Que sont les codecs vidéo et à quoi servent-ils ?

Les codecs sont utilisés lors du tournage, du montage, de la diffusion et de la lecture de contenu vidéo. Sans cette technologie, la délivrance de contenu aux abonnés et les vidéoconférences seraient impossibles. L'objectif du codec est de réduire la taille des fichiers vidéo. Nous allons donc plonger un peu plus en détail dans le sujet et voir comment fonctionne un tel codec et pourquoi la technologie de compression est si importante.

Pourquoi la vidéo doit-elle être compressée ?

Les vidéos occupent beaucoup plus d'espace que les images ou la musique, car elles peuvent également comporter une piste audio (parfois plusieurs), une piste vidéo et des sous-titres. En outre, leurs métadonnées contiennent des informations de service et des données de synchronisation audio/vidéo.

Une piste vidéo est constituée de trames, chaque trame étant composée de pixels, et chaque pixel étant constitué de trois sous-pixels (pastilles) : rouge, vert et bleu. Les données de couleur des sous-pixels correspondent à un format binaire de 8 bits (1 octet). Il faut 3 octets pour coder un pixel dans l'une des 16 millions de couleurs. Une image FullHD normale étant constituée de plus de 2 millions de pixels, un film entier nécessite donc des centaines de gigaoctets.

Le stockage des vidéos haute résolution/haute fréquence non compressées, telles que 4K (4096×2160) ou 8K (7680×4320) nécessite encore plus d’espace. Ce type de contenu n’est donc pas compatible avec le streaming.

La compression vidéo est utilisée pour optimiser le stockage et le streaming sur les réseaux ordinaires. De nombreuses méthodes de compression existent : algorithmes mathématiques, prédiction, rognage des données redondantes, arrondissement des valeurs absolues et traitement des couleurs par canal.

La compression est également appelée « encodage ». Le processus inverse est appelé décodage ou décompression vidéo.

Que sont les codecs vidéo

Les codecs sont des outils matériels et logiciels pour l'encodage vidéo. Le terme est dérivé de l'anglais COder/DECoder.

Après un encodage réussi, les données d'origine peuvent être restaurées dans leur intégralité. Cependant, cela se fait au détriment du taux de compression. Ce type de compression est utilisé lors du tournage et du post-traitement des vidéos.

La compression avec pertes est appliquée lors de la transmission du contenu vidéo aux appareils clients : téléviseurs, lecteurs multimédias, ordinateurs et smartphones. Plus la compression est forte, plus la qualité vidéo est faible, et plus la taille du fichier est réduite.

Les codecs éliminent les données redondantes à deux niveaux : à l'intérieur de l'image et au niveau de la séquence d'images.

Compression intra-trame

Pendant la compression inter-trame, les codecs traitent chaque image séparément. Le fonctionnement de la compression est un peu similaire à celui des images JPEG. L'algorithme divise l'image en composantes de luminance et de chrominance, réduit son niveau de détail et marque les zones similaires. Le résultat est un fichier exponentiellement plus petit avec une perte de qualité minimale.

Les codecs compriment les données de la même manière que les nombres sont calculés en mathématiques : au lieu de 20 zéros, il suffit de montrer combien ils sont.

Compression inter-trame

Il arrive souvent que des images successives soient presque identiques et il n'est donc pas nécessaire de les conserver dans leur intégralité. Les codecs suppriment ainsi toutes les informations répétitives de l'image, ne laissant que les zones qui diffèrent. Les algorithmes de compensation de mouvement fonctionnent de manière similaire.

La méthode de différence inter-trame fonctionne en comparant les images. Le fichier résultant ne contient que la différence entre les images. La technique de compensation de mouvement est basée sur la prédiction : seules les images de référence sont stockées intégralement, et les images situées entre elles sont prédites.

Pour voir à quoi ressemble la compression inter-trame, il suffit de mettre en pause n'importe quelle vidéo pendant une scène d'action. Si vous ne faites pas pause sur une image de référence, les zones contenant des objets en mouvement seront floues. C'est juste que l'œil humain ne peut pas les distinguer à la vitesse normale de lecture.

L'histoire du codec vidéo

L'histoire de la compression vidéo numérique a débuté en 1988, avec la sortie de la norme H.261. Ce codec bénéficiait de la compensation de mouvement, du référencement des images précédentes, de la compression des couleurs et de l'échantillonnage en matrice 8×8.

En 1993, la technologie MPEG1 est arrivée sur le devant de la scène. Cette technologie s'appuyait sur des images de référence passées et futures pour la prédiction et prenait en charge la vidéo HD. La norme MPEG1 a été développée pour la vidéo 352×240 mais prenait en charge des résolutions allant jusqu'à 4095×4095 pixels. Toutefois, la norme MPEG1 ne prenant en charge que le balayage progressif, elle a rapidement été remplacée par des codecs plus récents.

Ce n’est que trois ans plus tard que l'un des codecs vidéo les plus populaires fait son apparition : MPEG2. Ce dernier était utilisé pour la télévision numérique et les DVD. Cette technologie a ouvert de nouvelles possibilités pour l’encodage audio : le codec prenait en charge la compression de fichiers comportant jusqu'à 6 pistes audio. Le codec MPEG2 permettait de conserver une qualité vidéo élevée mais offrait peu de possibilités de compression, car il était conçu pour des appareils peu performants. Il reste toutefois utilisé dans la radiodiffusion en direct, ainsi que dans la télévision par câble et par satellite.

L’année 1998 marque l’avènement de la norme MPEG4. Grâce à elle, un film de 90 minutes pouvait tenir sur un CD ordinaire. La norme MPEG4 gère les objets 2D et 3D dans l'image, supporte les DRM, ainsi que l'audio et les sous-titres. Cependant, la MPEG4 n'était pas adaptée au streaming vidéo FullHD.

En 2003 débute l’ère de la norme H.264. Cette technologie compresse la vidéo deux fois plus efficacement que la norme MPEG4, ce qui permet de diffuser des vidéos FullHD sur des canaux réseau de 5 Mbps. Bien qu'il conserve actuellement sa place parmi les codecs les plus populaires, le H.264 est insuffisant lorsqu'il s'agit de la compression vidéo 4K pour le streaming, en particulier sur les réseaux mobiles.

Le codec du futur

En 2012, la Joint Collaborative Team on Video Encoding a développé le codec HEVC (H.265). Cette technologie est basée sur le H.264 mais offre une compression deux fois plus puissante tout en conservant la même qualité vidéo.

Bien que s'appuyant sur les particularités du H.264, le codec HEVC apporte également des nouveautés, par exemple le traitement parallèle, qui permet de traiter simultanément plusieurs zones d'images.

Le seul inconvénient technique du codec H.265 est sa forte consommation de ressources : pour encoder et décoder une vidéo, il nécessite 3 à 5 fois plus de puissance de traitement que le codec H.264. Le H.265 n'est pas encore utilisé aussi largement que le H.264, mais est déjà pris en charge par de nombreux décodeurs, smart TV, smartphones et autres appareils.

Le codec HEVC accélère l'adoption de la 4K, et son évolution - FVC (Future Video Codec) – est susceptible de devenir un moteur pour le streaming vidéo 8K. Les développeurs promettent que le nouveau codec sera 50 % plus efficace en matière de compression vidéo. En octobre 2019, un projet de norme internationale pour le H.266 a été publié, et les premiers codecs matériels suivront d'ici juin 2021.

Sans codecs, le stockage et la diffusion de vidéos seraient impossibles. Les nouvelles technologies de compression permettent aux grands et petits opérateurs de diffuser des contenus de haute qualité sans devoir mettre régulièrement à jour leur infrastructure réseau. Grâce aux codecs, il est possible de diffuser des vidéos haute résolution même sur des connexions à faible débit : un canal de 15 Mbps est suffisant pour regarder des films 4K sur Netflix.

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