Techniques de compression vidéo numérique

La compression vidéo numérique (ou encodage vidéo) consiste à réduire la taille des fichiers vidéo et à les convertir dans des formats et des codes adaptés à la lecture. L'objectif principal de l'encodage est de réduire la quantité de données nécessaire pour enregistrer, stocker et transférer des vidéos. Ainsi, les besoins en matériel de stockage, en temps de transfert et en bande passante de diffusion sont réduits.

La compression vidéo numérique regroupe un ensemble de méthodes utilisées pour réduire et éliminer les redondances dans les données vidéo. La vidéo compressée est ainsi nettement plus légère que la vidéo non compressée. L'encodage vidéo permet de stocker la vidéo dans un fichier de taille réduite ou de la transmettre plus rapidement sur un réseau. L'efficacité de la compression vidéo numérique est proportionnelle au débit binaire de la vidéo pour une qualité et une fréquence d'images (fps) données. Plus l'encodage réduit la bande passante nécessaire, plus il est efficace.

Fonctionnement de la compression vidéo

Après la compression ou l'encodage d'un fichier vidéo, la vidéo compressée peut conserver la même qualité que le fichier non compressé ou présenter une qualité réduite. On parle alors de formats de compression sans perte et avec perte.

Formats de compression avec perte

Ce format de compression vidéo numérique garantit que le fichier compressé contient moins de données que l'original. Les couleurs et les sons récurrents dans la vidéo peuvent être exclus afin de supprimer les parties jugées inutiles. Il en résulte parfois un fichier de petite taille, car des données sont perdues, d'où le terme « avec perte ». La compression avec perte réduit les données à un niveau tel que les informations originales ne peuvent plus être récupérées après la décompression. La différence entre la vidéo encodée et l'original est appelée artefact.

La plupart des fichiers vidéo en ligne utilisent la compression avec perte pour réduire la taille du fichier tout en maintenant un niveau de qualité élevé. Si une vidéo conservait sa taille de fichier d'origine d'une qualité exceptionnellement haute, non seulement le chargement prendrait beaucoup de temps, mais les spectateurs disposant d'une connexion Internet faible auraient des difficultés à la visionner ou à la télécharger.

Formats de compression sans perte

La compression sans perte est un autre format de compression vidéo numérique dans lequel les versions originale et compressée sont presque identiques. Cette méthode permet de reconstruire les données originales à partir des données encodées. Autrement dit, seules un nombre limité d'approches sont accessibles pour la réduction de données, ce qui entraîne une compression limitée. Aucune donnée n'est perdue lors du processus d'encodage. La plupart du temps, les formats de compression sans perte ne sont pas aussi avantageux que la compression avec perte, car les fichiers conservent souvent la même taille qu'avant la compression. Les GIF sont un exemple de compression sans perte. Cependant, en raison de ses limites, ce format ne convient pas aux vidéos de surveillance.

Adopter la compression sans perte peut sembler superflu, étant donné que l'objectif principal de la compression est de réduire la taille des fichiers. Néanmoins, la compression sans perte produit une excellente qualité vidéo si la taille du fichier n'est pas une préoccupation.

Techniques de compression vidéo numérique

Les données vidéo peuvent être affichées sous forme d'une séquence d'images fixes ou de champs pour la vidéo entrelacée. La séquence d'images comprend inévitablement des redondances temporelles et spatiales, que les méthodes de compression vidéo numérique peuvent exploiter. De nombreuses techniques d'encodage vidéo utilisent la compression temporelle, centrée sur la redondance entre les images, et la compression spatiale, axée sur la redondance à l'intérieur d'une seule image ou d'un seul champ.

Compression spatiale

Les méthodes de compression spatiale sont basées sur la compression d'images fixes. L'approche par transformation est la méthode la plus largement utilisée par diverses organisations. Cette méthode divise l'image en blocs et applique la transformation à chaque bloc individuellement. Le résultat de la transformation est redimensionné et quantifié. Ensuite, un codeur entropique sans perte compresse les données quantifiées, générant ainsi le flux binaire résultant. La technique de transformation la plus couramment utilisée est la transformée en cosinus discrète (DCT) ou ses variantes. D'autres méthodes de compression spatiale incluent la compression fractale, le codage vectoriel, la transformation en ondelettes, etc.

Compression temporelle

La compression temporelle est une autre technique efficace de compression vidéo numérique. Elle fonctionne en comparant les différentes images vidéo entre elles. S'il n'y a pas de sections en mouvement dans la vidéo, le programme peut exécuter une brève instruction qui duplique bit par bit cette section de l'image précédente dans l'image suivante. Si l'algorithme détecte que certains pixels ont changé, il utilise une approche de prédiction par rapport à l'image ou aux images précédentes. Le programme recherche une région comparable dans les images précédentes pour chaque région de l'image actuelle. Si une zone comparable est trouvée, la différence est codée par le codeur de transformation et supprimée de la zone actuelle. La référence de la zone de l'image actuelle peut également être calculée comme une somme pondérée de zones comparables provenant des images précédentes et suivantes. L'image actuelle doit être différée d'un certain nombre d'intervalles d'images lors de l'utilisation d'images successives.

Parmi les autres techniques de compression vidéo couramment utilisées, on trouve :

Compression JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Associée à la technique de compression MPEG, il s'agit d'une technique fondamentale de compression vidéo numérique qui opère sur une seule image (fixe). C'est l'une des normes d'encodage vidéo proposées par l'Organisation internationale de normalisation (ISO), la Commission électrotechnique internationale (CEI) et l'UIT (Union internationale des télécommunications). Un organisme nommé Joint Photographic Experts Group (JPEG) a été créé au milieu des années 1980, jetant les bases de la norme JPEG. La première contribution visible du groupe a été la publication en 1991 de la première composante de la norme JPEG, qu'il avait entrepris de créer comme norme de compression des photos couleur. Depuis, le groupe JPEG a travaillé à la fois sur la norme JPEG originale et sur la norme JPEG 2000.

Supposons que nous photographiions une image avec un homme sur une moto et des arbres en arrière-plan. Les techniques JPEG encodent l'image en supprimant les éléments imperceptibles pour l'œil humain, comme certaines couleurs (car nous y sommes moins sensibles — les variations de luminosité sont plus perceptibles pour l'homme que les variations de couleur) et certains détails dans les zones les plus complexes de l'image (les variations de lumière à basse fréquence sont plus perceptibles que les variations à haute fréquence).

Selon le taux de compression utilisé, les données supprimées peuvent affecter la qualité de l'image résultante. C'est pourquoi le JPEG est considéré comme une méthode de compression avec perte, ce qui implique que certaines informations de l'image originale sont perdues et ne peuvent pas être récupérées.

Motion JPEG

Supposons que nous filmions cette même situation avec le cycliste en train de pédaler. La caméra capture une série d'images fixes, qui peuvent être compressées à l'aide d'algorithmes JPEG.

Cette technique de compression vidéo numérique est appelée Motion JPEG. Elle était largement utilisée au début des années 1990. Elle compresse efficacement la vidéo en éliminant la redondance spatiale, mais elle ignore les éléments d'image partagés entre les images, tels que l'arrière-plan, les arbres, etc. Ce contenu partagé est appelé redondance temporelle et peut être supprimé de la vidéo pour améliorer les taux de compression.

Moving Picture Experts Group (MPEG)

Cette technique de compression vidéo numérique, avec le JPEG, constitue la technique de compression numérique fondamentale proposée par l'ISO, la CEI et l'UIT. L'origine du MPEG remonte à la création du Motion Picture Experts Group (MPEG) à la fin des années 1980, dont l'objectif était de développer un système de compression des images animées et des sons. Depuis, il a produit les normes MPEG-1, MPEG-2 et MPEG-4, ainsi que des normes sans rapport avec le codage multimédia, telles que MPEG-7 et MPEG-21.

Des algorithmes de compression inter-images ont été développés pour éliminer la redondance temporelle (le préfixe « inter » signifiant « entre »). Le MPEG est le plus largement utilisé d'entre eux. La compression MPEG, comme le JPEG, est effectuée en unités fondamentales appelées « macro-blocs ».

Chaque image est découpée en tranches, chacune comprenant des macro-blocs. Les macro-blocs sont composés de blocs de pixels, la plus petite partie modifiable de l'image. Dans le processus de compression, les macro-blocs sont utilisés comme unité fondamentale.

Les images MPEG peuvent être compressées de trois manières :

â Images intra-codées (images I) : les vidéos sont encodées sous forme d'images isolées (images fixes) sans lien avec les images suivantes.
â Images prédictives (images P) : l'algorithme encode les vidéos à l'aide d'une prédiction à partir d'une image I ou P précédente, ce qui donne un taux de compression plus élevé (image plus petite).
â Images bidirectionnelles prédictives (image B) : ce processus consiste à encoder une vidéo par prédiction, en utilisant une image précédente et une image future issues d'images I ou P ; il offre la compression la plus élevée.

D'autres formats MPEG avancés incluent le MPEG-2, conçu spécifiquement pour la diffusion télévisée et l'archivage de haute qualité, et le MPEG-4, utilisé pour le mappage de textures de maillages 2D et 3D, l'encodage de flux variables dans le temps et la création d'algorithmes d'évolutivité temporelle, spatiale et qualitative pour les images et les vidéos, le MPEG-7 pour la vidéosurveillance et le MPEG-21.

H.264

À la fin des années 1990, un nouveau groupe appelé Video Coding Expert Groups (VCEG) a créé une norme de compression vidéo visant à améliorer l'efficacité de l'encodage vidéo bien au-delà des techniques existantes. C'est ainsi qu'est né le H.264. Il offre l'équilibre le plus abouti entre efficacité du codage, coût et complexité de calcul. L'objectif était de conférer à la technique de compression vidéo numérique une polyvalence suffisante pour être utilisée dans de nombreuses applications, notamment la vidéo à faible et haut débit, la vidéo à basse et haute résolution, ainsi que les besoins en latence élevée et faible.