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Cahier technique télévision 4K: augmenter la qualité des images

La rédaction
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La télévision vit ces dernières années une véritable révolution. Le passage au numérique a permis de faire progresser rapidement la définition - et donc la qualité - des images, tout comme les technologies liées à la constitution des écrans qui permettent de proposer des surfaces de plus en plus grandes à des coûts abordables. Mais au-delà de la seule définition, la fréquence de rafraîchissement des images augmente elle aussi. Ce qui conduit à traiter un volume de données qui croît de manière exponentielle. Pour limiter cette inflation, les constructeurs ont mis en place plusieurs artifices tendant à limiter le volume d'informations transmises sans que l'oeil y perçoive une dégradation des images.

En jouant sur la résolution des images, leur fréquence de rafraîchissement et les informations relatives à leur contraste, les ingénieurs arrivent à nous fournir des images d'une qualité toujours croissante sans faire exploser le volume d'informations à transmettre grâce aux techniques de compression.

RÉALISÉ PAR JEAN-YVES AUBIÉ, LAB MANAGER À L'INSTITUT DE RECHERCHE TECHNOLOGIQUE B-COM

S'il vous est arrivé récemment de vous égarer dans le rayon « téléviseurs » d'une grande surface ou d'un magasin spécialisé, il ne vous aura pas échappé que la grande nouveauté dans ce domaine est l'arrivée de ces très beaux et grands téléviseurs qui supportent le format ultra-haute définition (également appelé UHD ou 4K). Dans le meilleur des cas, vous les verrez afficher un contenu de démonstration choisi pour la richesse des détails et la fluidité des mouvements, mais malheureusement il se peut aussi que vous n'ayez droit qu'à un simple Blu-ray « up-converti » en résolution 4K par le téléviseur. Quoi qu'il en soit, à la distance à laquelle on regarde habituellement un téléviseur dans un magasin, la différence avec les autres appareils sera frappante et renforcée par le design audacieux de ces écrans allant jusqu'à proposer des dalles incurvées du plus bel effet.

Toutefois, passé cet instant de saisissement, le consommateur avisé ne manquera pas de s'interroger sur l'encombrement et surtout l'usage qu'il pourrait faire de cette acquisition, et il devra constater que les contenus au format UHD sont encore absents des réseaux de télévision, et que le format Blu-ray UHD n'est pas encore né.

Si le doute existe chez le consommateur, il n'est pas absent non plus du côté des professionnels qui mesurent les coûts d'investissement pour migrer vers l'UHD et se demandent si le gain en qualité suffit à justifier cette dépense.

Des organismes tels que l'Union internationale des télécommunications, la Society of motion picture and television engineers (SMPTE) le consortium «Digital Video Broadcasting (DVB) ou l'Union européenne de radio-télévision ont pris l'initiative d'étudier le réel apport en qualité subjective de l'UHD et ont tout d'abord proposé un déploiement en deux étapes : la première (UHD-1) concernant la résolution de 3 840 x 2 160 pixels (4K), et la seconde (UHD-2) améliorant encore cette résolution avec 7 680 x 4 320 pixels au maximum (8K).

Cependant, de nombreux acteurs du secteur se sont demandé si ce n'était pas là l'occasion rêvée pour aller plus loin qu'une simple augmentation du nombre de pixels et s'il ne serait pas judicieux d'apporter d'autres améliorations qui renforceraient le réalisme et l'immersivité de ces futurs formats. De cette réflexion est née l'idée d'une UHD-1 en deux phases. La phase 1 (2014) ne concernerait que la résolution UHD et la phase 2 apporterait d'autres améliorations. C'est ainsi que plusieurs groupes de travail ont vu le jour pour étudier l'apport d'une augmentation du rythme image (HFR - high frame rate), ainsi que le bénéfice d'une augmentation du contraste et de la luminosité (HDR - high dynamic range) ou d'un espace de couleurs étendu (WCG - wide color gamut) (Fig. 1). Il est alors apparu que le gain en qualité subjective peut être accru en jouant sur l'ensemble de ces paramètres-image et les résultats de ces tests ont levé quelques interrogations quant à l'intérêt d'augmenter uniquement la résolution.

1. LA RÉSOLUTION

A. Quatre fois plus de détails

Sous l'impulsion des fabricants de téléviseurs, la première proposition est d'augmenter la résolution par un facteur 4, ce qui se traduit par le slogan « quatre fois plus de détails ». En réalité, on oublie aussi de mentionner que la HD telle qu'elle existe aujourd'hui est diffusée soit en 720 lignes progressives (720p), soit en 1 080 lignes entrelacées (1 080i) (Fig. 2). Dans ce dernier cas, la résolution verticale perçue est inférieure à 1 080 pixels en raison de l'entrelacement. Ce serait donc plutôt environ cinq fois plus de détails que l'UHD offrirait par rapport aux contenus HD que l'on reçoit aujourd'hui sur nos téléviseurs.

Plusieurs tests de qualité subjective ont montré que la distance idéale par rapport à l'écran diminue quand la résolution augmente. Ainsi pour un écran de 46 pouces, il faudrait théoriquement se trouver à 1,8 m de distance en résolution HD mais seulement à 90 cm en UHD (Fig. 3). On comprend mieux pourquoi les premiers écrans UHD disponibles sont en général de grande taille. À noter qu'en 8K, la situation est encore plus critique puisqu'il faudrait en toute rigueur se situer à 0,75 fois la hauteur de l'écran, soit 40 cm pour un écran 46 pouces ! Fort heureusement, même si la distance idéale n'est pas respectée, il semble qu'une légère amélioration soit encore perceptible quand on atteint le double de la distance optimale, amélioration d'autant plus marquée si on compare de la HD entrelacée avec de l'UHD progressive.

B. Des points forts indéniables en production et en compression

Cette amélioration peut-elle justifier un accroissement par 8 du volume de données (4 fois plus de pixels et doublement du nombre d'images) ? Peu importe la réponse, il semble bien que plus rien ne puisse arrêter le train de l'UHD. Les derniers salons - CES (électronique grand public) et NAB (équipements professionnels de télévision) -, ont démontré que la 4K (ou l'UHD) sont partout et couvrent l'ensemble de la chaîne de traitement, depuis l'acquisition jusqu'à la restitution. Ainsi, les dernières caméras lancées sur le marché, y compris des modèles professionnels à moins de 10 000 euros, offraient systématiquement la résolution 4K (ces caméras sont également utilisées pour le cinéma). Les outils de postproduction ont eux aussi évolué pour supporter cette résolution. Et il est désormais courant de filmer en 4K même si le contenu est distribué en HD : ceci offre des avantages lors du post-traitement, que ce soit pour stabiliser, modifier la scène ou appliquer du filtrage. Une autre raison réside dans la fonction de transfert des objectifs et capteurs 4K qui offre une meilleure netteté (ou « piqué d'image ») à une résolution équivalente à la HD. Les séries et émissions sportives sont donc de plus en plus souvent filmées en UHD pour deux raisons : offrir une meilleure HD et commencer à alimenter un patrimoine qui sera bien utile lorsque les réseaux de télévision UHD commenceront à se déployer.

Si l'adoption du format 4K ou UHD est inéluctable en production, qu'en est-il du transport et des réseaux de diffusion ? Le premier point à prendre en compte pour répondre à cette question est le format de compression HEVC, qui a été standardisé en avril 2013. Par rapport au schéma de compression (H.264, MPEG4 AVC ou MPEG4 part 10) utilisé couramment aujourd'hui pour transporter la HD, le standard HEVC promet un gain en débit de 50 %, à qualité vidéo égale. Par ailleurs, ce standard intègre nativement le support de résolution UHD-1 jusqu'à une fréquence images de 120 i/s. On en déduit que si l'UHD représente huit fois plus de données que la HD en entrelacé, le coût de transmission ne serait que quatre fois supérieur au coût actuel grâce à l'efficacité deux fois supérieure de HEVC. Dans les faits, le gain en compression est également accru par la plus forte corrélation spatiale et temporelle du format UHD-1 en 2 160p (lignes progressives) comparé au format HD en 1 080i (lignes entrelacées).[…]

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