La vidéo numérique MPEG et le Streaming sur réseaux à hauts débits
1 - Les définitions de la VOD et de ses variantes
La VoD et le média Streaming sur réseau, sont les services d’avenir qui
seront fournis par “ les Autoroutes de l’Information ”. On parle désormais de réseaux IP haut débit
ou large bande, comme le DSL ou le câble.
C’est le vice-président des Etats-Unis, Al Gore, qui dès 1995, employa
cette métaphore : “ Les Autoroutes de l’Information ”.
Il assimila la circulation des informations numériques à celle des
véhicules sur les voies de grande circulation automobile. C’est aujourd’hui un
enjeu planétaire, au vu de l’augmentation des débits sur les réseaux
informatiques IP.
Ce procédé de diffusion (la VOD) est une vraie révolution des systèmes
d’information comparée aux Autoroutes de l’Information qui ne sont qu’une
évolution logique des réseaux informatiques, liée à l’augmentation du trafic.
Nous sommes dorénavant dans l’ère du tout numérique.
La VOD à stockage numérique permet à l’utilisateur de visionner un film
à distance avec un confort équivalent, voire supérieur à celui d’un
magnétoscope de salon, et sans ses inconvénients.
La VOD signifie “ Video On
Demand ” Vidéo à la Demande.
Ce procédé permet à l’utilisateur de choisir un film et de le visionner
à n’importe quel moment choisi par lui. C’est dans ce cas de la
“ télévision à la carte ”.
Plus besoin de se déplacer pour choisir, louer et rendre sa cassette
vidéo. On choisit son film dans un catalogue virtuel qui est toujours
disponible.
Il n’y a pas d’attente, la diffusion est instantanée, d’où la nécessité
d’utiliser un serveur Temps Réel afin
d’obtenir des temps de réponse brefs et garantis.
Grâce à une télécommande, gérée par une voie de retour appelée aussi
superviseur, l’utilisateur choisit son film. Il peut faire un ou plusieurs
arrêts sur image et reprendre le film là où il s’est arrêté. Enfin, il peut
regarder tout ou partie d’un film et recommencer ce processus “ n ”
fois, revenir en arrière ou aller en avant.
Les serveurs de VOD permettent de diffuser de la vidéo MPEG2 @ 4 à 8
Mb/s diffusée sur du câble coaxial 75 Ohm, ou sur un réseau informatique large bande « broadband » mais
cette fois ci la transmission se fait en numérique.
La VOD dans ce cas là, ne peut être envisageable qu’avec un stockage
numérique, contrairement à la NVOD qui peut être aussi réalisée sous la forme
d’un système tout analogique avec des magnétoscopes VHS en batteries.
Les musées, les vidéothèques et les parcs à thème sont très intéressés
par ce procédé pour remplacer leurs lasers disques (vidéo analogique et son numérique) ou leurs lecteurs Betacam,
pour pouvoir aussi mettre à jour le contenu à distance, et limiter ainsi les
coûts de prestation de la production audio visuelle.
La NVOD “ Near Video On Demand ” : “ Presque Vidéo à la
Demande ” est une variante de la VOD, un peu moins souple, mais
techniquement plus simple à mettre en œuvre. Les chaînes de TV satellite
appellent aussi cette application : « Pay TV ».
Avec cette méthode, chaque film est programmé plusieurs fois, à des
horaires décalés. Par exemple, un film de 90 minutes sera diffusé en 8 séances
décalées chacune d’1 heure 30 par 24 heures.
Dans le cas de la NVOD sur du câble coaxial, le choix de films est
limité par une liste restreinte et par
le nombre de canaux de diffusion ainsi que par le plan de fréquence. On connaît
donc à l’avance le nombre de connexions maximum théorique, qui sera lié au
débit supporté et au réseau utilisé qui n’est généralement que coaxial dans
l’hôtellerie.
Lorsque l’utilisateur aura fait son choix, il devra attendre l’heure
exacte de diffusion du film (comme en salle de cinéma) ou prendre le film en
cours de diffusion. Il n’aura pas la possibilité de faire d’arrêt sur image, ni
d’avance ou retour rapide, généralement il ouvre le canal pour 24h.
Il ne pourra se connecter qu’une fois par tranche horaire de diffusion
et recommencer pour les films suivants mais seulement après avoir libéré le
canal qui lui avait été alloué.
Beaucoup d’utilisateurs peuvent regarder le même film, mais ils le
regardent tous en même temps.
L’inconvénient est donc un choix restreint de films du aux nombreuses
séances de rediffusion qui sont programmées à l’avance. L’utilisateur ne
regardera généralement qu’un seul film, mais en aucun cas il ne peut
« zapper » pendant la
diffusion du film pour en voir un autre, à moins de revenir sur le canal de la
TV terrestre non payante.
La NVOD commence à être commercialisée sur les chaînes de télévision
satellite et la VOD sur le câble (CATV) aux USA.
En revanche le “ pay per view ” analogique (magnétoscopes VHS
dans une baie avec une grille de commutation)
se retrouve uniquement dans l’hôtellerie.
Ces services de TV à la carte, sont pour le moment réalisés par des
programmations à heures fixes, comme les séances de films en salle de cinéma.
2 - Le choix d’un stockage numérique versus analogique
Jusqu’à ce jour, la plupart des systèmes de “ pay per view ”
(NVOD à stockage et diffusion analogique) sont réalisés avec des magnétoscopes
VHSÔ ; ce qui oblige à
partager les magnétoscopes par l’intermédiaire d’une grille dans une baie qui
gère un regroupement d’utilisateurs (par exemple un même étage dans un hôtel),
et à posséder plusieurs copies des films les plus demandées.
Il s’ensuit plusieurs inconvénients, outre la place occupée par les
magnétoscopes, et le fait que l’on ne fasse que de la NVOD, ainsi que les
nombreuses interventions humaines :
C’est un stockage sous forme binaire (transformation du signal
analogique par une suite de 0 et de 1).
La puissance actuelle des micro-ordinateurs permet de tout transformer
sous forme numérique. C’est la véritable révolution technologique des années
80. La compression des données vidéo est donc essentiel.
Les supports comme la photo, l’audio, la vidéo, le texte, réunis, se
nomme désormais : Multimedia.
Les serveurs de VOD et de Streaming ont aussi besoin d’un stockage sur
réseau, on parle dorénavant de SAN (Stokage Aera Network), c’est un stockage
centralisé pour réseau . Le SAN utilise maintenant la technologie Fiber
Channel, c’est une interface de transport standardisée et optimisée pour le
stockage d’applications demandant des débits élevés tel que la VOD en MPEG2 et
le montage virtuel aujourd’hui en MJEG et très bientôt en MPEG4.
La norme actuelle Fiber Channel est 1 Gigabit (distance max. 10 km) et
bientôt 2 Gigabit.
Cet adjectif a été employé dès le début des années 1980, avec comme
média universel le CD ROM et aujourd’hui le DVD (de 4,7 à 17 Go de capacité)
qui est en train de remplacer le CD ROM et CD AUDIO.
Un film de 2 heures peut ainsi être stocké sur un DVD VIDEO simple
couche simple face de 4,7 Go de capacité, en utilisant le format de compression
MPEG2 à débit variable.
Par exemple, un CD ROM à une capacité de 650 Mo ce qui permettraient de
stocker uniquement 5 à 6 minutes de vidéo PAL non-compressée, ou 1 heure de
vidéo au format MPEG1.
Ainsi, toute information peut être stockée et transmise en numérique,
seule la capacité des signaux varie.
Un signal vocal demandant une
capacité de transmission de 56 à 64 Ko/s, il faut environ 30 Mo/s pour de la
vidéo format PAL (625 lignes) et 2 Go/s pour de la TVHD (1250 lignes).
Un rappel important sur les résolutions vidéo dont les signaux sont
entrelacés, contrairement à ceux de l’informatique qui sont généralement
non-entrelacés.
Le format PAL CCIR 601 (Phase Alternative System) a une résolution de
768 x 576 @ 25 images / seconde avec 50 trames (ou 625 lignes TV) et le NTSC
(National Television Standards Committee) a une résolution de 768 x 484 @ 30
images / seconde avec 60 trames (ou 525 lignes TV).
La compression d’image en MPEG permet un gain de place très important
au niveau du stockage et des accès instantanés aux plages voulues.
Par exemple, 1 heure de vidéo compressée en MPEG à un débit de 1,5 Mb/s
occupera environ 675 Mo sur le disque dur, à 3 Mb/s environ 1,35 Go, et à 10
Mb/s 4,5 Go.
Autre avantage, la qualité d’une image numérique à un débit de 3 ou 4
Mb/s est supérieure à celle d’une bande VHS, il n’y a pas d’usure, pas de
dégradation dans le temps, et pas de manutention au niveau du stockage et de
l’archivage.
Le coût de diffusion est faible en rapport au nombre d’utilisateurs
potentiels. Il va encore baisser de façon considérable d’ici la fin du siècle
avec l’arrivée en masse de tous les films et encyclopédies multimédias sur
support DVD (Digital Versatil Disk).
Enfin, l’atout majeur est la possibilité de télécharger de façon
automatisée de nouveaux films à distance (par une connexion satellite grâce à
des cartes de multiplexage DVB-ASI (Digital Video Broadcasting, réception /
transmission / duplex), ou par réseaux IP, ATM ou fibre optique).
Le standard ISO 11172 (MPEG1) est apparu vers 1990 et la norme a été
signée en janvier 1992, le matériel et les composants de compression
décompression sont arrivés à cette même date.
MPEG (Moving Picture Experts Group) décrit avant tout un format
numérique destiné à la diffusion de vidéo et de son, à 25 images 50 trames / s
en PAL ; et 30 images 60 trames / s en
NTSC.
MPEG est la suite logique de JPEG (Joint Photographic Experts Group),
en revanche cela fait partie aussi d’autres normes, tel que DAVIC (Digital
Audio Visual Council) qui est le standard des fabricants de décodeurs
numériques ou STB (Set Top Box).
Son algorithme de compression retient l’attention de beaucoup
d’utilisateurs car il s’adapte à tous les débits, ainsi qu’à toutes les
exigences en matière de stockage et de qualité d’image.
Pour prendre une image, le MPEG : « ce sont des
mathématiques avec une grammaire associée ».
Le point crucial entre le MPEG1 et le MPEG2 hormis les débits, est que
MPEG1 ne compresse qu’une ligne (ou trame) sur deux, alors que MPEG2 compresse
les lignes paires et impaires.
La vidéo est toujours définie par un balayage dit entrelacé.
Il y a d’autres niveaux de MPEG. Par exemple, le format MPEG4 qui est
apparu dès 1997 (mais la norme n’est pas complètement finalisée, version III
fin décembre 2000) pour des applications de TV/IP avec des débits très faibles
sur lignes téléphoniques, inférieurs à ceux du MPEG1 QSIF (176 x 120 @ 25
images/s).
En revanche, le MPEG3 est le format recommandé pour la TVHD (il a été
intégré dans la norme actuelle MPEG2).
Depuis 1998 on commence à parler du MPEG7 qui a été approuvé en juillet
2001.C’est un complément du MPEG4.
Le nouveau format MPEG4 ISO dans sa version 2 a été signé en décembre
1999. Ce sera le standard des applications audio – vidéo. Un langage objet et
multimédia pour le grand public (28,8 Kb/s à 1Mb/s). La version définitive du
standard MPEG4 (version IV) est en cours de signature (prévue pour début
2002). C’est le format idéal pour le
Streaming sur Internet.
Il n’en reste pas moins que le choix dans un certain type de MPEG est
un compromis à faire entre les contraintes de qualité et/ou de stockage, donc
de coût.
Les résolutions MPEG pour de la vidéo affichée plein écran au format
PAL sont les suivantes :
MPEG1 QSIF :
176 x 120 @ 25 images/s,
MPEG1 SIF :
352 x 288 @ 25 images/s,
MPEG2 Half D-1 : 352 x 576 @ 25 images/s,
MPEG2 Full D-1 :
720 x 576 @ 25 images/s.
Avec la compression (PAL) MPEG1 @ 1,8 Mb/s, on obtient une qualité
d’image de type SVHS (institutionnel).
En MPEG2 entre 4 Mb/s et 15 Mb/s, on obtient une image de niveau
Betacam (broadcast), supérieure à une image TV de réception terrestre, mais à
condition d’encoder l’image source provenant d’une cassette Beta numérique, car
le « bruit » dans l’image est accentué par l’algorithme de
compression. Les encodeurs de la gamme MovieMaker200sÔ d’Optibase, sont capables
d’encoder de 150Kb/s à 50Mb/s.
Les deux standards ISO MPEG1 et MPG2 se prêtent parfaitement bien à
tous ces nouveaux moyens de diffusion que sont la VOD, et à toutes les
applications de “ pay TV ”, de vidéoconférence et de
télé-enseignement.
Ce format et standard international (norme ISO/IEC 13818) MPEG2 (signé
le 11 novembre 1994 à Singapour) a même été choisi dès 1996 par toutes les
télévisions qui émettent en numériques (Canal satellite, TPS, Tele Piu) qui
diffusent à environ 3,5 à 4,5 Mb/s. Mais il ne remplace en aucun cas les normes
audio et vidéo MPEG1 qui sont bien meilleures dans les bas débits (inférieur ou
égal à 1,5 Mb/s) et dont les taux de compression peuvent aller jusqu’à 1 : 300.
La diffusion de vidéo plein écran et de son de qualité CD est la raison
même de l’existence du MPEG.
Une fois numérisée, le flux MPEG peut alors être décodé pour être vu
sur un moniteur vidéo (PAL / NTSC) ou sur
un écran informatique (VGA / SVGA / XGA).
3 - La diffusion de flux MPEG en analogique
La diffusion analogique consiste à décompresser les flux vidéo MPEG
directement à la source (sur le moniteur de réception).
Les flux générés sont alors distribués sur câble coaxial ou
paire-torsadée vers le téléviseur de chaque utilisateur, après modulation ou
non du signal.
En effet tout le parc existant de téléviseurs ni d’écrans à Plasma
n’est pas encore complètement numérique.
Dans une application de VOD pour l’hôtellerie, c’est la solution la
plus utilisée car ce réseau de câblage est de toute façon utilisée pour relier
tous les téléviseurs sur l’antenne collective, même sans l’usage d’un serveur
de VOD.
Par exemple, dans un hôtel de 400 chambres, toutes les chambres de
l’hôtel (tous les récepteurs TV) peuvent être connectées à un serveur, mais
seulement 10% des clients pourront regarder en même temps un film identique ou
différent et faire de la “ vraie vidéo à la demande ”.
En France métropolitaine, le taux moyen d’occupation d’une chambre
d’hôtel sur l’année 1997 n’a pas dépassé 65%.
En revanche, le point clef est que le contenu doit être renouvelé très
régulièrement, pour que la consommation de films soit régulière et soutenue, et
obtenir un retour sur investissement rapide.
4 - La diffusion et transmission en numérique
Les besoins de vidéo sur réseaux ne cessent de grandir.
Le networking, la transmission Temps Réel (le Streaming) sont les
réponses technologiques à cette demande de vidéo à 25 images / secondes.
Les réseaux locaux ou LAN (Local Area Network) sont limités à 1 Km de
diamètre, par contre les réseaux étendus : WAN (Wide Area Network)
permettent de diffuser de la vidéo à des utilisateurs géographiquement dispersés
dans un même bâtiment ou répartis sur une très grande zone géographique
(plusieurs dizaines de Km).
La diffusion numérique oblige à câbler le lieu de diffusion avec un
réseau informatique de type Ethernet commuté ou non, E1/T1, voir ATM
(fonctionnant sur réseaux larges bande, supérieurs à 2 Mb/s).
Les réseaux informatiques n’existant pas pour le moment dans
l’hôtellerie, la diffusion ne peut se faire que sur du câble coaxial (cat. 5)
et la réception sur des postes de télévision qui sont bien souvent qu’analogiques, et pas encore tout numérique.
Ce type de diffusion impose de décoder le signal vidéo en local sur
chaque poste de réception.
Dans le cas de téléviseurs, il faut installer un boîtier (Set Top Box)
ou une carte dans chaque poste TV pour pouvoir gérer la voie de retour vers le
serveur.
L’avantage de la diffusion numérique est de permettre la connexion de
beaucoup plus d’utilisateurs (postes clients) qu’en diffusion analogique, et
pour un coût moindre par voies.
Pour information, en France, Globecast
filiale de France Telecom dont le métier est la transmission et diffusion de
signaux TV, détient 90% du marché français de la vidéo transmission par
satellite (2002).
Le chiffre d’affaire (2000) généré par
Globecast sur les solutions terrestres est estimé à environ ~ 61 millions
€ sur un CA total de 270 millions € au
total en France.
Ce procédé est très bien adapté à l’enseignement ou aux grands comptes
car, le plus souvent, le réseau informatique existe déjà et permet de relier
tous les ordinateurs entre eux.
De plus, les applications Multimédia sont maintenant inévitables dans
tous les domaines de la communication.
On retient mieux ce que l’on entend et voie lorsque l’image (la vidéo)
est associée à l’écrit.
Sur les postes clients PC ou STB (sans moniteurs TV), il est désormais
possible de visualiser des images vidéo sur un écran informatique avec une
qualité plein écran à 25 images / seconde grâce à l’algorithme MPEG.
5 – Le haut débit et le Streaming
L'étude
sur le marché du haut débit en Europe est menée par l'IDATE.
l'IDATE
est l'un des premiers centres d'études et de conseil en Europe spécialisé dans
l'analyse des industries des technologies de l'information et de la
communication - montre l'élan des opérateurs pour ces technologies (câble et
ADSL). Si tous les pays européens ne partent pas du même pied, l'IDATE promet
au haut débit une croissance exponentielle dans les années à venir.
A la fin de l’année
2001, les réseaux hauts débit cumulent 7 millions d'abonnés en Europe, dont 5
millions par le biais de l'ADSL, le reste étant à mettre au profit du câble.
L'Allemagne semble à la pointe en la matière puisqu'elle devrait représenter
près de 40 % du parc européen avec 2 millions d'abonnés ADSL.
La
France et l'Italie suivent de très loin l'exemple germanique avec 500 000
abonnés.
La
Grande-Bretagne avec 120 000 abonnés arrive très largement derrière les
Pays-Bas (400 000) et la Suède (200 000).
De façon générale,
le marché de l'ADSL est dominé par les opérateurs historiques qui détiennent
chacun près de 90 % de leur marché de référence. Dans ce domaine, le cas de
l'Allemagne est exemplaire. Si le dégroupage s'est réalisé plutôt outre-Rhin
qu'en France, aucun opérateur alternatif n'a pu en profiter pour acquérir une
part de marché significative de l'accès haut débit.
Deutsche
Telekom s'est ainsi taillé la part du lion en faisant migrer ses abonnés RNIS /
ou Numéris en France (réseau numérique) vers des offres ADSL, et en offrant des
formules d'accès ADSL par forfait illimité.
La puissance
commerciale des opérateurs historiques - qui sont aussi le plus souvent numéro
un de l'accès à Internet - n'a laissé que peu de chance aux challengers (ILECs
/ CLECs). Voire aucune dans le cas de la France, où le « dégroupage » se révèle
difficile à mettre en place en respectant les conditions d'équité, qui
constituent un minimum pour subsister dans l'ombre du géant France Télécom.
Dans le domaine du
haut débit, l'Angleterre ne peut pour le moment compter que sur ses réseaux
câblés. Ainsi, les câblo-opérateurs ont pris de vitesse British Telecom sur les
réseaux hauts débits, jusqu'à le faire vaciller sur ses propres fondements, la
téléphonie fixe.
Dans son étude,
l'IDATE prévoit que le parc d'abonnés haut débit en Europe devrait au moins
tripler jusqu'en 2003, avant d'atteindre entre 46 et 69 millions de clients en
2006.
En
France, de 700 000 abonnés hauts débits (câble et ADSL) à fin 2001, le parc
dépassera les 2 millions d'abonnés en 2003, puis sera compris dans une
fourchette allant de 5 à 8 millions en 2006.
Toujours selon
l'IDATE, ce seul marché français est estimé, à cette date, entre 2,8 et 5
milliards d'euros.
D'ici
là, la boucle locale radio (BLR) devrait représenter une part significative du
marché du haut débit avec 300 000 à 600 000 abonnés.
A
ce jour, avec 1500 clients seulement, les acteurs de la BLR devront s'armer de
patience avant d'atteindre la rentabilité.
En
terme de conclusion, voici un extrait du rapport BOURDIER, d’après une étude
demandée par le Ministère de l’Industrie en France en décembre 2001 par
Monsieur Christian PIERRET, ex secrétaire d’état à l’industrie.
Je
cite : « L'arrivée désormais inéluctable des hauts débits va
impliquer dans nos sociétés des bouleversements structurels ; cette
perspective doit se traduire maintenant en termes d'orientations, de décisions
et d'actions.
Bien que fortement engagée dans la voie des nouvelles technologies, la France
n' a pas fait le choix des mêmes options que la Suède, la Finlande ou le Canada
qui ont pris une orientation radicale : des investissements massifs pour assurer
des très hauts débits pour tous, dans les plus brefs délais. Cette stratégie,
qui implique des investissements publics massifs, trouve son fondement dans le
fait que ces dépenses publiques soutiennent
la croissance de la nouvelle économie, et donc sont des moteurs
importants pour la croissance et l'emploi de demain ».
–
« Notre conviction est que seule une approche pilotée
par la demande est susceptible de conduire à une croissance saine et durable
des hauts débits, et notre enquête nous a conduit à la conclusion que le besoin
de réseaux et de services à hauts débits est avéré ».
–
« Une telle approche est celle qui se fait jour dans
les pays les plus avancés du point de vue des réseaux comme les États-Unis ou
le Japon. Adopter une perspective plus étroite eut conduit à l'échec d'une
étude qui ne peut se placer que dans un cadre résolument international, plus
encore qu'européen. L'interdépendance des économies mondiales est en effet
inévitable surtout dans un domaine où l'interconnexion des réseaux ne saurait
être limitée au strict territoire national. Ce qui n'empêche pas, au contraire
comme on l'a vu, le besoin actuel ou futur des utilisateurs, de s'exprimer au
plan local, quand bien même sa satisfaction ferait appel à des ressources au
plan international » .