La Vidéo Haute Définition

Les photoscopes et les camescopes utilisent désormais la technique de codage numérique des images.
Et haute définition signifie une meilleure résolution des images.

1 - Rappel sur la résolution des images numériques

Voici un article paru sur le site www.repaire.net=
(http://www.repaire.net/navig/prise_cameras/mires-2.htm)

Une mire pour mesurer la définition des caméras Denis Bonnenfant

2 - Résolution théorique et résolution réelle.

Disposition des cellules photo-sensibles d'un capteur:

Chaque pixel comprend 4 diodes. Les diodes sont précédées de filtres de couleur et d'une petite loupe pour capter plus de lumière.
Pour chaque pixel, il y a 2 diodes pour le vert et une pour le bleu et le rouge.

---

Prenons le cas de la mire ci-dessus et approchons notre appareil de telle façon que les lignes noires ou blanches soient en phase avec les pixels.

les lignes noires et blanches sont parfaitement enregistrées

---

maintenant décalons nous d'un quart de pixel:

les capteurs captent du blanc et du noir, ce qui donne des bandes grises à 75 et 25 % !

---

décalons nous encore d'un quart de pixel:

L'image devient uniformément grise et il n'y a plus de mire du tout !

---

En couleur, en RVB, les teintes varient de ma même manière.
Conclusion: A la résolution théorique du capteur, l'erreur est comprise entre 0 et 50%
donc peut être considérée égale à 25% en valeur moyenne.
---------------------------
1ère remarque: En numérique j'aurai toujours des pixels du capteur à cheval sur 2 valeurs différentes de couleurs donc avec une erreur pouvant atteindre 50%.
---------------------------
2ème remarque: La résolution réelle d'un capteur est inférieure à celle de ses cellules. Mais comment la calculer?
-----------------------------
Restons dans le cas le plus défavorable et rapprochons nous de la mire.
De part et d'autre du pixel gris médian un pixel gris clair et gris foncé apparaissent.
Losque 2 lignes de la mire seront en hase avec 3 pixels du capteur, l'information sera bien reconstituée et l'erreur est ramenée à 16,66%
-----------------------------
Si je me rapproche de moitié de la mire (ou avec un capteur ayant 2 fois plus de pixels en largeur et en longueur, l'erreur est ramenée de moitié, soit 12,5%).
j'aurai toujours 1pixel blanc, 1pixel gris, 1pixel noir, 1pixel gris , etc... avec une copie des couleurs vraies!
-----------------------------

3ème remarque : Pour capter 2 lignes (verticales ou obliques) d'une mire il faut (horizontalement) 3 pixels au capteur, pour capter des couleurs vraies il en faut 4 .
Exprimé en surface= Pour les lignes, on aura le rapport 4/9 et pour les couleurs, le rapport 4/16 ou 1/4.

3 - Résolution réelle.

La solution existe mais n'est pas explicitée.
Sur mes appareils numériques, les images étaient stoquées, par défaut, à une valeur inférieureà la résolution du capteur.
Faire l'expérience suivante:
1-Prendre une image enregistrée à la résolution maximale du capteur;
2-Dans Photoshop la réduire en ne gardant que 75% des pixels en hauteur et en largeur.
3-Puis la ramener à la dimension initiale.
Apres examen des zones les plus fouillées, il n'y a aucune différence entre les photos.
Par contre, toute réduction supérieure, c'est à dire inf à 75% des cotés, amène progressivement des pertes d'informations.
Voici 2 exemples à partir d'une image test. on va réduire l'image en diminuant ses cotés de 25%, 40% puis 50%.

1er cas je perds "à peine" et l'outil accentuation modifie un peu les couleurs
2ème cas=je perds un peu et ne peux me rattraper en jouant sur l'outil "accentuation" et
3ème cas= même en jouant sur "accentuation" des détails ont disparus!
-----------------------------
Faites l'expérience suivante, photographiez une mire. Dans la zone limite, en agrandissant celle-ci,
on trouvera, à la limite de la résolution, des successions de pixels clairs, gris moyen et gris fonçés.
En réduisant les cotés de l'image d'un tiers, on retrouvera bien une suite de pixels gris clairs et gris fonçés!
En ramenant l'image à ses proportions initiales, on aura à nouveau nos pixels clairs, gris moyen et gris fonçés,
ils auront sans doute des valeurs différentes des valeurs initiales. Mais l'oeil ne verra rien!
L'image réduite n'est t-elle pas la meilleure image? Celle qui gomme les défauts du capteur?

Les constructeurs ont des algorithmes de correction d'images plus ou moins performants suivant les marques
et certains s'en sortent mieux que les autres.

D'où le nouveau théorème: la résolution réelle d'une image prise par un appareil ou d'une caméra numérique est la moitié de celle du capteur.

4 - La résolution en photo.

L'image est destinée à être visualisée =
1 - sur un téléviseur.
La résolution est de 625 lignes soit 576*720 pixels. 0,4 Mpixels suffisent donc un photoscope de 0,8 Mpixels aussi.
On fera de magnifique diaporamas avec un appareil photo de bas de gamme.
2 - projetée.
Les meilleurs projecteurs atteignent 720*1280 pixels. Un photoscope de 2 MPixels suffit.
2 - sur papier photo 10*15cm.
L'imprimante Canon est donnée pour 300 pixels/pouce soit pour une image de 4*6 pouces, 1200*1800pixels.
Un appareil de 4/5 MPixels suffit.
Par contre, pour des agrandissements de 20*30 (A4) un 16 Mpixels s'impose!

Il a fallu attendre 2005 pour atteindre des capteurs de qualité enfin compatibles avec ces valeurs.

---

Voici quelques exemples concernant l'évolution des photoscopes depuis 1998 :
Pour réaliser des tests j'utilise pour mire sur une peinture tibétaine (tanka) qui fourmille de détails et dont on agrandit le milieu
soit 1/20ème de la surface prise.

avec un capteur de 0,4 Mpixels (caméscope ou webcam)

avec un capteur de 1,3 Mpixels (Kodak)

avec un capteur de 5 Mpixels (Ricoh)

Enfin la qualité !

et avec un capteur de 20 Mpixels=

On gagne encore quelques pixels!
Pour réaliser cette dernière image on a utilisé le zoom du Ricoh 5Mpixels pour capter 1/4 de la surface prise par les précédentes images.

---

Alors on peut se poser la question=Quand la résolution numérique atteindra le niveau de la résolution argentique?

---

Pour déterminer la résolution argentique, je pars d'une étude comparative parue dans "Le chasseur d'image" entre différents scanners de diapositives.
Il est dit que le scanner Nikon Scoolscan IV à 2736*4104 pixels atteint presque les limites de la granulométrie de la surface de la pellicule.
Comme on ne peut difficilement faire mieux, on a un peu plus de 10 Megapixels, ce qui correspond à un capteur de 20 Mégapixels.
Réponse= Le top du top se situera donc entre 20 et 40 Mégapixels
En attendant, comment réaliser une photo de paysage avec une grande définition?
C'est facile, il suffit de diviser l'image en n (4, 9 ou12) prises (avec le zoom)
et de les assembler ensuite sur le PC.
Faire l'opération 2 fois, en conservant si possible, sur votre appareil, le même réglage

5 - La résolution en vidéo.

• En 1951 est apparu le 405 lignes avec la chaine CBS aux USA
  
  
• en1966 le NTSC en 525 lignes puis le Pal 3/4 en 625 lignes
  
  
• en 1985, avec le développement de l'industrie informatique, le principe de la numérisation des images est apparu:
  -le NTSC est 480*640 pixels;
  -le Pal est 576*768 pixels;
  -et les écrans informatiques sont VGA 640*480 avec 72 pixels par pouce.
  Ces normes quantifient le confort visuel nécessaire et suffisant compte tenu de l'utilisation d'écrans dont la diagonale est inférieure à 70cm.
  
  
  • en 1990 le Pal 16/9eme 768*1024
    
    
  • en 2004 la HDV au Japon et aux USA 1080*1920
    
    
  • en 2005 la HDV en Europe
    
  
  Les caméscopes ne réclamant que des capteurs de 400 Kpixels sont apparus bien avant l'arrivée des photoscopes numériques.
  Les caméscopes actuels ont adopté la technique de codage numérique (576*720 pixels) et le codec DV (compression 1/5) pour l'enregistrement sur bande.

Si l'image est captée en RVB comme pour les appareils photos numériques, le codage sur la bande est conforme au signal analogique distribué sur le réseau hertzien et satellite, ainsi que sur les prises Péritel. Pour s'adapter aux nécessités du tube cathodique des téléviseurs, 3 composantes sont différenciées: l'intensité lumineuse et les champs X et Y qui définissent les couleurs. Le signal vidéo comprend donc 3 éléments dénommés Y,U et V correspondant à la luminance et aux composantes bleu-vert et rouge-vert.
Le signal de base fait 270Mbits/s (625(lignes)*720x3(RVB)x8(bits)x25images/s) et sera réduit à 36 Mbts/s pour être transmis sur le réseau satellite. Les méthodes de compression issues du Groupe MPEG ne cessent de progresser mais avec des complexités accrues ! MPEG1 puis MPEG2 (6 à 8Mbts/s) puis MPEG4 (2 à 3Mbts/s) sont apparus.

Le codage utilisé par les caméscopes amateurs est le DV qui correspond à 13Gbits (DD) par heure et il sera ramené à 3Gbits après codage MPEG2, ce qui permet de placer 1h15/1h50 sur un DVD, sans perte sensible de qualité.

Les caméscopes disposent de capteurs réduits à 576*720 pixels. Comme il s'agit, comme ns l'avons vu plus haut, de valeurs théoriques, il ne reste que 200 Kpixels réels. Cela est conforme à ce qui a été mesuré plus haut par notre ami du Forum Repaire! Une misère.

On estime à 540/550 pixels (ou points par ligne) la résolution horizontale des meilleurs caméscopes au lieu de 720!
540 n'est il pas les 3/4 de 720. Élementaire !

La même, réalisée avec une image photo numérique ramenée à 576*720 pixels réels.

6 - La TV Haute Définition.

Les tubes cathodiques à écrans plats ont atteint leurs limites physiques: 82cm et près de 50kg. pendant la même période les écrans plats et plasmas ont fait leur apparition, en dépassant les 1m en diagonale. Les signaux DVD même de bonne qualité sont inférieurs aux capacités des nouveaux écrans.
Une nouvelle norme de télévision HD avec plus de pixels s'imposait pour s'adapter à la nouvelle génération d'écran.
Si la diagonale de l'écran doublait, la résolution en pixels devait quadrupler.
Le matériel vidéo amateur progresse. Le matériel ayant atteind ses limites, on cherchera à mettre le maximum de transfert sur les supports : DVD, disques durs ou même cartes mémoires.
En 2002/2004 des caméscopes enregistraient déjà directement sur DVD en encodant les images en MPEG2. Cela pouvait être génant car les logiciels de montage grand public ne montait pas à partir d'image MPEG2. En 2005 JVC a introduit l'enregistrement en MPEG2 sur mini-disque 4Gbts puis en Septembre sur des disques de 20/30Gbits.
La réponse de Sony a été de mettre une image 4 fois plus grande sur le support classique de 13 Mbts en utilisant un nouveau codec Mpeg-2 dénommé HDV.
En juillet 2005, Sony mettait sur le marché le premier caméscope grand public haute définition.

---

En 2007, Panasonic sortait une nouvelle série de camescopes en utilisant un nouveau codec Mpeg-4 dénommé AVCHD qui est basé sur le système de compression H.264 qui a été retenu pour la future télévision numérique TNT HD. Ces 2 codecs ont été repris par l'ensemble des constructeurs.

7 - L'équipement pour l'utilisateur d'un camescope HDV.

Lorsque l'on fait le choix de la vidéo, il faut considérer comme un ensemble=
1-le camescope HDV ou AVCHD
2-le logiciel de montage
3-le support de diffusion (DVD, Blue Ray ou Disque dur multimedia).
4-le support de lecture (TV HD Ready, Full HD ou projecteur).

---

8 - Choix du camescope HDV.

La différence se situe au niveau du système de compression choisi et du support de transfert choisis par le constructeur.
c'est à dire compression en mpeg2 ou mpeg4 d'une part
et cassette, disque dur, DVD, mini DVD ou carte mémoire d'autre part.
Le mpeg-4 pose plus de problèmes aux logiciels de montage. On a intérêt à encoder et monter en mpeg2.
Les revues ont du mal à les différencier sur les images vidéo, le choix se faisant sur des détails.
On pourra consulter des sites qui effectuent des tests comme: www.camcorderinfo.com,
www.lesnumeriques.com, www.planetenumerique.com et www.repaire.net/forums/

---

9 - Les logiciels de montage HDV .

Les logiciels de montage doivent être capable de capter et de décoder la vidéo enregistrée par le caméscope.
Certains codecs H.264 ne sont toujours pas acceptés!
Les logiciels grand public ont posés jadis beaucoup de problèmes surtout avec le AVCHD mais ils seraient à présent en partie résolus!
J'ai un faible pour Vegas ou Edius.
De toute façon, un procésseur de 3GHz et 2 Mo de RAM sont un minimum.

---

10 - Diffusion HD.

Le tableau ci-après indique les multiples sorties de vos montage HD.

L'époque où les graveurs et lecteurs Blue Ray seront présents partout n'est pas encore arrivé.
On pourrait faire des copies DivX HD sur des DVD pouvant être lues par les lecteurs de salon,
mais ceux-ci ne savent pas, aujourd'hui, lire la HD.
En effet, il existe bien quelques lecteurs DVD HDV ou DivX HD mais ceux-ci restent confidentiels et chers.
A ne conseiller que pour un usage domestique.
Pour un usage nomade, les solutions pour la lecture des films HD sont limités=

• Un disque dur externe multimédia de salon utilisant une puce qui décode la HD.
  
• Un ordinateur portable ayant avec une sortie HDMI.
• ou encore en déplaçant son PC au salon. On pourra utiliser le boitier déplaçable "E-cube de Advance" et une carte mère ayant une carte graphique compatible 1080p/HDPC et une sortie HDMI.
  
• La sortie la plus compétitive est actuellement la lecture sur disque dur avec le boitier ci-après:

Le boitier "Western Digital" avec disque dur externe.
On monte sur le PC et on copie le fichier final MPEG2 ou DivX sur un DD externe 2.5
(ou une clé USB) pour la lecture au salon.

11 - Les méthodes de compression HDV .

On dit que les systèmes de compression sont destructeurs.
Voici un test réalisé à partir d'un rush effectué lors d'une escale à l'aéroport de Madrid.
L'appareil était tenu à la main et utilisait un grand angle Raynox. Les conditions étaient loin d'être optimales pour un test.

L'image est réduite, ne sélectionnons que la partie intéressante ci-après.

Nous voyons bien où se situe les limites de la résolution du capteur.
Nous selectionnons un carré de 48 pixels (1920/40). Déplacer la sélection sur l'image jusqu'à trouver des lignes bien séparées et régulières sur la base inférieure du carré.
On compte le nb de lignes. Multiplier par 2 puis par 40 et on obtient de nombre de pts par ligne horizontale.

On trouve sur l'image initiale 1280 pts/ligne en HDV ou fichier .m2t (1920*1080 natif)
et après compression (débits par défaut) on trouve :
1120 pts/ligne en DivX6.2 1920*1080
960 pts/ligne en DivX6.2 1280*720
880 pts/ligne en WMV9 1920*1080
700 pts/ligne en DV 720*576

à comparer aux 540 pts/ligne d'un camescope DV classique.

Conclusions= 1-La compression en WMV9 HD est recalée
2-On a tout intérêt à monter son film en HD (.m2t) sur son PC pour le regarder comme indiqué ci-dessus
puis à faire une down-conversion en DV mpeg si on veut à tout prix
le graver sur DVD pour le passer sur son lecteur de salon ou en donner des copies aux amis.
On remarque que la définition n'a de sens que dans la mesure où le capteur est à même de détecter les détails.
Dans les autres zones, la différence entre le DV et le m2t n'est pratiquement pas visible.
Par contre la même scène reste incomparablement meilleure à celle qui aurait été prise avec un camescope DV classique.

12 - Téléviseurs HD Ready et Full HD.

HD ready = 720*1280 ou 768x1366
Full HD = 1080x1920.
On peut être accroc du son haute fidélité et ne pas disposer d'une pièce couverte de liège,
de même on peut désirer disposer d'un home cinéma et ne pas disposer des m² indispensables.
On reste donc limité par la résolution angulaire de la vision (1mm à 3m) et par les dimensions de la pièce.
Je vs laisse le soin de faire le calcul et d'en tirer les conclusions.

1-Cas d'un écran d'ordinateur de 19 pouces, sa base fait 37,5 cm. La résolution oculaire est de 0.25mm à 75cm. 375/0,25=1500.
Ce qui signifie que l'on ne pourra lire plus de 1500 pixels sur une ligne horizontale.
Un 19 pouces en 2007 a une dalle de 900x1440 pixels.
Pour le confort de l'oeil on choisira même une valeur inférieure.
Les spécifications des écrans se situent généralement autour de .24mm pour un pitch.

2-Cas d'un télé ancienne génération. La première norme DV prévoyait une image de 480*640 pixels. Un écran de 72cm (maximum prévu pour les tubes cathodiques) a une base de l'orde de 60cm et par conséquent à 3m une base de l'ordre de 600 pixels. Elémentaire!

3-Cas d'un écran plat et de la nouvelle norme HD. Le problème se complique.
Un conflit a longtemps opposé les tenants du 720*1280 à ceux du 1080*1920.
Les tenants du "toujours plus" semblent avoir gagné mais les images transmises ne sont pas au rendez vous.
On peut voir la différence entre une vidéo HDV et une photo de même dimension obtenue après réduction à 1920, 1280 et 960 pixels hor.(vue de Santiago du Chili)!