstruction nous permet de retrouver exactement l’originale sans aucune degradation mais au detriment d’un taux de compression relativement faible. Parmi, les exemples de méthodes de compression sans pertes nous pouvons citer: • Differences entre images successives • Codage Run length • Codage Huffman – PKZIP • Codage arithmétique • …. etc

METHODES DE COMPRESSION Compression avec perte Ces méthodes introduisent une certaine dégradation après les operations de codage/décodage mais au profit de taux de compression très élevés. Ainsi, les performances de ces techniques de compression sont mesurées à la fois par rapport à la qualité de la donnée reconstruite (PSNR, MSE, SSIM, MOS …. etc) et aussi du taux de compression obtenu en termes de CR (Compression Ratio) ou bien encore en termes de bitrate (bpp : Bit Per Pixel), Parmi les techniques de compression avec pertes nous pouvons citer les méthodes basées sur : • Quantification • Vecteurs de mouvements • Prediction et interpolation • Codage Fractal • Discrete cosine transform (DCT) • Discrete wavelet 09/01/2022 transform (DWT)

METHODES DE COMPRESSION Compression avec perte Généralement, une méthode de compression avec perte essaye d’exploiter des redondances éventuelles présentes dans la donnée originale. A cet effet, une sequence vidéo est une succession d’images fixes, qui présente alors essetiellement deux redondances: • Redondance intra-image ou spatiale • Redondance inter-image ou temporelle Il s’agit donc d’exploiter ces deux redondances pour proposer une méthode de compression vidéo

METHODES DE COMPRESSION Principes de la compression vidéo Redondance spatiale Les régions dont les images se composent sont homogènes Redondance temporelle Les images dont une séquence se compose sont généralement similaires les unes aux autres (surtout les images voisines) Un codeur performant doit éliminer les deux types de redondance

METHODES DE COMPRESSION Principes de la compression vidéo Redondance spatiale

METHODES DE COMPRESSION Principes de la compression vidéo Redondance temporelle

METHODES DE COMPRESSION Compression intra-image avec perte Compression intra-image ou spatiale: Il s’agit de méthodes de compression d’images fixes, à l’instar du JPEG, utilisant souvent trois étapes similaires: • Transformation linéaire (DCT, DWT, …et), • Quantification: C’est la seule étape ou il y’a perte, • Codage entropique.

METHODES DE COMPRESSION Introduction à la compression d’images Compression intra-image avec perte Principe d’une compression basée sur la transformation Changement d’espace de représentation DCT 2 D 8 8 Changement d’espace de représentation Compression sans pertes Quantification Codage entropique Codeur Stockage ou transmission Décodeur Transformation inverse Déquantification Décodage entropique

METHODES DE COMPRESSION Compression intra-image avec perte Exemple d’une compression par DCT • L’image est découpée en blocs de 8 x 8 pixels • la DCT est appliquée à chaque bloc • Quantification de chaque bloc de coefficients • un balayage en zig-zag est utilisé simultanément avec un codage entropique Image Transformation Codage entropique Quantification 111010010010…. . 12 Schéma générale de compression d’image par transformée

METHODES DE COMPRESSION Introduction à la compression d’images Compression intra-image avec perte But de la transformation linéaire: • Décorrélation des coefficients • Compacter les coefficients dans une zone étroite

METHODES DE COMPRESSION Compression intra-image avec perte Exemples de transformations linéaires: • DCT • DST • DFT • KLT • DWT • …ETC

METHODES DE COMPRESSION Compression intra-image avec perte Discussion • La plupart de l’information d ’une image est à basse fréquence. • Les codeurs de transformation préservent les informations à basse fréquence. • On ignore les petits coefficients dans la plage des fréquences. • But: • Réduire la largeur de bande; • Ne dégrade pas trop la qualité de l’image.

METHODES DE COMPRESSION Compression intra-image avec perte Exemple

METHODES DE COMPRESSION Compression inter-image avec perte Dans ce cas on tente d’exploiter la redondance temporelle présente dans les séquences vidéo. En effet, la vidéo est une succession d’images avec en général 25 images/seconde ou bien 30 images/seconde. Autrement dit entre une image et la suivante (voire même les suivantes) il y’a moins de 1/25 seconde, ce qui va présenter inévitablement des redondances temporelles. Il s’agit d’exploiter cette redondance temporelle pour proposer une méthode de compression vidéo

SCHEMA SIMPLIFIE D’UN CODEUR VIDEO

NORMES DE CODEC VIDEO 1989 : H. 261 avec es débits de 64 Kbit/s à 2 Mbit/s (CCITT-IUT-T) , 1992 : MPEG 1 : codage des images animées pour le stockage, le débit 1 -1. 5 Mbit/s 1993 -95: ISO MPEG 2 : Le codage générique de haute qualité pour TV numérique et TVHD (2 -15 Mbit/sec et plus) 1993 -97 : ISO MPEG 4: Le codage générique multi-fonctionnel, avec éléments d’analyse / synthèse à bas débit et manipulation des scènes vidéo. H. 263 : recommendation IUT-T 2003 : H. 264 – ISO/IEC 14496 -10 et Rec. H. 264 Advanced Video Coding 1998 -2001: MPEG 7 – Multimedia Content description Interface. H 265/HEVC ISO/IEC Juillet 2020 VVC Versatile Video Coding

NORMES DE CODEC VIDEO

ORGANISMES DE STANDARDISATION

LA NORME MPEG 2 MPEG : Motion Picture Expert Group Principe fondamental du codage MPEG 2 : • Codage hybride : spatial et temporel avec la compensation du mouvement; • Codage spatial : TCD, quantification, codage entropique appliqué à l’image d’origine ou au signal d’erreur • Prédiction par compensation du mouvement basée bloc (ou macro-bloc).

LA NORME MPEG 2 Le codeur MPEG 2 est composé de trois parties essentielles: • Vidéo; • Audio; • Système de multiplexage.

LA NORME MPEG 2 STRUCTURE D’UN GOP DANS MPEG 2 GOP : GROUP OF PICTURES

LA NORME MPEG 2 STRUCTURE D’UN GOP DANS MPEG 2 I : Intra-coded Image - codage spatial type JPEG P : Predictive-coded Image - par compensation du mouvement à partir de l’image de référence précédente B : Bidirectionnaly predictive coded Image - par rapport au passé et /ou futur. N : la distance entre deux images I sucessives = longueur d’un GOP M : la distance entre deux images de référence (anchor frames) I-P ou PP - paramétrable

LA NORME MPEG 2 STRUCTURE D’UN GOP DANS MPEG 2 Valeurs typiques : • N = 12 ou 15 = 0, 5 sec pour Pal/SECAM et NTSC respectivement • M=1 -> absence des images B M=1, 2, 3 Les images B assurent des taux de compression plus importants

LA NORME MPEG 2 STRUCTURE D’UN GOP DANS MPEG 2 Ordre d’affichage et d’encodage d’un GOP

LA NORME MPEG 2 STRUCTURE D’UN GOP DANS MPEG 2 Composition d’un GOP 1. La première image (phase: encodage) dans un GOP est toujours une image I 2. La première image (phase décodage) peut être soit I, soit la première image B dans la série des images B juste avant la première image I 3. La dernière image dans un GOP est toujours soit I soit P 4. Le premier GOP dans une vidéo commence toujours avec une image I.

LA NORME MPEG 2 COMPENSATION DE MOUVEMENT Présence de mouvement: successives différence entre images Nécessité de prendre en considération le mouvement d’objets dans la scène: Motion-Compensated (MC) Prediction • Comment Estimer le mouvement? • Comment réaliser (MC) Prediction ?

LA NORME MPEG 2 ESTIMATION DE MOUVEMENT Block-Matching Motion Estimation • Partitionner chaque image en blocs • Décrire le Mouvement de chaque bloc.

LA NORME MPEG 2 ESTIMATION DE MOUVEMENT Block-Matching Motion Estimation

LA NORME MPEG 2 MC PREDICTION

LA NORME MPEG 2 BI-DIRECTIONAL MC PREDICTION Est Utilisé pour estimer un bloc dans une image courante à partir d’un bloc dans: • une image précédente, • une image suivante (futur), • moyenne d’un bloc dans une image précédente et d’un bloc dans une image suivante.