Qui sommes nous?
Bonjour, nous sommes trois élèves, Jonathan BENGUIGUI, Laurine GROSMOLLARD, Dorine CHARDON, de première scientifique au lycée de Champagnat, situé à Saint Symphorien sur Coise. Dans le cadre des Travaux Personnels Encadrés nous allons vous parler du codage informatique, omniprésent dans notre vie quotidienne.
Sommaire
Introduction
Présentation
Problématique
Annonce du plan
I. Les différences entre les codages binaire et hexadécimal
A) Le codage binaire
B) Le codage hexadécimal
C) Du codage décimal au binaire puis à l'hexadécimal
II. Le codage du texte
A) Les caractéristiques des différents codages
B) Des codages adaptés suivant leurs utilisations
Tableau ASCII
III. Le codage d'image et d'illustration
A) Les caractéristiques des différents codages
B) Des codages adaptés suivant leurs utilisations
IV. Le codage du son
A) Les caractéristiques du format audio
B) Définition des différents codages
Conclusion
Bilan
Ouverture
Bibliographie
Présentation
Problématique
Annonce du plan
I. Les différences entre les codages binaire et hexadécimal
A) Le codage binaire
B) Le codage hexadécimal
C) Du codage décimal au binaire puis à l'hexadécimal
II. Le codage du texte
A) Les caractéristiques des différents codages
B) Des codages adaptés suivant leurs utilisations
Tableau ASCII
III. Le codage d'image et d'illustration
A) Les caractéristiques des différents codages
B) Des codages adaptés suivant leurs utilisations
IV. Le codage du son
A) Les caractéristiques du format audio
B) Définition des différents codages
Conclusion
Bilan
Ouverture
Bibliographie
Introduction
Dès lors qu'une information est transmise on peut y associer un codage. En effet ,de nos jours on les retrouve quotidiennement sans même nous en apercevoir, par exemple à la radio, à la télévision, sur l'ordinateur et même avec les téléphones portables .. Sans ces différents types de codage adaptés à toutes les situations éventuelles et inimaginables, rien de toutes ces nouvelles technologies ne serait possible.
Comment un codage adapté permet il un meilleur transport de l’information ?
Afin de répondre à cette problématique nous aborderons tout d'abord les différences entre l'hexadécimal et le binaire puis nous finirons en détaillant chacun des différents supports: texte, image et son.
Comment un codage adapté permet il un meilleur transport de l’information ?
Afin de répondre à cette problématique nous aborderons tout d'abord les différences entre l'hexadécimal et le binaire puis nous finirons en détaillant chacun des différents supports: texte, image et son.
I Définition du codage
A) Le codage binaire
Le codage binaire est un mode de comptage en base 2. Un bit, c’est-à-dire le diminutif de « binary digit », peut alors prendre deux valeurs : 0 ou 1.
Pour illustrer ce procédé prenons l’exemple d’un circuit électrique. Lorsque le circuit est ouvert, le courant ne passe pas. On symbolisera alors cela par la valeur 0. Pour le cas contraire, lorsque le courant circule, on le symbolisera par 1.
Avec 1 seul bit on peut obtenir deux états : 0 ou 1
Avec 2 bits on peut obtenir 2^2 soit 4 états : 00 01 10 11
Avec 3 bits on peut obtenir 2^3 soit 8 états : 000 001 010 100 111 110 011 101
Et ainsi de suite.
On peut alors dire que sur n bits, on peut obtenir 2^n valeurs.
B) Le codage hexadécimal
Les nombres binaires étant de plus en plus long, il a fallu crée un nouveau système. C’est ainsi que le codage hexadécimal a vu le jour. Ce codage hexadécimal, est lui en base 16. Ne pouvant se servir que de chiffres et non de nombres, on utilise les valeurs décimales soit 0 ; 1 ; 2 ... Ainsi que le début de notre alphabet pour compléter, afin d’obtenir 16 caractères. On utilise donc aussi les lettres A ; B ; C ; D ; E et F.
Le codage hexadécimal prend moins de place que le codage binaire puisqu’il comporte 16 caractères au lieu de deux. Cela est donc très rentable lorsque le fichier que l’on souhaite coder est très long.
C) Du codage décimal au binaire puis à l'hexadécimal
Prenons l'exemple de 1238 (10) :
C'est un nombre décimal. Il faut donc trouvé la plus grande puissance de deux que l'on puisse soustraire a ce nombre de façon à ce que cette différence reste positive.
C'est donc 2^10 = 1024
1238 - 1024 = 214 214 > 0 → 1
214 - 512 = - 298 - 298 < 0 → 0
214 - 254 = - 42 - 42 < 0 → 0
214 - 128 = 86 86 > 0 → 1
86 - 64 = 22 22 > 0 → 1
22 - 32 = - 10 - 10 < 0→ 0
22 - 16 = 6 6 > 0 → 1
6 - 8 = - 2 -2 < 0 → 0
6 - 4 = 2 2 > 0 → 1
2 - 2 = 0 0 = 0 → 1
0 - 1 = - 1 - 1 < 0 → 0
Ainsi on peut en déduire que le nombre 1238 s'écrit 0100 1101 0110 (2) en codage binaire
0100 1101 0110
2^3 = 4 2^3 + 2^2 + 2^0 = 14 2^2 + 2^1 = 6
14 ↔ D
Ainsi on peut en déduire que le nombre 1238 s'écrit 04D6 (16) en codage hexadécimal
En conclusion, une même nombre peut s'écrire:
1 238 (10) en codage décimal
0100 1101 0110 (2) en codage binaire
04D6 (16) en codage hexadécimal
II Le codage du texte
A) Les différents types de codages et leurs caractéristiques
* L'ASCII : Les caractères sont comptés sur 7 bits qui sont représentés en binaire sur O et 1. C'est l'équivalent de 128 caractères soit 2^7. Ce codage fut inventé par les américains, cette langue ne comporte pas d'accents écris ni cédille il ne sont donc pas présent dans cet alphabet en revanche pour l'alphabet français
* ISO 8859-1 : les caractères sont comptés sur 8 bits. c'est l'équivalent de 2^8 soit 256 caractères différents. Ces derniers sont suffisant pour mémoriser notre alphabet latin avec les caractères spéciaux (accents, cédilles...)
* ISO 8859-15 : C'est une variante de l'ISO 8859-1 qui a les mêmes fonctionnalités en plus développées comme l'ajout de certain caractères spéciaux comme €, œ et Œ
*WINDOWS-1252 : C'est un codage propre au ordinateur Windows qui fonctionne de manière similaire à l'ISO avec comme seule particularité la différence de certains caractères
* MacRoman : C'est un codage propre au Apple Macintosh. Il possède les mêmes fonctionnalités que l'ISO et le Windows mise à part quelques différences dans les caractères spéciaux
* UTF-8 : Codage universel qui permet de reproduire un nombre de caractères quasi illimité tel que l'alphabet Chinois.
Ce codage est accessible depuis toutes plate formes et se code sur 8 à 32 bits.
Avec ce système on s'affranchit de la conversion des caractères spéciaux en code HTML. Un "e" avec accent aigu devient donc un "é" et non "é" dans le code source.
B) Les codages adaptés suivant leur utilisation
Il n'existe pas de codage idéal, ils sont simplement adaptés à différentes situations. Par exemple si vous avez besoin de taper un texte sans aucun caractères "spéciaux" le codage ASCII est très bien adapté, il se contracte afin de prendre le moins de place possible.
En revanche si vous avez un ordinateur spécifique tel que les mac d'appel ou un ordinateur windows il existe certains codages beaucoup plus adaptés.
Pour finir, si vous avez besoin de coder un texte comportant différents signe, comme le chinois par exemple, il faut alors choisir le codage UTF-8 qui sera néanmoins beaucoup plus volumineux
Prenons l'exemple du téléphone qui vous parlera surement. Lorsque vous écrivez un SMS sans aucun caractère dit "spécial", ce dernier ne prend pas beaucoup de place. En revanche dès lors que vous utilisez des caractères dit spéciaux, votre message subit automatiquement une transformation en MMS !
III Le codage d'image et d'illustration
A) Les caractéristiques des différents codages
Parmi tous les formats utilisés nous allons vous présenter ceux qui sont le plus répandus.
* BMP : Ce format est le plus simple d’utilisation, c’est pourquoi il est utilisé par le logiciel Windows. De plus avec ce format les images ne sont pas compressées. Le BMP est un fichier bitmap c'est-à-dire qu’il se compose d'un ensemble de points appelés pixels, dont les valeurs de chacun décrivent la couleur et l'intensité
* JPG ou JPEG : signifie Joint Photographic Experts Group : Ce format est très utilisé pour les images et les illustrations compliquées. Il permet un taux de compression impressionnant cependant cela entraine une perte d’information pouvant allée de 0% à 99% et donc par conséquent une perte de qualité.
Le format JPEG comporte des millions de couleurs néanmoins il ne prend pas en compte la transparence.
* GIF : Graphic Interchange Format. Ce format est un fichier de type bitmap comme le format BMP. De plus, le format GIF reste assez léger. Il permet de coder les animations cependant il ne prend pas en compte les nuances et se limite à 256 couleurs.
* PNG : Portable Network Graphics. Ce format est libre de droit ce qui lui permet d’être une alternative au format GIF dont l’utilisation requière une autorisation. Il permet de coder tous types d’images ainsi que la transparence cependant il ne prend pas en compte les animations. Le format PNG est disponible en 2 versions :
8 bits : type GIF avec 256 couleurs.
24 bits : type JPEG avec des millions de couleurs mais sans compression.
Avantages
|
Contraintes
| |
BMP
|
Aucune compression
| |
JPEG
|
Lisible par tous les navigateurs
Compression
Millions de couleurs, image détaillées
|
Perte d’informations lors de la compression pouvant aller de 0% à 99%
Ne permet pas la transparence
|
GIF
|
Format léger
Permet de coder des animations
Permet la transparence (1 bit : transparent ou non )
|
Format destructeur de l’image
Ne supporte pas les nuances
Limite de 256 couleurs
|
PNG
|
Libre de droits
Format non destructeur de l’image lors de la compression
Gère la transparence (256 niveau )
Millions de couleurs (PNG 24 bits)
|
Ne code pas pour les animations
Transparence non supportée par les anciens navigateurs (par exemple Internet Explorer 6)
Pas de compression : poids parfois très important (supérieur au JPEG)
|
B) Des codages adaptés suivant les utilisations
B) Des codages adaptés suivant les utilisations
*Pour les animations :
Le format GIF est un des seuls codages à pouvoir les supporter. Il reste le plus utilisé.
*Pour les photographies :
Le format GIF est déconseillé puisqu’il ne permet pas de coder un grand nombre de couleurs soit 256. De plus il ne supporte aucun dégradé ainsi la qualité de l’image est dégradé. Il n’y a donc pas intérêt à le choisir.
Quant au format PNG, il code les photographies complexes et permet la transparence ainsi on obtient des photos de très bonne qualité. Cependant celui-ci ne supportant pas la transparence les images ont un poids considérable.
Ainsi pour les photos le JPEG est le plus adapté malgré l’absence de transparence puisqu’il code avec beaucoup de couleurs (des millions), supporte les nuances et dégradés Cela permet donc d’obtenir des images complexes de haute qualité. C’est ce format qui est généralement utilisé par les photographes.
*Pour les images simples et logos :
Le format GIF est aussi beaucoup utilisé pour coder les icones, logos, dessins et images très simple. Le PNG est lui aussi utilisé car ce sont des graphiques simples qui ne nécessite pas beaucoup de détails, ainsi le fait que ce format ne supporte aucune compression n’est pas gênant.
IV Le codage du son
A) Les caractéristiques du format audio
Un format dit audio est un type de fichier utilisé pour stocker des sons sous format numérique. Ce signal est transformé en fichier puis de nouveau en signal qui est fait grâce à un programme appelé CODEC soit Codeur / Décodeur. Au fil des années de nombreux codec sont apparus avec leurs avantages et spécificités différentes. Il faut tout de même se dire qu'il existe deux groupes de codages qui sont très différents soit le codage destructif et non destructif. Pour ces groupes ils existent de fortes différences: Les techniques de compression destructrices se basent essentiellement sur des méthodes qui exploitent les capacités de l'oreille humaine. Nous savons que nous pouvons percevoir des fréquences de 20Hz à 20KHz (variable selon les individus). Prenons comme exemple un morceau de musique contenant des fréquences hors de cette gamme. Il est donc possible de les supprimées.
Pour aller plus loin, nous savons que les fréquences situées dans la gamme [2 kHz - 5 kHz] son mieux perçus par l'oreille humaine. En effet, moins de 5dB de niveau sonore suffisent pour entendre les fréquences situées dans cette bande alors qu'il faut plus de 20dB pour entendre les fréquences situées en dessous de 100Hz ou au-dessus de 10kHZ. Ces constatations peuvent être exploitées pour réduire la taille des fichiers. On peut par exemple décider que toutes les fréquences au-dessus de 15kHz seront supprimées. Voilà donc une technique de compression rapide et efficace.
Il existe aussi une destruction de sons par rapport à son niveau sonore. En effet, si un son est considéré comme trop faible par rapport à certain il est supprimés ou encore les sons en stéréos sont représenté par un seul et même enregistrement car les 2 bandes de sons étant similaires le codage n'enregistrera qu'une seule bande. Il existe une autre solution plus utilisé qui consiste à faire varier le "niveau de compression" du MP3 en fonction du bitrate (débit de bits). Par exemple, un bitrate de 128 kb/s permet d'obtenir approximativement la qualité des signaux "radio" alors qu’à partir de 160 kb/s le résultat se rapproche de la qualité d'un CD. Ce caractère permet donc de diminuer fortement le volume du fichier. Il existe bien sûr d'autres particularités du codage destructif. Si nous prenons comme exemple un codage non destructif. On considère qu'un son est une fréquence et donc une seconde de musique est une succession de fréquence. Il y a certaines caractéristiques qui permettent de réduire la longueur du codage comme par exemple si un son est répété plusieurs fois à la suite nous pouvons utiliser seulement 2 chiffres soit un pour coder la fréquence et un autre pour le nombre de répétition alors que si un son se répète 15 fois il faudra 15 chiffres soit une forme prenant une place beaucoup plus important. Pour ce type de codage une méthode revient très souvent soit l'algorithme de Huffman. (Ne se limite pas qu’aux sons) Elle repose sur l'utilisation d'un code de longueur variable et la probabilité d'apparition d'une même fréquence. Au final plus une fréquence est utilisée plus son code sera court et le contraire pour une fréquence qui est peu présente (peut de bits utilisés). Le fichier est lu une 1ère fois et on dresse un tableau des fréquences apparaissant et le nombre de fois où elles apparaissent. On en déduit le code approprié. Ce codage est utilisé en dernier lieu. C'est la phase finale de la compression.
Au final on se rend compte que la compression d'un fichier audio est limitée si nous ne voulons pas baisser la qualité de la bande sonore. Il faut donc faire un choix et c'est pourquoi différents codages ont été créés pour répondre au besoin de tous. Nous allons donc vous en présenter les principaux.
(B) Définition des différents codages
* WMA (Windows media audio) :
Il a été créé par Microsoft en 1999 pour pouvoir supporter tous les types de fichiers audio. Par la suite ce codage sera amélioré et d'autres versions sortiront avec quelques différences comme par exemple le WMA Standard, le WMA Pro, le WMA Lossless et le WMA Voice...Quant à son utilisation elle est surtout utilisée pour Windows même s'il est possible de l'utiliser avec d'autres processeurs. Ses caractéristiques sont telles que les signaux sonores analogiques échantillonnés à une fréquence pouvant aller de 8 kHz à 48 kHz, sur 8 ou 16 bits, en mono ou stéréo. L'encodage se fait à n'importe quelle valeur comprise entre 5 kbits/s et 192 kbits/s
* WAV :
C’est le plus répandu des fichiers de types WAV. Les sons sont échantillonnées à différentes fréquences soit 11, 22, 44 ou 96 kHz en 8 ou 16 bits sous formats stéréo ou mono. Il nous laisse donc accès à un fort panel d’options. Il a été mis au point par Microsoft pour être utilisé sous Windows (possible sous d’autres mais moins performant). Plus la fréquence de l’échantillonnage est importante, plus le fichier sera lourd en octets. On peut donc vite se retrouver avec des fichiers de plusieurs dizaines Mo (Mégaoctets) comme par exemple pour un morceau de musique de 3 à 4 minutes. La taille d'un fichier sous format Wave dépend donc de la durée et la fréquence de l’enregistrement. Cette taille est calculable à l'aide d'une formule simple pour représenter ce format (durée en secondes) x (fréquences en hz) x 2. Et donc plus la fréquence de l’échantillonnage est importante, plus le fichier sera lourd en octets. On peut donc vite se retrouver avec des fichiers de plusieurs dizaines de Mo (Mégaoctets) comme par exemple pour un morceau de musique de 3 à 4 minutes. Le format Wave est le format requis pour, par exemple, associer des sons à des événements Windows. Il est considéré comme un fichier de base qui peut utiliser différents codecs. Nous avons donc une bonne qualité de son avec une perte moindre mais des dossiers plutôt volumineux
* MP3 :
C'est un codage dit fortement destructif qui est sorti en 1980 par les firmes Thomson. Avec ce codage nous pouvons faire une forte compression des fichiers soit 1 Mega par min mais c'est ce qui entraîne une forte baisse de qualité. A sa sortie le codage permettait d'avoir de la stéréophonie à 128kbps sans perte de qualité audible ainsi qu'une fréquence d’échantillonnage de 44,1kHz avec une résolution de 16 bits. Il est compatible avec tous les réseaux (Windows, Linux …) C'est un codage très ouvert et qui s’est fortement développé. Il a été adopté par la majorité des sites de vente de musiques en ligne mais malgré cela nous pouvons qualifier se codage d’arriéré. Il y a maintenant beaucoup de codages qui sont meilleurs que le Mp3 en différents points du vus mais celui qui se rapproche le plus étant le OGG vorbis dont nous vous présenterons les caractéristiques plus tard. Pour le moment les seuls avantages du Mp3 sont sa facilité d'utilisation et le fait qu'il soit compatible avec presque tous les processeurs. Il est principalement utilisé pour écouter de la musique en streaming ou télécharger des bandes sonores. Il est tout de même dit le plus populaire des codecs même s'il est payant.
* OGG Vorbis
C'est un codec très similaire au Mp3. Il est sorti en 2002. Ce format qui ressemble au Mp3 à différentes caractéristiques que ce dernier ne possédait pas comme l'enregistrement polyphonique allant jusqu'à 7 canaux alors que pour le mp3 seulement de la stéréophonie soit 2 canaux. Quant à son débit, il varie entre 32 et 512 kbit/s, ce débit varie en fonction du type de bitrate utilisé soit constant ou variable. Par exemple avec le bitrate constant le débit s'élève entre 16 et 128 kbits/s alors qu'en variable il s'élève à 512 kbit/s. Rien que pour cela il est qualifié comme meilleur codec que le Mp3 car il a un plus large panel pour son débit et une meilleure restitution de la bande sonore. Quant à la fréquence il est possible d'encoder de 8kHz à 48 kHz sur 16 bits ou plus selon les caractéristiques du fichier. Il est dit que ce format à un fort potentiel pour la diffusion de musique en streaming et quelque lacune pour le téléchargement.Son principal défaut est qu'étant sorti il y a peut de temps, il n'est pas compatible avec tout les équipements. Il est donc difficile de coder ses musiques dans certains formats. De plus, sa compression est très complexe et il faut donc avoir un matériel assez développé. Mais même avec un bon équipement la complexité de l'encodage entraîne un temps de compression parfois important en comparaison avec d'autres codecs.
* AAC (Apple audio codec ) :
Ce codage est, au départ, réservé à la marque Apple mais au fils des années des personnes on créé un codage AAC pour d'autres systèmes même s'ils sont moins performants. AAC utilise un encodage dit à débit variable c'est-à-dire un encodage qui permet d'adapter le nombre de bits utilisés par seconde pour encoder les données audio. L'algorithme utilisé est plus performant que celui du MP3, ce qui permet d'obtenir de plus petits fichiers avec une meilleure qualité, tout en nécessitant moins de ressources pour l'encodage ou le décodage. En comparaison au deux canaux maximum (en stéréo) supportés par le format MP3, le format AAC permet un enregistrement polyphonique jusqu'à 48 canaux. Le format AAC permet en plus une restitution sonore dans la bande de fréquence 8Hz-96.0kHz,
* FLAC (Free Lossless Audio Codec) :
Il été créé par John Coalson et développé par Xiph.org. Il possède une bonne compression soit environ une diminution de 50-60% du fichier original tout en gardant une bonne qualité (moins que MP3 mais un rapport qualité-compression beaucoup plus avantageux). La compression consiste à éliminer l'information basée sur notre propre limite de perception. Puisque l'oreille n'est pas sensible à toutes les fréquences audio (seulement entre 20Hz et 20KHz), et que sa sensibilité varie selon certaines d'entre elles, il est possible de réduire la quantité de données de telle sorte que le résultat soit très ressemblant à l'original, voire identique, pour l'oreille humaine. Il supporte de 1 à 8 canaux de 4 à 32 bits. Ce codec est très ouvert, il est possible de convertir presque n'importe quel format audio en Flac. Comme nous l’avons vu, il est possible de compresser fortement les fichiers Flac mais aussi de garder une très bonne qualité (il s'agit d'un codec destructif inférieur au Mp3). Quant à son utilisation, le format Flac est très bien pour le téléchargement mais aussi pour le streaming.
Conclusion
Pour conclure, nous pouvons dire qu’il existe un très grand nombre de codages. C’est donc pour cela que nous en avons sélectionné seulement quelques uns, les plus couramment utilisés et représentatifs du codage d’informations. Au terme de ce TPE nous pouvons en déduire qu’il n’existe pas de codage idéal. En effet, chaque codage possède ses propres qualités et défauts.
D’une part pour le texte, L'ISO 8859-15 devrait être le codage le plus utilisé or mac et Windows ont eux, créé un codage qui leur est propre afin de ne pas être décodé par les autres utilisateurs. Enfin le codage UTF-8 fut créé afin de pouvoir créer des textes en chinois ou autre langue comportant des symboles différents de notre alphabet latin.
D’autre part, au niveau du codage d’images et d’illustrations, le premier codage mis en place a été le format BMP. Cependant celui-ci ne supportant pas la compression, d’autre format ont rapidement été crées. Chacun d’eux possède alors ses propres caractéristiques et permet de coder au mieux suivant les besoins recherchés. En effet, si l’on veut privilégier la compression ou la qualité, le codage sera différent.
Pour terminer, à propos du son, on se rend compte que les formats audio sont à la fois nombreux et diversifiés. Chacun possède des caractéristiques distinctes qui permettent d'avoir un usage différent selon les capacités de base. Au final, chaque codage audio est adapté à différents usages, ce qui permet d'exploiter leurs points forts.
Nous savons qu’un ordinateur classique traite des informations élémentaires, des bits, qui ne peuvent présenter qu’un état parmi les deux états possible: 0 ou 1. C’est le langage du binaire. De plus nous pouvons certifier que au fur et a mesure des années a venir, de nouveaux codages vont faire leurs apparitions. Il existe déjà un ordinateur dit quantique capable de calculer n fois plus vite qu’un ordinateur classique puisque ce dernier est capable d’effectuer ces calculs en parallèle !
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http://sitelec.org/cours/abati/domo/transport.htm
http://www.commentcamarche.net/contents/95-le-codage-binaire
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http://www.fsr.um5a.ac.ma/cours/informatique/elbenani/Codage.pdf
http://www.fsr.um5a.ac.ma/cours/informatique/elbenani/Codage.pdf
http://openclassrooms.com/courses/apprenez-a-creer-votre-site-web-avec-html5-et-css3
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