Technologies du multimédia

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 . . . . .