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Lycée Pierre Mendès FranceAvenue Yitzhak RabinBP 1713741 VITROLLES CEDEX
DATE : 11/05/2023 EDITION : 1
REDACTEURDDU
RELECTEURROD
CHARGE DE COURSDDU
BAC PRO SENSystèmes Electroniques Numériques
Savoir 2Titre: Traitement de l’informationSous savoir: S2.2Titre: Traitement de l’information
Sous titre: Compression / décompression numérique.
Niveau : 3
S2-2 TRAITEMENT DE L’INFORMATION
Traitement de l’information
Codec, MP3
A. Un son, une vibration !
Par exemple, voici l'aspect de la vibration de la note LA (celle que vous avez en
frappant un diapason ou en décrochant votre téléphone) :
Pour numériser (ou "digitaliser") ce signal, l'ordinateur en mesure la valeur
régulièrement :
Chaque point bleu correspond à une mesure effectuée par l'ordinateur
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S2-2 TRAITEMENT DE L’INFORMATION
En qualité CD Audio, l'ordinateur va prendre 44100 mesures par seconde. On dit alors
qu'on échantillonne à 44100 Hertz (ou 44100 Hz, ou encore 44,1 kHz).
C'est exactement ce qui se passe quand l'ordinateur enregistre un fichier WAV : les
valeurs mesurées sont enregistrées dans le fichier :
0.33/ 0.67/ 0.8/ 0.98/ 0.82/ 0.71/ 0.4/ 0.1/ -0.45/-0.63/ -0.87/ -0.99/ -0.79/ - 0.47 etc...
Pour rejouer le fichier WAV, l'ordinateur recréé le signal à partir de chaque valeur
enregistrée :
Tous les sons qui nous entourent (musique, bruits...) sont des vibrations que l'on peut
échantillonner de cette manière.
Par exemple,
Le problème, c'est qu'il faut enregistrer un très grand
nombre de valeurs pour chaque seconde de son. Il faut
beaucoup de mémoire et beaucoup de place sur le disque
dur.
Il a donc fallu trouver des moyens pour gagner de la place .
On essaie de compresser le signal, c'est à dire d'utiliser
moins de données pour mémoriser la même information.
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S2-2 TRAITEMENT DE L’INFORMATION
Dans notre premier exemple - le LA du diapason - on voit bien qu'il y a une répétition.
En fait, le signal vibre 440 fois par seconde. On dit qu'il est à 440 Hz
Vibration à 440 Hz
A 880 Hz, la vibration est deux fois plus rapide et le son plus aigu :
Vibration à 800 Hz
On peut mélanger ces deux signaux (440 Hz et 880 Hz) :
Plutôt que d'enregistrer tous les échantillons (toutes les valeurs) de ce signal, on
pourrait n'enregistrer que les valeurs 440 et 880 :
La transformation mathématique qui permet de trouver toutes les fréquences constituant
un signal est appelé transformée de Fourrier.
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Par exemple :
C'est sur ce principe qu'est basé le format MP3 :
on enregistre les différentes fréquences qui composent un signal et on les note dans le
fichier MP3.
Pour rejouer le son (ou la musique), on prend la liste des fréquences, on recréé des
signaux de différentes fréquences et on les mélange. Le son est reconstitué.
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De plus, les logiciels qui crééent des fichiers MP3 se basent sur un modèle psycho-
acoustique pour supprimer certaines fréquences.
En effet, l'oreille humaine (et le cerveau) ne perçoivent pas certains sons (fréquences
très proches, sons faibles couverts par d'autres sons, etc.). Ils sont supprimés.
Ce modèle psycho-acoustique faite toute la différence entre les différents encodeurs
MP3.
L'encodeur MP3 qui possède le meilleur modèle psycho-acoustique est celui de
l'université Fraunhofer IIS , commercialisé dans certains logiciels (.mp3 Producer par
exemple).
Cela lui permet d'avoir une meilleure qualité sonore que les autres encodeurs, en
particulier dans les forts taux de compression.
B. Le MPEG ½ Audio Layer 3 !
Le MPEG-1/2 Audio Layer 3, plus connu sous son
abréviation de MP3, est la spécification sonore du standard
MPEG-1, du Moving Picture Experts Group (MPEG).
C'est un algorithme de compression audio capable de réduire drastiquement la quantité
de données nécessaire pour restituer de l'audio, mais qui, pour l'auditeur, ressemble à
une reproduction du son original non compressé, c'est-à-dire avec perte de qualité
sonore significative mais acceptable pour l'oreille humaine.
Hans-Georg Mussman, ajouta de nouveaux outils technologiques et créa le format MP3
(Layer III ou couche III), conçu pour être de même qualité à 128 kbit/s que le MP2 à
192 kbit/s.
Les équipes de normalisation procédèrent à de nombreux tests subjectifs en double
aveugle sur de nombreux matériaux sonores pour déterminer le niveau de compression
approprié pour les diverses couches de l'algorithme. On a notamment utilisé Tom's
Diner, la chanson de Suzanne Vega comme séquence de test pour l'algorithme de
compression du MP3. Cette chanson a été choisie à cause de sa finesse et de sa
simplicité, qui facilite la détection des imperfections du codec.
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C. L’utilisation des MP3!
Ce format populaire de compression audio permet une compression approximative de
1:4 à 1:12. Un fichier audio occupe ainsi quatre à douze fois moins d'espace une fois
compressé au format MP3. La réduction de taille facilite le téléchargement et le
stockage de données musicales sur un support numérique, tel qu'un disque dur ou une
mémoire flash.
Il a également été largement mis en œuvre en diffusion numérique dans les récepteurs
T-DMB Radio dont la spécification a été adoptée par l'ETSI en 2005. En effet le MP3
appartient à la même famille de norme MPEG Audio que le MP2 utilisé en
radiodiffusion numérique (TNT et T-DMB Radio).
D. Technique de codage :
Le taux de compression peut être augmenté en choisissant un débit binaire (en anglais
bitrate) plus faible. On considère en général qu'il faut au moins 128 ou 192 kilobits par
seconde (kbit/s) pour bénéficier d'une qualité audio acceptable pour un morceau de
musique. À 8 kbit/s, le son devient fortement altéré (bruits parasites non attendus,
spectre "sourd", …).
Ce format de données utilise un système de compression partiellement
destructif. Il ne retransmet pas intégralement le spectre des fréquences audio. En
revanche il tente d'annuler d'abord les sons les moins perçus de façon à ce que
les dégradations se fassent le moins remarquer possible. Ce n'est pas une
compression à proprement parler, mais plutôt une suppression d'informations.
Compresser un fichier musical provenant d'un CD audio au format MP3 réduit
la qualité. Il suffit de faire plusieurs essais à différents taux de compression pour
constater une baisse progressive de la qualité. (Plus la compression est forte,
plus le son est dégradé.) Une compression correspondant à 64 kb/s donne un son
"enroué" et à 32 kb/s, un son médiocre de qualité "grandes ondes".
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Les termes commerciaux de « qualité CD » ou « qualité numérique » ne veulent
rien dire. Déjà parce que le MP3 réduit la qualité (de façon plus ou moins
perceptible) par principe même. Ensuite, parce que « numérique » n'est pas un
critère de qualité (en numérique comme en analogique il existe différentes
techniques de qualités très différentes).
Toutefois, si le taux de compression est trop important, on peut être amené à
faire ressortir certaines harmoniques de façon non attendue. Cela donne alors
l'impression de bruits parasites et désagréables au milieu du son.
E. Qualité du codage :
Étiquettes :
Outre le fait de stocker la musique de façon très compacte tout en conservant une
qualité acceptable, le MP3 apporte une fonctionnalité rarement présente sur les formats
audio qui l'ont précédé : les métadonnées, "metadata" en anglais (données sur les
données). En clair, le fichier MP3 ne contient pas seulement la musique mais peut
également apporter des informations sur celles-ci (telles que l'interprète, le titre, le nom
de l'album, la pochette, les paroles ou du karaoké).
Ces informations sont stockées sous forme d’étiquettes (tag en anglais) dont il existe
plusieurs versions.
Le format MP3 initial ne permettait pas de stocker des étiquettes, tout au plus, il
permettait de préciser certains paramètres binaires comme le fait que le morceau soit
protégé ou non par copyright ou le fait qu'il s'agisse d'un original ou d'une copie.
Les étiquettes MP3 sont enregistrées au format ID3 (version 1 ou 2). Les caractères
alphanumériques sont codés en code A.S.C.I.I. soit American Standard Code for
Information Interchange 255 (8 bits, ou un octet). Il autorise donc les majuscules, mais
aussi minuscules et lettres accentuées.
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Licence :
Bien que le MP3 soit souvent perçu par l'utilisateur final comme une technologie
gratuite (car il peut en effet coder ou décoder sa musique de manière tout à fait légale
pour peu que l'enregistrement original lui appartienne ou qu'il soit une copie à usage
privé), cette technologie fait l'objet d'une licence.
L'algorithme « MPEG-1 Layer 3 » décrit dans les standards ISO/CEI IS 11172-3 et
ISO/CEI IS 13818-3 est soumis à des redevances (droits commerciaux) à Philips
(entreprise néerlandaise), TDF (entreprise française), France Télécom (entreprise
française), IRT (entreprise allemande), Fraunhofer IIS (entreprise allemande) et
Thomson pour toute utilisation ou implantation physique (notamment sur les baladeurs
MP3).
Logiciels adaptés à la lecture du MP3 :
Sous Windows : Winamp, VLC, Audacity, Foobar2000, Windows Media
Player, iTunes, RealPlayer, Zinf, musikCube, BSplayer, etc.
Sous Mac OS : iTunes, VLC, Audacity, Audion 3, QuickTime, RealPlayer,
Amadeus II, SoundEdit, Sound Studio, Peak, etc.
Sous Linux : Xmms, Audacity, Amarok, JuK, Listen, Rhythmbox, VLC, Exaile,
Rythmbox zinf, Mplayer, etc.
Sous Palm OS : Pocket Tunes
Matériels adaptés à sa lecture :
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Baladeur numérique = Jukebox mp3 :
Le MP3 est le format le plus répandu, lu par tous les baladeurs, mais il est loin d'être le
plus efficace pour compresser les fichiers tout en gardant une bonne qualité d'écoute.
Certains baladeurs permettent de lire les fichiers à des formats plus optimisés : le
format AAC est recommandé pour l'iPod, d'autres baladeurs proposant la lecture du
WMA et/ou des fichiers .ogg. (Libre de droit)
Les baladeurs munis de mémoire flash ou d'un disque dur peuvent se comporter comme
des clés USB et servir de mémoire de masse. Il est alors possible d'utiliser un baladeur
numérique comme unité de sauvegarde et pour transporter des fichiers d'un ordinateur à
un autre.
Une unité de stockage destinée à sauvegarder les fichiers est constituée de composants
de mémoire flash, d'un disque dur. Les baladeurs à mémoire flash sont plus compacts
que les baladeurs à disque dur et ont généralement une plus faible capacité de stockage
(habituellement 32 Go, soit environ 8000 chansons). Les lecteurs à disque dur comptent
entre 160 Go de mémoire. Ils sont généralement moins cher que ceux à mémoire flash à
capacité égale mais ils consomment plus d'énergie, ce qui réduit l'autonomie de
l'appareil, et leur temps d'accès aux données est plus long.
Un processeur spécialisé dans la conversion numérique-analogique associé à un
amplificateur audio.
Une interface de communication avec un ordinateur (connecteur USB ou FireWire,
liaison Bluetooth ou WiFi, etc.).
Des boutons de commande et généralement un écran de contrôle. Sur les baladeurs
multimédia, l'écran est
plus grand pour
permettre la
visualisation des
vidéos et des images.
Pour certains, un petit
microphone pour
enregistrer des sons.
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