Codecs vidéo : pour nous, c’est de la soupe à l’alphabet

Il y a beaucoup de choses dans la vie dont on ne peut jamais avoir assez, comme l’argent, les jours de vacances, le bon vin, la musique de votre groupe préféré et le dessert. (Surtout le dessert !) Ajoutez de la bande passante à cette liste. Vous devez disposer d’une bande passante « suffisante » chaque fois que vous envoyez une photo à quelqu’un depuis votre smartphone, diffusez Hamilton sur votre téléviseur ou téléchargez une vidéo sur Facebook depuis votre ordinateur portable.

Le fait est qu’il existe une quête sans fin pour utiliser la bande passante plus efficacement, une quête que la grande majorité d’entre nous ignore parfaitement. Des groupes de personnes très intelligentes développent et affinent constamment des algorithmes de compression et de décompression vidéo (codec) pour s’assurer que ces selfies, la musique et les paroles de Lin-Manuel Miranda et les jolies vidéos de chatons arrivent là où ils sont censés aller avec une dégradation minimale du signal.

Et les développeurs de codecs peuvent à peine suivre. Il y a 27 ans, nous avons vu le premier codec à haute efficacité émerger pour gérer la vidéo basse résolution sur disques optiques – MPEG-1, produit pour le format de disque compact interactif (CD-I) de courte durée. La vidéo compressée avec MPEG-1 semblait correcte sur les petits écrans CRT, mais sur les écrans plus grands, la qualité était plutôt mauvaise. Bien que MPEG-1 et CD-I soient maintenant de lointains souvenirs, le format de compression audio qu’ils ont engendré – MPEG Audio Layer 3 ou MP3 en abrégé – perdure encore aujourd’hui.

MPEG-1 a été suivi par MPEG-2 en 1996 pour coder les disques vidéo numériques (DVD) et compresser la vidéo en définition standard et haute définition pour la diffusion, le câble et le satellite. Il est encore utilisé aujourd’hui. Les encodeurs MPEG-2 ont parcouru un très long chemin en plus de 20 ans et peuvent regrouper deux programmes HD 720p plus une poignée de programmes SD dans une seule chaîne TV 6 MHz, le tout avec une qualité visuelle acceptable.

Comme la rouille, les experts en compression ne dorment jamais. Il y a 17 ans, un codec plus récent et plus efficace faisait ses débuts. MPEG-4 H.264 (alias Advanced Video Codec) promettait une efficacité de compression de 50 % par rapport à MPEG-2… et il l’a fait ! À cette époque, la vidéo HD était de plus en plus adoptée sur une multitude de plates-formes de diffusion, mais la bande passante disponible était lente à suivre. Avec la croissance du streaming vidéo quelques années plus tard, MPEG-4 H.264 est devenu le codec de choix et est pris en charge sur tout, des tablettes et smartphones aux ordinateurs portables, téléviseurs intelligents, caméscopes et reflex numériques.

Le seul problème était que la vidéo 4K est devenue la nouvelle tendance au tournant de la dernière décennie. Et pour rendre le travail encore plus difficile, la vidéo à plage dynamique élevée avec sa gamme de couleurs plus large associée faisait partie du package 4K. Mais la bande passante n’avait pas suivi ! Par conséquent, le codec vidéo à haute efficacité (HEVC) a été déployé en 2013, promettant à nouveau 50 % d’efficacité de compression en plus par rapport au H.264. HEVC nécessite pas mal de puissance de calcul pour réussir cette astuce, mais cela fonctionne (tout comme son proche parent, le codec VP9 de Google). Et la licence n’est pas bon marché.

HEVC est utilisé pour le format de disque optique UHD Blu-ray et pour diffuser du contenu 4K à peu près partout sauf YouTube, qui appartient à Google et utilise le codec « ouvert » VP9. Mais les coûts de licence ont incité davantage de types de technologies à proposer un autre codec, connu sous le nom de codec AV-1 de l’Alliance for Open Media (AOM). Il s’agit d’un codec libre de droits qui rivalise avec HEVC mais est destiné uniquement au streaming vidéo via des connexions Internet.

Étant donné que les développeurs de formats vidéo haute résolution semblent toujours avoir quelques longueurs d’avance sur les codecs, davantage de codecs ont été proposés pour tenter de rattraper leur retard. Essential Video Coding (EVC, ou MPEG-5) a été développé comme un codec vidéo alternatif pour le streaming et OTT, mais avec une performance de streaming au moins équivalente à HEVC. MPEG-5 Part 2, Low Complexity Enhancement Video Coding (LC-EVC), est encore une autre norme MPEG et vise à fournir une efficacité de compression améliorée pour les codecs vidéo basés sur MPEG existants.

Pour couronner le tout, le successeur du HEVC H.265 s’apprête désormais à monter sur scène. Le codec vidéo polyvalent, ou VVC, est conçu pour une efficacité de compression maximale sur tous les appareils et plates-formes compatibles avec un accent particulier sur les applications telles que la plage dynamique élevée, la vidéo à fréquence d’images élevée, la vidéo à 360 degrés pour la réalité virtuelle et augmentée et la vidéo 8K UHD-2.

En utilisant des métriques d’image uniquement spatiales pour référence, VVC est environ 40 % plus efficace que HEVC pour la compression UHD et HD. Cependant, un codeur de référence VVC a environ dix fois la complexité d’un codeur de référence HEVC, tandis qu’un décodeur de référence VVC est environ deux fois plus complexe qu’un décodeur de référence HEVC.

Il convient de mentionner que HEVC, AV-1, EVC, LC-EVC et VVC sont des codecs gourmands en logiciels, contrairement aux anciens codecs MPEG-2 et H.264 AVC qui sont encore largement utilisés. Tous les cinq utilisent des tailles de bloc de codage plus grandes et ont besoin de processeurs ultra-rapides et de beaucoup de mémoire pour analyser et compresser les flux vidéo. Soit dit en passant, H.264 AVC n’est pas en reste – il a eu 26 mises à jour depuis son premier déploiement en 2003.

D’accord, vous avez mal à la tête à cause de toutes ces abréviations. (Nous aussi.) La conclusion ici est que les méthodes permettant le transport de vidéo compressée à haut débit sur tout, depuis les ondes de diffusion, le Wi-Fi, la 5G et le haut débit, sont continuellement affinées. Vous traverserez la vie sans savoir quel codec particulier est utilisé pour diffuser La merveilleuse Mme Maisel ou vous laisser regarder les équipes de football de Clemson et de l’Alabama le faire sur votre iPhone. (Vous remarquerez cependant toute dégradation de la qualité vidéo due à une compression excessive et vous vous en plaindrez vigoureusement à votre fournisseur de services !)

Y aura-t-il un jour un codec unifié ? C’est l’objectif, mais personne ne sait comment, quand ou même si cela se produira. Dans la quête permanente d’efficacité, les concepteurs de codecs mettent désormais en œuvre l’intelligence artificielle (IA) pour effectuer l’analyse ultra-rapide de la vidéo entrante et les décisions sur les éléments d’image à compresser, de combien et pendant combien de temps.

Nous utilisons déjà une version simple de l’IA pour ajuster dynamiquement les débits binaires de plusieurs programmes dans un flux, en fonction de la bande passante réseau disponible en constante évolution (la mise en forme dynamique du flux et l’encodage adaptatif du débit binaire en sont deux exemples). Il va de soi qu’un codec unifié – basé sur une IA avancée capable d’optimiser la diffusion de vidéo haute résolution sur n’importe quel réseau ou plate-forme – devrait émerger à un moment donné et nous débarrasser de la « soupe alphabétique » des formats de codec.

Rêvons…