CORSAIRE
ConsultingLes standards vidéo de codage de la couleur
Du noir à la couleur
La télévision couleur, rappelons-le, s'est bâtie sur l'infrastructure d'un réseau noir et blanc déjà existant qui l'a contraint, en Europe en tous cas, à respecter des règles de compatibilité évidentes:
• Pouvoir recevoir, sur son téléviseur noir et blanc, des émissions couleur;
• Pouvoir, sur un téléviseur couleur, capter des émissions en noir et blanc.
Or, l'un des mots qui revient le plus souvent dans le vocabulaire de la vidéo concerne la nature même du signal de télévision. Ce signal est dit composite car il est constitué, pour le noir et blanc, par les informations de luminance (les niveaux des signaux noir et blanc correspondant à des tensions électriques positives respectives de 20 et 700 mV) et celles de synchronisation (un signal de tension négative de 300 mV d'une durée de 6 gs (microsecondes) pour la synchro ligne et de 150 gs pour la synchro trame) entre émetteur et récepteur. Sa bande passante est conventionnellement de 5,5 MHz (prononcez mégahertz).
Pour la couleur, bien qu'il véhicule des informations supplémentaires, le signal possède une bande passante également fixée à 5,5 MHz. Ce signal, qui tient compte du comportement de l'oeil vis à vis des couleurs, contient les composantes de luminance Y (soit 30% de rouge, 59% de vert et 11% de bleu) et de chrominance C (la teinte et la saturation des couleurs). Ici, on fait appel à un principe relativement ancien de colorimétrie fondé sur la représentation vectorielle de la composition des couleurs par le triangle de Maxwell: celle-ci a été adoptée par la CIE (Commission Internationale de l'Eclairage). Elle associe, avec le blanc de référence pour centre, la saturation à la longueur du vecteur et la dominante à l'angle par rapport à une demi-droite de référence.
La méthode, généralement utilisée pour transmettre le signal vidéo est basée sur le principe du multiplexage temporel : afin d'éviter des battements indésirables entre la fréquence d'analyse de chaque image et celle du secteur, toutes les secondes, on transmet 25 images (30 aux USA et au japon) et chaque image contient 625 lignes (525 aux USA et au Japon) de 2 trames de 312,5 lignes chacune (262,5 lignes aux USA et au japon) qui s'entrelacent. Pour être plus clair, on effectue un balayage des lignes de chaque image en deux phases successives : durant 1/50 de seconde, on explore les lignes de rang impair débutant au centre supérieur de l'écran et, pendant le 1/50 de seconde suivant, les lignes de rang pair, prenant naissance au coin supérieur gauche de l'écran. Une trame (on dit frame en anglais) est constituée par des lignes hors écran (22,5 lignes d'intervalles de suppression de trame et 2,5 lignes dites de service) et par 287,5 lignes écran.
Bien entendu, les lignes hors écran ne représentent pas d'image et ne sont donc pas visibles; leur rôle consiste à laisser au faisceau électronique qui balaye le tube cathodique de votre téléviseur, le temps de remonter du coin bas à droite où il se trouve en fin de balayage de trame, au coin supérieur gauche où il doit se trouver pour redémarrer un nouveau balayage (c'est la suppression de trame, blanking en anglais).
Ces lignes contiennent par ailleurs les tops de synchro qui permettent au faisceau de conserver une vitesse de balayage constante et peuvent encore véhiculer un signal très court de référence couleur ainsi que des informations de sous-titrage (Antiope, par exemple) ou de code temps (time code), ces dernières étant destinées au repérage temporel des séquences à des fins de montage.
Les différents systèmes
Historiquement, ce sont les américains qui sont à l'origine du premier système de TV couleur : c'est en effet dès 1954, sur la base de travaux menés par les ingénieurs de la CBS (aujourd'hui sous le contrôle de Sony) et de RCA, que sont apparus les premiers équipements de prise de vues, transmission et réception basés sur un principe extrêmement ingénieux mais fort complexe édicté par le National Télévision System Commitee qui lui a donné son nom: NTSC.
Les mauvaises langues, qui oublient trop vite que le NTSC est le père de tous les autres procédés, racontent que ce sigle signifie, en réalité, "Never Twice the Same Color" (jamais deux fois la même couleur) ce système ayant été desservi par un défaut inhérent à son concept : la dérive de la teinte des couleurs qui fait que, trop souvent, les présentateurs ressemblent à des martiens.
Explication : pour transmettre les deux signaux de chrominance (la teinte et la saturation), on utilise deux ondes secondaires (dites sous-porteuses par opposition à l'onde porteuse qui véhicule le signal TV) de même fréquence (3,58 MHz) mais décalées (déphasées de 90').
Chaque sous-porteuse est modulée en amplitude (très exactement modulation d'amplitude double en quadrature à porteuse supprimée) par l'un des signaux de chrominance avant d'être mélangée. La modulation totale est représentée par un vecteur modulé à la fois en phase et en amplitude et variant en permanence selon les couleurs. Le signal ainsi obtenu est ensuite tout simplement ajouté au signal de luminance.
Le système NTSC ne compte que 525 lignes mais 30 images par seconde (la fréquence du courant électrique aux USA étant de 60 Hz). Il a été adopté par tous les pays qui utilisent cette fréquence du secteur, autrement dit le Canada, le Japon et le Mexique.
Le SECAM puis le PAL font la différence
Chez nous, chacun le sait, c'est le système SECAM mis au point par un ingénieur de génie, Henri de France, employé de la Compagnie Française de Télévision, qui a été adopté. Le SECAM, après le développement de plusieurs variantes, dans les années 1955 à 1960, a été le premier à se présenter comme un système compatible, opposable au NTSC.
Le SECAM (pour SEquence de Couleurs Avec Mémoire) est basé sur le même principe que le NTSC. Il en diffère cependant par le fait qu'il utilise une ligne à retard de 64 gs (une invention de Henri de France reprise plus tard pour un autre standard, le PAL) pour ne transmettre, à chaque instant, qu'un seul des deux signaux de chrominance, en alternant séquentiellement l'un et l'autre signal de ligne à ligne. Cela est obtenu en modulant, en fréquence, une onde sous-porteuse. Afin d'éviter tout risque d'erreur, une fréquence de sous-porteuse différente est attribuée à chaque couleur (4,40 MHz et 4,25 MHz).
Le SECAM est un procédé remarquable, sans aucun doute plus solide et moins exigeant que ses concurrents mais qui souffre, cependant, de certains inconvénients, notamment, on le verra, pour la manipulation des images. Il n'a été adopté (certainement pour des raisons politiques) que par les pays d'Afrique francophone, les pays de l'Est et ceux du Moyen Orient.
Avatar du NTSC, le système PAL (pour Phase Alternation Line) a été mis au point, en faisant très largement appel à la ligne à retard de Henri de France, par un ingénieur de la société allemande Telefunken, W. Bruch. Le PAL ne diffère du NTSC, mis à part, comme pour le SECAM, le nombre de lignes qui est de 625 et celui des images transmises qui est de 25 par seconde, que par un seul détail : les deux sous-porteuse I (in phase) et Q (quadrature) du système originel sont modulées avec une phase d'origine constante et avec une phase qui change de 180' à chaque ligne, alternativement. Pour qu'à la réception, le décodeur du téléviseur connaisse la polarité (négative ou positive) de la porteuse, on transmet une salve de référence (burst, en anglais) dont la phase est, alternativement 180' - 45' = 135' et -180' + 45' = -135'.
Le PAL est un excellent système de codage, particulièrement bien adapté aux trucages et autres manipulations d'images pour lesquels les équipements grand public ou professionnels sont d'une mise au point plus simple que pour le SECAM.
Le système PAL, outre qu'il a été adopté par tous les autres pays qui n'ont opté ni pour le NTSC ni pour le SECAM, s'est affirmé chez nous, comme le standard de production et de post-production, en raison de la faiblesse de l'offre en matériels SECAM, malheureusement.
Reste que, dans le domaine de l'enregistrement vidéo, l'apparition des technologies dites "à composantes" (Y/C séparés, Betacam, M, numérique 4:2:2 ou D2 Mac Paquet pour la diffusion), est en train de bouleverser le paysage de la production audiovisuelle sans d'ailleurs le simplifier réellement.
La guerre des standards, révélée par la nécessité d'imposer celui qui "gouvernerait" le monde audiovisuel et exacerbée par la nouvelle lutte pour un standard universel de TV à haute définition, n'a donc pas fini de nous poser des soucis de compatibilité.
Pour le moment, les signaux composites couleur, quel que soit le procédé de codage, ont les mêmes caractéristiques de luminance et de synchronisation et seule la manière de coder la couleur change.
Les signaux composites couleur, ceux qu'utilisent nos chaînes de télévision comme ceux de nos magnétoscopes ou de nos caméscopes sont, sur notre vieux continent, soit en PAL soit en SECAM. L'avènement de nouveaux procédés de codage à composantes permet de mettre en évidence la très piètre qualité de l'image en vidéo composite, fruit de la nécessité de travailler, en diffusion hertzienne, sur des largeurs de bandes de fréquences relativement étroites afin de préserver au mieux un spectre électromagnétique déjà fort encombré.
Composite et composantes
Si les caméscopes du grand public travaillent en composite (depuis peu en Y/C séparés), ceux des professionnels font appel à un système de composantes (bien que les matériels qui leur soient proposés en Hi-8 ou en S-VHS répondent très largement à leurs besoins).
En réalité, il existe plusieurs techniques de composantes qui combinent diversement les signaux rouge, vert et bleu (RVB ou RGB en anglais).
Les ordinateurs, les générateurs de caractères et les palettes graphiques fournissent des signaux RVB.
Les équipements de post-production font appel à des variables plus ou moins complexes de ces signaux que l'on multiplie par des coefficients plus ou moins simples : la première est toujours la luminance Y alors que les autres sont, la plupart du temps, des différences telles que R-Y ou B-Y auxquelles on affecte un coefficient multiplicateur qui ramène les signaux électriques à des valeurs déterminées.
Ainsi, les systèmes vidéo professionnels actuellement employés pour la diffusion par voie hertzienne (on parle à ce moment-là de dispositifs broadcast) font appel à des procédés de composantes Y, Ry, By où Ry = R-Y et By = (B-Y)/1,264, pour ce qui concerne le format Betacam et Y, Pr, Pb où Pr = (R-Y)/1,402 et Pb = (B-Y)/1,772 pour ce qui concerne le format M II
D'autres formats vidéo sont conçus sur des coefficients multiplicateurs très compliqués qui font appel à des systèmes matriciels dits "3x3" permettant de passer, sans aucune dégradation du signal, via des convertisseurs, d'un système RVB à un système IQ (les composantes du signal composite NTSC) ou Y, U, V (les composantes du PAL et du SECAM).
Pour passer d'un procédé composantes à un système composite, on code les signaux et on les décode pour aller dans le sens inverse.
Le succès des machines en composantes en télévision s'explique donc par les avantages ainsi évidents; pourtant, ces bénéfices deviennent caducs dès lors qu'on repasse d'un tel système au composite, ce qui est encore malheureusement le cas à partir du moment où l'on fait transiter les images par la voie hertzienne classique.
C'est pour pallier cet inconvénient majeur mais pas si catastrophique que cela que les ingénieurs ont étudié et développé des moyens permettant de véhiculer, par faisceaux hertziens, des images tournées en Betacam ou Betacam SP, voire en numérique, sans qu'elles subissent le dégradant va et vient du codage/décodage, en amont et en aval des faisceaux.
Le premier de ces moyens a pour nom barbare: D2-MAC Paquet. Un nom qui gagne à être connu si les satellites et les décodeurs spécialement prévus à cet effet lui prêtent vie. A l'heure où ces lignes sont écrites, seuls quelques heureux élus ont le privilège de pouvoir profiter du charme (encore discret) de la télévision en composantes.
Le principe de base du D2-MAC repose sur le multiplexage temporel (et non pas fréquentiel comme pour les standards NTSC, SECAM ou PAL) des signaux vidéo. Partant, les signaux de luminance et de chrominance sont transmis, pendant 52 µs chacun, les uns après les autres et occupent toute la place disponible en fréquence mais ... à tour de rôle. La séparation de Y et de C est, dès lors, totale au décodage, évite ainsi, définitivement, les problèmes d'intermodulation (vous savez, les couleurs baveuses!) et garantit une qualité et une finesse d'image sans commune mesure avec ce qui est proposé aujourd'hui.
A telle enseigne que c'est le MAC, dans l'un de ses nombreux avatars (MAC 4-2-2, T-MAC, MAC 3-1-0 ou MAC 4-1-1), qui sera, peut-être choisi, face aux systèmes MUSE japonais et numérique américain, pour la télévision en haute définition. Les téléviseurs au format 16/9 actuellement commercialisés par le groupe Thomson utilisent d'ores et déjà le procédé MAC et sont capables de diffuser des images haute définition en 1250 lignes.
Les normes de télédiffusion
Les normes de télédiffusion sont codées par des lettres, B,G, I, D, K, M, N, L (deux lettres associées représentant deux normes utilisées simultanément en bande VHF et UHF).
Tableau des différents standards utilisés dans le monde
| Données techniques | NTSC 3.58 | NTSC 4.43 | PAL-M | PAL | PAL-N | SECAM | MESECAM |
| Nbre de lignes horizontales | 525 | 625 | |||||
| Fréquence de trame | 60 Hz | 50 Hz | |||||
| Fréquence de balayage | 15.734 KHz | 15.625 KHz | |||||
| Fréquence des signaux couleur | 3.579645 MHz | 4.433619 MHz | 3.575611 MHz | 4.433619 MHz | 3.582056 MHz | Db 4.25 MHz Dr 4.40625 MHz |
|
| Modulation des signaux couleur | Modulation en quadrature de phase avec suppression de sous-porteuse | Modulation de fréquence | |||||
| Impulsion de synchronisation | Phase fixe | Rotation de phase | Séquentiel | ||||
Diffusion télévisuelle en couleurs dans le monde (standards et normes)
| Standard | Norme | Pays de diffusion |
| NTSC | M | Etats-Unis, Canada, Mexique, Chili, Colombie, Cuba, Pérou, Corée, Philippines, Taiwan, Japon, etc... |
| PAL | B/G | Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, Hollande, Italie, Norvège, Portugal, Suède, Suisse, Tunisie, Turquie, Chypre, Ghana, Inde, Israel, Nouvelle-Zélande, Australie, Malaisie, Thailande, etc... |
| I | Royaume-Uni, Irlande, Hongkong. | |
| D/K | Chine, Burundi, Cameroun, Congo, République Centrafricaine, Cote d'Ivoire, etc... | |
| M | Brésil. | |
| N | Argentine, Uruguay. | |
| SECAM | L/L' | FRANCE |
| B/G | Grèce, Iran, Egypte, Arabie-Saoudite, Libye, Maroc, algérie, etc... | |
| D/K | Bulgarie, Hongrie, Pologne, Tchécoslovaquie, C.E.I., etc... |
Toutes les cassettes VHS sont techniquement les mêmes, à la différences que les longueurs de bande varient. Ainsi les cassettes NTSC ont des indications de durée correspondant à une vitesse de défilement différente.
Informations de diverses sources. Traduction et adaptation : Stef