La télévision haute définition

04/09/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-11:19780
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La télévision haute définition

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PRÉSENTATION GÉNÉRALE La télévision haute définition Par Jean-Pierre LACOTTE, Président HD-Forum Introduction Parmi les média existants la "petite lucarne" a toujours été fascinante pour les hommes, et aujourd'hui en 2005 tout semble réuni pour que la France puisse franchir une nouvelle étape que certains autre pays ont franchi au cours des dernières années, Japon, USA, Corée, Taiwan: la télévision haute définition. En effet, 17 industriels représentant des producteurs- éditeurs, des industriels, diffuseurs-distributeurs ont, le 8 juillet 2004 en présence de Monsieur P. Devedjian Ministre de l'industrie décidé de joindre leurs efforts pour contribuer activement à la promotion de la télévision haute définition. A ces 17 fondateurs une quarantaine d'autres entreprises se sont ajoutées, représentant toutes celles qui, par leurs actions coordonnées, peuvent agir pour assurer le succès de cette activité, en particulier en tentant de convaincre les autorités publiques de favoriser l'introduction de services par un environnement réglementaire approprié. L'objectif de ce dossier est de faire le point sur l'état de l'Art du domaine. Pour en couvlir les divers aspects, un grand nombre de membres du HD-Forum avec quelques autres spécialistes se sont regroupés pour rédiger cette monographie découpée en trois parties distinctes. Petit rappel historique Avant d'arriver à la période actuelle de la télévision il semble nécessaire de remonter le temps pour comprendre à la fois l'évolution et la compétition entre les laboratoires de recherches, et d'analyser les différentes réactions du marché aux propositions qui lui ont été faites. Transmettre et reproduire des sons, des images et/ou des données sur de longues distances est une préoccupation très ancienne. En France on peut associer cette recherche à des préoccupations politiques. Claude Chappe (1763-1805) avec ses frères, reçut de la Convention en 1793 des subsides pour établir son premier système de télégraphe - sémaphore, un réseau de liaison visuelle sur plus de 200 kilomètres Paris-Lille qui servit a transmettre quelques bonnes nouvelles '. Vers 1837 l'Amélicain Samuel Morse (1791-1872) révolutionne le télégraphe optique de Chappe. Des piles, un interrupteur, un électro-aimant et des fils suffisent. Il conçoit également un code très simple basé sur des combinaisons de signaux courts et longs: le Morse. Huit années plus tard, la premiè- re ligne télégraphique française fonctionne entre Paris et Rouen. Un peu plus tard encore, aux États- Unis, Alexander Graham Bell (1847-1922) et Thomas A Watson (1854-1934) utilisant les effets électtiques obtiennent le brevet de base du téléphone 2. Dorénavant, les données et les sons franchissent de très longues distances, il fallait ensuite trouver des idées pour faire transiter des images sur des réseaux en l'occurrence celui du téléphone qui se déployait rapidement. Edouard Belin (1876-1963) a montré en 1907 comment traduire les blancs et les noirs qui composent une photographie en signaux sonores se déclinant du plus aigu (le blanc) au plus grave (le noir). Le Bélinographe était né et a eu avec les agences de presse et les journaux un développement très impor- tant 3. Mais ce n'était encore que des images flxes. L'étape suivante, l'image animée, a été franchie par l'Ecossais John Baird (1888-1946) qui a montré publiquement une réalisation de balayage mécanique à 16 lignes, principe de base de la télévision, en 1926 après avoir obtenu un brevet sur ce sujet en 1923 4. La technologie se consolide A partir de cette date de nombreux laboratoires à travers le monde travaillent à la mise au point de la télévision en franchissant de nombreuses étapes. En 1 Le télégraphe, hllp://chappe.ec-lyon.fr/ 2 Le téléphone, hltp://www.lucidcafe.com/library/96marlbelJ.html 3 Le Bélinographe, hnp:l/www.cndp.fr/revueTDCI752-40978.hlm 4 La télévision de John Logie Baird, hnp://www.thocp.netlbiographie /bairdjohn.htrn REE HORS SÉRIE N"I Septembre 2005 PRÉSENTATION GÉNÉRALE se concentrant sur l'objectif de ce dossier qui porte sur la haute définition, limitons cette rapide analyse à ceux qui ont contribué à faire progresser la définition verticale, horizontale, ainsi qu'au format de l'image. Au cours de la décennie 1930, la résolution verti- cale est rapidement passée à 30, 60, 120, puis 180 lignes passant de balayage mécanique à un balayage électronique pour atteindre 400 lignes entrelacées 5. L'idée d'entrelacer deux trames était issue d'un compromis entre les besoins de persistance lumineuse pour l'observateur et la nécessité de réduire au maximum la bande passante des divers signaux. En France, les premières réalisations ont été effectuées par La Compagnie des Compteurs avec René Bmthélémy, (1889-1954) (1935-180 lignes, 1937-455 lignes, et 1941, 1015 lignes) et pm· la Compagnie Générale de Télévision qui deviendra Radio Industrie avec Henri de France (1911-1986) qui a montré des images à 767 et 1 200 lignes en 1942. En parallèle avec ces travaux de laboratoire, les premières émissions pour quelques centaines de privilégiés commencent en France dès 1935 avec une résolution de 180 lignes. A cette époque les standards étaient loin d'être figés et la résolution verticale a souvent évolué alors que le parc installé n'a jamais dépassé les quelques centaines initiales. Après les tragiques événements de la guene qui ont beaucoup ralenti la recherche et bloqué les développements, le premier studio de Cognacq-Jay commence en 1945 à fournir les premières images au standard 819 lignes 50 Hz noir et blanc 4/3, dans le standard proposé par René Bmthélemy, qui avait été finalement adopté l'année précédente. De leur côté, les Britanlùques normalisèrent le 405 lignes 50 Hz noir et blanc 4/3, et les Américains le 525 lignes 60 Hz noir et blanc 4/3. Cette situation a rapidement rendu les échanges de programmes entre pays très complexes particulière- ment en Europe ou, du fait de distances courtes, la chose pouvait être la plus facile. Heureusement l'UER 6 avait été créée dès 1950 et fut à l'origine de nombreux travaux de normalisation 7. L'étape suivante a été gagnée par Henri de France en 1967 avec l'adoption par la France du procédé SECAM pour la couleur mais en convergeant vers les autres pays d'Ew·ope, ramenant de ce fait l'image à 625 lignes/50 Hz entrelacé au fonnat 4/3 confonnément au rapport 624 du CCIR 8. La bataille des standards couleurs a été rude, le SECAM proposé pm· la France a été adopté pm· de nombreux pays d'Europe de l'Est et du Moyen-Orient ou d'Afrique francophone, tandis que tous les autres européens et ceux des zones 50 Hz adoptaient le PAL, et les zones 60Hz sous influence américaine adoptaient le NTSC. La télévision, un marché émergent Avec ce véritable décollage du mm·ché de la télé- vision dans le grand public, d'abord en noir et blanc rapidement relayé par la couleur, les laboratoires pou- vaient poursuivre leurs travaux pour améliorer d'une manière générale la qualité des images soit : • la qualité des images proprement dite, résolu- tion horizontale, résolution verticale ou plus généralement la définition, sans négliger la linéarité, la colorimétrie tout en réduisant les sources de bruit • la manipulation artistique des images en montrant rapidement les limites des traitements analogiques du fait de l'augmentation simulta- née des bruits. Ces constats ont conduit les différentes équipes à orienter leurs travaux dans deux directions, l'une ana- logique et l'autre numérique, les progrès rapides de l'électronique rendant théoriquement les choses possibles. Du côté numérique, les travaux ont avancé car en 1981 l'UER a fait adopter un compromis mondial pour le choix d'une fréquence d'échantillonnage unique des signaux de lunùnance à 13,5 MHz et de chrominance à 6,75 MHz donnant ainsi le départ de l'Avis 601 du CCIR et la suite (normes parallèle et série, sm à 270 Mbits/s) qui se sont avérés les fon- dements de l'introduction du numérique dans les stu- dios de télévision. Après quelques péripéties, à partir des années 90, la rénovation ou la création de studios de télévision n'ont été effectuées qu'en numérique SDI9/1O. Dans tous les cas les transnùssions vers les téléspectateurs restaient en analogique. Vers la Haute Définition Les années 1982-1983 ont mm·qué un tournant. Cela a commencé par de très brillantes démonstrations faites par SONY (Japon) avec le concours de CBS aux USA. Ensuite se sont tenus en Amélique du Nord 5 Favreau; L'industrie de la télévision professionnelle et industrielle en France de 1930 à 1990 AICPRAT 1999. 6 Le site de l'UER, http://www.ebu.ch/en/nnionlebu_in_brief/index.php. 78 La télévision Monochrome et en couleur L. Goussot Editions Eyrolles 1972. CCIR : abréviation pour Comité Consultatif International pour la Radio, organisme de normalisation prédécesseur de UlT - Union 9 Internationale de télécommunications !TU-T, ITU-R. 10 Issues in advanced television technology S. Merrill Weiss Focal Press 1996. . Dlgllales Fernsehen Albrecht Z,emer R. v. Decker Verlag 1994. REE HORS SÉRIE Wl Septembre 2005 PRÉSENTATION GÉNÉRALE Standard Format de l'image 1 Bande passante Luminance Bande passante Chrominance Rapport Vertical/horizontal TV standard SO 133 Entre 4 5 et 5 5 MHz Entre 1 et1 5 MHz TV HO 1 RR De j'ordre de 20 MHz Entrp 'i pt RMH7 Suner 8 133 1 MHz 16 mm 136 4 MHz 35 mm film 1 37 iusouà 1,66 Environ 11 MHz 35 mm diapositives 1,85 Environ 14 MHz 35 mm seope 2,35 iusqu'à 2,55 Environ 16 MHz 70 mm film 2,06 jusquà 2,55 Environ 50 MHz 70 mm IMAX 2,75 Environ 170 MHz Comparaison des formats et des bandes passantes: film-télévision. et en Europe plusieurs importants congrès internationaux. dirigés par le Dr. Fujio de la NHK, et ayant travaillé Les nombreux débats ont mis rapidement en évidence avec les industriels japonais dans un secret quasi que les études commencées quelques dix ans plus tôt absolu pendant dix ans 14. et conduites très en profondeur par la NHK au Japon, avec les industriels japonais du domaine bénéficiant La proposition d'un standard non compatible d'un énorme support du MITIIRIII, avaient jeté un énor- repose sur une analyse psychophysique de l'observation me pavé dans la mare du petit monde de la télévision d'une image. De nombreuses expériences qualitatives professionnelle. avaient permis de simuler la restitution d'images avec des résolutions différentes pour divers angles L'enjeu était à J'époque déjà énorme car l'objectif d'observation horizontaux dans des conditions de clairement avoué était le renouvellement rapide d'un luminosité constantes, pour une dimension d'images parc d'un milliard de téléviseurs ainsi que celui de fixes de J'ordre du mètre carré. tous les studios de télévision. Les États-Unis ont De même qu'ils ont imposé la surface de J'image, compris que la NHK en proposant un nouveau stan- les techniciens de la NHK considèrent que la télévision dard à 1 125 lignes format 5/3 s'appuyait sur de diffusant beaucoup de films 35 mm au format 1,66, il nombreux industriels japonais, Sony-Ikegami est nécessaire de changer le format de la télévision de Matsushita-Hitachi-Fuji pour ne citer que les plus J'époque c'est-à-dire passer du format 1,33 (4/3) à connus, celui de 1,66 (5/3) d'où une incompatibilité complète avec les systèmes antérieurs. Les expéliences conduites Ces événements ont provoqué le réveil brutal ensuite ont montré que les distances d'observation surtout de la part des Américains qui possèdent optimum pour des images très animées ou au contraire aujourd'hui à peu près la moitié du parc total des assez piquées sont comprises entre 3 et 4 fois la postes de télévision existant dans le monde. De très hauteur, soit 23 et 31 degrés d'angle d'observation nombreuses propositions ont rapidement vu le jour. hOlizontale. Dans ces.conditions, pour un observateur Les européens" après avoir pris conscience du dan- moyen ayant une bonne vue et ne souhaitant pas voir gel' ont aussi réagi en bloqmmt les tentatives de nor- Ia structure des lignes de la télévision, la définition malisation lors de la réunion de l'assemblée généra- verticale doit être d'au moins 1 200 lignes. Les le du CCIR à Dubrovnik en 1986 12113. conclusions du laboratoire de recherche de la télévi- sion japonaise sont données dans le tableau ci-dessus. La proposition de la NHK Le Japon avec ses industriels et CBS aux États- Si les démonstrations faites par les Japonais Unis proposant au monde ce nouveau standard, les étaient si éblouissantes, c'est qu'elles représentaient réactions des autres ont été rapides et les participants l'aboutissement des effOlts de recherche d'une équipe aux différents congrès ont proposé quatre directions -de plusieurs dizaines d'ingénieurs et de techniciens de recherche différentes groupées en deux groupes 15: Il A quoi sert la télévision Haute Définition par J Sabatier R Melwig Revue de Radiodiffusion-Télévision N°82 1984. 12 Une approche pour le développement d'une norme mondiale haute définition compatible avec les systèmes existants Groupe de travail français présidé par M. Oudin SFP avec le soutient de la DIEU du Ministère de l'Industrie. 13 Digital HDTV the way forward Dr Brian Evans me Teclmical services Ltd 1992. 14 NHK Technical monography N°32 June 1982 High Definition Television by Dr.Takashi Fujio. 15 La télévision haute définition, colloque 1985 Volume 1 et volume 2. REE HORS SERIE NOl Septembre 2005 PRÉSENTATION GÉNÉRALE La première est celle de la haute définition dont personne ne voit vraiment comment la rendre compatible avec les téléviseurs existants. Les trois autres ne parlent plus de haute définition au sens strict mais de qualité d'image et deux seule- ment nécessitent une boite d'adaptation pour rendre le signal compatible avec le téléviseur d'aujourd'hui. Dans l'ordre de compactibilité décroissante on trouve: • les systèmes permettant de traiter plus COlTec- tement les signaux existants SECAL, PAL ou NTSC. Les démonstrations faites par Philips, qui associent un filtrage de la chrominance très soigné à une mémoire d'image permettant de doubler la fréquence trame, ont permis de diminuer les moirés couleurs horizontaux, le papillotement 50 Hz et de réduire les bruits. Tous ces traitements qui utilisent les signaux actuels employant les premiers circuits numé- riques, mémoire d'image, peuvent être inclus dans un téléviseur dont les surcoûts dépendront évidemment des développements des circuits intégrés et des quantités produites, mais dont le gros intérêt est la compatibilité totale. La qua- lité d'image permise par les standards actuels était tout-à-fait surprenante. L'écran restait 4/3 625 lignes • les standards de télévision « augmentés », donc plus large 16/9 ou 14/9 qui conservent le nombre de lignes c'est-à-dire ne changent rien à la définition verticale mais augmentent la définition horizontale en élargissant la bande passante réelle de la luminance. Le PAL+ et les codages à compression de temps de type MAC, D2-MAC ou directement la télévision numé- rique. La compatibilité avec les téléviseurs existants n'est possible que moyennant une interface spécifique • les standards de télévision « convertibles », s'ils ne remettent pas en cause le format 4/3 ils proposent de réduire les défauts identi- fiés précédemment en augmentant la résolution horizontale. Cette recommandation étant largement demandée par tout le monde et sur- tout ils récusent le balayage entrelacé d'ordre 2 de tous les standards de télévision actuels qui entraîne une réduction artificielle de la résolution verticale (facteur de Kell)16 pour la remplacer par un balayage progressif. Les mémoires d'images, dont le prix devrait diminuer assez rapidement, permettent de ne pas être gêné par le papillotement à 25 Hz et 50 HZ17. Montreux et son Symposium de télévisionl8 ou IBC à Brighton et Amsterdam ont été d'extraordi- naires forums de discussions où beaucoup de ces idées sont nées et ont été intensivement discutées. Beaucoup des arguments et des technologies déve- loppées à l'époque trouvent un certain écho dans les discussions et les réalisations d'aujourd'hui 19. La position européenne Finalement, à partir de 1985 avec l'aide de la Commission Européenne 20 et le support de plusieurs états, l'Europe s'est doté de tous les moyens pe1111ettant de produire des images haute définition à l 250 (double du 625) avec une résolution cinq fois supé- rieure à celle de la télévision actuelle 21n2. Le système de transmission proposé était issu des travaux sur le MAC dans la continuation du D2-MAC, le RD- MAC. Ces modulations était analogiques avec des prétraitements numériques. L'innovation pour la production résidait dans le fait que la plus grande par- tie des développements étaient faits en numérique reposant sur une hiérarchie de standard dont la base était l'avis 601. De grandes manifestation comme le 14 juillet 1989, les jeux olympiques d'Albertville et de Barcelone comme ceux de Lillehammer ou d'Atlanta ont été diffusés pour quelques milliers de téléspecta- teurs en RD-Mac sur les écrans CRT RD ou dans des salles grâce à des projecteurs RD avec une qualité qui a toujours stupéfié les spectateurs. Le cinéma de son côté commençait à prendre conscience de l'évolution de télévision vers une image de plus grande qualité et 16 Le facteur de Kell voir la théorie, http://www.rennes.supelec.frlren/perso/jweissltv/signal/tv_opt2.html. 17 L'avenir de la télévision haute définition en Europe, le rôle de diffuseurs dans le développement commercial de la nonne européenne 8 de télévision haute définition Michael Niblock In titut européen de la communication 1991. 1 15 th Montreux International Television Sympo iUIll and Technical Exhibition commemorative issue Joe Roizen and Donna Foster- Roizen. 19 Numéro pécial TVHD Journal de télécommunications Volume 57 5-1990. 20 The campaign for High Definition television a case study in triad power Adam Watson Brown Euro-Asia Business Review volume 6 oumber 2 April 1987. 21 Aoalysis of Spatiotemporelal samplïng patterns for HDTV transmission and processiug Eurasip l'aquila workshop coding of HDTV Jean Chatel 1986. 22 Progressive Sca1ming An EDTV gateway ta HDTV Bernard Tichit, Gary Tongue Jean-Pierre Lacotte SMPTE Journal October 1990. REE HORS SÉRIE Wl Septembre 2005 PRÉSENTATION GÉNÉRALE commençait à s'approprier les outils. Simultanément au début des années 90, les travaux des laboratoires sur les algOlithmes de compression progressaient rapidement en particulier ceux sur le MPEG-2 et aboutissaient à des normes essentiellement sous l'impulsion de DVB 23. Rapidement, des circuits intégrés permettant de faire toutes les opérations de codage et de décodage en temps réel pour des images de télévision standard ont été disponibles sur le marché à des prix raison- nables. La première application de services numériques était proposée par DirecTV aux USA grâce aux satel- lites de forte puissance dés les années 92-93. Cette 23 DVB http://www.dvb.org/index.php?id=9 évolution était rapidement proposée aux câblo-opéra- teurs et enfin vers la fin de la décennie au hertzien terrestre et enfin à l'ADSL. Ces évolutions rapides ont été fatales à la télévision haute définition utilisant une transmission analo- gique. Et les Japonais qui seuls avaient commencé à offrir des services HD analogiques préparaient la mutation vers le numérique. La suite de l'histoire est en train de s'écrire et les trois chapitres qui suivent donneront aux lecteurs la vision que des acteurs du HD-Forum souhaitent leur faire partager. REE HORS SÉRIE N°1 Septembre 2005