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2 Les standards de diffusion couleur

2.2 Définition de l'image et fréquence de balayage

3.2.1 Pourquoi un codage des composantes ?

3.6 La structure de la ligne numérique

3.7 Remarques sur la détection et la correction d'erreurs

5.3 Standards d'enregistrement vidéo
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NTSC PAL SECAM pas d'information
Article détaillé : Capteur photographique .
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Article détaillé : format de projection .

640 × 480
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La vidéo regroupe l'ensemble des techniques permettant la constitution d'un signal électrique représentant des images animées et la restitution de celles-ci. Le signal vidéo se caractérisé par différents paramètres qui le définissent : cadence image / trame, résolution, standard couleur associé, composition analogique ou numérique, données associées...

Le mot « vidéo » vient du latin « video » qui signifie : « je vois ». C'est l' apocope de vidéophonie ou vidéogramme. Le substantif vidéo s'accorde en nombre, cependant, l' adjectif reste toujours invariable . Selon les rectifications orthographiques du français en 1990 , l'adjectif suit désormais la règle générale : l'adjectif s'accorde en nombre.

Il existe différente formules qui définissent un signal vidéo, en fonction de ses caractéristiques électroniques et notamment pour définir son type d'exploitation. Pour le mode analogique et la vidéo en couleurs : Vidéo composite , Vidéo composante , RVB , SRGB , S-Video , YCbCr , YIQ , YUV , YDbDr ou encore YPbPr .

Dans l'univers numérique, la vidéo se caractérise par d'autres normes et paramètres définissant l'échantillonnage, le débit de données, la résolution, le type d'algorithmes de compression comme la norme MPEG et diverses autres spécifications d'exploitation ou de connectique comme le format HDMI , notamment.

L'image affichée par un téléviseur cathodique ou écran vidéo de type analogique exploite une succession de balayages linéaires, partant du haut à gauche de l'écran et finissant en bas à droite. Aux origines de la télévision, la performance des éléments phosphorescents du tube est limitée et la bande passante disponible pour la télédiffusion, significativement limitée. Le plus souvent, un phénomène de scintillement, perçu par l'œil humain selon la cadence 25 Hz ou 30 Hz . La solution la plus simple d'accélérer la cadence de balayage impose également d'augmenter la cadence des images, ce qui est coûteux en bande passante pour la retransmission. Une solution plus astucieuse consiste à omettre une ligne sur deux, pour chaque image à afficher, permettant ainsi de doubler la cadence de balayage, tout en conservant la même bande passante. Ainsi, une première passe affiche toutes les lignes impaires en deux fois moins de temps que pour une image entière et la seconde passe affiche les lignes manquantes paires : le principe du mode entrelacé. Le même nombre de lignes composant l'image est respecté et l'écran est balayé deux fois par le faisceau cathodique pour afficher chaque image. Le terme « trame » (« field » en anglais) désigne une passe de balayage, soit le signal d'une « demi image ». Une image pleine (« frame » en anglais) est donc constituée de deux trames, puisqu'il faut deux balayages pour composer chaque image affichée à l'écran en mode entrelacé.

La caméra dont le fonctionnement est précisément adapté au mode entrelacé du même type de téléviseur, exploitent le même mode de balayage. Chaque trame ou demi image n'affiche pas le même contenu car il est décalé dans le temps. Si un sujet se déplace très rapidement entre l'intervale de deux trames, il occupe une position différente sur chacune des deux trames. Lors d'un arrêt sur image au cours d'un montage vidéo analogique, le phénomène de zig-zag peut apparaître lors de l'affichage des deux trames en image pleine. Le problème est totalement résolu à partir des années 1970 dans les studios de télévision professionnels avec l'utilisation de circuits de compensation et correcteur de base de temps ou TBC.

Lorsque l'affichage n'est pas entrelacé et que chaque image vidéo est complète ou pleine, il s'agit du mode balayage progressif . À partir de la fin des années 1980, ce mode d'enregistrement est exploité pour les vidéos tournées en HD TV ou en D-cinéma destinés à être transférés et projetés en 35 mm .

Selon les zones géographiques, la cadence 25 ou 30 images progressives 25p , 30p ou la cadence doublée 50p / 60p est exploitée par les caméras.

Les standards PAL ou SECAM cractérisent les données de couleur aux images noir et blanc des signaux vidéo :

Depuis les origines de la télévision , du fait de l'absence de la couleur, seule la luminance définit l'image par un certain nombre de points horizontaux et aussi par trois facteurs de nuance de gris, ainsi que la cadence trame / ligne.

Lorsque la télévision couleur fait son apparition dans les années 1950-1960, les téléviseurs noir et blanc sont censés rester compatible avec les signaux diffusés et ainsi restituer une image correcte. Le signal de luminance est préservé et un signal complémentaire que le téléviseur noir et blanc ne peut détecter et donc, afficher, même en tant que signal parasite ; en vertu de la compatibilité ascendante ou rétro compatibilité.

On exploite en mode additif, les deux différences de couleur R'-Y et B'-Y (le symbole "prime" signifie que les signaux subissent une correction propre à une courbe de gamma pour pallier, à l'époque, un problème de non-linéarité de restitution des tubes cathodiques) afin, qu'en combinant le tout avec la luminance, les information des teintes verte soient correctement préservées.

Pour retransmettre ces deux signaux couleur complémentaires, un conflit de standard se fait jour ; tous les pays n'adoptent pas la même solution électronique pour télédiffuser les signaux de chrominance.

Le reste du monde epxloite le PAL Phase Altération Line qui distingue des deux différences retransmises simultanément Mais avec des phases distinctes pour chaque donnée couleur.

Le signal de chrominance est ensuite combiné par une sous-porteuse avec le signal vidéo Y (luminance, signal noir et blanc).

Le nombre de lignes, la cadence de balayage, le type de modulation positive ou négative à l'émission, font partie des normes suivant chaque zone géographique et ne doit pas être confondu avec les standards vidéo couleur (PAL, SECAM, MESECAM et NTSC).

Les premières caméras , fonctionnant sur le même principe que les téléviseurs, analysaient l'image formée par l'objectif à l'aide d'un tube cathodique . Depuis la fin des années 1980, elles sont dotées d'un capteur photographique de type CCD ou CMOS.

Il existe différents formats d'image vidéo, qui dépendent essentiellement de la fréquence de balayage vertical de l'image.

On peut constater qu'il existe une différence entre le nombre de lignes composant l'image et le nombre de lignes affichées. Ceci représente une différence de 49 lignes en 50 Hz et de 45 lignes en 60 Hz . Ces lignes perdues sont nécessaires, elles représentent le temps nécessaire pour que le faisceau d'électrons balayant le tube cathodique puisse remonter du bas de l'image vers le haut. Ce problème technique n'existe pas avec les panneaux LCD et les dalles plasma , mais il est conservé pour assurer la compatibilité. Les lignes libres sont mises partiellement à profit : on y place les signaux du télétexte , du sous-titrage et aussi le time-code des équipements vidéo professionnels.

Il faut distinguer deux fréquences de balayage de l’image :

Ce qui donne les valeurs suivantes :

Ce résultat n'est pas dû au hasard. Si les fréquences horizontales sont presque les mêmes en 50 Hz et en 60 Hz , c'est que cela permet d'utiliser la même circuiterie de balayage horizontal, donc de réaliser des économies.

Depuis quelques décennies, les spécialistes connaissaient les particularités spectrales de l' œil humain, qui affichait une très nette préférence pour certaines couleurs. De plus, ils savaient que le spectre chromatique de l'œil peut se décomposer en trois couleurs primaires , qui permettent par mélange de recréer à peu près toutes les autres couleurs du spectre. Le cinéma couleur exploite cela en utilisant des émulsions à plusieurs couches, dont chacune est sensible à une couleur primaire.

Les écrans émettant de la lumière, les ingénieurs utilisèrent la synthèse additive composé de rouge, vert et bleu (à l'inverse le papier absorbe la lumière et utilise la synthèse soustractive composé de cyan, magenta et jaune)
Le rouge, vert et bleu sont les couleurs primaire de cette synthèse additive. De la même manière le cyan, magenta et jaune sont les couleurs primaire de la synthèse soustractive.

La prise de vue en couleur s'effectue selon un prisme optique qui répartit la lumière sur trois capteurs, devant lesquels il y a respectivement un filtre rouge, vert et bleu. Ainsi, chaque capteur n'enregistre que les informations de lumière concernant une couleur. Il suffit ensuite d'enregistrer puis restituer les 3 composantes RVB sur un moniteur couleur acceptant les trois entrées RVB : il y a trois signaux à la place d'un seul. Il faut non seulement tripler toutes les liaisons câblées entre les différents équipements, mais aussi tripler les pistes d'enregistrement sur un magnétoscope, tripler tous les équipements de production, jusqu'aux équipements de diffusion hertzienne. Le défi était donc de créer un signal unique englobant trois informations différentes, et qui ne devaient pas se mélanger avant le traitement par le poste de réception.

Le défi était aussi de conserver la totale compatibilité avec les postes noir et blanc encore très présents dans les foyers. Les chercheurs travaillèrent donc dans le but de créer un signal vidéo englobant du rouge, du vert, du bleu, ainsi que du noir et du blanc dans le même « tuyau », sans que ceux-ci se mélangent.

Il était interdit d'avoir une caméra noir et blanc ET une caméra couleur. Il fallait donc fabriquer du noir et blanc à partir des trois composantes RVB. Se basant sur les sensibilités de l'œil aux différentes couleurs, les spécialistes prirent 59 % de vert, 30 % de rouge et 11 % de bleu. Ils venaient d'inventer un nouveau terme : la luminance (Y). Les téléviseurs noir et blanc pourraient donc voir en noir et blanc des images issues de caméra couleur. Comment maintenant rajouter à ce Y les informations de couleurs permettant de retrouver notre RVB original ? Puisqu'il y avait déjà de la lumière (le Y), il fallait « colorier » ce noir et blanc avec des informations de couleurs qui ne contenaient, elles, aucune valeur de lumière, mais uniquement des indications de teinte et de saturation .

Une fois d'accord pour ce noir et blanc colorisé, il fallut trouver l'astuce qui permettrait de transmettre la lumière (Y) et la chroma (C). Des procédés électroniques aux très longs noms virent le jour. Il y a par exemple «modulation d'amplitude en quadrature de phase, à sous-porteuse supprimée». Ces solutions se devaient à la fois de mélanger deux signaux de manière à pouvoir les discriminer à la réception, mais aussi de n'avoir aucune interférence visible dans le spectre du signal noir et blanc.

Ces solutions furent trouvées et appliquées. Ainsi sont nés le NTSC aux États-Unis, le SECAM en France, et le PAL en Allemagne. Le codage permet de transformer du RVB en signal couleur compatible noir et blanc. Le NTSC, le SECAM et le PAL sont trois types de codages différents incompatibles entre eux. Passer d'un type de codage à un autre s'appelle le « transcodage ».

Aucune des trois solutions n'est néanmoins transparente, tant s'en faut. Un signal transcodé souffre d' artefacts plus ou moins visibles selon le codage.

Un signal vidéo codé de la sorte est dit signal composite , car il contient plusieurs sources de nature différente. Les standards vidéo utilisant le composite vont de l' U-matic / U-matic SP au VHS en passant par le 8mm ou Vidéo 8 , le Betamax , le VCR ou encore le V2000 . Au vu des dégradations causées par le codage, il devenait urgent de s'en absoudre en production.

Au début des années 1980, Sony mit au point un format vidéo à composantes séparées , constitué de plusieurs signaux distincts, véhiculés par des câbles distincts : le Betacam / Betacam SP . Pour rester compatible avec le noir et blanc, la société évita soigneusement le RVB, et choisit naturellement un format comportant le Y, plus des informations de chrominance véhiculées par 2 signaux : U et V (appelés aussi Cr et Cb).

Ces composantes sont reliées par des formules U = R - Y et V = B - Y, où Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B (les coefficients étant différents selon le codage utilisé). Cette transformation de RVB en YUV s'appelle matriçage. Le matriçage est une opération plus simple que le codage qui ne génère pas de dégradation, tout en offrant l'avantage de la compatibilité Y.

Quelques années plus tard, un format grand public apparut : le S-Vidéo ou Y/C, où la luminance Y et la chrominance C (codée en NTSC, PAL ou SECAM) étaient séparées ( S-VHS , Hi-8 , Super-Betamax ). Ce format est de qualité meilleure qu'un format composite, puisque la chrominance n'empiète plus sur la bande de fréquences de la luminance, ce qui pouvait amener à des artefacts colorés sur des détails fins. La résolution horizontale de ces formats pouvait donc être quasiment doublée (400 points/ligne au lieu de 240-250).

Le procédé de l’acquisition vidéo analogique et de sa conversion en numérique peut s’assimiler au passage du langage oral au langage écrit. Pour prendre en note le discours oral d’une personne, cette dernière ne doit pas parler trop rapidement, sinon il devient difficile d’écouter et de transcrire simultanément. La personne pourrait ralentir son débit de parole mais si l’on assimile ces paroles avec le signal vidéo analogique, on comprend aisément que le débit ne peut pas être ralenti. On procède donc à l’ échantillonnage du discours (avec ou sans compression), c’est-à-dire que l’on ne saisit que des « morceaux » de message pour les retranscrire par la suite. La précision de la retranscription dépend directement du nombre d’échantillons de discours prélevés.

Pour la vidéo, le phénomène est identique : il est nécessaire avant toute chose de connaître le signal et de savoir quels sont les signaux à numériser.

L’histoire du numérique dans la vidéo commence véritablement de 1972 à 1982 . À l’origine équipements de synchronisation, les appareils se sophistiquèrent avant d’entrer dans le milieu professionnel. Dès lors, les industriels prirent conscience de l’avènement de ce nouveau phénomène et présentèrent des normes en matière de numérisation. Une certaine anarchie numérique régna alors sur le marché ce qui força la main au CCIR (Comité consultatif international des radiocommunications) à normaliser un format vidéo en composantes numériques compatible dans le monde entier : cette norme c'est le CCIR 601 . Elle spécifie les paramètres de codage de signaux à numériser (échantillonnage, quantification…). Dès lors les innovations ne cessèrent de s’enchaîner pour permettre aujourd'hui à la vidéo numérique de se généraliser dans les centres de production, chaînes TV et régie de post-production pour assister le montage vidéo .

Le signal vidéo numérique devait, sans aucun doute, être identique pour tous les pays : l’idée était de numériser des données communes aux systèmes 625 lignes (PAL, SECAM) et 525 lignes (NTSC). Le CCIR a donc décidé de numériser de façon séparée les signaux de luminance (Y) et de chrominance (Cr ; Cb). Un système basé sur le codage numérique des composantes vidéo exclut tous les problèmes qu’auraient pu engendrer un codage de signal vidéo composite et permet une compatibilité à échelle mondiale. Ce système devrait donc apparaître comme étant l’accessoire principal d’un développement de nouveaux équipements, mais aussi et surtout d’un échange international de données, constituant la base de l’audiovisuel : la communication.

L’échantillonnage d’un signal, c'est le découpage en tranches temporelles ou « échantillons » de ce dernier. Il est directement suivi de la quantification qui consiste à convertir la valeur de l'échantillon en valeur numérique représentée par un nombre entier (Cf. ci-dessous). Il est donc nécessaire que le rythme de découpage (fréquence d’échantillonnage) soit élevé pour pouvoir retranscrire les variations du signal les plus brèves, car si l’intervalle de temps entre deux échantillons consécutifs est supérieur au temps de la variation la plus rapide du signal d’origine, cette dernière se trouvera perdue et ne sera pas prise en compte dans le signal numérique.

Par conséquent, pour échantillonner un signal, en préservant son information, il est nécessaire de connaître la fréquence la plus élevée à laquelle il est susceptible de varier. Le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon établit qu’« un signal dont le spectre est limité à la fréquence Fmax est entièrement défini par la suite de ses échantillons prélevés à des intervalles de temps réguliers de valeur « T » inférieurs à 1/(2 Fmax) .

Par conséquent, la fréquence d’échantillonnage doit être ƒ e > 2 Fmax pour respecter la représentation d’origine. Si cette condition n’est pas remplie, les composantes spectrales répétitives du signal échantillonné ne sont pas assez espacées et se chevauchent. La zone de repliement, appelée aussi « zone d’aliasing », donne naissance à une fréquence parasite se traduisant par un effet de moiré sur l’image. Pour pallier ce problème, un filtre passe-bas (filtre anti-aliasing) est disposé en amont de la conversion. Ce filtre à pente raide rejette les fréquences du signal analogique d’entrée qui sont supérieures à 1/2 ƒ e .

Le signal vidéo de luminance possède une bande passante d’environ 6 MHz . Pour que ce signal soit correctement numérisé, sa fréquence d’échantillonnage doit respecter les critèr
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