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Diffusion en continu à débit adaptatif (ABR)

Qu'est-ce que la diffusion en continu à débit adaptatif ?

La diffusion en continu à débit adaptatif (ABR) est une méthode de diffusion vidéo qui ajuste automatiquement et en temps réel la qualité du flux vidéo en fonction de la vitesse de connexion du spectateur, des performances de son appareil et des conditions de lecture.

Elle garantit une lecture fluide en basculant entre différentes versions à débit binaire variable de la vidéo, minimisant ainsi la mise en mémoire et les pertes de qualité.

Protocoles de streaming compatibles ABR

_ Remarque_ : Les anciens protocoles comme RTMP et RTSP ne prennent pas en charge l'ABR nativement. L'ABR s'est donc généralisé avec la diffusion basée sur HTTP, plus évolutive et compatible avec les CDN (réseaux de diffusion de contenu) et les appareils modernes.

Technologies sous-jacentes au streaming à débit adaptatif

Fonctionnement du streaming à débit adaptatif

Étape 1 : Encodage à débits multiples

La vidéo originale est compressée en plusieurs versions, chacune avec une résolution et un débit différents (par exemple : 240p, 480p, 720p et 1080p).

Ce processus garantit aux utilisateurs disposant de connexions Internet et d'appareils aux capacités variées la possibilité de visionner la vidéo avec la qualité la plus adaptée. En préparant différentes versions à l'avance, le système permet une commutation en temps réel pendant la lecture, pour une expérience visuelle fluide.

Étape 2 : Segmentation de la vidéo

Après l'encodage, chaque version de la vidéo est divisée en courts segments temporels, généralement de 2 à 10 secondes. Ces courts segments autonomes permettent au lecteur vidéo de basculer rapidement entre différents niveaux de qualité, selon les besoins.

En travaillant avec des segments plutôt qu'un flux continu, le système permet un contrôle précis de la qualité de lecture et garantit un streaming fluide et adaptatif, quelles que soient les conditions du réseau.

Étape 3. Génération du fichier manifeste

Un fichier manifeste (ou fichier d'index) est créé (par exemple, .m3u8 pour HLS, .mpd pour MPEG-DASH). Ce fichier contient des informations importantes telles que les débits disponibles, les résolutions, les URL des segments, les codecs et autres métadonnées nécessaires à la diffusion à débit adaptatif.

Étape 4. Démarrage de la lecture

Lorsque l'utilisateur appuie sur Lecture, le lecteur vidéo télécharge d'abord le fichier manifeste pour identifier les qualités vidéo disponibles et les URL des segments. Il sélectionne ensuite un flux à faible ou moyen débit pour démarrer la lecture rapidement et limiter les risques de mise en mémoire.

Ce choix de débit initial garantit un démarrage fluide de la vidéo, même avec une connexion lente ou instable. À mesure que le lecteur recueille des informations sur l'état du réseau, il se prépare à basculer vers une qualité supérieure ou inférieure si nécessaire.

Étape 5. Surveillance du réseau et de la mémoire

Pendant la lecture vidéo, le lecteur vérifie en continu la vitesse de téléchargement des données (bande passante disponible), la quantité de vidéo déjà chargée et prête à être lue (taille de la mémoire tampon) et les performances de l'appareil (processeur ou performances du périphérique).

En surveillant ces facteurs en temps réel, le lecteur peut adapter la qualité vidéo pour une lecture fluide, sans interruption ni mise en mémoire.

Étape 6. Adaptation du débit binaire

À partir des données en temps réel issues de la surveillance du réseau et de la mémoire, le lecteur sélectionne intelligemment un débit binaire supérieur ou inférieur pour le segment vidéo suivant. Si la connexion est stable et performante, il passe à un flux de meilleure qualité.

En cas de baisse de bande passante ou de réduction de la taille de la mémoire, il réduit le débit binaire pour éviter les interruptions. Cette adaptation est continue, segment par segment, garantissant ainsi une adaptation optimale du flux aux conditions changeantes.

Étape 7. Lecture sans interruption

Le lecteur effectue les changements de qualité entre les segments, et non pendant leur lecture, ce qui rend la transition quasi imperceptible pour le spectateur. Chaque segment étant court et indépendant, le lecteur peut modifier les niveaux de qualité sans provoquer de mise en mémoire ni de sauts de lecture.

Par conséquent, le spectateur bénéficie d'une expérience de streaming fluide et continue, même en cas de changement de conditions.

Processus associés au streaming à débit adaptatif

1. Encodage

L'encodage est le processus de conversion de la vidéo brute en formats numériques compressés adaptés au streaming. Pour le streaming à débit adaptatif, la vidéo est encodée plusieurs fois à différents débits, résolutions et parfois fréquences d'images. Par exemple, une vidéo peut être encodée en :

• 240p à 400 Kbit/s

• 480p à 1 Mbit/s

• 720p à 2,5 Mbit/s

• 1080p à 5 Mbit/s

• 4K à plus de 10 Mbit/s

Chaque version offre un compromis entre qualité et bande passante, permettant au lecteur de s'adapter en temps réel aux conditions de connexion.

2. Segmentation (Découpage de la vidéo en morceaux)

Après l'encodage, chaque version de la vidéo est divisée en courts segments temporels (morceaux), généralement de 2 à 10 secondes. Ces segments sont enregistrés dans des fichiers séparés. Le lecteur peut ainsi combiner des segments de différents débits de manière fluide.

Par exemple, le lecteur peut commencer par des segments en 480p, puis passer en 720p si la connexion s'améliore.

3. Création du fichier manifeste

La création du fichier manifeste consiste à générer un fichier manifeste qui répertorie toutes les qualités vidéo disponibles et les URL de chaque segment. Le manifeste est la « liste de lecture » ​​utilisée par le lecteur pour demander les données vidéo. Exemples :

• HLS : utilise le format de manifeste .m3u8.

• MPEG-DASH : utilise le format .mpd (Media Presentation Description).

Ces fichiers contiennent des métadonnées relatives aux débits binaires, aux résolutions, aux codecs et à la durée des segments.

4. Logique du lecteur (algorithme de débit adaptatif)

L'algorithme de débit adaptatif (ABR) intégré au lecteur vidéo lit le fichier manifeste, mesure la vitesse du réseau et détermine le débit binaire à charger pour chaque segment.

Cette logique prend en compte :

• La bande passante réseau actuelle et moyenne

• La longueur du tampon de lecture

• Les performances du processeur/GPU de l'appareil

• Le succès ou l'échec des téléchargements précédents

L'algorithme ajuste dynamiquement la qualité en sélectionnant des segments à débit binaire plus élevé ou plus faible pour une lecture fluide et ininterrompue.

5. Diffusion par CDN (réseau de distribution de contenu)

Un CDN garantit que tous les segments vidéo, à tous les niveaux de qualité, sont stockés sur plusieurs serveurs répartis dans différentes zones géographiques. Lorsqu'un utilisateur lance la lecture, le serveur CDN le plus proche distribue les segments vidéo, réduisant ainsi la latence et les temps de chargement.

Les CDN rendent le débit adaptatif évolutif et résilient, même en période de forte affluence.

6. Gestion du tampon

Le lecteur vidéo utilise un tampon : une zone de mémoire temporaire où les segments sont préchargés avant la lecture. Une gestion efficace du tampon permet au lecteur de précharger suffisamment de contenu pour éviter les interruptions sans surcharger la mémoire.

L'algorithme ABR prend également en compte le niveau de remplissage du tampon afin d'éviter les variations de débit trop importantes qui pourraient entraîner des blocages de lecture.

7. Rapports de métriques

Pendant la lecture, le lecteur collecte des données telles que :

• Temps de téléchargement des segments

• Changements de débit

• Sous-alimentation du tampon

• Erreurs de lecture

Ces informations permettent d'améliorer les sessions de streaming ultérieures et sont souvent envoyées aux plateformes d'analyse ou aux serveurs de streaming pour le suivi et l'optimisation de la qualité de service.

Débit adaptatif vs Téléchargement progressif

Qu'est-ce que le téléchargement progressif ? Il s'agit d'une méthode simple où le fichier vidéo est téléchargé depuis un serveur web et la lecture démarre une fois qu'une portion suffisante a été mise en mémoire, sans ajustement de la qualité pendant la lecture.

Comparé au streaming à débit adaptatif (ABR), le téléchargement progressif offre moins de flexibilité, aucune possibilité de changement de qualité et peut entraîner des mises en mémoire sur les connexions lentes.
Voici une comparaison complète du streaming à débit adaptatif (ABR) et du téléchargement progressif :

Le streaming ABR est idéal pour :

• Une lecture fluide quelles que soient les conditions réseau.

• La création d'une plateforme vidéo moderne axée sur l'expérience utilisateur.

• La prise en charge de plusieurs appareils et résolutions.

Le téléchargement progressif est idéal pour :

• Les vidéos courtes ou les intégrations web simples.

• Lorsqu'il n'est pas nécessaire de prendre en charge plusieurs niveaux de qualité.

• Des conditions réseau stables et prévisibles.

Avantages du streaming à débit adaptatif

Cette section met en lumière les avantages du streaming à débit adaptatif (ABR) et résume son fonctionnement. En résumé, voici ce que propose le streaming adaptatif :

Lecture fluide

L'ABR ajuste dynamiquement la qualité vidéo en fonction des conditions en temps réel. Si la connexion réseau de l'utilisateur ralentit, le lecteur bascule automatiquement vers un flux à débit inférieur pour éviter la mise en mémoire. Dès que la connexion s'améliore, il revient instantanément à une qualité supérieure, assurant ainsi une lecture vidéo sans interruption.

Optimisé pour tous les environnements réseau

Que ce soit avec le haut débit, les données mobiles ou un Wi-Fi instable, l'ABR sélectionne intelligemment le niveau de qualité le plus adapté à la bande passante disponible. Autrement dit, le streaming à débit adaptatif offre la meilleure expérience possible, quelle que soit la qualité de la connexion.

Large compatibilité avec les appareils

Comme le streaming ABR utilise généralement des protocoles HTTP tels que HLS ou MPEG-DASH, il fonctionne sur ordinateurs, smartphones, téléviseurs connectés et tablettes. Aucun plugin ni lecteur spécifique n'est requis.

Utilisation efficace de la bande passante

Le débit adaptatif évite l'envoi de flux à haut débit lorsque cela n'est pas nécessaire, ce qui réduit la consommation de données et les coûts de diffusion. C'est particulièrement avantageux pour les utilisateurs mobiles ou ceux disposant d'une connexion limitée.

Démarrage plus rapide

Au lieu d'attendre la mise en mémoire tampon d'un flux haute résolution, le débit adaptatif démarre avec une version à débit inférieur qui se charge rapidement, permettant ainsi un démarrage quasi instantané de la lecture.

Changement de qualité fluide

Le débit adaptatif permet un changement de qualité fluide entre les segments vidéo. Ces transitions sont pratiquement imperceptibles pour le spectateur, garantissant une lecture continue même lorsque la qualité change.

Évolutivité et rentabilité

Compatible avec les serveurs HTTP et les CDN standard, il facilite la diffusion de contenu à des millions d'utilisateurs sans infrastructure de streaming dédiée. En résumé, le streaming à débit adaptatif améliore considérablement l'expérience utilisateur et maintient l'engagement des spectateurs en s'adaptant à leurs besoins en temps réel.