Compression à "ondelettes"

3.1.11.1 Présentation

Toutes les technologies précédemment décrites sont basées sur la transformation de carré de 8x8 pixels de l’image par DCT, avec ensuite des raffinements plus ou moins poussés selon le type de codage (trames interpolées, etc.).

L'inconvénient majeur de ces technologies est qu’à faible débit, on voit clairement apparaître les carrés de 8x8 utilisés pour la DCT, la conséquence étant une qualité d’image très médiocre.

De plus, avec MPEG, le fait d’utiliser des trames interpolées (pour réduire le débit) fait que les images fortement animées sont difficiles à restituer en conservant un débit faible.

Les avantages de la compression à ondelettes sont :

• L’algorithme de codage n’utilise plus la décomposition en carré de 8x8 pour réaliser une DCT mais un procédé plus performant. La conséquence est qu'à bas débit, une image compressé par ondelettes apparaît simplement floue mais non morcelée en petits carrés (MPEG), ce qui est beaucoup plus acceptable visuellement.

• La compression se fait trame par trame, il n’y a pas de trames interpolées comme en MPEG, d’où une meilleure restitution des images fortement animées.

• Malgré le fait de ne pas utiliser de trames interpolés, la compression à ondelettes permet d’obtenir des taux de compression (à qualité égale) identiques, voire supérieurs à MPEG1/2

• La compression se fait en temps réel (à 2 ou 3 trames près) alors que

MPEG1/2 peut prendre plusieurs dizaines de trames de retard au codage, et de même au décodage (à cause des trames interpolées.)

• Les ondelettes ne sont pas une technologie totalement nouvelle, mais

émergente. MPEG4 utilise les ondelettes pour coder les textures de ses scènes de type "image de synthèse".

• Des codec à ondelettes sont actuellement disponibles, mais tout comme

MJPEG, le procédé n’est pas normalisé, la solution choisie sera donc propriétaire.

3.1.11.2 Concepts

Les compressions à ondelettes (wavelet en anglais) sont basées sur des transformations mathématiques très complexes dont la description sort du cadre de cette étude. On peut néanmoins comprendre facilement les concepts de la compression à ondelettes.

Le principe de toute compression est de tenir compte de la corrélation entre les pixels. Si on considère un point dans une image, les points directement adjacents sont fortement corrélés avec le point choisi (i.e couleur, intensité proches).

MEPG applique ce concept uniquement sur des carrés de 8x8. La compression par ondelettes utilise ce principe sur l’image entière.

Pour mieux comprendre le concept utilisé, considérons les 4 lignes ci-dessous :

a b c d

Supposons que l’objectif soit de compresser l’objet représenté par ces 4 lignes. Quel sont les traits les plus visibles pour l’œil humain, (a) (b) (c) ou (d) ?

Evidemment (b) et (c) sont plus attirantes, car plus épaisses. On pourra aussi noter que les lignes (a) et (b) ont plus de corrélations dans le sens vertical que diagonal ou horizontal.

Dans une compression à ondelettes, on va placer dans 4 cadrans, 4 sous-images qui contiendront uniquement les éléments épais ou à forte corrélation horizontale ou verticale ou diagonale, comme représenté sur le schéma ci-dessous.

Le premier quadrant représente à la résolution ¼ les éléments épais de l’image initiale. Evidemment comme la résolution est plus faible, les lignes (b) et (c) précédentes ne seront plus aussi ‘épaisses’ dans la nouvelle représentation puisqu’il n’y a qu’un quart des pixels de l’image d’origine. Le principe est le même pour les 3 autres quadrants, par exemple dans le quadrant ‘structures diagonales’, les lignes (a) et (b) seront absentes.

Les ondelettes utilisent ce principe, répété plusieurs fois. Le terme ondelettes s’explique plus facilement à partir du terme anglais "wavelet" qui pourrait se traduire par "petite vague".

Par analogie avec les vagues de la mer, on a de grosses vagues sur lesquelles on trouve des vagues plus petites sur lesquelles on trouve des vagues encore plus petites, etc.

Avec les ondelettes, on a une grande image d’origine, qu’on a décomposé en structure plus petites, qu’on peut elle-même décomposer, etc.

Avec les ondelettes, l’image d’origine sera divisée de la manière suivante :

1 2 3 4 5 6 7 8 9 16

Ensuite viennent des algorithmes mathématiques complexes qui permettent de transformer chaque portion de l’image en un jeu de coefficient la représentant. C’est ce jeux de coefficient, plus ou moins tronqué selon le taux de compression souhaité qui est transmis.

Image d’origine Structures horizontales Structures épaisses Transformation Structures diagonales Structures verticales

La force des ondelettes réside dans le fait de traiter l’image dans sa totalité, et notamment de tenir compte des ‘lignes’ horizontales et verticales, auxquelles l’œil humain est particulièrement sensible.

Malgré l’utilisation d’algorithmes plus complexes que la DCT utilisée dans MPEG, les codec à ondelettes sont globalement moins complexes qu’un codec MPEG1 ou 2 parce qu'il n’y a pas de trames interpolées à gérer.

La société française VisioWave commercialise depuis quelques mois un codec à compression par ondelettes à 20.000F qui rivalise en terme de qualité pour un même débit avec des codec MPEG2 à 100.000F.

Dans un avenir proche, il est possible que les codec à ondelettes puissent remplacer avantageusement la compression MJPEG, offrant pour le même débit une qualité bien supérieure (identique à MPEG1).

3.1.11.3 Choisir une compression

Les méthodes de compression utilisent des algorithmes mathématiques pour réduire (compresser) les données vidéo en éliminant, groupant ou moyennant les données trouvées dans le signal vidéo.

Différents algorithmes sont adaptés pour diverses situations. On retiendra les méthodes MPEG (Motion Picture Experts Group), Motion JPEG (Joint Photographic Experts Group) et les compressions à ondelettes.

Seul MPEG-1 et MPEG-2 sont des standards reconnus au niveau international pour la compression de données vidéo.

Le fait que MPEG soit un standard ne signifie pas forcément que ce soit la solution la mieux adaptée. La standardisation est cependant une bonne garantie en terme de fonctionnalité et garantit que des équipements de différents fabricants peuvent s’interconnecter.

MPEG n’est pas un standard "de facto". MPEG regroupe un ensemble de chercheurs et ingénieurs venant de diverses entreprises, spécialisées dans le domaine de la vidéo et qui ont cherché les meilleures façons de compresser de la vidéo, compte tenu des technologies disponibles.

MPEG est un format disponible pour tous et n’est pas issu d’un format propriétaire d’une entreprise.

L’inconvénient de la compression MPEG est que c'est une compression complexe et surtout coûteuse.

Les solutions MJPEG et prochainement « Wavelet » sont propriétaires mais

Le choix d’un type de compression n’est pas facile, il devra être étudié au cas par cas en prenant en compte les paramètres suivants :

• Qualité d’image minimale,

• Débits de transmission disponible,

• Coût des équipements de compression,

• Pérennité de la compression choisie.

3.1.11.4 Cas de la vidéosurveillance routière

Dans le cadre de la transmission à distance de vidéo destiné à faire de la télésurveillance, 3 paramètres sont à prendre en compte :

• la qualité de l’image, qui dépend du type de compression utilisé et du débit, • le débit utilisé, qui va conditionner le choix du réseau de transport longue

distance, • le coût,

• Temps de latence.

Si on souhaite utiliser un réseau de transport SDH, cela laisse peu de choix au niveau des débits. On peut choisir 2,4 ou 6 Mbit/s.

• Un codec MJPEG offre une solution intéressante financièrement parlant, par contre la qualité à 2 Mbit/s est très moyenne (La qualité devient correcte, au sens vidéo institutionnelle, à partie de 4 à 5 Mbit/s),

• Un codec MPEG1 permet une qualité d’images acceptable à 2 Mbit/s mais

pour un coût plus important qu’un codeur MJPEG,

• Un codec à ondelettes permet aussi d’obtenir une bonne qualité d’image à 2 Mbit/s et il est possible que ces codeurs soient compétitifs (en prix) dans un avenir proche avec des codec MJPEG pour des applications de télésurveillance.

Aujourd’hui la technique la plus utilisée pour la surveillance routière, compte tenu de son bon rapport qualité/prix, est la compression MJPEG. Mais l’arrivée de nouvelles techniques plus performantes et la diminution du prix des techniques MPEG devraient changer rapidement cette situation.