Quelle norme pour une image Ia télévision haute définition ?

04/09/2017
Auteurs : Jean Chatel
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-11:19783
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Quelle norme pour une image Ia télévision haute définition ?

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D LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION m Quelle norme pour une image Ira a de télévision à haute définition 7 Par Jean CHATEL tMm Télévision, Hautedéfinition, Familledenormes, Balayageentrelacé, Balayageprogressif Une norme pour 'échange international de programmes et l'interconnexion entre équipements constitue l'outil de base nécessaire au déploiement de la télévision à haute définition ; encore faut-i mance suffisamment distinctif de que celle-ci garantisse un niveau de perfor- 'existant pour justifier un tel investissement. En matière de télévision le terme « haute définition » serait apparu en Grande-Bretagne en 1936 lors de l'adoption du système à 405 lignes, en comparaison au système à 240 lignes qui lui était alors opposé ! Nul doute que ce terme est apparu à bien d'autres occasions depuis, et que sa signification a sensiblement évolué au cours du temps, au fur et à mesure des évolutions des technologies et des systèmes. Aujourd'hui ce terme est utilisé pour désigner des systèmes de performance au moins égale au système à 1125 lignes démontré pour la première fois par la NHK en 1978 ; une démonstration qui, très curieusement, a eu lieu au moment même où était finalisée la norme unique de télévision numérique, désormais appliquée mondialement dans les studios de production, et connue sous le nom de norme 4 :2:2. Ces deux événements, a priori indépendants l'un de l'autre, apparaissent en fait a posteriori comme deux éléments fondamentaux au départ des développements que connaît aujourd'hui la télévision à haute définition (TVHD) ; le premier parce qu'il mettait en évidence la possibilité de créer un système nettement plus performant que les systèmes en usage ; le second parce que, d'une part pour la première fois il donnait au monde une référence commune de qualité d'image, et que d'autre part, il ouvrait la porte aux évolutions technologiques considérables qui ont suivi, toutes fondées sur le traitement numérique des signaux. En faisant référence à quelques éléments fondamentaux des systèmes de télévision, l'objectif de cet article est d'introduire les normes d'analyse et de restitution d'images utilisées en TVHD, en rappelant les principes essentiels qui ont conduit aux paramètres retenus. Ainsi, après quelques éléments de terminologie, on rappellera les principaux paramètres de la norme 4:2:2, puis on décrira les critères qui, sur cette base, ont présidé à la définition des paramètres des systèmes de TVHD en usage. E 5 5 N T 1 SYNOPSIS Les normes de TVHDont été élaboréessur la base de la norme de production numérique4:2:2 pour latélévision conventionnelle. L'objectif assignéà ce nouveausystème a été d'avoir une résolu- tion qui soit au moins le double de celle de la télévision conven- tionnelle dans les directions horizontaleet verticale, et de s'af- franchir des défautsliésau balayageentrelacé.De plus en plusde composants matricielsétant utiliséscomme technologiesde sen- seurs et d'écrans, la nouvellenorme se devait aussi d'avoir des pixels carrés. Ceci a conduit à une norme internationaledite 1080p,à balayage progressif, de format 1 080 lignes x 1 920 pixels. Deux normes intermédiairesont égalementété introduites : l'une à 1 080 lignes entrelacées, et l'autre à 720 lignes progressives. Les équipe- ments actuels fonctionnentà l'un ou l'autre format intermédiaire. Mais une nouvellegénérationétant sur le point de voir le jour, la question qui vient est : « Sommes-nousencore loin d'un système complet opérationnelen 1080p ? » HDTVstandardshavebeen built uponthe backgroundof the 4:2:2 digital productionstandardfor conventional television. Thetarget of this new television system was set to haveat least twice the resolutionof conventional televisionin both horizontalandvertical directions,and to get rid of interlaced scanningartefacts. In addi- tion, as more and more matrix components are being used for both sensor and display technologies, the new standard had to havesquarepixels. This leadto an internationalstandard known as 1080p,which has an active pictureof 1 080 lines x 1 920 pixels,and is progressive- ly scanned.Two intermediate levels have alsobeen introduced: a 1 080-line interlaced standard, and a 720-line progressivestan- dard. Current equipments operate at either intermediateformat. As a new generation is about to appear,however,the question arises: "how far are we from a fully operational1080psystem?" REE HORSSÉRIE WI Septembre2005 Quelle norme pour une image de télévision à haute définition ? 9 16 / / Y t t Irame paire trame împairc 1 ni v image sctr'e 1 r domaine de r i b ; 313yage intervalles de suppression Figure 1. Analyse par balayage - représentation spatiale. 1. Quelques rappels pour préciser la terminologie Le signal de télévision est obtenu moyennant l'analyse de l'image plane formée sur la zone photosensible du senseur d'une caméra. Cette analyse est appelée analyse par balayage. Elle est effectuée ligne par ligne, de droite à gauche de l'image (balayage horizontal), et du haut en bas de l'image (balayage vertical). Ce processus est répété à la fréquence image (25 Hz en Europe, 30 Hz en Amérique du Nord et au Japon). Pour chaque image, le balayage vertical d'une image est généralement effectué sous la forme de deux trames entrelacées, de sorte que les lignes impaires sont analysées dans une première trame, et les lignes paires dans une seconde trame. Les fréquences trames sont donc de 50 Hz ou de 60 Hz selon le cas. A noter que certains systèmes font appel à un balayage dit « progressif » dans lequel les lignes d'une image sont analysées les unes à la suite des autres sans distinction de parité ; trame et image ne forment alors plus qu'une seule et même entité. Cette analyse de l'image étant effectuée simultanément sur trois senseurs, on obtient ainsi trois signaux : rouge, vert et bleu appelés composantes primaires d'analyse. Immédiatement après cette analyse, ces composantes sont pré-accentuées et matricées pour former les trois signaux de base : le signal de luminance Y, et deux signaux dits de « différence de couleur » (R- Y) et (B-Y). L'intérêt de cette représentation tient d'une part au fait que le signal de luminance fournit une image « noir et blanc », et que ce signal constitue la composante principale sur laquelle s'appuient tous les systèmes de codage pour la transmission et la diffusion en usage. D'autre part, la bande passante allouée à chacune des différences de couleur peut être réduite de moitié par rapport à celle des autres compo- santes sans entraîner de dégradation de la qualité d'image. Pour indiquer la résolution ou les propriétés d'une norme donnée, il n'est fait généralement référence qu'à la composante de luminance. Sauf mention particulière, ce sera l'usage suivi dans cet article. Le terme format est souvent utilisé de manière exces- sive à propos de normes de télévision. On le rencontre souvent pour désigner trois notions assez différentes qu'il convient de préciser (figure 1) : . Le format d'image à proprement parler indique le rapport entre la largeur et la hauteur de l'image. En télévision conventionnelle ce rapport est de 4/3, ou de 16/9 si le format est étendu. En TVHD il est toujours de 16/9. . On parle également deformat de balayage. Celui-ci désigne le nombre total de lignes, ainsi que la durée totale ou le nombre total d'échantillons utili- sés pour effectuer l'analyse d'une ligne ; y compris les lignes ou intervalles dits de suppression qui ne contiennent pas d'information utile, mais dont la durée est nécessaire pour permettre aux circuits de balayage d'effectuer un retour à la ligne suivante ou un retour à la trame suivante. . Il est aussi fait référence au format d'analyse. Celui-ci fait appel à la notion d'image active, c'est- à-dire à l'information utile. Il donne une indication de la résolution de l'analyse. Ce domaine d'image active est totalement contenu à l'intérieur du domaine de balayage. Ainsi dans un système de télévision conventionnel à 50 Hz et 625 lignes, le nombre total de lignes « balayées » dans une image est de 625, alors que le nombre de lignes actives est de 576. La durée totale de chaque ligne est de 64 ils ; celle d'une ligne active est de 52 ps. En termes de traitement de signal, le processus d'analyse par balayage qui vient d'être brièvement décrit constitue REE HORSSÉRIE Wl Septembre2005 Partie D LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION Environnement Fréquencetrame(Hz) Fréquenceimage(Hz) Nombrede lignesparimage Facteurd'entrelacement Fréquencede balayageligne(Hz) Fréquenced'échantillonnageluminance(MHz) Fréquenced'échantillonnagedifférences de couleur (MHz) Quantification Nombredelignesactivesparimage Nombrede pixelsparligne Nombrede pixelsparligneactive 50Hz 50 25 625 15625 576 864 2:1 13,5 6,75 10 bits (Bbits) 720 60Hz 59,94 29,97 525 15734,27 480 858 Tableau 1. Principaux paramètres de la norme UIT-R BT 601, un processus d'échantillonnage verticale-temporel de l'information d'image. La numérisation de l'image impose en plus d'effectuer un échantillonnage dans la direction horizontale. Au lieu de l'être sous la forme d'un signal continu, l'information en ligne est alors représentée par une suite d'échantillons dont les amplitudes sont données par des nombres codés sous forme binaire. Pour permettre des échanges de signaux entre équipe- ments tous ces paramètres d'analyse, d'échantillonnage et de numérisation des signaux doivent être précisément définis. Ceci fait, pour les systèmes de télévision conven- tionnels, l'objet de la norme UIT-R BT 60 1, dite 4 :2 :2 [1]. 2. Un référentiel : la norme 4 :2 :2 pour la télévision conventionnelle Définie à l'origine pour les applications de studios, la norme 4:2:2 est maintenant appliquée par la quasi-totalité des systèmes de traitement d'image, y compris aux entrées-sorties des systèmes de transmissions numériques. De plus, la plupart des traitements internes aux téléviseurs font eux-mêmes également usage des paramètres de cette norme. Outre l'effet d'ouverture qu'a créé cette norme en ne faisant plus référence aux systèmes composites (SECAM, PAL ou NTSC) en usage, son point fort a été d'identifier un jeu de paramètres qui puisse être commun à l'ensemble des systèmes en usage dans le monde, que l'on soit dans un environnement à 50 Hz ou à 60 Hz. C'est sans aucun doute ce qui a été le fondement du succès de son déploiement, au-delà même des environnements professionnels. On a pour cela mis à profit le fait que les fréquences de balayage ligne sont très proches l'une de l'autre dans les systèmes à 625 lignes/50 Hz et à 525 lignes/60 Hz, ce qui a permis de créer cette norme duale unique. Celle-ci comporte deux points essentiels communs à tous les systèmes : une fréquence d'échantillonnage unique et un même nombre d'échantillons par ligne active. Le tableau 1 en récapitule les principaux paramètres. Pour permettre de définir un système avec précision, une norme fait apparaître un grand nombre de paramètres. Quelques-uns suffisent en fait lorsqu'il s'agit simplement d'en définir les propriétés. C'est ce que résume le tableau 2. Ces paramètres sont la fréquence trame, le facteur d'en- trelacement, le nombre de lignes actives par image, et le nombre d'échantillons par ligne active. Les paramètres du tableau 2 décrivent les systèmes de télévision conventionnels de référence. Référence de per- formance utilisée pour de nombreux tests de qualité d'image, celle-ci sert de base à toute discussion relative à une quelconque évolution, notamment vers la TVHD. A noter également qu'une nouvelle dénomination s'est fait jour avec l'arrivée des systèmes de codage numérique à réduction de débit. Ceux-ci ne traitant que la partie active de l'image, chaque système est désigné par le nombre de lignes actives de l'image suivi d'un indice « i » (interlace) s'il s'agit d'un système entrelacé, ou d'un indice « p » si le balayage est progressif. Les deux systèmes mentionnés au tableau 2 ci-dessous seront ainsi identifiés par 576i et 480i. Comme il a été mentionné plus haut, l'analyse par balayage et la numérisation de l'image constituent un processus d'échantillonnage spatio-temporel dont les propriétés s'apparentent à celles de tout processus d'échantillonnage de signal, à savoir que la fréquence maximale de l'information qui peut être reproduite à par- tir de ses échantillons est limitée à la moitié de la fré- quence d'échantillonnage (figure 2). A la différence des systèmes échantillonnés classiques, cependant, les pré et post-filtrages destinés à calibrer le spectre des signaux sont ici extrêmement sommaires, au moins dans les directions verticale et temporelle. L'étude détaillée des propriétés de ce processus d'analyse s'avère assez complexe, notamment lorsqu'on a affaire à un balayage entrelacé. On peut toutefois retenir les points suivants : résolution horizontale : moyennant des pré-fil- trages appropriés, les 720 échantillons de chaque ligne permettent de reproduire des détails pouvant REE HORSSÉRIENT Septembre2005 Quelle norme pour une image de télévision à haute définition ? Ju (clhi) 20 40 t (m5.) T ...............................