Signal et Systèmes Vidéo

1. Signal et Systèmes Vidéo A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 Culture Scientifique et Traitement de l’Information Module – Les Systèmes Audiovisuels et les Systèmes de Transmission Signal Vidéo

2. Plan • Lumière et couleurs : perception et synthèse • Fonctionnement d’une caméra analogique et d’un écran • Le codage de la couleur dans la vidéo analogique • Les codages YDrDb, YUV et YIQ • Le codage Y/C • Le format composite • Les standards de la télévision couleur • Le format NTSC • Le format PAL • Le format SECAM Signal Vidéo

3. Lumière et couleurs : perception et synthèse Signal Vidéo

4. Lumière et Couleur • La lumière est une forme d'énergie issue de deux composantes • une onde électromagnétique ondulatoire • un aspect corpusculaire (les photons) • La couleur de la lumière est caractérisée par sa fréquence, elle-même conditionnée par la longueur d'onde et la célérité de l'onde. λ = CT (λ : longueur d'onde , C : célérité de l'onde, T : période de l'onde) • Rayonnement monochromatique : comporte une seule longueur d'onde / Rayonnement polychromatique : en contient plusieurs. Signal Vidéo

5. Spectre de lumière • L'ensemble des longueurs d'ondes composant un rayonnement polychromatique (et leurs intensités lumineuses respectives) est appelé spectre. Exemple de spectre : tube fluorescent Signal Vidéo

6. La perception humaine de la lumière • L'œil humain n'est pas capable de discerner les différentes composantes d'un rayonnement et ne perçoit que la résultante, fonction des différentes longueurs d'ondes qui le composent et de leur intensité lumineuse respective. • Spectre visible par l'œil humain : rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 380 et 780 nanomètres. Le spectre visible Au-dessous de 380 nm : ultraviolets Au-dessus de 780 nm : infrarouges Signal Vidéo

7. Fonctionnement de l’œil humain La lumière traverse la cornée ; l’iris permet, en se contractant, de doser la luminosité de l’image que le cristallin forme sur la rétine. La rétine est composée de bâtonnets (rods) et cônes (cones). Bâtonnets : perception de la luminosité et du mouvement (vision scotopique : luminosité faible) Cônes : perception des couleurs (vision photopique : moyenne à forte luminosité) erythrolabes : vision du rouge (570 nm) chlorolabes : vert (535 nm) cyanolabes : bleu (445 nm) Coupe horizontale d’un œil humain Signal Vidéo

8. Fonctionnement de l’œil humain • La sensibilité de l'œil humain aux intensités lumineuses relatives aux trois couleurs primaires est inégale : l’œil est plus sensible au vert qu’au bleu et au rouge. Bâtonnets Sensibilité relative des cônes et des bâtonnets Signal Vidéo

9. Fonctionnement de l’œil humain • La persistance rétinienne • L’œil reste marqué par les images qui le frappent, pendant 1/15 seconde environ. • Ainsi 10 flashs de lumière par seconde sont perceptibles, pas 25  fréquence de rafraîchissement = 25 images/s en Europe, 30 images/s en Amérique du Nord et au Japon. • Le pouvoir séparateur de l’œil • C’est l’angle de visibilité minimal sous lequel l’œil peut distinguer deux éléments distincts. • Il vaut 1/60 de degré (= 1 minute, notée 1’) • Par exemple, si la distance entre 2 points lumineux vaut 1mm, la distance limite de discernabilité est 3,4m. Signal Vidéo

10. La synthèse des couleurs : la synthèse additive • Moniteurs ou TV couleurs : les composantes de lumière rouge, verte et bleue (couleurs primaires) sont ajoutées pour créer les différentes couleurs • Rouge + vert + bleu en quantités égales = blanc Absence de composante = noir Signal Vidéo

11. Fonctionnement d’une caméra analogique et d’un écran Signal Vidéo

12. La caméra : Conversion lumière  signal électrique • Le tube analysant • Il convertir la lumière en signal électrique • Excité par le flux lumineux, l’écran émet des électrons. • L’écran est balayé par un faisceau qui génère une tension proportionnelle à la quantité de charges. Signal Vidéo

13. Optique d’une caméra Prisme • Le prisme réalise la séparation des rayons rouges, verts et bleus, qui sont dirigés chacun vers un tube analysant. Signal Vidéo

14. L’écran : Conversion signal électrique  lumière • Le tube cathodique • Les canons à électrons (un par couleur) émettent un flux d’électrons dirigé par un champ électrique sur l’écran. • L’écran est couvert de luminophores, petits éléments phosphorescents (rouges, verts, bleus). • Lorsque les électrons heurtent les luminophores, ils émettent de la lumière. • Les luminophores sont isolés les uns des autres par une grille métallique : le masque. Tube cathodique d’un écran de TV Luminophores Signal Vidéo

15. L’écran : Conversion signal électrique  lumière Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 • Les luminophores sont suffisamment proches pour ne pas être discernables par l’œil humain (distance minimale entre l’œil et l’écran supposée égale à 3m environ). • L’œil visualise un seul point (un pixel) dont la couleur est la résultante de l’addition des trois faisceaux lumineux : rouge, vert, bleu. • Les pixels sont successivement balayés par le faisceau d’électrons, dévié verticalement et horizontalement par un champ magnétique. • Le balayage débute en haut à gauche et se termine en bas à droite de l’écran. • Il n’est pas perçu grâce à la persistance rétinienne. Signal Vidéo

16. Inconvénients des tubes • Mauvais rendement énergétique (ils chauffent…). • Non linéarité • L’intensité lumineuse émise par un écran n’est pas proportionnelle à la tension appliquée. I ~ Vgamma, où gamma est un facteur caractéristique du périphérique. • Solution : compenser la luminance en appliquant une transformation appelée «correction gamma». Signal Vidéo

17. Caméra : Les capteurs CCD (Charged-Couple Device) • Ils remplacent les tubes analysants. • Le capteur CCD possède un réseau d’éléments sensibles à la lumière : les photosites. • Le CCD reçoit la lumière transmise par l’objectif de la caméra : les photosites génèrent un courant proportionnel à la quantité de lumière qu’ils reçoivent. • Les valeurs de courant mesurées sont lues ligne par ligne et numérisées. Signal Vidéo

18. Caméra : Les capteurs CCD Structure matricielle du capteur CCD couleur Filtrage des couleurs par les filtres Structure matricielle des filtres de couleur • Pour obtenir la couleur, on utilise des filtres Rouge, Vert, Bleu. • On mesure 1 couleur par pixel : les 2 autres couleurs sont reconstituées par interpolation avec les valeurs des pixels voisins. • Avantages par rapport aux tubes • Spectre plus large (des UV aux IR) • Moins de non-linéarité • Encombrement réduit • Meilleur rendement Signal Vidéo

19. Réglage de la caméra : balance des noirs et balance des blancs • La balance des noirs consiste à égaliser le niveau de noir de chaque voie R, V, B, pour que , lorsque l’objectif est obturé de toute lumière, les niveaux de tension électriques soient alignés les uns par rapport aux autres  pas de dominante colorée dans le noir de l’image. • La balance des blancs consiste à régler les circuits colorimétriques de la caméra à la température de couleur de la lumière de la scène. • Filmer une surface blanche uniformément éclairée par la lumière du tournage • Un circuit équilibre automatiquement sur ce blanc de référence les gains des signaux de chaque voie R, V, B au niveau nominal de 700mV. Signal Vidéo

20. Ecrans plats Lumière Cristaux liquides Polariseur Substrat Electrode Plaque Ecran Filtres de couleur • La technologie LCD (Liquid Crystal Display) • Les cristaux liquides sont des molécules qui modifient leur orientation suivant le champ électrique auxquelles elles sont soumises. • Les cristaux sont contenus entre deux plaques rainurées. • Suivant l’alignement des molécules, la lumière polarisée projetée sur l’écran passe en plus ou moins grande quantité, voire pas du tout. • Des filtres permettent de réaliser les 3 couleurs : rouge, vert, bleu. Signal Vidéo

21. Ecrans plats Figure 1 : Etat normal – La lumière passe Figure 2 : Etat soumis – La lumière ne passe plus Signal Vidéo La technologie LCD

22. Ecrans plats Lumière visible rouge UV Molécules de gaz Luminophore rouge • La technologie plasma (PDP, Plasma Display Panel) • Le principe est basé sur l'excitation d'un gaz qui émet de la lumière. • Un pixel est composé de trois cellules gazeuses (1 par couleur). • Une cellule est adressée par une électrode ligne et une électrode colonne, auxquelles est appliquée une tension électrique qui excite le gaz. • Le gaz rayonne dans le spectre UV (donc invisible) ; les luminophores convertissent ce rayonnement en rayonnement visible rouge, vert ou bleu. Signal Vidéo

23. Le codage de la couleur dans la vidéo analogique Signal Vidéo

24. Raison d’être de ces codages • La capture brute d’une image et sa restitution sur un écran se font au format RVB. • Le codage RVB est utilisé uniquement pour le transport direct de l'image vers le périphérique d’affichage. • Pour le stockage et le transport, on utilise d’autres formats qui séparent l’information de luminance (image N&B) des informations de couleur. Signal Vidéo

25. Autres représentations mathématiques des couleurs La base YDrDb Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B DR = -1,902 (R - Y) « chrominance rouge » DB = 1,505 (B - Y) « chrominance bleue » Utilisée dans le format SECAM La base YUV Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B U = 0,493 (B - Y) (~ DB) V = 0,877 (R - Y) (~ DR) Utilisée dans le format PAL • Les formats vidéos analogiques utilisent des bases de couleurs différentes. • Y est la luminance = le niveau de gris de l’image. Les deux autres informations, les chrominances, portent l’information de couleur. • La base YIQ Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B I = 0,27(B - Y) + 0,74(R - Y) Q = 0,41(B - Y) + 0,48(R - Y) Utilisée dans le format NTSC Signal Vidéo

26. Les formats associés : YUV et Y/C • YUV • Utilisé tel quel dans toutes les machines vidéos professionnelles (magnétoscopes BETACAM ou DV, lecteurs de DVD). • Connectique Cinch ou BNC : 3 conducteurs (1 par signal) plus 1 masse • Le format Y/C = S-vidéo = S-VHS • Pour le stockage (magnétoscope S-VHS et HI-8) • Y est la luminance définie selon le format YUV. C est construit à partir des chrominances : « C = U + V » • Connectique : prise « Ushiden » ou « mini-DIN », prise Péritel dédiée. 2 conducteurs (1 pour Y et 1 pour C) plus 1 masse. Fiche mini-DIN Prise Péritel Signal Vidéo Cordon Y/C

27. Les formats associés : Le format composite ou CVBS • Il résulte du mélange de la luminance Y et de la chrominance C pour le transport sur un même câble ou par diffusion hertzienne. • Le signal C est modulé : son spectre est translaté dans les hautes fréquences. Il est contenu dans la bande de fréquence de Y. • Question : A votre avis, quelle est l’influence sur la qualité de la superposition des spectres de Y et C dans la même bande de fréquence? Signal Vidéo

28. Le format composite ou CVBS • Le signal Y a la propriété d’avoir un spectre de raies. Le spectre du signal C « s’imbrique » entre les raies de haute fréquence du spectre de Y. • Pour séparer les signaux Y et C • filtres « en peigne », coûteux, pour améliorer la qualité • ou simplement un filtre passe-haut et un filtre passe-bas • Défaut possible : le cross-color = abondance de détails dans la luminance qui augmentent le contraste (petits cailloux, mailles …)  Qualité dégradée par rapport au Y/C Signal Vidéo

29. Le format composite ou CVBS • Il est utilisé dans tous les magnétoscopes VHS, la réception hertzienne et le laserdisc. • Câblage : prise RCA ou Péritel. 1 seul câble pour les informations Y et C. • NE JAMAIS utiliser un câble composite lors d’un tournage vidéo, toujours préférer un câble Y/C !!! Vidéo composite Audio Prise RCA (ou Cinch) Prise Péritel Signal Vidéo

30. Récapitulatif Signal Vidéo

31. Les standards de la télévision couleur Constitution de l’image de télévision Le format NTSC Le format PAL Le format SECAM Signal Vidéo

32. Géométrie de l’image • L'image de télévision, formée à la synthèse par le spot balayant l'écran du tube image, est un rectangle de hauteur V et de largeur H. • Le format de l'image est le rapport : • La normalisation internationale définit les formats suivants : • C = 4/3 pour la télévision standard • C = 16/9 pour le cinéma et la télévision « du futur ». Meilleur réalisme qu’en 4/3. Signal Vidéo

33. Géométrie de l’image • Nombre minimum de lignes constituant l’image • Il faut tenir compte du pouvoir séparateur de l’œil :  = 1’ • On se base sur une distance œil/écran d = 5  diagonale de l’écran. Le cône de vision de l’œil vaut 8°40’. • Nombre de lignes juste discernables : • Exemples • Format NTSC : 525 lignes • Format PAL : 625 lignes Signal Vidéo

34. Géométrie de l’image • Attention ! Du fait de contraintes liées aux tubes images à balayage (cadrage, synchronisation et retour du spot), l'image visible a une définition moindre que celle transmise ! • Certaines lignes et colonnes ne sont pas affichées à l’écran. Les lignes affichées sont appelées lignes actives. • Les lignes coupées sont utilisées pour transmettre les informations de synchronisation. Ligne active Signal Vidéo

35. Durée d’une ligne – Bande passante du signal vidéo 625 lignes 625  4/3 colonnes 520833 pixels  520833 / 2 = 260417 périodes … T • On se place dans le cas du format PAL : 25 im/s et 625 lignes. • Durée d’une ligne : = 64 µs • Bande passante : On se place dans le pire cas, i.e. une image constituée d’une alternance de pixels noirs et de pixels blancs. • Au format 4/3, 1 ligne est constituée de 625  4/3 = 833 pixels • Une image est donc constituée de 625  833 = 520833 pixels • Il y a 520833 / 2 = 260417 périodes dans 1 image. • Or il y a 25 images par seconde. Donc la fréquence du signal vidéo (nombre de périodes en 1 seconde) est 25  260417 = 6510416 Hz • Au format PAL, la bande passante du signal vidéo vaut 6,5 MHz. Signal Vidéo

36. Cas du format NTSC • 30 im/s et 525 lignes • Durée d’une ligne : 63,5µs • Bande passante : • Au format 4/3, 1 ligne est constituée de 525  4/3 = 700 pixels • Une image est donc constituée de 525  700 = 367500 pixels • Il y a 367500 / 2 = 183750 périodes dans 1 image. • Or il y a 30 images par seconde. Donc la fréquence du signal vidéo (nombre de périodes en 1 seconde) est 30  183750 = 5512500 Hz • La bande passante du signal vidéo au format NTSC est plus étroite qu’au format PAL : 5,5 MHz au lieu de 6,5 MHz. Signal Vidéo

37. Cadencement des images Le principe d'affichage des images de télévision est l'entrelacement de trame : on affiche successivement une trame contenant les lignes paires puis une trame contenant les lignes impaires. • Pourquoi ? • Effet stroboscopique qui gène l’œil. 2 trames = 2 fois plus d’éclairs par seconde. • Rémanence insuffisante du tube à 25 images/s  2 trames = rafraîchissement de l'écran d'au moins 50 Hz. Signal Vidéo

38. Le signal vidéo noir et blanc • Le signal électrique est composé de 2 parties • L'information vidéo : amplitude de 0,7 V. Le noir est codé par la tension la plus basse. • L'information de synchronisation : une impulsion négative de 0,3 V, destinée à asservir le déplacement du spot. Signal Vidéo

39. Le signal vidéo noir et blanc • Il faut aussi synchroniser verticalement l’image : « synchronisation trame ». • 25 lignes par trame ne sont pas visibles et sont exploitées pour la synchro trame. • Pendant 2,5 trames, le top de synchro est inversé, ce qui constitue le top de synchro trame. Signal Vidéo

40. Le signal vidéo noir et blanc • Synchro trame et synchro ligne Signal Vidéo

41. Le signal vidéo composite (couleur) • La télévision exploite le mode de représentation de la couleur sous forme composantes Y/C, où C est obtenu après codage de la différence rouge Dr et de la différence bleue Db. • Génération d'une mire de barres couleur : Signal Vidéo

42. Le signal vidéo composite (couleur) • L’information C de chrominance est modulée, tandis que la luminance Y est transmise en bande de base. Signal Vidéo

43. Le signal vidéo composite (couleur) • Le signal de chrominance subit une modulation (différente selon le format choisi : PAL, SECAM, NTSC), puis est superposé au signal de luminance. • La séparation se fait par filtres peignes ou passe-bas et passe-haut. Signal Vidéo

44. Les standards de codage de la couleur • 3 standards dans le monde : NTSC, PAL, SECAM + Des variantes de ces standards. EX. : MESECAM • Pourquoi 3 standards ? • Volonté de certains pays (ou continents) à prouver leur supériorité technologique • Le premier système : nord-américain (NTSC) • Puis : adaptation/amélioration du NTSC en Europe (PAL) • Enfin, la France, associée à l'URSS, a défini son propre standard (SECAM) • Ce sont des standards de la TV grand-public. Il existe d’autres standards professionnels (EX. : Betacam) Signal Vidéo

45. Les standards de codage de la couleur dans le monde Signal Vidéo

46. Les standards de la télévision couleur Constitution de l’image de télévision Le format NTSC Le format PAL Le format SECAM Signal Vidéo

47. Le format NTSC • National Television Systems Committee • Le premier standard couleur inventé (1953) par les américains pour garder la compatibilité avec les postes noir et blanc de l'époque 60Hz • 525 lignes au total, 30 images/s • Définition de l'image : 640 pts x 475 lignes utiles (x 30 par seconde). Signal Vidéo

48. Base de couleur / Transport de la couleur Sauts de phase • Le format NTSC utilise la base YIQ Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B I = 0,27(B - Y) + 0,74(R - Y) Q = 0,41(B - Y) + 0,48(R - Y) • Le signal de luminance Y est émis tel quel, tandis que les signaux I et Q sont modulés par une « Modulation d’amplitude double en quadrature de phase (MAQ) à porteuse supprimée » • Principe : On fait varier l’amplitude et la phase d’un signal sinusoïdal en fonction des signaux I et Q. A la réception, le démodulateur mesure l’amplitude et la phase du signal reçu et en déduit la valeur de I et Q. Allure d’un signal modulé en MAQ Signal Vidéo

49. Modulation de la couleur en NTSC • A titre purement indicatif, étude dans le module M2122 au semestre 2 • La porteuse modulée s’écrit : • Avec •  et f0 sont des constantes imposées par le standard •  = 33° • f0 = 4,43 MHz • p(t) est appelée la sous-porteuse chrominance. Signal Vidéo

50. Exemple : Calcul de M et  dans une image toute rouge Image toute rouge : R=1, V=0, B=0 Y = 0,30R + 0,59V + 0,11B = 0,3 I = 0,27(B - Y) + 0,74(R - Y) = 0,6 Q = 0,41(B - Y) + 0,48(R - Y) = 0,21 On en déduit M et  : Valeur moyenne du signal Amplitude du signal Phase du signal Signal Vidéo