MPEG : les enjeux techniques
Compressions MPEG-1 à MPEG-4

Les technologies numériques ont abordé le domaine des produits grand public par le biais de l’audio. Le disque CD a démontré les avantages essentiels du numérique : qualité parfaite, flexibilité du traitement de l’information, robustesse du contenu. Le mode de transmission ou de stockage numérique a nécessité des recherches plus longues pour résoudre les problèmes inhérents au signal de télévision. En effet, la numérisation d’un signal de télévision produit un débit de données numériques de 160 Mbit/s. Sa transmission n’est donc pas envisageable sur un canal classique (satellite, câble ou terrestre) sans compression préalable. Un problème similaire de capacité se pose pour les équipements de stockage. Des recherches ont donc été menées dans les laboratoires institutionnels et industriels pour développer des algorithmes performants de compression, spécifiques au signal de télévision. Les résultats ont en fait dépassé les espérances. Les taux de compression atteints sont tels que, en utilisant des techniques de modulation appropriées, il est possible de transmettre plusieurs signaux de télévision numérique dans un canal télévision analogique (entre 6 et 10 signaux selon la qualité requise). Les diffuseurs de télévision peuvent ainsi envisager une réduction drastique des coûts de transmission, et donc une multiplication des chaînes de télévision. Cet argument est essentiel pour le succès du numérique dans le domaine du multimédia. D’autres aspects ont aussi été prépondérants : possibilité d’ajouts de données additionnelles, flexibilité, cryptage avec contrôle flexible des abonnés (paiement à la séance).

La normalisation est un élément essentiel du succès des technologies numériques. En effet, l’utilisation étendue de ce mode de transmission requiert une interopérabilité des équipements et donc une standardisation du signal comme dans le cas des signaux PAL, Secam et NTSC. Le comité de normalisation MPEG (Moving Picture Experts Group) a donc réuni les experts du monde entier provenant de laboratoires universitaires et industriels en vue d’établir des normes adaptées aux applications audiovisuelles numériques. Au cœur des travaux de MPEG se trouvent les développements algorithmiques menés pour arriver aux meilleurs taux de compression, afin d’assurer une utilisation optimale de la capacité de stockage ou de la bande passante. Mais MPEG s’attache aussi à segmenter et caractériser chaque type d’applications, pour définir des outils permettant de réaliser les fonctionnalités qu’elles nécessitent.

Le processus qui permet d’arriver à un accord sur la norme suit les étapes suivantes : appel à propositions auprès des experts pour répondre aux besoins techniques de la norme, évaluation des différentes propositions, établissement d’un premier modèle de test réunissant les meilleurs éléments des diverses propositions, optimisation d’un modèle commun de référence et enfin accord final sur la norme. Une norme MPEG spécifie deux points essentiels : la structure du flux et la méthode de décodage pour restituer le signal audiovisuel. La sélection des modes de codage mis en œuvre est laissée à l’utilisateur qui peut donc faire son propre compromis entre performance de l’équipement de compression et complexité (et donc coût) d’implémentation.

Le comité MPEG a donné naissance à plusieurs normes. La première, MPEG-1, s’attache à spécifier le signal compressé pour des applications de stockage. La norme MPEG-2 est essentiellement issue de MPEG-1 avec quelques modifi-cations pour tenir compte de l’application phare qui est la télévision numérique. La norme MPEG-3 devait spécifier le codage d’un signal haute définition. Mais, rapidement, ce prérequis a été pris en compte dans la définition de la norme MPEG-2 sans changement significatif des méthodes de codage. Le comité a donc continué le processus de normalisation par la norme MPEG-4 qui vise les applications multimédias.

On exposera d’abord dans ce document les techniques essentielles mises en œuvre dans les normes MPEG. La compression des signaux vidéo et audio sera abordée ainsi que les méthodes de multiplexage qui permettent de transmettre ou stocker plusieurs signaux dans le même média. Dans une deuxième partie, les spécificités de chaque standard seront soulignées, et en particulier l’évolution de leurs fonctionnalités en fonction des applications visées.