oAMAo - Dossiers - La compression des données audio

La compression - ou compactage - des données sert à réduire la taille d'un fichier pour qu'il tienne le moins de place possible sur le disque dur, ou qu'il soit plus facilement exportable via disquette ou réseau. Pour ce faire, il n'y a pas de miracles : il faut réduire le nombre de données inscrites dans le fichier audio, soit en optimisant la façon dont ce dernier inventorie les données, soit en supprimant les informations qui s'avèrent superflues. Suivant qu'on fait appel à l'une ou l'autre de ces méthodes, on distinguera 2 types de compression : la compression destructive et la compression non-destructive. Le présent dossier vous propose donc de voir les principes utilisés par ces deux méthodes ainsi que les intérêts et enjeux de la compression audio

Le principe de la compression repose, pour faire simple, sur l'idée qu'un certain nombre de données dans un fichier sont répétitives. Imaginez un fruitier qui fait l'inventaire de ses stocks ; il a deux façons de procéder :

Les plus perspicaces d'entre vous auront remarqué que la deuxième méthode est nettement moins longue, qu'elle prend nettement moins de place. Pour la compression de données, c'est pareil.

Le gain de place est évident et peut en outre s'appliquer à tout type de fichiers : les exécutables, les images et bien sûr les sons.

Evidemment, la démonstration ci-dessus, simpliste au possible, ne rend pas compte de la complexité des algorithmes de compression mis en oeuvre par des logiciels comme Winzip, WinARJ, WinRAR ou Stuff It. Mais le principe est là, dans les grandes lignes.

NB (à ne pas lire si vous avez mal à la tête) : Pour rentrer dans les détails, sachez que de nombreux compacteurs recourent à l'algorithme de compression Huffman qui code les données selon leur récurrence statistique : Plus une séquence de données se répète dans le fichier, plus son code sera court. A l'inverse, les séquences plus rares sont dotées d'un code plus long. A la décompression, tous les codes sont confrontés à une table de correspondance qui permet de réatribuer chaque séquence de données au code correspondant.

Pour les données :

Banane, Banane, Orange, Banane, Orange, Orange, Poire, Poire, Pomme, Poire, Orange, Banane, Banane, Banane, Banane, Banane, Banane, Poire, Poire, Poire, Poire, Poire, Poire, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange, Orange,

on aura ainsi une table de correspondance :

B=Banane
O=Orange
P=Poire
Po=Pomme

et le codage sera :

2B,O,B,2O,2P,Po,O,6B,6P,10O

Notez que la pomme qui n'aparaît qu'une fois reçoit le code Po, plus long que les autres codes, ce qui permet de garder les codes courts pour les séquences les plus fréquentes (ici P est gardé pour Poire)

Comparatifs des principaux algorithmes non destructifs

Avec un compacteur de type généraliste comme le populaire WinZip, on peut ainsi atteindre des taux de compression de 5 à 50% en fonction du fichier traîté. Mias qu'en est-t'il pour le cas spécifique des fichiers audio? Pour le savoir, je me suis livré à quelques petits essais dont les résultats sont consignés dans ces tableaux.

Présentation des forces en présence :

Winzip de PKWare est le plus populaire des compacteurs, au point que le format Zip est devenu une norme.
WinRar est un challenger de longue date de Winzip qui a toujours rivalisé côté performances avec ce dernier.
WinAce est quant à lui beaucoup plus récent mais se voit très utilisé par l'underground informatique.
WaveZip du regretté constructeur de cartes son Gadget Labs est enfin un compacteur dédié exclusivement à la compression de fichiers Wav, ce qui a priori laisserait penser qu'il va sortir gagnant de ce comparatif.

Toutes les compressions ont été réalisées en utilisant les réglages par défauts des logiciels. Ces chiffres pourront donc être optimisés privilégiant la qualité de compression à la vitesse dans les options de chacuns. Les fichiers utilisés pour l'occasion étaient quant à eux au format WAV, 16 bits/44 Khz/Stéréo, ce qui correspond à la norme fixée par les CD Audio

Compression	Taille du fichier	Gain de place
Aucune	1273 Ko	0 %
Winzip 8.0	1173 Ko	7,86 %
WinRar 2.90	1151 Ko	9,58 %
Winace 2.0	845 Ko	33,63 %
WaveZip 2.01	867 Ko	31,89 %

Compression	Taille du fichier	Gain de place
Aucune	48537 Ko	0 %
Winzip 8.0	46775 Ko	3,63 %
WinRar 2.90	46854 Ko	3,47 %
Winace 2.0	32521 Ko	33 %
WaveZip 2.01	33141 Ko	31,72 %

Comme vous pouvez le constater, en dépit de sa position de leader du marché, Winzip est loin d'être très performant puisqu'il obtient la moins bonne performance sur le petit fichier, et l'avant dernière sur le gros. Mais c'est WinRar qui s'est avéré le plus décevant : de la part d'un logiciel qui aimerait contester la suprématie de Winzip, on était en droit de s'attendre à mieux. Soulignons en outre que, non content d'arriver bon dernier du test sur le gros fichier, il s'est montré d'une lenteur exaspérante lors de la compression. Compensant cette déception, WinAce s'est avéré être le meilleur dans tous les cas, diminuant d'un tiers le fichier original tout en étant assez véloce. Le plus surprenant, c'est qu'il parvient même à coiffer WaveZip sur le poteau, alors que ce dernier est normalement spécialisé dans cette tâche. Certes, le fait que Gadget Labs ait disparu et que WaveZip ne soit plus mis à jour peut expliquer que le logiciel ne sorte pas gagnant du comparatif et ces performances restent de plus très honorables. Néanmoins, le grand vainqueur demeure WinAce. Vous savez donc ce qu'il vous reste à faire si vous cherchez le compresseur non destructif ultime pour vos données audio...

La compression destructive

Bien que les compacteurs arrivent déjà à réduire significativement les tailles des fichiers qu'ils compressent, il est encore possible d'améliorer les taux de compression. Cela a d'autant plus d'enjeu qu'une image en haute résolution ou un son dont la définition est de qualité CD prennent énormément de place.

L'idée qui préside à cette amélioration vient des limites mêmes de l'homme : un oeil humain n'est pas capable de différencier 2 couleurs très proches parmi les 16 millions affichables par son PC, ou alors, c'est qu'il craint la kryptonite. Pourquoi dans ce cas, ne pas réduire le nombre de couleurs employées par l'image? C'est ce que font les formats de compression JPEG, PING et GIF, et, de ce fait, ils réduisent de manière radicale la taille des images.

Idem pour le son, aucun homme normalement constitué ne peut entendre un son à la fréquence de 20 Khz. En supprimant ces informations inaudibles par le commun des mortels, on diminue significativement le nombre de données à prendre en compte et on obtient donc un fichier plus léger.

Poursuivant cette chasses aux informations inutiles, les psychoacousticiens ont établis qu'aucun être humain n'était capable de percevoir la stéréo dans les extrêmes graves. Autant donc passer toutes les fréquences trop basses en mono quitte à rétablir une pseudo stéréo au moment de la lecture du fichier. Et encore quelques octets de gagnés!

Mais le plus fûté reste à venir : les mêmes psychoacousticiens ont observé que certaines fréquences en écrasaient d'autres qui, du coup, devenaient superflues.

Pour une nouvelle fois faire simple, imaginez votre groupe de rock : le guitariste avec son Marshal 100 W dont il pousse le volume à 10, le batteur qui enclume comme un forcené et entre les deux, votre petite soeur qui joue du triangle, sans micro pour l'amplifier. Il y a fort à parier que le public n'entende rien de son solo débridé de triangle si les autres ne se décident pas à lui faire un silence royal. Autant, donc, qu'elle ne joue pas du tout.

Fort de ce constat, l'algorithme de compression repère donc les sons "dominants" et retire toutes les données relatives aux sons "dominés". Puisque de toutes façons, on ne les aurait pas entendus, cela ne fait guère de différence au niveau sonore tout en réduisant notablement la taille du fichier.

C'est sur ces principes que reposent de nombreux algorithmes de compression du son tels que le mp3 et ses affiliés, (le WMA, le Real Audio, l'Ogg Vorbis, etc.) : ils allègent le fichier de toutes les informations qu'ils estiment superflues avant de le passer par un algorithme de compression classique (type Winzip).

Parce qu'ils retirent de la matière sonore au fichier traîté et dégradent ses qualités d'origine, on dit qu'ils opèrent une compression "destructive". Evidemment, plus on veut un petit fichier, plus la dégradation du son sera grande. Pour vous en convaincre, examinez les valeurs consignées dans le tableau ci-dessous et écoutez les fichiers joints :

Compression	Taille du fichier	Gain de place	Ecouter
Aucune	1273 ko	0 %
WinZip 7.0	1173 ko	8 %
WinRar 2.50	1154 ko	10 %
MP3 haute qualité	288 ko	77 %
MP3 basse qualité	58 ko	95 %

Comparatifs des principaux algorithmes destructifs

Le plus connu des formats de compression destructive est évidemment ce bon vieux Mp3. Comme souvent en informatique, il doit son statut de standard moins à l'excellence de ses prestations qu'au fait qu'il fut le premier sur le marché. On trouve donc aujourd'hui des codecs (nom donné aux algorithmes de COmpression/DECompression) plus performants et plus riches en termes de fonctionnalités tels le VQF, le MP3 Pro, l'Ogg Vorbis, le Windows Audio Media , le Quicktime ou le Real Audio. Par ailleurs, au sein même de la famille MP3, plusieurs algorithmes s'affrontent, émanant chacuns de développeurs différents. Ainsi, aux côtés du premier codec mis au point par Fraunhoffer, on trouve désormais des concurrents du nom de Lame, Blaze, Gogo ou Radium qui sont tous compatibles entre eux mais qui offrent des différences quant à leur qualité audio ou leur rapidité de traîtement... Autant de raisons de se livrer à 2 petit comparatifs.

En préparation...

Enjeux de la compression audio

La compression sert, comme nous l'avons vu, à diminuer la taille des fichiers, ce qui permet de stocker plus de données sur un support amovible ou de masse (Disquette, Zip, CD-R, DVD ou Disque Dur). En recourant à la compression destructive, il est ainsi possible, par exemple, de faire tenir la discographie complète de Brel sur un simple CD et de régler du même coup bien des problèmes de rangement dans votre chambre de bonne de 12m². Un algorithme non destructif sera quant à lui idéal pour archiver les "bandes masters" de vos créations ou pour les porter au mastering...

Mais au-delà de ces considérations bassement matérielles, le progrès des algorithmes de compression ouvre aussi le champs à bien des applications. Dans le contexte d'une généralisation des connexions à haut débit (Câble et ADSL), la mise au point du Streaming a notamment permis l'emergence de nouveaux médias : télévision et radio peuvent maintenant passer par le Net.

Si les contenus vidéo souffrent encore d'un bande passante trop étroite pour qu'Internet puisse concurrencer les réseaux herzien et numériques, l'audio est quant à lui parfaitement au point. La qualité sonore d'une radio Internet est en effet supérieure à celle de la bande FM et la mise en place d'une station est d'une relative facilité technique.

Pour les musiciens que nous sommes, cela signifie que nous disposons à présent d'un média très accessible pour diffuser nos oeuvres et rencontrer un public. De nombreux groupes ont d'ailleurs entrepris de diffuser certains morceaux en mp3, des plus obscurs aux plus connus (Smashing Pumpkins, Black Crowes, etc.). Cela peut se faire par le biais d'une WebRadio bien sûr, mais cela passe plus souvent par le biais de sites Web dédiés au groupe ou à ce genre d'initiative.

Sur des sites tels que Vitaminic ou mp3.com, des centaines d'artistes présentent ainsi leurs oeuvres qu'on peut écouter en ligne ou télécharger gratuitement. Preuve que ce mode de diffusion est efficace, l'engouement autour de certains titres a amené des maisons de disques à signer des artistes jusqu'ici cantonnés au rang des amateurs : Laurie, les Mules, etc.

Bien décidée à prendre sa part du gâteau et à imposer sa loi face à cette insolente gratuité, l'industrie du disque envisage d'ailleurs d'utiliser la diffusion via Internet comme nouveau support de vente. A termes, l'objectif est de faire disparaître le téléchargement (et peut-être même les disques) au profit d'un système d'abonnements (un forfait mensuel vous donne accès à l'écoute du catalogue de la maison de disque) ou d'un système "pay-per-hear" : Vous payez une somme dérisoire chaque fois que vous voulez écouter un morceau mais devrez rapayer autant de fois que vous voudrez l'écouter...

Bien entendu, tout cela est encore en chantier et le disque a encore de beaux jours devant lui. En outre, il n'est pas sûr qu'il soit si facile pour les maisons de disques d'avoir raison de l'esprit matérialiste propre au genre humain : acheter un disque, posséder l'objet, est aussi un plaisir. J'en veux pour preuve les collectionneurs qui continuent de dépenser des fortunes chez les discaires alors qu'ils n'auraient pas assez de 3 vies pour écoutez les 30000 CD de leur discothèque.

Loin de ce marketting fiction, une autre application du streaming retiendra toute l'attention des musiciens : le Jam via Internet. En effet, à l'image du procédé de Rocket Network implémenté dans Cubase, il est ainsi possible de faire de la musique simultanément avec des gens situés aux quatre coins de la planète. Voilà qui simplifie les échanges et ouvre de nouveaux horizons en termes de rencontres musicales.

Bref, vous le comprenez : Là où les médias généralistes ne voient dans la compression qu'un moyen de "pirater" la musique commerciale, il faut voir une véritable révolution en marche pour les musiciens, le public et l'industrie toute entière. Alors à vos encodeurs!