Codec

L’acquisition permet aussi de transformer la structure des fichiers vidéo : l’encodage vidéo. Cet encodage nécessite un CODEC qui, en quelque sorte, définit comment l’information sera compressée et enregistrée le codage ou décompressé et lu le décodage. Chaque appareil ou logiciel utilise et supporte ses propres CODEC pour enregistrer, lire ou manipuler les fichiers. Il existe une multitude de CODEC (codeur/décodeur) qui ont chacun leurs propriétés propres. Le choix du CODEC est primordial, car ils acceptent chacun des paramètres différents plus ou moins complexes et permettent donc de stocker des fichiers vidéo avec un rapport qualité/capacité utilisé diversifié. Pour optimiser ce rapport, des algorithmes de compression sont appliqués sur la vidéo, ce sont ces algorithmes particuliers que ces CODEC contiennent et appliquent. Le MJPEG est le CODEC le plus utilisé pour les captures vidéo des ensembles cartes d’acquisition et logiciels d’édition. Pour le stockage, le MPEG-2 et le DivX tiennent le haut du pavé, gravés sur support DVD, CD ou archivés tout simplement dans un disque dur. Bien sûr, d’autres CODEC sont utilisés, chacun étant paramétrable à l’infini. Parmi ces paramètres, voici les plus importants : la définition du nombre de points des images, largeur x hauteur, nombre de nuances des couleurs possibles (8 bits : 256 couleurs, 16 bits : 64 000 couleurs ou 24 bits dits « true color » [vraie couleur] pour 16 millions de couleurs), le débit ou bit rate qui va définir le taux de compression de la vidéo. Ce bit rate est souvent variable, les scènes d’action demandant de stocker beaucoup plus d’informations pour rester aussi nettes et fluides que des images fixes. De même, pour le son qui pourra être codé en mono ou stéréo, et bien souvent compressé en MP3, avec des bits rates variables.

L’utilité d’un CODEC de compression

Les composants présents sur la carte d’acquisition vont permettre de transformer le signal analogique en fichier, et ce en temps réel. Pour cela, une résolution de capture est définie (par exemple, 720 pixels par 576 lignes qui est la valeur habituelle de numérisation d’un flux analogique, définition d’une télévision ou du format DV). On associe une valeur de couleur à chacun de ces pixels. Les couleurs sont définies selon une table de conversion : 24 bits permet de coder 16 millions de nuances de couleur. Ce traitement doit s’exécuter très rapidement, car une vidéo diffusée sur un téléviseur défile à 25 images par seconde.

Un CODEC Lossless, c’est-à-dire sans aucune compression, réclame un débit très important. De plus, le fichier résultat demandera lui aussi une énorme capacité de stockage. Calculons !

720 pixels x 576 pixels = 414 720 pixels par image Chaque pixel est codé sur 24 bits, donc sur 3 octets (1 octet = 8 bits).

414 720 x 3 = 1 244 160 octets par image, équivalent à 1,2 Mo par image

À 25 images par seconde : 1,2 x 25 = 30 Mo pour une seconde de vidéo 30 Mo/s est aussi le débit nécessaire au disque dur pour enregistrer le fichier.

Pour 1 minute de vidéo, cela correspond à 1,8 Go, soit tout de même 162 Go pour 1 h 30 de vidéo !

Aussi, on utilise des systèmes de compression ou CODEC qui ont deux effets : limiter le débit du flux vidéo et la taille du fichier résultat.

Le facteur

La compression peut agir sur plusieurs facteurs indépendamment, mais plus généralement sur tous à la fois.

Le facteur le plus opérant limiterait le nombre de points par image. Si on divise par deux le nombre de lignes et de pixels par ligne, on divise par 4 la résolution finale, donc le débit et la taille du fichier résultat : 360 x 288 x 3 x 25 = 7,4 Mo/s Malheureusement, la qualité de l’image serait énormément altérée.

Un autre facteur est de limiter le nombre d’images par seconde. Passer de 25 à 12,5 images par seconde permet de diviser par deux le débit et la taille du fichier résultat, mais on perd alors toute notion de fluidité. En dessous de 20 images par seconde les mouvements ne sont plus perçus correctement par l’œil humain et on obtient un film saccadé.

Le dernier facteur serait de limiter le nombre de couleurs restituées. Codé sur 2 octets, soit 16 bits pour 65 536 couleurs ou sur 1 seul octet pour 256 couleurs. La dégradation serait, cependant, trop importante pour de la vidéo.

On peut jouer sur ces facteurs, mais de façon très légère. La véritable solution est l’utilisation d’algorithmes de compression.

Méthode de compression sans perte

Les méthodes de compression sans perte utilisent une des caractéristiques principales des images d’une vidéo. La redondance d’informations, c’est-à-dire d’informations identiques.

• Redondance temporelle Il n’y a quasi pas de différence entre deux images qui se succèdent, sauf pour une partie de l’image où se produit un mouvement. Une image de base sera enregistrée complètement. Pour les suivantes, on n’enregistrera que la zone qui aura changé.

• Redondance spatiale Dans une même image, beaucoup de zones similaires se suivent. On codera donc pour dix lignes de noirs un point noir sur 24 bits et on indiquera qu’il se répète sur les 10 000 points suivants.

La combinaison des deux méthodes réduira de manière drastique la quantité d’information à sauvegarder. En revanche, la redondance spatiale empêchera d’atteindre un endroit aléatoire d’un film, limitant les accès aux images de base.

Méthode de compression avec perte

Pour continuer à diminuer la compression et obtenir un gain encore plus important, des méthodes de compression avec perte d’informations sont aussi utilisées. Ces méthodes sont tolérées tant que l’œil humain ne perçoit pas ou très peu de chute de qualité. On s’appuie pour ces méthodes sur les particularités de la perception de l’œil humain et, concernant le son, de celle de l’oreille humaine. Il est possible de tromper l’œil ou l’oreille humaine. Par exemple, pour l’audio on coupe toutes les fréquences non distinguées par l’oreille humaine. On va aussi pouvoir enlever des informations d’une image sans que ce soit perceptible. Par exemple, une image dégradée sur une scène en mouvement ne sera que très peu discernée par l’œil humain.

• VLC : Variable Length Coding

Le VLC est une méthode de transformation du code qui part du fait que de nombreuses suites de bits se répètent à l’identique dans le code binaire d’une image. On référence ses suites de bits que l’on remplace par un code d’autant plus court que la suite est fréquemment rencontrée dans l’image.

• DPCM : Differencial Pulse Code Modulation

La méthode DPCM part du principe que les différences de deux pixels adjacents sont souvent faibles, les transitions franches étant assez rares. On calcule donc la valeur d’un pixel en se basant sur celle de son voisin.

• DCT : Discret Cosine Transform

La méthode DCT est complexe. Pour simplifier, une formule mathématique permet de représenter la position spatiale (coordonnées et valeur) des pixels. On transforme la façon de coder la position et la valeur d’un pixel. Ce codage est plus facilement comprimable que le code de base.

MJPEG : Motion JPEG

Ce CODEC est une extension du CODEC JPEG (basé sur le DCT) utilisé pour compresser les images fixes. On applique donc cette compression à chaque image de la vidéo. Ce CODEC à l’avantage de permettre l’accès aléatoire, et sur n’importe quelle position dans le film. Très utile en montage, il est l’un des CODEC les plus utilisés en édition vidéo. Son défaut : pour conserver une bonne qualité d’image, il est obligé de produire des fichiers de grande taille. Un facteur de compression trop important dégrade rapidement l’image.

MPEG : Moving Picture Experts Group

Le MJPEG et, donc, les méthodes basées sur la redondance temporelle ayant atteint leur limite, les chercheurs ont tenté de tirer parti de la redondance temporelle (similitude de deux images consécutives) pour créer le MPEG.

Le MPEG a connu plusieurs versions au cours du temps : le MPEG-1, MPEG-2 et le MPEG-4. Le problème du MPEG est qu’il nécessite de grandes capacités de calcul en compression et aussi en décompression. Par exemple, le MPEG-4 a besoin de cartes graphiques puissantes pour afficher convenablement une vidéo fluide.

• MPEG-1

Équivalent à la qualité d’une vidéo VHS, ce CODEC permet d’obtenir une vidéo avec un débit très bas, mais de qualité médiocre (352 x 288). Utilisé par le VCD, qui fait tenir un film sur un CD 700 Mo.

• MPEG-2

Utilisé pour le DVD ou la transmission des chaînes satellites, ce CODEC permet d’obtenir une qualité d’image élevée (720 x 576). Un film occupe un DVD, soit 4,5 Go.

• MPEG-4

Utilisé pour la vidéo HD ou Haute Définition (1 280 x 720 et 1 920 x 1 080), ce CODEC permet la compression de qualité élevée pour les flux HD. Il est utilisé sur HD DVD ou Blu-ray disque de 20 à 40 Go.