Technologies du multimédia

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Technologies du MultimédiaGrégoire MERCIERChristian ROUX, Gilbert MARTINEAUENST Bretagne, dpt ITI, BP 832,F-29280 Brest, France.15 janvier 2003iiTable des matièresTable des figures ixListe des tableaux xi1 Introduction 11.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Caractérisation du domaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.1 Médias discrets / Médias continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Caractéristiques des médias continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.3 État de la normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.4 Pluri-disciplinarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Panorama des grandes questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Réseaux multimédias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.3 Synchronisation multimédia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.4 Systèmes multimédias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.5 Applications et Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Introduction à la compression des signaux 132.1 Un bref aperçu historique du codage du son et des images . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Images et volumes de ...
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Technologies du Multimédia
Grégoire MERCIER
Christian ROUX, Gilbert MARTINEAU
ENST Bretagne, dpt ITI, BP 832,
F-29280 Brest, France.
<gregoire.mercier@enst-bretagne.fr>
15 janvier 2003iiTable des matières
Table des figures ix
Liste des tableaux xi
1 Introduction 1
1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Caractérisation du domaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Médias discrets / Médias continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Caractéristiques des médias continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 État de la normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Pluri-disciplinarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Panorama des grandes questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Réseaux multimédias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Synchronisation multimédia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4 Systèmes multimédias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.5 Applications et Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Introduction à la compression des signaux 13
2.1 Un bref aperçu historique du codage du son et des images . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Images et volumes de données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Caractéristiques d’images typiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Compression des images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 But . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.3 Utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.4 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Caractéristique d’un algorithme de codage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
iii2.5.1 Aspects liés à l’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Aspects liés à la transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Pourquoi la compression est-elle possible ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.1 Redondance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.2 Manque de pertinence de l’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Principes de la compression des signaux 19
3.1 Les deux principes de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Extraction de l’information pertinente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Élimination des redondances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Les diverses méthodes de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Classification des méthodes de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2 Considérations générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3 Méthodes réversibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.4 irréversibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Les mesures utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Le taux de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 La mesure de fidélité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.3 La mesure de la qualité de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Le cas des séquences d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.1 Analyse du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 Les méthodes de compensation de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Éléments de Théorie de l’information et codage 25
4.1 Les différents types de source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 Source simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 Source de Markov d’ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Information associée à un symbole d’une source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3 Entropie d’une source simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.2 Propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4 Codage et décodage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2 Inégalité de Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.3 Longueur moyenne et entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.4 Théorème du codage exact de Shannon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
iv4.5 Images et quantité d’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.6 Codage entropique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6.2 Codage de Shannon-Fano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6.3 Huffman coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.6.4 Codage arithmétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5 Techniques classiques 35
5.1 Quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.2 Gamme dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3 Nombre d’intervalles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.4 Quantification et compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.5 uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.6 Quantification non uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.7 Variante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.8 Quantification psycho-visuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Quantification vectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3.3 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.4 Mesure de distorsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.5 Génération du dictionnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.6 Algorithme de Linde-Buzo-Gray (LBG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.7 Organisation du dictionnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Méthodes prédictives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4.2 Prédiction linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4.3 Commentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5 Méthodes par transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5.2 Généralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.5.3 Transform efficiency and the Karhunen Loève Transform . . . . . . . . . . 47
5.5.4 The Discrete Cosine Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.5.5 Application à la compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
v5.6 Méthodes hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6 Compression des images fixes basée sur une transformation en ondelettes 53
6.1 Aspects théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.1 Analyse multirésolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.1.2 Propriétés de la fonction d’ondelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.1.3 Quelques ondelettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.1.4 Extension à deux dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2 Algorithmes de compression par ondelettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.1 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.2 Quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.3 Codage entropique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7 Compression des images fixes basée sur une transformation fractale 69
7.1 Théorie des Systèmes de Fonctions Itérées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1.1 Complétude des fractales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1.2 Transformations lipschitziennes et contractantes . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1.3 Système de Fonctions Itérées et point fixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.1.4 Théorème du collage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.1.5 Système de Fonctions Itérées Partitionnées . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.1.6 Théorème du collage généralisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.1.7 Problème inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2 Les algorithmes classiques de compression par fractales . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.1 Méthode de Jacquin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.2 de Fisher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3 Améliorations des méthodes de compression par fractales . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3.1 Partition des images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3.2 Transformations affines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.3 Espace transformé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8 Aspects dynamiques 83
8.1 Codage inter-image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.1.1 Modélisation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.1.2 du capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.1.3 Modélisation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
vi8.1.4 Estimation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.1.5 Le sens d’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9 Éléments sur la normalisation 91
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2 Standardisation audio (parole et musique) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2.1 Parole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2.2 Musique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.3 La norme JPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.2 Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.4 Compression JPEG... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.4.1 JPEG avec perte... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.4.2 JPEG sans perte... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.5 La norme H.261 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.5.1 Formats d’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.5.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.5.3 Bloc de codage de source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.5.4 Description de l’algorithme normalisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.6 Normes MPEG 1 et 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.6.1 Formats d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.6.2 Les modes de prédiction des images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.6.3 Caractéristiques de l’algorithme de codage . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.6.4 Norme MPEG 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.6.5 Les profils de MPEG 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.7 Les enjeux actuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.7.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.7.2 L’approche classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.7.3 Une nouvelle approche ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.7.4 MPEG4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
10 Perspectives 105
10.1 Évolution scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.1.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.1.2 Points de repère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.1.3 Divers modèles d’objets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
vii10.2 Normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10.2.1 Situation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10.2.2 Les enjeux actuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Bibliographie 117
viiiTable des figures
1.1 Le multimédia, domaine pluri-disciplinaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Causes de désynchronisation dans un système de visiophonie. . . . . . . . . . . . 9
4.1 A detailed example (construction of the tree). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.1 Principe de la quantification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Quantification uniforme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 Variante de quantification uniforme (schéma compander). . . . . . . . . . . . . . 39
5.4 Principe de la vectorielle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.5 Histogramme des niveaux de gris de l’image originale (gauche) et de l’erreur de
prédiction (droite). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.6 Balayage par ligne d’une image. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.1 Les différentes représentations d’un signal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 Banc de filtres à reconstruction parfaite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Analyse/Synthèse multirésolution par banc de filtres. . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.4 Quelques ondelettes bi-orthogonales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.5 Décomposition par paquets d’ondelettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.6 Code zerotree de Shapiro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.7 Adaptations du code zerotree. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1 Schéma générique d’un codeur fractal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Les différents cas du collage parent et enfant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3 Les trois classes principales de la classification de Fisher. . . . . . . . . . . . . . . 76
7.4 Cas 1 : p est fixe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.5 Cas 2 : p est proportionnel à la taille des blocs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.6 Cas 3 : p est inversement proportionnel à la taille des blocs. . . . . . . . . . . . . . 77
7.7 Règle de décomposition HV en présence d’une frontière. . . . . . . . . . . . . . . 79
7.8 Règle de HV dans le cas général. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
ix7.9 Hiérarchie des mises en correspondance des domain blocks et des range blocks dans
une décomposition en ondelettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.10 Algorithme fractal de Davis à base d’ondelettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.1 Mise en correspondance de blocs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.2 Différents types d’estimation de mouvement par appariement de blocs. A gauche :
recherche logarithmique, au centre : méthode à trois pas, à droite : recherche dans
des directions conjuguées. Les positions testées sont numérotées (de 1 à 4) en fonc-
tion de l’étape de traitement à laquelle elles correspondent. . . . . . . . . . . . . . 88
8.3 Sens de l’estimation. (haut) : Recherche de vecteur en arrière, (bas) : Recherche de
vecteur en avant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.4 Approche nodale : modèle continu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.1 Principe du codeur JPEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2 Codeur de la norme H.261. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.3 Macro-blocs de luminace et chrominace (en haut), et ordre de transmission des blocs
dans un macro-bloc (en bas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.4 Loi de quantification uniforme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.5 Ordre de balayage des coefficients de bloc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.6 Mode de prédiction des images. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.7 Modes image et trame de MPEG 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.8 approche MPEG-4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
10.1 General view of the MPEG-4 system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.2 General Structure of the decoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3 Scene composition and presentation of AV objects. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
10.4 Composition and presentation of AV objects in 2.5 D. . . . . . . . . . . . . . . . 114
10.5 Logical Structure of the scene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
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