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 !

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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