114 - Compression - Formats audio, échantillonnage et bitrate
① Du son analogique aux échantillons numériques
Courbe cyan : signal analogique simulé. Points jaunes : mesures prises à intervalles réguliers. Le tracé est pédagogique, sans représenter une fréquence audio réelle.
Comment fonctionne la numérisation ?
Échantillon actuel
0 / 20
Valeur mesurée
—
Fréquence (exemple)
44,1 kHz
À retenir
L'échantillonnage mesure le signal dans le temps. La quantification arrondit chaque mesure à l'un des niveaux disponibles. Plus la fréquence d'échantillonnage et la profondeur en bits sont élevées, plus le débit PCM augmente.
Le théorème de Nyquist-Shannon exige une fréquence d'échantillonnage strictement supérieure au double de la fréquence maximale du signal, sous les hypothèses appropriées.
② Fréquence d'échantillonnage
Son réel (continu)Son reconstruit à partir des échantillonsÉchantillon (une capture)
Fenêtre agrandie : 1 milliseconde. kHz = kilohertz (nombre de captures par seconde).
Ce que l'on capture
captures par seconde
44 100
captures en 1 ms
44
écart avec le son réel
—
À retenir
Plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus la courbe reconstruite colle au son réel, mais plus le nombre de données à stocker augmente. 44,1 kHz (CD) et 48 kHz (vidéo) sont les valeurs les plus courantes.
③ Quantification : 4, 8 ou 16 niveaux ?
Cyan : amplitude initiale ; vert : valeurs arrondies ; trait jaune : position de lecture. Les bits ici sont volontairement réduits pour visualiser les paliers.
Calculer le débit PCM non compressé
Débit brut
1 411
kbit/s1 minute
10,58
Mo (décimaux)Quantification
16
niveauxFormule
Débit (bit/s) = fréquence (Hz) × bits/échantillon × canaux
Taille (octets) = débit × durée (s) ÷ 8
Calcul de données PCM brutes, hors en-têtes et métadonnées. Les valeurs en Mo utilisent 1 Mo = 1 000 000 octets.
④ Mode, bitrate et durée
Bitrate : qualité et taille du fichier
Taille du fichier
Mo pour le morceau
—
Mo par minute
—
par rapport à 128 kbps
—
Calcul : taille (octets) = bitrate (bits/s) × durée (s) ÷ 8
⑤ Compression sans perte : prédiction et résidu
Le principe
Au lieu de stocker directement chaque échantillon, un encodeur peut prédire la prochaine valeur et encoder l'écart (le résidu). Si les valeurs se ressemblent, ces écarts sont souvent petits. Un codage entropique peut ensuite exploiter leur distribution.
La transformation présentée est réversible, mais elle ne garantit pas à elle seule une réduction de taille. FLAC utilise des techniques plus élaborées, notamment la prédiction et le codage des résidus.
Exemples de formats sans perte
FLACALACWavPack (mode lossless)Après décompression, les échantillons numériques sont identiques à ceux de départ.
⑥ Compression avec perte : ce qu'on conserve
Spectre et seuil de conservation schématiques : ce n'est pas un véritable encodeur MP3/AAC/Opus ni une simulation acoustique fidèle. Le bouton audio génère une tonalité locale via le navigateur.
Le principe psychoacoustique
Un encodeur avec perte exploite des propriétés de l'audition, comme le masquage fréquentiel et temporel, puis quantifie les informations en fonction d'un budget de bits. Une partie des données est définitivement perdue.
Comparer les tailles (1 minute)
PCM 44,1/16 stéréo
10,58
MoDébit choisi
128
kbit/sTaille théorique
0,96
MoEstimation à débit constant (CBR), sans métadonnées. Le débit ne suffit pas à prédire la qualité perçue.
⑦ Quel format choisir ?
| Format / conteneur | Type | Caractéristiques | Usage courant | Qualité · compatibilité |
|---|---|---|---|---|
| WAV (souvent PCM) | Non compressé* | Conteneur pouvant transporter du PCM ou d'autres codecs | Enregistrement, montage | Sans perte (brut) · professionnelle |
| AIFF (souvent PCM) | Non compressé* | Conteneur audio, souvent utilisé avec du PCM | Production audio | — |
| FLAC | Sans perte | Reconstruction exacte des échantillons | Archivage, bibliothèque musicale | Sans perte compressée · musique, archivage |
| ALAC | Sans perte | Codec sans perte, fréquent dans l'écosystème Apple | Musique, archivage | — |
| MP3 | Avec perte | Très répandu, compatible avec de nombreux appareils | Diffusion et partage | Bonne · très haute |
| AAC | Avec perte | Codec courant dans MP4/M4A | Streaming, vidéo | Excellente · universelle |
| Opus | Avec perte | Adapté à la voix et à la musique, faible latence possible | Visioconférence, web | Excellente à bas débit · web, Discord, YouTube |
| Ogg | Conteneur | Peut contenir notamment Opus ou Vorbis | Distribution audio | — |
* WAV et AIFF ne sont pas des synonymes stricts de PCM : ils peuvent contenir des données encodées autrement. M4A et Ogg désignent des conteneurs, pas une technique unique de compression.
Le compromis
Exemple de 60 secondes : PCM stéréo 44,1 kHz / 16 bits et encodages CBR 128 ou 320 kbit/s. La taille FLAC varie selon le signal et n'est donc pas fixée ici.
Questions à poser à la classe
Quel format choisir pour archiver un enregistrement sans altération ? Pourquoi un MP3 réencodé en FLAC ne récupère-t-il pas les informations perdues ? Pourquoi deux fichiers au même débit peuvent-ils avoir des qualités différentes ?
⑧ Défi interactif : vérifie tes connaissances
Objectifs d'apprentissage
À la fin de la séance, l'apprenti doit pouvoir expliquer l'échantillonnage et la quantification, calculer un débit PCM, distinguer compression sans perte et avec perte, et choisir un format adapté à une situation concrète.
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