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Doubleurs
de lignes, image progressive et autres scaleurs.
Chacun
recherche pour son home-cinéma l'image ultime. Avant toute
chose, c'est une grande image avec peu de recul (1,5 fois la diagonale
environ). Donc si votre canapé est à 4 mètres
de l'écran, celui ci doit mesurer environ 2,6 mètres
de base. A partir de la, la seule technologie grand public possible
est la vidéoprojection. Sachant que le meilleur type d'appareil
pour projeter une image d'origine cinéma est le tritube,
appliquons nous à améliorer son image en combattant
tout d'abord son principal défaut : le lignage.
Le lignage n'est pas un défaut propre
aux tritubes, on le retrouve sur la TV et sous une autre forme,
sur les vidéoprojecteurs LCD (pixellisation). Il ne faut
pas rendre responsable les dispositifs d'affichage de la médiocrité
des sources vidéo actuelles (entrelacées).
Puis nous verrons comment l'améliorer en augmentant fréquence
d'affichage et en optimisant la résolution.
1. Le télécinéma.
2. Les défauts de la vidéo entrelacée.
3. Le désentrelacement.
4. L'optimisation de la résolution.
5. La fréquence d'affichage.
1. Le
télécinéma
Un
film cinéma est tourné en 24 images par seconde. Il
n'a pas de résolution définie tout comme l'appareil
photo classique. C'est la taille des grains d'argent de la pellicule
qui détermine la finesse de l'image (qui l'emporte, et de
loin, sur n'importe quel format vidéo).
La vidéo analogique comporte 25 images
par seconde à la résolution verticale fixe de 576
lignes (PAL), l'affichage se faisant par trame (demi-image) au rythme
de 50 fois par seconde (nouvelle formulation)
Projeter 24 images par secondes serait
inacceptable pour l'œil humain. La persistance rétinienne
demande au moins 45Hz pour être acceptable et 70 Hz pour paraître
réellement stable (cette dernière valeur est recommandée
en informatique). Au cinéma, on vient donc afficher chaque
image 2 fois pour atteindre une fréquence de 48Hz.
Pour faire une copie d'une pellicule de
cinéma sur une vidéo, on vient " scanner "
une par une chaque image que l'on enregistre sur une bande magnétique
appelé " master ". Ce master a souvent une résolution
bien supérieure à celle du DVD. Puis on vient tirer
une copie de plus faible définition égale à
celle du DVD ou chaque image est stockée sous forme de 2
demi-images, chacune étant référencée
comme étant celle des lignes paires et impaires. Mais pour
s'adapter au rythme de 50hz, le défilement est accéléré
de 4%. Le son quand à lui se retrouve donc ré-échantillonné
et la tonalité se retrouve un demi ton plus haut. Vous pouvez
le constater en comparant le CD de la bande originale et le DVD
du même film.
Exemple
: un carré pourpre traverse l'image de gauche à droite.
Le cas du NSTC
est beaucoup plus complexe car la vidéo est à 60 Hz.
Nous avons 24 images formant 48 demi images, il manque donc 12 demi
images, donc toutes les 4 trames, nous allons en doubler une. Une
opération qui est fait avec méthode pour combiner
correctement trames paires et trames impaires.
Image n°1
: transformation en une demi-image impaire et une paire. Image n°2:
transformation en une demi-image impaire et une paire avec répétition
de la impaire (séquence 3 : 2 ). Attention sur la prochaine
image car maintenant la demi-image suivante doit être paire
; Image n°3 : transformation en une demi-image paire et une
impaire. Image n°4: transformation en une demi-image paire et
une impaire avec répétition de la paire. Fin du cycle.
2. Les défauts
de la vidéo entrelacée.
Il y a deux grandes
raisons pour faire de la vidéo constituée de demi-images
:
- on obtient
immédiatement une fréquence supérieure à
45Hz,
- Contrairement
à une idée très répandue, le passage
à la vidéo entrelacée n'a pas une grande
influence sur la bande passante d'une émission hertzienne
: 576 lignes 25 fois ou 288 lignes 50 fois correspond à
la même quantité d'informations transmises par seconde.
C'est plutôt la technologie des tube cathodiques qui a imposé
ce choix il y a 60 ans. D'ailleurs les 1er moniteurs informatiques
étaient eux aussi entrelacés sans qu'on puisse invoquer
une quelconque question de bande passante. N'ayant plus sa raison
d'être aujourd'hui, l'informatique s'est affranchi de ce
choix historique, mais pas la télévision pas encore
(attendons la HD).
Dans le cas
du Home-cinéma et son image vu à 1,5 fois la base
de l'image, de nombreux défauts liés à la vidéo
PAL-NTSC vont apparaître.
2.1. Le "line
flicker".
Regardez bien
le carré rouge suivant : il occupe quasiment tout l'espace
de l'écran de votre téléviseur sauf la ligne
du haut et la ligne du bas. En vidéo entrelacée, les
2 demi-images se comportent comme si elles montaient puis descendaient.
En raison de la persistance rétinienne, on voit une image
fixe mais le haut et le bas du carré scintille, car ces deux
lignes sont rafraîchies à 25 Hz alors que la zone milieu
est rafraîchie globalement à 50 Hz.
Ce défaut
est compensé dans beaucoup de cas par un filtrage vertical
de l'image qui vient diminuer grandement la définition de
l'image. Mais regardez bien l'introduction de la Playstation, le
" line flicker " y est particulièrement visible
sur le bord du texte. De même que le logo TF1 dans ses journaux
télévisés : regardez les fines zones rouge
et bleu qui encadrent en haut et en bas les lettres blanches.
2.2. L' effet
de peigne.
Les travellings
horizontaux rapides sont les plus propices pour révéler
ce type de défaut. La figure ci dessous est suffisamment
explicite.
Un exemple flagrant de travellings horizontaux posant problème
: Titanic, au moment ou la proue traverse l'écran (noir sur
fond bleu clair), phénomène d'autant plus visible
que le DVD est enregistré en 4/3.
Au cinéma, vous ne pouvez pas voir ce type de défaut,
par contre lors de travellings horizontaux, l'aspect 24 images par
seconde montre clairement que les déplacements ne sont pas
fluides. Pour que la notion de fluidité apparaisse, il faut
plus de 60 images par secondes complètement indépendante
(et non entrelacée).
2.3. les
travellings verticaux.
Lors des travellings verticaux, les lignes deviennent extrêmement
visibles. Il suffit de regarder un présentateur de journal
TV hocher de la tête alors qu'il est en gros plan. La résolution
paraît alors subitement divisée par deux montrant supprimant
l'effet de la vidéo entrelacée.
2.4. La visibilité des lignes.
Lorsque l'image est fixe, en se rapprochant de l'écran (que
ce soit une simple TV ou un tri-tubes) on finira toujours par voir
les lignes. Ceci d'autant plus que votre diffuseur vidéo
est basé sur l'emploi du tube cathodique (tri-tubes ou téléviseurs).
3.
Le désentrelacement.
Sachant que pour des raisons historiques l'image est diffusée
en deux demi-images (trames) et que dans le cadre de notre home
cinéma ce choix technologique entraîne bien des défauts
sur notre image, rassembler les deux trames devient nécessaire
; cette opération s'appelle le désentrelacement. On
passe alors de la vidéo entrelacée à la vidéo
progressive (ou encore non entrelacée). Ce qu'il faut bien
comprendre, c'est qu'il n'y a pas création d'informations.
C'est juste une reproduction plus fidèle et mieux géré
du signal original. (ce qui prouve bien que la bande passante n'est
pas affectée !)
Pour cela il y a plusieurs moyens technologiques qui utilisent en
commun une mémoire pour stocker au moins une trame.
3.1. Le DVD
à sortie progressive.
Le signal est lu en numérique bien sur et on va mémoriser
chaque trame en attendant la suivante pour les recombiner ensuite
; dans cette opération, il est aidé par un "
flag " encodé dans le flux MPEG qui lui rappelle si
la trame en cours est paire ou impaire. Le processus est donc extrêmement
simple dans son principe. Mais les constructeurs ont depuis peu
le circuit intégré " qui va bien " pour
faire cette opération en PAL (les lecteurs de salon PAL sont
encore assez chers !). Le marché mondial du home cinéma
est à la louche 80% NTSC et 20% PAL.
3.2. Les
boîtiers doubleurs de ligne ou scaleurs.
Dans ce cas, on récupère un signal de vidéo
analogique entrelacée qui pour mémorisation va être
renumérisé. La précision du traitement est
déjà conditionné par la fréquence d'échantillonage
et l'importance de la quantification. Donc il y aura une double
conversion de plus qui ne peut que nuire à l'intégrité
du signal. Ensuite le traitement est plus délicat car le
processeur vidéo doit retrouver quelle trame est paire et
laquelle est impaire. Heureusement pour lui, cette information est
contenue dans les lignes non visible d'un signal vidéo, (sur
les 625 lignes du PAL, il y a 576 lignes visibles et 49 lignes de
services).
3.3. Les ordinateurs PC.
C'est actuellement la voie la plus économique pour avoir
une image sans artefact. Votre lecteur de DVDROM transmet le flux
numérique à votre carte mère, qui via un logiciel
de décodage tel que PowerDVD, CINEMASTER ou WinDVD va désentrelacer
avec une grande rigueur l'image et l'envoyer à une carte
graphique soigneusement choisie pour qu'elle ne dégrade pas
le signal. Une solution qui revient à moins de 5000frs tout
compris (PC sans moniteur ). Par contre l'ergonomie de cette solution
est loin d'atteindre celle des lecteurs de salon, et vous avez le
droit à un beau logo Microsoft en allumant votre installation
après une minute de démarrage…
3.4. Les problèmes couramment vu dans le désentrelacement.
Si la vidéo
provient d'un film, deux trames successives prises dans le bon ordre
appartiennent à la même image il est alors facile de
reconstituer le film ; c'est le mode Weave (selon Microsoft), le
meilleur dans ce cas.
Mais il existe de nombreuses séquences de vidéo pures
ou les 50 demi-images sont totalement indépendantes. A partir
de ce moment, il NE FAUT PAS réassembler les trames. L'opération
est alors un doublage de lignes pur et simple. Donc le travail est
double : il faut trouver une méthode qui détecte l'origine
de l'image (principalement basée sur l'analyse de la cohérence
d'une trame à l'autre), et ensuite fabriquer des nouvelles
lignes pour les intercaler. La création des nouvelles lignes
se fait soit par duplication pure et simple de la ligne supérieure,
soit par moyenne des lignes supérieures et inférieures,
On parle ici de mode Bob : PowerDVD détecte le mode à
choisir.
En affichant le contenu d'un DVD sur l'écran d'un PC, on
voit très nettement la différence de qualité
entre le mode Weave réservé aux films et le mode Bob
qui convient mieux aux bandes annonces (sur une TV les différences
sont moins visibles).
Dans le cas
du NTSC, il faut retrouver la séquence de l'encodage pour
effectuer le " 3 : 2 pulldown ", c'est à dire la
suppression des trames en doubles, et la remise en ordre des trames
impaires et paires qui ont été inversé. La
gestion de ce cas demande beaucoup plus de mémoire pour un
doubleur de ligne externe car il faut mémoriser plusieurs
trames. Encore une fois, un PC ou un lecteur de salon à sortie
progressive sera grandement avantagé car dans un DVD NTSC
les trames doublées ne sont pas enregistrées, il existe
un autre " flag " dans le flux MPEG pour indiquer quelles
trames doivent être répétées. Vous pouvez
le vérifier en faisant défiler image par image en
DVD NTSC : il faut 24 pressions sur la touche pause pour faire sauter
d'une seconde l'afficheur, mais dès que vous faites lecture,
le diffuseur voit du 60Hz.
4. L'optimisation
de la résolution.
| Nous
avons vu que l'opération de désentralecement ne
créait pas d'informations. Le choix de la résolution
par contre est l'occasion de le faire. Deux écoles s'affrontent
; soit on cherche à respecter le format d'origine ; soit
on exploite au maximum la capacité de son diffuseur.
Etoffons ce discours, à l'aide de la figure ci contre.
Je ne vous cacherai que je suis partisan de la première
solution. Sur la première ligne nous comparons l'affichage
sur deux matrices de résolutions différentes ;
l'une à 25 pixels, l'autre à 30, soit 20 % de
résolution différentes. Les comparaisons sont
faites dans cette esprit : nous disposons d'une source 5*5 que
l'on cherche a restituer soit dans sa résolution native
ou soit dans une résolution améliorée,
en l'occurrence 6*5 ou 6*6. L'exemple est fait sur des petites
résolutions qui augmente la perception des défauts.
Néanmoins il se passe la même chose quand on passe
de 720*576 à 800*600. Dans le premier cas, une diagonale
est enregistré ; l'algorithme qui détermine les
nouvelles informations est ici simpliste ; on crée une
ligne supplémentaire et elle est la duplication de la
ligne connexe. La figure 2 montre que si l'augmentation de la
résolution ne se fait que dans une seule direction, ici
dans le sens horizontale, on peut provoquer des effets d'escaliers
amplifié. Une solution illustrée en 3 montre qu'il
faut privilégier une augmentation de résolution
dans les deux directions. Mais cela ne suffit pas. La figure
4 représente un cercle qui de "parfait" passe
à une patatoïde ! |
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Pour
minimiser cela, les algorithmes de création d'information
sont devenus plus rafinés comme en procédant à
une moyenne des informations des lignes et colonnes adjacentes.
Mais sur les petits détails, l'échec est encore au
rendez-vous comme on peut le voir sur la figure 5 : notre cercle
est devenu une tache sans nom !
Si l'augmentation doit se faire, il faut
donc impérativement faire un saut significatif pour limiter
les effets d'escaliers. Il faut aussi respecter le signal originel
en choisissant la résolution double ou quadruple pour que
tout les pixels natifs soient affichés à la même
position que si l'on avait choisi 720*576.
5. La fréquence
d'affichage.
Le
désentrelacement permet d'avoir donc les 576 lignes balayés
en une seule passe. On affiche alors avec la majorité des
scaleurs deux fois chaque image pour atteindre 50 Hz et limiter
le scintillement. Mais comme il n'existe plus le phénomène
de " line flicker " à 25 Hz, il n'est plus nécessaire
de passer à 100 Hz de balayage vertical ; à partir
de 75 Hz, l'image est stable même au niveaux des contours
les mieux définis.
6. Les diffuseurs
LCD et DMD.
Cet
article peut être transposable en bien des points aux diffuseurs
à technologie LCD ou DMD. La notion de lignes est alors remplacée
par celle de pixels.
Vous avez lu
une erreur, avez une précision à apporter ou tout
simplement une question à poser, n'hésiter pas à
m'écrire à l'adresse suivante : jacques@homecine.com.
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