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technique note C E N T R E N AT I O N A L D E D O C U M E N TAT I O N P É D A G

technique note C E N T R E N AT I O N A L D E D O C U M E N TAT I O N P É D A G O G I Q U E Direction de l'Ingénierie éducative octobre 1994 1RWLRQVVXUODFRPSUHVVLRQ GHVGRQQpHVGDQV OHVDSSOLFDWLRQVPXOWLPpGLDV Gérard PUIMATTO Service de l’informatique éducative L'exploitation de technologies multimédias pour une diffusion auprès du grand public, et notamment dans le secteur éducatif, suppose de disposer d'équipements d’utilisation simple et d'un coût raisonnable. Quels que soient les objets envisagés – sons, images naturelles fixes ou animées, réalisations infographiques –, les volumes de données générés sont considérables ; le stockage, notamment sur un support d'édition, le transport sur les réseaux publics, mêmes dits “ à hauts débits ”, voire la simple exploitation à partir d’un disque dur, supposent, dès lors qu’il s’agit par exemple de vidéo, la mise en œuvre de débits considérablement plus importants que ceux qui sont actuellement disponibles. Une image au standard VGA + (640 x 480, 256 couleurs) occupe un octet par pixel soit 300 ko. Dans cette définition, qui reste limitée par rapport aux standards audiovisuels, 25 images (soit une seconde de vidéo) occuperaient plus de 7 Mo, sans parler du son ! Il est aisé de comprendre que ces valeurs sont incompatibles avec la plupart des supports informatiques actuels, et même avec les contraintes des réseaux publics ou privés envisageables à moyen terme. La conclusion s'impose d'elle même : en l'état, une telle technique de codage est inutilisable ; il est impératif de faire tenir ces informations dans un volume largement moindre, en un mot de les compresser. Le propos n’est pas ici de proposer une présentation complète des techniques de compression, mais simplement de préciser quelques notions de base sur ce sujet. Les personnes qui doivent effectuer des choix technologiques en ce domaine, qu’il s’agisse de préoccupations éditoriales ou plus simplement de décisions d’équipements, trouveront sans doute dans ce document quelques éléments qui pourront les aider à décoder les discours commerciaux. Direction de l'Ingénierie éducative technique note septembre 1994 – Page 2 CNDP – DIE – SIE – Notions de compression 6RPPDLUH Introduction............................................................................................................................................ 3 Approche historique............................................................................................................................... 4 La théorie de l'information.............................................................................................................. 4 Évaluation de la compression ......................................................................................................... 5 La compression des fichiers binaires.................................................................................................... 6 Les codages statistiques à longueur variable .................................................................................. 6 Les codages par dictionnaires......................................................................................................... 8 Compression des images et des sons : des données fortement corrélées........................................... 10 Codage par répétition : le “ Run Length Encoding ”...................................................................... 12 Les compressions dégradantes........................................................................................................ 13 Les méthodes prédictives : compression différentielle et différentielle adaptative........................ 15 Au secours : les maths reviennent ! ................................................................................................ 17 Un problème spécifique : la vidéo numérique...................................................................................... 26 Les images animées MPEG ............................................................................................................ 27 Autres techniques utilisées pour les images animées...................................................................... 30 En guise de conclusion – provisoire – à propos des images animées.............................................. 32 Annexes ................................................................................................................................................... 37 Méthode de Huffman : exemple ..................................................................................................... 37 Méthodes Lempel Ziv : algorithmes et exemple............................................................................. 39 Compression Run Length : exemple ............................................................................................... 43 Bibliographie .......................................................................................................................................... 44 Cette Note technique est issue d’une étude réalisée pour le stage de formation des personnels du réseau CNDP “ Images numérisées ” (Caen, octobre 1993). Elle a pour objectif d’éclaircir quelque peu un domaine complexe, et d’aider les consultants en ingénierie du réseau CNDP dans leurs activités d’aide et de conseil, tant en matière d’équipement des établissements scolaires que de définition des orientations des centres. Il est, bien entendu, hors de notre propos de présenter de manière rigoureuse et exhaustive les principes et techniques de compression ; cette note ne vise qu’à donner une information de base, nécessaire pour mieux comprendre les nombreux articles et documentations y faisant référence. Une bibliographie est proposée pour ceux qui désirent aller plus loin. Dans son fond et dans sa forme, cette note doit beaucoup aux relectures et aux points de vue de Michel Banckaert, Dominique Cavet, Michel Lavacry, Alain Maillet, Nicole Rodriguez, Pierre Antoine Taufour et Serge Torres. La diffusion et la duplication de cette note est autorisée, et même encouragée, à la seule condition de mentionner son origine en cas d’utilisation totale ou partielle. CNDP – Direction de l’ingénierie éducative Contact : Gérard Puimatto, Service de l’informatique éducative Téléphone : (1) 46 12 84 78 – (1) 46 12 84 96 (SIE) Direction de l'Ingénierie éducative technique note CNDP – DIE – SIE – Notions de compression septembre 1994 – Page 3 ,QWURGXFWLRQ Les développements technologiques et les exigences des utilisateurs conduisent à des quantités de données toujours plus importantes ; ainsi, depuis les débuts des technologies de l'information, le problème de l'exploitation optimale des voies de communication et des capacités de stockage est toujours resté un sujet d'actualité. De multiples études ont été menées sur les algorithmes de compression, dans le but de mettre les données sous un format tel qu'elles occupent moins de volume. Une fois compressées, les données ne sont plus directement accessibles, et il est nécessaire de les décompresser pour qu'elles redeviennent intelligibles. La grande variété des domaines d'exploitation, chacun ayant ses contraintes spécifiques (nature des données, capacités de traitement), conduit aujourd'hui à un très grand nombre de procédés de compression. Dans le domaine naissant du multimédia, la plupart des données traitées sont volumineuses : une seconde de son numérisée selon le standard CD-Audio occupe environ 1,5 Mbits, et une image 640 x 480 en 16 millions de couleurs approche le megaoctet. Pourtant, c’est dans le domaine de l’image animée, et en particulier de la vidéo, que le problème est particulièrement crucial : le débit nécessaire pour une séquence composée d’images VGA 256 couleurs serait de 56 Mbits/s, et les besoins d’une transmission selon la norme de vidéo numérique CCIR 601 s’élèveraient, quant à eux, à... 166 Mbits/s ! Face aux données à transmettre, les débits couramment disponibles constituent la contrainte principale à prendre en compte. C’est naturellement le CD-ROM simple vitesse, seul disponible il y a encore peu de temps, ainsi que le réseau Numéris (RNIS), qui ont servi de référence aux principaux travaux. Pour le CD-ROM, on obtient un débit d’environ 1,5 Mbits/s, soit à peu près 3 % du flux nominal qui serait nécessaire pour transmettre des images VGA animées et moins de 0,6 % si la base retenue est le format vidéo numérique normalisé CCIR 601. Pour une transmission sur le réseau Numéris, limité aujourd'hui à 64 kbits/s, ces valeurs devraient encore être divisées par près de 20 ! Les ordres de grandeur de ces quelques valeurs montrent bien l’ampleur du problème à résoudre. Les techniques de compression, aussi élaborées soient-elles, ne peuvent à elles seules apporter une réponse à tous les besoins, et il sera nécessaire dans bien des cas de faire des sacrifices sur la définition initiale. C’est ainsi que, dans le domaine de la vidéo, on a défini le format SIF (Source Intermediar Format) : retenant une définition inférieure, il exploite des flux – et une qualité – sensiblement plus réduits que le CCIR 601. De plus, une exploitation facile sur des matériels de grande diffusion suppose la disponibilité de composants électroniques peu onéreux, spécialisés dans la compression/décompression. Les investissements nécessaires à leur fabrication en grande série ne peuvent être engagés en l'absence d'un standard reconnu, qu'il soit normalisé ou non. Pour l’heure, même si quelques solutions on fait l’objet de normalisations, et même de mise en production industrielle, aucun standard ne s’est encore véritablement imposé, en particulier pour la vidéo. Devant cette situation encore confuse, il convient sans doute de comprendre – un peu – les principes de fonctionnement des diverses techniques mises en œuvre. La multiplicité et la complexité des solutions ne permettent pas de dire celle qui sera la bonne “ à tous coups ”. À l’heure des choix, tant pour un équipement matériel ou logiciel que pour un projet éditorial, il convient surtout de se méfier des promesses commerciales, et de privilégier, lorsque c’est possible, les options qui préserveront au mieux l’avenir. Direction de l'Ingénierie éducative technique note septembre 1994 – Page 4 CNDP – DIE – SIE – Notions de compression $SSURFKHKLVWRULTXH /DWKpRULHGHO LQIRUPDWLRQ L'étude scientifique de l'information a débuté en 1924 sous l'égide de mathématiciens et physiciens (Gabor, Hartley, Nyquist, Wiener), mais elle n'a pris toute sa dimension qu'avec l'élaboration de la théorie mathématique de l'information, publiée en 1949 par Shannon et Weaver. Le développement des transmissions télégraphiques imposait, déjà, d'optimiser l'utilisation des canaux de transmission offerts, et donc d'éliminer des données à transmettre tout ce qui n'était pas indispensable à la compréhension. Ainsi, la théorie de l'information attribue à chaque signifiant élémentaire d'un message une mesure de sa quantité d'information théorique, d'autant plus élevée que ce signifiant est “ nouveau ”, c'est-à-dire non déductible des éléments précédents. Inversement, on attribue également une mesure de redondance à chaque élément de message, d'autant plus faible que son poids d'information est fort. Pour faire comprendre le principe de sa théorie, on rapporte que Shannon se livrait à un petit jeu lors des soirées mondaines : un convive ayant choisi une phrase, les autres doivent, en en connaissant uploads/Management/ compression-donnees-multimedias 1 .pdf