81 Les bases de la vidéo HD

81 Les bases de la vidéo HD Formats-HD-300x168

LA TECHNOLOGIE HAUTE DEFINITION

L’appellation HD signifie à la base que la définition des images est supérieure à la définition des images SD – Standard Definition : 576 lignes de 720 – Le principal avantage de la HD, est donc d’afficher des images plus détaillées. Mais pas plus grandes, la taille d’une image dépendant uniquement du système d’affichage (écran, vidéo projecteur…).

La HD est ainsi déclinée en plusieurs versions :
1 920 x 1 080
1 280 x 720
1 440 x 1 080

Le premier nombre = nombre d’echantillons par ligne
Le deuxième nombre = nombre de lignes de l’image (720 ou 1080 lignes contre 576 en SD).
Le produit = Nombre de pixels par image

Il y a donc plusieurs niveaux de qualité d’image, le mode 1920 x 1080 comprenant deux fois plus de points que le mode 1280 x 720.

Lorsque les Américains ont élaboré leurs futures normes de télévision numérique et HD. Ils ont alors imposé aux Japonais le pixel carré. Pour obtenir des pixels carrés :
1 920/16 x 9 = 1 080

NORMES

La norme ITU-R BT.709-4

Définit le format d’image commun dénommé CIF, pour Common Image Format comme standard international HD pour les applications de fiction en 24p et TVHD, à quelque cadence image que ce soit.

résolution 1920 points par ligne x 1080 lignes utiles
rapport 16/9 ou 1,78 en pixels carrés

La norme SMPTE-274M

Détermine le standard, le nombre de pixels, le format d’image, la fréquence d’échantillonnage, le débit numérique commun (CDR ou Common Data Rate) de l’interface appelée HD-SDI et le nombre total de lignes de l’image haute définition, présente et à venir.

Résolution : 1920 X 1080 pixels visibles,
Fréquence image : de 24, 25 et 30 images par seconde  -> balayage progressif (1080p)
50 ou 60 trames par seconde -> balayage entrelacé (1080i)
Fech (Y) = 74,25 MHz : luminance
Fech (Cr) = 37,125 MHz : chrominance
Quantification : 8 ou 10 bits.

Tableau-HD-300x123

La norme SMPTE-292M

Décrit la sérialisation des données parallèles suivant la norme SMPTE-274M. La liaison série HD-SDI permet de transporter les données numériques générées par les appareils haute définition.
l’avantage de la sérialisation est de transporter toutes les données sur un seul câble coaxial, ou sur fibre optique ;

STRUCTURE D’ECHANTILLONNAGE

Dans la nouvelle norme CIF, le signal haute définition est du type composantes numériques YUV ou YPrPb, avec une bande passante des voies de chrominance réduite de moitié par rapport à la luminance.

Par analogie avec le 4:2:2, le profil HD est noté 22:11:11.

La fréquence unitaire d’échantillonnage est, comme pour toute composante numérique :
FU = 3,375 MHz.
Si l’on multiplie cette fréquence par les coefficients du profil 22:11:11, on obtient la fréquence d’échantillonnage de la luminance :
Fe(Y) = 74,25 MHz
et la fréquence d’échantillonnage de la chrominance
Fe(Cb) = 37,125 MHz   Fe(Cr) = 37,125 MHz.

La quantification de chaque composante se fait sur 8 ou 10 bits avec une précompensation de gamma de type vidéo à 0,45.

Le débit total donne:
DT=(74,25 + 37,125 + 37,125) x 10 = 1,485 Gbits/s.

5 fois supérieur à celui de la SD 270 Mbits/s

CARACTERISTIQUES DU SIGNAL HD

Extension de la liaison série SDI : conçue pour transporter les signaux numériques à haute définition entre équipements fonctionnant aux standards 1080i et 720p.
Supportant un débit total de 1.485 Gbps, elle permet de transporter un signal vidéo numérique en composantes 4:2:2 sur 10 bits, avec jusqu’à 16 canaux audio.
La longueur maximale : 100m (câble coaxial) ou de 2km (fibre optique).

STRUCTURE DE LA LIGNE ET COMPRESSION

Trame-HD-300x142

Structure d’une ligne haute définition

COMPRESSION TRAITEMENT
L’image sous-échantillonnée reçoit ensuite une compression utilisant un algorithme propriétaire HDcam ou DVC Pro, c’est-à-dire une transformation en DCT avec création d’une boucle de quantification des coefficients DCT, suivi d’un codage à longueur variable (VLC). On obtient réduction du débit.

Le brassage des données ou « shuffling » consiste à enregistrer à des endroits différents les informations qui correspondent à des zones voisines de l’image pour fractionner et répartir dans l’image un éventuel défaut.

MODE ENTRELACE ET MODE PROGRESSIF

Le mode ENTRELACE :

Entrelac%C3%A9-150x105  Entrelac%C3%A92-150x75

Chaque image est décomposée en deux demi-images (trames) affichées successivement, l’une formée des lignes impaires, l’autre des lignes paires.
Les images étant entrelacées les deux trames captées à 1/50e de seconde de différence sont affichées simultanément pour former l’image définitive. Le 1080i25 revient en fait à afficher 540 lignes à 50Hz.

Avantages :
o    Analyse du mouvement excellente (important pour le sport).
o    B.P = 5 MHz

Inconvénients :
o    Résolution verticale réduite de moitié
o    Scintillement

Le mode PROGRESSIF :

Progressif-300x90

Chaque image est affichée à la même fréquence mais dans son intégralité. Du coup, elle paraît plus stable, car toujours « pleine » – l’oeil reçoit deux fois plus d’informations dans le même laps de temps, ce qui est bien plus agréable. Bien sûr, le mode progressif exige deux fois plus de bande passante, ce qui se répercute sur les caractéristiques et donc le coût du matériel, à tous les niveaux de la chaîne de diffusion

Avantages :
o     Pas de scintillement
o     Stabilité de l’image
o    Résolution verticale non altérée.

Inconvénients :
o    La bande passante est très élevée
o    BP élevée

- Le 24p désigne une image HD de résolution 1920 X 1080 dont le balayage s’effectue en mode progressif à la cadence de 24 i/s.
Il permet la convergence entre le film et la télévision, car les conversions se font sans aucune perte. (industrie cinématographique et publicité)

- Le 25p reprend le même principe avec une cadence de 25 i/s, en totale adéquation avec les équipements 50 Hz.(production télévisuelle européenne

- Le « segmented frame » assure la compatibilité et permet aussi la visualisation en 48 Hz sur un téléviseur quasi standard, même si ce n’est pas parfait.

Le PsF : le principe du « Progressive Segmented Frame »

l’image est scindée en deux et peut ainsi être enregistrée et transmise sur les équipements conçus pour l’entrelacé.

Les deux moitiés d’image progressive sont appelées segments pour ne pas les confondre avec des trames, mais sont vues comme des trames par un « hardware ». Dans un caméscope 24 PsF à 1080 lignes, le capteur est progressif et acquiert 24 images/s, non-entrelacées.

A la source, les images HD sont, soit progressives, soit entrelacées. L’image progressive est constituée d’une séquence de 1080 lignes alors que les images entrelacées sont constituées de deux trames de 540 lignes. Le concept est de reformater la vidéo progressive à 24 Hz et 1 080 lignes, en deux trames de 540 lignes (segment A et segment B. eci permet de rendre la décomposition temporelle de la vidéo progressive analogue à celle d’un signal entrelacé 50 Hz ou 60 Hz.

1       ETUDE COMPARATIVE DU SIGNAL HD ET SD

1.1  –Donnez les fréquences d’échantillonnage du signal HD pour la luminance et la chrominance.

1.2  - Montrez alors le débit total d’une liaison HD-SDI est de 1,485Gbps.

1.3  – Pour un format 1080 lignes, retrouver le nombre d’échantillons actifs par lignes sachant que le format est du 16/9 ?

1.4  – Sachant que le nombre total de lignes est de 1125 et que le nombre total d’échantillons par ligne est de 2640, retrouvez le débit de la liaison HD-SDI ?

1.5  – Sachant que le nombre d’échantillons actifs par ligne est de 1920, calculez alors le débit utile correspondant à la vidéo seule

1.6  – Déterminez le débit net d’un signal 1280/720 ?

1.7  – Expliquez la différence entre les formats 1080/50i et 1080/50p.

Note : Pour l’ensemble des questions, on considérera qu’on a une cadence de 25i par seconde.

SIGNAL SD

2.1– Pour le signal SD de structure d’échantillonnage 4 :2 :2 : on vous demande de donner : les fréquences d’échantillonnage des signaux numérisés, le nombre d’échantillons total par ligne, le nombre d’échantillon utile par ligne, le nombre total de lignes, le nombre de ligne utile ?

2.2– Calculez alors le débit d’une liaison SDI.

2.3- Calculez le débit utile correspondant à la vidéo seule en SD

2.4- Faites une étude comparative entre un signal SD 4 :2 :0 et un signal 4 :1 :1 ?

2.5- Une liaison SDI (ou une liaison HD-SDI) peut transporter un certain nombre de pistes audio. Dans quel espace va-t-on placer les données audio et sous quelle forme ?

Chris luck ©2012

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