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Vidéo HD
Avec les caméscopes numériques on peut faire des montages professionnels, créer des DVD de salon, publier ses vidéos sur Internet etc... Le montage vidéo sur ordinateur est souvent considéré comme étant difficile et pas toujours à juste raison. Mais par ailleurs, prétendre que le montage vidéo est plus simple que faire du traitement de texte n’est certainement pas une utopie.
Si le marché du caméscope numérique est en pleine effervescence avec la venue du format HD synonyme de Haute Définition avec ses nouvelles résolutions, il en est de même pour les téléviseurs. Car faut-il le rappeler, une vidéo en HD est avant tout faite pour être visionnée sur un téléviseur. Donc le couple caméscope téléviseur est à soigner surtout au niveau de la connectique et du format d’affichage vidéo, c’est primordial ! Car avant de décider du tournage d’une vidéo, il est opportun et salutaire de réfléchir à quel média de diffusion cette vidéo est destinée, soit à un téléviseur CRT, un téléviseur LCD 720p ou 1080p ou bien encore Internet. |
| Format vidéo |
| Afin d’éviter de fastidieuses ou hasardeuses opérations de transcodage de format, observons ce qu’il existe. |
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| Graphique proportionnel Échelle ¼ du nombre de pixels réels |
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1080p 1920 x 1080 |
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720p 1280 x 720 |
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SDTV Pal 720 x 576 |
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EDTV NTSC 720 x 480 |
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Tout d’abord, il est important de rappeler que 720p et 1080i désignent la norme utilisée pour émettre une émission de télévision haute définition. Ainsi un signal 720p comporte 720 lignes rafraichies de manière progressive (toutes les lignes rafraichies en 1 fois). Un signal 1080i comporte 1080 lignes, mais seulement la moitie des lignes sont rafraichies à chaque balayage (ou variation explicative, chaque trame ne contient que la moitié des lignes). Le 1080i donne des images de meilleure qualité (supérieures à 2 megapixels) tandis que le 720p donne un meilleur rafraichissement. La chaîne sportive américaine ESPN a ainsi choisi le format 720p pour diffuser ses matchs en direct alors que la chaîne Discovery Channel a choisi le 1080i pour ses reportages. Les chaînes choisiront donc entre ces deux formats selon la nature de leurs contenues mais il semble que le 1080i sera le format le plus utilise en Europe.
Concernant les téléviseurs, il ne faut pas confondre les formats supportés et la résolution native. Les téléviseurs HD-Ready supportent en général tous les formats HDTV (720p, 1080i), EDTV (480p) ou SDTV (Pal). Cependant les téléviseurs ont une résolution native, c’est-à-dire le nombre de lignes ou de pixels qu’ils sont capable d’afficher réellement. Une télévision HD-Ready ayant une résolution de 1280x720 afficheront les signaux 720p sans transformations (c’est pour cela qu’on les appelle téléviseurs 720p) mais devront diminuer le nombre de lignes des signaux 1080i. Lorsqu’on regarde les caractéristiques des téléviseurs HD-Ready, on constate que la résolution n’est jamais 1280x720 mais le plus souvent 1280x768 ou 1366x768. Les images 720p sont donc légèrement agrandies (interpolée) avant d’être affichées.
Tous les téléviseurs (LCD ou Plasma) sont à balayage progressif, on trouve donc des téléviseurs 720p ou des téléviseurs 1080p, appelés Full HD. Les téléviseurs Full HD devront donc désentrelacer les signaux 1080i, ce qui ne modifie pas ou peu la qualité et devront interpoler les signaux 720p, ce qui peut donner quelques defaults du à l’ajout de lignes.
Le p signifie « progressif » pour progressive en anglais, le i signifie « entrelacé » pour interlaced en anglais.
Les principaux formats d’image HD utilisables sont les suivants : |
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720p |
1280 x 720 à 50 et 60 Hz en progressif - 16/9 |
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1080i |
1920 x 1080 à 50 et 60 Hz en entrelacé - 16/9 |
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1080p |
1920 x 1080 en progressif - 16/9 |
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| Format standard de l’industrie de l’audiovisuel. |
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| Cadence de l’image |
Les cadences d’images peuvent être en mode progressif (P) ou entrelacé (I). Le mode entrelacé est compatible avec la diffusion d’image destinée à un téléviseur CRT et donne une grande fluidité de mouvement, le mode progressif offre une pleine définition de l’image.
Il existe ensuite en HD plusieurs vitesses de défilement d’images : |
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24p im/s |
Vitesse de défilement du cinéma film argentique |
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25p im/s |
Vitesse de défilement Progressif en Europe et dans les pays en PAL et SECAM |
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30p im/s |
Vitesse de défilement Progressif aux États-Unis et Japon (et Pays en NTSC) qui est de 29,97 im/s |
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50i im/s |
Standard de télévision PAL (en fait 50 demi-images par secondes en entrelacé, fluidité doublée) |
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60i im/s |
Standard de télévision NTSC (en fait 59,94 demi-images par seconde en entrelacé, fluidité doublée) |
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| Cadence d’image à venir : |
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50p im/s |
fluidité doublée en progressif en Europe |
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60p im/s |
fluidité doublée en progressif aux États-Unis et Japon |
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| Plus il y a d’images par seconde, plus les mouvements sont fluides. |
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| Blu-Ray et HD-DVD |
Blu-Ray
Les formats de disques optiques actuels (CD et DVD) utilisent des lasers rouges pour la lecture et l’écriture des données, le Blu-ray ou Blu-ray Disc (BRD) emploie une diode bleue de longueur d’onde beaucoup plus courte (405 nm contre 600 nm). Cette augmentation de la précision permet de stocker une plus grande densité d’informations sur un disque de dimension standard de 12 cm. Là où le DVD simple couche se cantonne à une capacité de stockage de 4,7 Go, le disque optique BRD simple couche peut contenir 25. En double couche, ses capacités sont doublées soit 50 Go sur un disque de 12 cm !
La BDA a spécifié trois formats vidéo pour les futurs Blu-ray Disc : le vieillissant MPeg-2, limitant à deux heures de contenu haute définition par BRD, et surtout le tout jeune « MPeg-4 AVC » appelé également H.264 et le « VC-1 » de La Firme de Redmond. Ces deux derniers formats de compression triplent la durée d’enregistrement possible.
En ce qui concerne la partie audio, on passe également à la véritable haute définition. Depuis 1996 avec les DVD, il fallait se contenter du Dolby Digital (6 canaux à 480 kbit/s au maximum) ou du DTS (1536 kbit/s au maximum, 768 kbit/s en règle générale). Deux formats audio compressés avec perte d’informations, conçus il y a plus de 15 ans, qui brident la qualité acoustique des bandes-son dans des proportions souvent sous-estimées. Le BRD utilise un nouveau format audio compressé avec perte d’informations appelé AAC, pratiquement deux fois plus efficace que le MP3 et capable de gérer le son sur plusieurs canaux. Deux formats audio haute définition encodés en 96 kHz/24 bits (face aux 44.1 kHz/20 bits du DTS ou 48 kHz/16 bits du Dolby Digital) font également leur apparition. Le Dolby True HD, basé sur le format MLP des DVD-Audio, propose un son multicanal jusqu’au 7.1 avec une qualité pratiquement identique aux master des studios d’enregistrement. Le DTS HD Master Audio propose exactement la même chose.
Dolby True HD et DTS HD Master Audio sont définis comme optionnels dans les spécifications Blu-ray : un lecteur BRD n’est pas forcément capable de lire les pistes sonores encodées dans ces formats.
HD-DVD
Autrefois connu sous le nom de AOD (Advanced Optical Disc), le HD-DVD est un format de disque optique. Ses capacités de stockage sont légèrement inférieures au Blu-ray : 15 Go en simple couche, 30 Go en double couche pour les disques pressés ; 20 et 36 Go pour les disques réinscriptibles. MPeg-2, MPeg-4 AVC (H.264) et VC-1 sont les algorithmes de compression vidéo employés dans les HD-DVD : trois heures de vidéo haute définition sont ainsi stockées sur un disque simple couche.
Côté audio, le HD-DVD utilise le Dolby Digital Plus (davantage de canaux et de débit numérique) et le MLP Lossless. Ce procédé de compactage/décompactage en temps réel, inventé par Meridian Audio mais dont Dolby gère les licences, est déjà de mise sur le DVD Audio : il permet d’améliorer encore la qualité des données audio sur le HD-DVD. Le Blu-Ray utilise le Dolby Digital en standard.
Bien qu’employant une diode bleue pour accroître la densité d’informations sur un disque, le HD-DVD possède quelques caractéristiques physiques communes avec le disque optique DVD. |
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| Technique |
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| Format de compression vidéo |
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Le mot Codec vient de l’anglais COde-DECode en français « codage-décodage » il désigne un procédé capable de compresser et de décompresser un signal numérique, ce procédé peut exister sous forme matérielle ou logicielle.
Les codecs encodent un flux de signaux pour la transmission, le stockage ou le cryptage de données et ils décodent ce même flux de signaux pour la restitution.
Les différents algorithmes de compression et de décompression correspondent à une variation de qualité de restitution, de débit du flux, après compression à une taille de fichier binaire. Une multitude de Codec est utilisée pour des applications variées comme la Voie sur IP, la diffusion de médias sur Internet, l’encodage de DVD et de Blu-Ray, la vidéo, la télé numérique et aussi pour l’encodage audionumérique des MP3 et des formats dérivés.
Bien qu’il existe une liste impressionnante de Codec ceux décrits ont un intérêt pour l’audio et la vidéo.
MPEG-2
Le MPEG-2 deuxième norme élaborée par le groupe de travail MPEG du Moving Picture Experts Group en 1994. Elle définit les aspects de compression d’image et du son et du débit de transport. En MPEG-2 le débit est compris entre 3 à 6 Mbit/s pour une image en définition standard de 720 x 576 lignes. Ce format de compression vidéo est utilisé pour les DVD et SVCD avec différentes résolutions d’image.
Cette norme de compression, émanation de l’ISO et de la CEI (Commission Électrotechnique Internationale), définit un ensemble de formats destinés à faire office de standard. Son objectif était d’obtenir en numérique une qualité d’image et de son au moins équivalente à celle des standards de télévision analogique PAL et NTSC.
Le principal composant de la norme MPEG-2 est le Codec vidéo, qui a effectivement atteint les performances des normes analogiques, avec une définition de 720 x 576 PAL ou 720 x 480 NTSC et la possibilité d’utiliser de l’anamorphisme.
La norme MPEG-2 est utilisée en définition standard par les DVD mais aussi par la TNT, ainsi que les décodeurs du câble et de la télévision numérique par satellite.
Les cartes graphiques informatiques supportent une accélération matérielle pour décoder le MPEG-2. Ce n’est pas le possesseur de l’ordinateur qui se charge de décompresser une vidéo encodée en MPEG-2, mais le possesseur de la carte graphique qui exécute de cette opération.
H.264
La qualité de compression vidéo obtenue en H.264 est meilleure que celle de tous les autres codecs, à débit égal.
Il y a deux groupes principaux de standardisation dans le domaine de la compression vidéo. Ils sont constitués de professionnels de différents sociétés.
D’une part le Video Coding Experts Groups (VCEG) de l’ITU (International Telecommunications Union) travaille plus pour les applications de type videoconference - faible latence, débits très faibles . D’autre part le comité MPEG de l’ISO/IEC, qui travaille plus pour les applications de type TV, HDTV, VCD, DVD - débits et qualité un peu plus élevés. Après s’être réunis pour la définition en commun du standard MPEG-2/H.262, ces deux groupes ont à nouveau mis leurs travaux en commun au sein du JVT (Joint Video Team) pour aboutir un nouveau standard, adopté de manière identique des deux côtés mais sous un nom différent : ITU-T H.264 et ISO MPEG-4 part 10 /AVC.
Les standards MPEG précédents spécifiaient le format du flux binaire résultant, mais pas tous les outils permettant de l’obtenir. Ceci a permis à des sociétés de développer leurs propres règles de décision, leur permettant ainsi de distinguer leurs produits par une meilleure qualité d’image à débit égal que les concurrents. D’autre part environ 5 générations d’encodeurs MPEG-2 se sont succédées, permettant en final d’obtenir la même qualité pour la moitié du débit des encodeurs de première génération.
Il est en général très important de réaliser un pré-traitement « Pre-processing », que ce soit au niveau du désentrelacement, de la réduction de bruit, de la correction temporelle des signaux d’entrée (TBC Time Base Correction, notamment de signaux venant de magnétoscopes analogiques). Autant enlever au maximum les informations nuisibles avant de compresser ! Le débit disponible est toujours insuffisant, alors autant le réserver à ce qui est important dans l’image.
La gestion de l’entrelacement est particulière. Si la restitution est faite sur écran de TV, on a intérêt à conserver une chaîne entrelacée. Le standard et de nombreux encodeurs permettent d’encoder par trame. Par contre si la restitution est faite sur un écran d'ordinateur, celui-ci est progressif, donc on a intérêt à désentrelacer avant compression et transmission. La TV HD progressive (720p ou 1080p) qui donnera un meilleur résultat dans les deux cas.
Au contraire, le standard MPEG-4 AVC le H.264 définit des outils regroupés en profils. Aux trois initialement spécifiés (Baseline, Main et Extended) vient tout juste de s’en rajouter un nouveau : le high profile. Chaque profil a ensuite différents niveaux de capacité, appellés « levels » (ex 14 en main profile).
Tous comportent des outils communs : les slices (parties d’images) I et P (images Intra ou Prédites) et l’encodage CAVLC.
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Le profil Baseline ajoute le groupement de slices, avec gestion de redondance, l’ordonancement arbitraire (ASO arbitrary ordering), et l’ordonnancement flexible des Macro-blocs (FMO - Flexible Macroblock ordering), visant un large spectre d’applications à faible latence. |
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Le profil Main ajoute le support de l’entrelacé (MBAFF et PAFF), les slices bidirectionnelles B et l’encodage CABAC. Il cible les applications de qualité Broadcast. En particulier, les images B peuvent inclure des blocs provenant de plusieurs images de référence (jusqu’à ± 9 – en pratique à partir de 2 le gain n’est plus sensible) ce qui permet une réduction d’encore 10-15% de débit, suivant le GOP (Group Of Picture, soit le nombre d’images entre deux images I). Le CABAC quant à lui permet également une réduction du débit de l’ordre de 10 à 15% par rapport au CAVLC. |
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Le profil Extended inclut tous les outils du Baseline, plus les B-slices, le partitionnement de données et les slices SI et SC (qui permettent des fonctions liées au streaming comme la commutation rapide entre flux (zapping) à différent débits, l’avance et retour rapide, etc...). |
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Le profil High vient juste d’être normalisé, et est plus un sur-ensemble du Main Profile. |
Les étapes d’encodage
Il y a plusieurs étapes successives. Les prochains paragraphes s’attachent à la prédiction Intra (compression spatiale) et Inter (compression temporelle), le filtre de boucle de réduction d’effet de blocs (deblocking filter), la transformée entière avec quantification, et l’encodage du flux. La figure de l’encodeur complet montre une double boucle. La première correspond à la reconstruction des images de référence à partir du flux transmis et la deuxième sert à l’évaluation de la compensation de mouvement, en interne à la décision. La régulation du débit de sortie peut également être considérée comme une troisième boucle, avec taille programmable de buffer VBV.
La prédiction et encodage Intra exploitent la redondance spatiale de l’image. Celle-ci est décomposée en Macroblocks (MBs), chacun de 16x16 pixels. Ce principe est identique au MPEG-2 et MPEG-4 part-2, mais les techniques suivantes sont spécifiques au standard H.264 (MPEG-4 - part 10/AVC) :
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Les Macroblocks de 16x16 pixels peuvent être décomposés en 7 types de Macroblocks plus petits (16x8, 8x8, 8x4, 4x4 pixels) |
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4 nouvelles prédictions pour les Macroblocks 16x16 (vertical, horizontal, DC et plan) |
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7 nouvelles prédictions pour les Macroblocks 4x4 (vertical, horizontal, plusieurs diagonal) |
La prédiction Inter exploite la redondance temporelle, en comparant une image :
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à la précédente (création d’une image P, ou Prédite) |
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à celle précédente et celle suivante (création d’une image B, ou Bidirectionnelle) |
La détection de mouvement peut réaliser le calcul des vecteurs de mouvement avec une précision d’un pixel, d’un demi ou d’un quart de pixel. Ce principe est identique au MPEG-2 et MPEG-4 part-2, mais les techniques suivantes sont spécifiques au standard H.264 (MPEG-4 - part 10/AVC) :
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Les trames P et B peuvent toutes les deux prendre en référence une trame future. |
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Les trames B peuvent être utilisées elles-mêmes comme référence. |
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Les objets référencés peuvent provenir de trames différentes Ceci permet pour chaque trame de prendre en référence plus d’objets, définis dans plusieurs trames, avec un seul vecteur de mouvement à transmettre, au lieu de retransmettre des objets similaires au moyen de blocs codés Inter. Tout cela concourt à la réduction de débit. |
Le filtre de deblocking (diminution de l’effet de blocs)
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Un filtre de deblocking est appliqué après décompression de l’image en cours, pour créer une nouvelle image de référence. Le H.264 spécifie que les décodeurs doivent inclure le même filtre de deblocking (c’est nouveau par rapport au MPEG-2 et MPEG-4 part-2). Ainsi comme il est connu et identique pour tous, il peut être pris en compte dans l’encodeur, ce qui permet d’optimiser encore un peu plus le flux transmis. |
La transformée entière et les pas de quantisation
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Une transformée entière est utilisée, pour éviter les erreurs d’arrondi (qui se traduisent en MPEG-2/4 par des différences d’images en sortie du décodeur, comme en MPEG-2/4 où la transformée est la DCT (Discrete Cosine Transform). Noter également que la transformée est réalisée sur des blocs 4x4. |
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52 pas de quantification sont définis (le MPEG-4 en a 31), dans une progression logarithmique (+12% / pas), ce qui permet une plus grande finesse. |
Le Bitstream encoding, ou encodage final du flux binaire
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Deux nouveaux procédés sont définis, en remplacement du VLC (Variable Length Coding, aussi utilisé dans les ZIP, comme le LZW) : Le « Context Adaptive Variable Length Coding » (CAVLC) et le « Context Adaptive Binary Arithmetic Coding » (CABAC). Les contextes sont définis au fur et à mesure, et un peut être choisi parmi 398. Le CABAC permet un gain supplémentaire de compression de l’ordre de 10 à 15% par rapport au CAVLC. Ceci permet d’encoder en moyenne moins d’un bit pour une information, c’est pourquoi on parle de compression statistique. |
La bitstream regulation, ou régulation de débit Ceci ne fait pas partie à proprement parler du standard lui-même, mais c’est un savoir-faire indispensable pour développer un encodeur de qualité, à même de répondre aux besoins des professionnels. Les types de régulation habituels sont :
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VBR « Variable Bit-Rate » ou débit variable, lorsqu’on veut une qualité vidéo constante, et qu’on n’a pas de contrainte de variation du flux. Certains encodeurs proposent également une version améliorée, avec une contrainte de débit maximum, pour écrêter les pics trop importants pour un décodeur par exemple. |
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CBR « Constant Bit-Rate » ou débit constant, lorsqu’il y a une contrainte forte de bande passante. Typiquement une liaison satellite qui autorise 2Mbps, ou 512 kbps perdra des paquets si on essaye de passer 513kbps... (Dans ce cas, on va surtout tester la robustesse du décodeur suite aux pertes de paquets !). Dans ce mode CBR, l’encoder régule le débit en modifiant en permanence le coefficient de quantification (entraînant donc des variations de qualité de l’image). La régulation est faite en simulant dans l’encodeur un buffer virtuel (VBV) simulant la taille mémoire des décodeurs, de manière également à ce que les buffers de ceux-ci ne soient jamais ni complètement pleins, ni vides. |
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ABR « Average Bit-Rate » dont certains logiciels possèdent également ce nouveau mode ABR, qui est un compromis entre les deux précédents et orienté vers l’encodage de fichiers. Dans ce cas, il y a une consigne de débit qui est calculée à partir de la taille de fichier résultant souhaitée et de sa durée. Ainsi la consigne est un objectif à moyen terme (et non court terme comme le CBR), ce qui permet lorsque c’est nécessaire (images avec beaucoup de détails ou d’action) d’utiliser un débit plus élevé, en crête, puis de compresser un peu plus que nécessaire le reste du temps, pour respecter la contrainte. Ceci permet la meilleure qualité, en deux passes comme en une passe. |
Désolé pour les anglicismes, mais à tout traduire, on ne sait plus de quoi on parle. Donc vous l’avez compris, les standards sont écrits en anglais (UK, pas US, pour les puristes). |
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| Technique |
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| Format de compression audio AAC |
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Advanced Audio Coding ou AAC est un algorithme de compression audio avec perte de données ayant pour but d’offrir un meilleur rapport qualité / débit binaire que le format plus ancien MPEG-2 Layer 3 plus connu sous le nom de MP3. Il a été conçu par le Fraunhofer Institut fûr integrierte Schaltungen en collaboration avec AT&T, Dolby, Nokia et Sony pour remplacer le MP3.
Sociétés également impliquées pour le développement de Codec audio tels que le MP3 et l’AC3 connu sous le nom de Dolby Digital, qui s’appuie sur la technologie du traitement du signal de la société Dolby Laboratories qui apporte vrai débit binaire variable VBR pour l’encodage audio.
En raison de son incroyable qualité dù à un large éventail de débits et d’une stricte ratification de la norme, l’AAC est de plus en plus adopté comme le standard du marché. Par exemple, toute la musique vendu sur iTunes Music Store utilise le Codec AAC qui est aussi adopté par les grands organismes, notamment les normes de l’ISO MPEG (MPEG-4), 3GPP et 3GPP2, DVB (Digital Video Broadcasting). En raison du soutien de cette technologie, l’audio que vous créez à l’aide du Codec AAC a une interopérabilité avec un large éventail de dispositifs et de médias.
En comparaison AAC se révèle le digne successeur du MP3 en tant que nouvelle norme audio sur Internet, regardons les avantages de ce Codec :
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Taux de compression plus élevé avec un meilleur résultat en lecture pour un fichier de taille plus réduite. |
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Support de l’audio multicanal offrant jusqu’à 48 canaux de fréquence pleine. |
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Une plus haute résolution audio, ce qui porte la fréquence d’échantillonnage jusqu’à 96 kHz. |
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Amélioration de l’efficacité en lecture, nécessitant moins de charge processeur pour le traitement du décodage. |
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| L’équipe Carré couleur. |
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