Traitement des sons par l'ordinateur

En fait, tout a commencé lorsque je me suis demandé quels greffons de gstreamer je devrais installer.
Le son, la vidéo sont les composants essentiels des fichiers multimédia.
Lorsqu'il s'agit de choisir un lecteur multimédia, il est judicieux de se demander ce qu'il doit effectivement lire.

Le son est tout d'abord une sensation. Votre cerveau perçoit, après plusieurs transformations, un phénomène physique. Cette perception peut être aussi bien agréable comme agressive. Il peut s'agir du chant d'un merle tout comme du bruit d'un marteau-piqueur. Mais il s'agit du même phénomène physique qui en est à l'origine : une source sonore.

Cette source sonore peut être très diversifiée : votre propre voix, un camion qui passe, la corde d'un violon ... Si vous pouvez analyser un peu plus, vous pouvez vous rendre compte qu'il s'agit toujours d'une vibration : cordes vocales, moteur du camion, corde de l'instrument de musique ...

Et, pour arriver jusqu'à votre oreille, cette vibration emprunte une route qui est le plus souvent l'air environnant, mais qui peut également être un autre support gazeux, liquide ou solide. Mais pas le vide. La transmission de cette vibration (une onde sonore) se fait par la mise en mouvement de la matière (air, eau, mur ...).

D'une façon très générale, en électronique, le son est donné par une tension ou un courant électrique variant de façon continue. C'est ce qu'on appelle un signal analogique.
Ce signal est ensuite amplifié, éventuellement transformé (par exemple pour donner de l'écho) et enfin envoyé sur les haut-parleurs de vos enceintes acoustiques. Là, les variations de courant sont transformées en vibrations sonores qui parviennent jusqu'à vos oreilles.

Venons-en à l'ordinateur.

Vous venez de voir que le microphone délivre un signal analogique et que le haut-parleur (qui peut être intégré dans votre écran) a également besoin d'un signal analogique.
Mais vous vous souvenez certainement qu'un ordinateur ne travaille qu'en digital.
C'est là qu'intervient un processus de transformation du signal analogique en signal digital.

La première opération consiste à transformer le signal analogique en données numériques. C'est le convertisseur analogique digital (CAD)
Pour ceci, à intervalles de temps réguliers et très rapprochés, la grandeur du signal analogique est mesurée et convertie en valeur numérique. La figure de droite illustre ceci pour le signal précédent (Survolez l'image).
Dans ce processus, deux valeurs sont importantes :

• la fréquence de l'échantillonnage en échantillons/s
  • 8 000 : qualité téléphone
  • 22 000 : qualité radio
  • 44 100 : qualité CD
  • 48 000, 96 000 : qualité professionnelle
• la finesse du découpage de l'amplitude en nombre de bits, ce qui se traduit par une valeur numérique
  • 8 bits = 256 niveaux : qualité téléphone
  • 16 bits = 65 536 niveaux : qualité CD
  • 24 bits = 8 388 608 niveaux

Plus on augmente fréquence et finesse, meilleure sera la qualité du son, mais cela produira également de plus en plus de données digitales, pour le même son de départ.
Nous verrons plus loin que, dans certains processus de codage des données digitales, la fréquence d'échantillonnage peut être variable et s'adapte à la complexité du signal.

C'est le nombre de bits transmis par unité de temps. Un débit binaire s'exprime en bit/s ou en octets par seconde et leurs multiples : kbit/s, Mbit/s, Gbit/s, ko/s, Mo/s, Go/s.

Pour un signal audio non compressé, le bitrate dépend de la fréquence d'échantillonnage, de la finesse de l'échantillonnage et du nombre de canaux. Il se calcule.
Exemple d'un CD audio : échantillonnage 44100/s à 16 bits, 2 canaux (stéréo)
débit br = 44100/s * 16 bits * 2 = 1 411 200 b/s = 1 411 200/1024 = 1 378 kb/s = 172 ko/s
Lorsque le signal est compressé, ce débit va diminuer. Certains algorithmes de compression conservent toute la qualité du son, mais si l'on veut diminuer fortement le débit, il faut utiliser des compressions qui réduisent peu ou prou la qualité.

Par exemple, pour le codec mp3, on peut choisir le bitrate. Par défaut le bitrate est de 64kb/s, ce qui donne des fichiers extrêmement légers mais des morceaux de piètre qualité musicale. Il faut donc modifier ce bitrate, on conseille un minimum de 128 kb/s, mais pour avoir le meilleur rapport qualité/taille, préférez 192 kb/s, et sachez que les bitrates courants peuvent aller jusqu'à 320 kb/s.

Du fait de leur grand volume, il faut compresser les données obtenues par la numérisation, par des traitements mathématiques. Cette compression peut se faire sans perte de qualité ou avec des pertes plus ou moins importantes.
Finalement, le codage des données audio comprend à la fois les caractéristiques de l'échantillonnage et, éventuellement, la façon de compresser ensuite ces données.

Ces données audio, une fois encodées, doivent être contenues dans un fichier d'un format approprié.