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Les secrets del’image vidéo

Colorimétrie - Éclairage - Optique - Caméra - Signal vidéoCompression numérique - Formats d’enregistrement

Philippe Bellaïche

Sixième édition

Bellaiche-pdt 11/05/06 15:08 Page 3

© Groupe Eyrolles, 2006 pour la nouvelle édition, ISBN 2-212-11783-3

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Les formats d’enregistrement

Quels sont les principes de l’enregistrement magnétique ?Qu’est-ce que l’enregistrement hélicoïdal ?

Quelles sont les méthodes d’enregistrement vidéo analogiques et numériques ?VHS, VHS-C, VHS-HiFi, S-VHS : quelles différences ?

8mm, Hi8 : quelles différences ?Pourquoi le Betacam SP est-il le meilleur format d’enregistrement vidéo analogique ?

À quoi sert une tête

Dynamic Tracking

?Qu’est-ce que la fonction

pre-read

?D1, D2, D3, D5, Digital Betacam : quelles différences ?

Quelles sont les différences entre le DVCPRO25 et le DVCAM ?Quels sont les formats qui enregistrent en 4:2:2 ? en 4:2:0 ? en 4:1:1 ?

Quels sont les points communs et différences entre le Betacam SX et le MPEG-IMX ?Quelles sont les compatibilités offertes par les nombreuses déclinaisons du format DV ?

Quels sont les points communs entre le DV et le Digital8 ?Quelles sont les spécificités du D-VHS ?

Qu’est-ce que le P2 et le XDCAM ?Qu’est-ce que le HDV ?

Qu’est-ce que le MICROMV ?Quels sont les formats d’enregistrement en haute définition ?

Composite ou composantes, analogique ou numérique, avec ou sans compression,MPEG-2 ou DV, 4:2:0 ou 4:1:1, bande 1/2” ou 1/4”, comment ne pas se perdreface à la multitude de formats d’enregistrement vidéo apparus ces vingt-cinqdernières années… Après un rappel des notions de base sur l’enregistrementmagnétique, ce chapitre recense l’ensemble des formats de magnétoscopes actuels,

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LES SECRETS DE L’IMAGE VIDÉO

en donnant toutes les comparaisons nécessaires en termes deperformances et de compatibilité. Nous commencerons par passeren revue les formats analogiques, d’abord grand public, puisbroadcast. Nous entrerons alors dans l’univers du numérique, endressant un panorama complet des formats qui se disputent lemarché, utilisant ou non la réduction de débit. Nous termineronsenfin par un tour d’horizon complet des formats à haute définition.

7.1 Notions d’enregistrement magnétique

7.1.1

Principe de l’enregistrement/lecture

L’enregistrement magnétique exploite le fait qu’un corps ferro-magnétique peut conserver un certain niveau d’aimantation,exprimé par son induction rémanente, après avoir été soumis àun champ magnétique. Cet effet de rémanence est illustré par lecycle d’hystérésis du matériau, dont il est question plus bas.

L’enregistrement s’effectue au moyen d’une tête magnétique,constituée d’un noyau métallique de forme plus ou moins torique,autour duquel est enroulé un bobinage. Ce bobinage est parcourupar un courant d’excitation produit par le signal à enregistrer. Lesvariations de courant sont transformées en variations de champmagnétique proportionnelles, qui s’échappent de la tête par uneminuscule fente appelée « entrefer » (pas plus de quelquesmicrons). Ces variations de champ magnétique sont alors mémo-risées par l’aimantation que prennent les fines particules ferro-magnétiques de la bande, qui défile à vitesse régulière devantl’entrefer. Les informations magnétiques sont conservées sousforme de pistes, pouvant être longitudinales – dans l’axe de labande – (magnétophones), ou inclinées (magnétoscopes).

À la lecture, un processus symétrique se produit : la tête capte lesvariations d’aimantation de la bande et les transforme en variationsde flux. Celles-ci induisent dans la bobine une force électro-motrice se traduisant par des variations de courant. Ces variationsde courant sont ensuite amplifiées et mises en forme pour formerle signal audio ou vidéo.

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7 • Les formats d’enregistrement

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7.1.2

Le cycle d’hystérésis

Intéressons-nous à présent à la courbe de transfert champ magné-tique/induction magnétique.

Un fil rectiligne parcouru par un courant électrique d’intensité Iproduit à une distance D un champ magnétique H de valeur :

H s’exprime en ampère par mètre (A/m) et est proportionnel (àune distance D donnée) à l’intensité du courant qui lui donnenaissance. Cette proportionnalité est fondamentale ; elle est à labase de l’enregistrement magnétique. En outre, un corps ferro-magnétique placé dans un champ extérieur H est soumis à uneinduction magnétique B, qui oriente ce corps en fonction del’intensité de H. Lorsque le corps sort du champ extérieur H, ilconserve une certaine valeur d’induction dite « induction réma-nente », notée « Br ».

Nous allons considérer, dans un premier temps, que le corps ferro-magnétique n’est pas encore aimanté (bande magnétique vierge).Le tracé des variations de B dans le corps en fonction du champ Hexterne est appelé « courbe de première aimantation » (fig. 7.1).

H 12 π D⋅ ⋅-------------------=

Figure 7.1

____________________________________________________________________________________

Le cycle d’hystérésis et la courbe Br = f(H).

B

HHc

Br

Bmax

– Bmax

+ Hmax

Br = f(H)

– Hmax

Br = induction rémanenteHc = champ coercitif

Courbe de premièreaimantation

Courbe decycle d'hystérésis


334


Au départ, H et B sont tous deux nuls. Quand H commence àcroître, la courbe démarre lentement. Puis, sur une grande plage,les variations de B suivent de façon linéaire celles de H, avantd’atteindre la saturation. Si H diminue, le chemin suivi par lacourbe « au retour » n’est pas le même que celui tracé « àl’aller » quand H augmentait. Ainsi, quand le champ extérieur Hredevient nul, B n’est pas nul ; il reste une induction rémanenteBr. Pour effacer cette dernière, il faut appliquer un champ extérieur,dit « champ coercitif Hc ». Si H varie de manière sinusoïdale, onobtient, pour une période de variation de H, la courbe de cycled’hystérésis donnée sur la figure 7.1.

La courbe de transfert Br = f(H), également tracée sur la figure 7.1,est proche de la courbe de première aimantation. Elle n’estlinéaire que sur une certaine zone. En audio, un signal de polari-sation est superposé au signal à enregistrer pour restreindre lazone de travail uniquement à la partie linéaire de cette courbe. Safréquence doit être au moins cinq fois supérieure à la plus hautefréquence du signal audio, afin d’éviter des battements entre cettefréquence et des harmoniques des courants enregistrés. Dans lecas de la vidéo, une fréquence de polarisation de l’ordre de28 MHz (5

·

5,5 MHz) serait requise, ce qui est bien au-delà deslimites en termes de bande passante des têtes magnétiques. C’estpourquoi il a été fait appel à la modulation de fréquence pourenregistrer le signal vidéo analogique ; nous y reviendrons dansle paragraphe 7.3.

7.1.3

La bande magnétique

La bande magnétique est constituée d’un support de base en poly-ester préalablement étiré (épaisseur de 10 à 20

m

m), recouvert d’unecouche magnétique (0,2 à 5

m

m), dont la nature est caractéristi-que du type de la bande. Une couche dorsale (1

m

m) a pour rôled’éliminer l’électricité statique. Deux paramètres fondamentauxdéfinissent la qualité d’une bande : la rémanence et la coercitivité.La rémanence qualifie sa mémoire magnétique : elle caractérisel’aimantation que peuvent conserver les particules après avoir étésoumises au champ magnétique d’enregistrement ; elle s’exprime



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en gauss (G) ou en tesla (T) ; 1 T = 10 000 G. La coercitivitédéfinit l’énergie nécessaire à l’effacement de cette mémoire magné-tique ; elle s’exprime en kiloampère par mètre (kA/m) ou enœrsted (1 kA/m = 12,6 œrsted).

Les bandes dites « à l’oxyde » renferment des particules d’oxydemétallique – dioxyde de chrome, oxyde de fer dopé au cobalt,etc. – maintenues en suspension dans un liant. Ce liant, qui occupeune place prépondérante dans la couche magnétique, permetd’éviter que des particules ne viennent se déposer sur la tête. Lesbandes à l’oxyde sont utilisées par les formats VHS, D1 et Betacamstandard.

Les bandes à particules métalliques, communément appelées« bandes métal », sont employées par la quasi totalité des formatsbroadcast. Elles possèdent une couche magnétique composéed’une poudre de fer pratiquement pur. Les particules de métalpur sont plus petites que les particules d’oxyde, ce qui permetd’augmenter la quantité d’informations stockée sur une mêmesurface de bande et d’accroître le rapport S/B d’environ 10 dB.La rémanence et la coercitivité d’une bande métal sont égales audouble de celles d’une bande oxyde, soit typiquement 2 500 G et1 500 œrsted. Une bande métal est donc deux fois plus difficile àeffacer qu’une bande oxyde : le courant d’enregistrement doitêtre deux fois plus élevé. Les têtes classiques en ferrite ne peuventcependant pas être utilisées pour cause de saturation ; elles sontremplacées par des têtes en sendust ou en fer amorphe.

Les bandes dites « à Métal Évaporé » (ME) font appel à unenouvelle technique de fabrication, complexe et coûteuse, mise aupoint pour le format Hi8 et reprise par la suite par le DV et leDVCAM. La couche magnétique est un très fin film d’alliagemétallique déposé par évaporation sous vide. Elle est appliquéedirectement sur le support, sans liant, ce qui lui permet d’êtreenviron 10 fois plus fine qu’une couche à particules traditionnelle– 0,2

m

m contre 2 à 3

m

m. La rémanence d’une bande ME esttypiquement de 3 700 G, sa coercitivité étant de 1 050 œrsted(voir § 7.6.2).


336


7.2 Les spécificités de l’enregistrement du signal vidéo

7.2.1

La plage de fréquences à enregistrer

La grande difficulté posée par l’enregistrement du signal vidéoest liée à l’immense quantité d’informations à gérer. Alors que labande passante du signal audio ne dépasse pas 20 kHz, celle dusignal vidéo est de l’ordre de 5,5 MHz. Enregistrer un courant defréquence f revient à inscrire sur la bande un signal de longueurd’onde

l

qui, si v est la vitesse d’écriture, vérifie la relation :

l

= v/f

Or, la plus petite longueur d’onde enregistrable

l

min

est limitéepar la largeur de l’entrefer e :

l

min

= 1,4.e

L’entrefer doit être suffisamment étroit pour toujours voir moinsd’une longueur d’onde, mais pas trop tout de même pour garantirun certain niveau au signal de sortie. Un bon compromis consisteà utiliser des entrefers dont la largeur est de l’ordre de 1 à 6

m

m.Ainsi, un entrefer de 5

m

m permet d’enregistrer les 20 kHz debande passante du signal audio sur une bande défilant à unevitesse qui se chiffre en cm/s (4,75 – 9,5 – 19 – 38). En vidéocependant, avec une bande passante de 5,5 MHz et un entrefer de1,5

m

m, la vitesse relative entre la tête et la bande doit être d’aumoins 12 m/s, ce qui est totalement prohibitif. L’enregistrementtraditionnel réalisé par des têtes fixes traçant des pistes longitudi-nales n’est absolument pas envisageable pour le signal vidéo,qu’il soit codé en analogique ou en numérique.

7.2.2

L’enregistrement hélicoïdal

Le procédé mis en œuvre pour enregistrer le signal vidéo découlede sa structure, basée sur un découpage en lignes et trames. Lesintervalles de suppression offrent en effet l’opportunité defractionner l’enregistrement en plusieurs pistes. Celles-ci ne sontpas tracées dans l’axe de la bande comme dans le cas d’unmagnétophone, mais sont inclinées de quelques degrés. Pour



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les enregistrer, on utilise un cylindre métallique rotatif appelé« tambour » (ou « scanner »), sur lequel sont disposées des têtes,dont le nombre varie, selon les formats, de deux à une vingtaine.La bande s’enroule en biais (sur un angle supérieur à 180°),autour du tambour incliné, et défile à une vitesse raisonnable (de2 à 30 cm/s). L’essentiel de la vitesse relative tête/bande (de 3 à35 m/s) est en effet fourni par la mise en rotation rapide dutambour, qui effectue, selon le cas, de 25 à 150 tours/seconde.Cette méthode d’enregistrement, dite « hélicoïdale », est employéepar tous les formats d’enregistrements analogiques et numériques.En analogique, une trame est enregistrée par une seule tête surune piste unique. En numérique, le volume de données représentantune trame est beaucoup trop élevé pour tenir sur une piste. Unetrame est par conséquent découpée en plusieurs segments, chacunétant composé d’un nombre entier de lignes et enregistré par unetête (voir § 7.8.1). Dans les formats numériques, les canaux audiosont également enregistrés par les têtes rotatives sur des pistestransversales, soit au centre de la bande, entre les pistes vidéo,soit aux extrémités de celles-ci.

Figure 7.2

____________________________________________________________________________________

Principe de l’enregistrement vidéo : inscription de pistes obliques par un tambour de têtes rotatif incliné.


338


La rotation du tambour peut s’effectuer dans la même directionou dans la direction opposée à celle du défilement de la bande, cequi est le cas dans la plupart des machines broadcast. Si Vt est lavitesse de rotation du tambour, Vb la vitesse de défilement de labande, D le diamètre du tambour, la vitesse relative tête/bande,ou vitesse d’écriture, Vr est :

Vr = (

p

. D . Vt) ± Vb

On conçoit aisément qu’un petit tambour avec un grand angled’enroulement donne le même résultat qu’un tambour plus grandavec un angle d’enroulement plus faible. L’avantage d’un tambourde grand diamètre est qu’il peut accueillir un nombre plus élevé detêtes, et par conséquent tourner moins vite. Cependant, les tamboursde taille réduite ont pour mérite de permettre la fabrication decaméscopes ultra compacts.

7.2.3

Les pistes longitudinales

En plus des pistes hélicoïdales, les magnétoscopes enregistrentégalement, au moyen de têtes fixes, des pistes longitudinales.Situées sur les bords de la bande, elles sont typiquement au nombrede trois :

– une piste d’asservissement, contenant des impulsions de synchro-nisation permettant d’asservir la phase de rotation du tambouravec celle du transport de la bande ;

– une piste de

time code

longitudinal LTC ;

– une piste audio analogique, portant généralement un son témoinde qualité moyenne, mais qui présente l’avantage d’être lisibleaux vitesses extrêmes, quand le son numérique ne peut plusêtre décodé, par exemple en rembobinage rapide.

Il existe cependant des formats qui se passent de tout ou partie deces pistes longitudinales, les signaux correspondants étant alorsenregistrés par les têtes rotatives.

7.2.4

L’azimut

Pour qu’un enregistrement soit reproduit dans des conditionsoptimales, il est primordial que l’angle que forme la tête de lecture



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avec l’axe de la piste soit exactement le même que celui de la têted’enregistrement. Si cette condition n’est pas respectée, il seproduit un affaiblissement rapide des hautes fréquences qui estfonction de l’angle d’azimut. On dit qu’il y a erreur d’azimut.

Sur un magnétophone, l’entrefer des têtes doit toujours êtrestrictement perpendiculaire à l’axe de la piste. Un fin réglagepermet d’y parvenir. Dans le cas d’un enregistrement multipiste, lespistes doivent être suffisamment espacées, afin d’éviter qu’unetête ne lise des informations d’une piste voisine. Soulignonscependant que les intervalles séparant les pistes – dits « intervallesde garde » – occupent un espace supplémentaire sur la bande,qui ne peut être utilisé pour enregistrer les signaux utiles.

Sur un magnétoscope, l’effet d’azimut est exploité efficacementpour enregistrer les pistes obliques sans intervalle de garde. Il suffiten effet de tracer les pistes contiguës avec des azimuts opposés.Par exemple, si une piste est tracée avec un azimut de + 15°, lespistes qui l’entourent sont tracées avec un azimut de – 15°. Ainsi,lorsqu’une tête de lecture empiète légèrement sur une pistevoisine, elle ne récupère que des signaux très atténués, donc nonparasites. Aucun espace n’est plus nécessaire pour séparer lespistes ; l’utilisation de la surface de la bande est ainsi optimale.Le choix de la valeur de l’angle d’azimut résulte d’un compromis :l’angle doit être suffisamment grand pour assurer une bonneprotection contre l’intermodulation de piste à piste, mais doit resterdans des limites raisonnables, car la vitesse d’écriture – vitesse rela-tive tête/bande – est multipliée par le cosinus de l’angle d’azimut.

7.2.5

Le

time code

Le

time code

(code temporel) est un système de repérage absoludes images en heures, minutes, secondes et numéro d’image,normalisé à l’échelle mondiale au début des années 1970. Il seprésente sous la forme d’un signal numérique asservi au signalvidéo et enregistré parallèlement à l’image. On distingue deuxtypes de

time code

, complémentaires l’un de l’autre : le LTC(

Longitudinal Time Code

) et le VITC (

Vertical Interval Time Code

).


340


Le LTC est enregistré comme un signal audio par une tête fixesur une piste longitudinale. Il est lisible à très grande vitessecomme en lecture ralentie, mais devient difficilement détectablelorsque la bande défile très lentement et est totalement illisibleen arrêt sur image (la bande étant fixe devant une tête fixe).Le VITC est quant à lui enregistré par des têtes rotatives avec lesignal vidéo, sur deux lignes non visibles situées dans l’inter-valle de suppression trame. Sa lecture est donc possible à desvitesses très lentes, même en mode arrêt sur image. Par contre, ilest illisible en rembobinage très rapide.Il existe deux modes d’enregistrement du

time code

, le

rec run

et le

free run

. En

rec run

, la valeur horaire ne défile que lorsque l’enre-gistrement se déroule et s’arrête à chaque fois que la machine eststoppée. Ce mode fournit une numérotation continue et sans inter-ruption des plans. En

free run

, le

time code

tourne en permanencecomme une horloge, sans prendre en compte le déclenchement oul’arrêt de l’enregistrement. Chaque image est donc repérée par sonheure d’enregistrement. Ce mode permet de synchroniser aisémentplusieurs plans tournés simultanément par différents caméscopes.

7.2.6

Les pertes et défauts de l’enregistrement

L’effet d’éloignement

Si, pour une raison quelconque, un espace d est introduit entrel’entrefer et la bande, il se produit une atténuation du niveau desortie, qui dépend à la fois de l’éloignement d et de la longueurd’onde

l

du signal. Cette atténuation croît très rapidement pourles fréquences élevées. D’où l’importance de vérifier régulière-ment que les têtes ne sont pas encrassées et d’éviter tout risqued’introduction de poussière dans la machine. L’affaiblissementen dB est donné par la formule :

L’effet d’azimut

Une erreur d’azimut se produit lorsque l’entrefer de la tête delecture n’a pas exactement la même inclinaison que celui de la

A(dB) 55 d⋅λ

-------------=



341

tête ayant réalisé l’enregistrement. Soit

a

l’angle de différenced’inclinaison,

l

la longueur d’onde du signal et h la hauteur de lapiste. L’atténuation en dB du niveau de lecture est donnée parla formule :

Cet effet d’azimut, comme celui d’éloignement, affecte davantageles fréquences élevées que les basses fréquences.

Les

drop-out

Malgré tout le soin pouvant être apporté à sa fabrication, unebande magnétique n’est pas à l’abri de disparités locales dans ladistribution des particules ferromagnétiques. Cela peut engendrerdes chutes de niveau plus ou moins importantes sur le signal lu,se traduisant sur l’image par la perte d’une ou plusieurs lignes.Ce défaut est communément appelé

drop-out

. Les magnétoscopesanalogiques détectent ces pertes de niveau sur la bande et rempla-cent les informations manquantes par d’autres récupérées sur leslignes précédentes. Sur un magnétoscope numérique, les méthodesde correction d’erreurs parviennent à lutter dans une large mesurecontre les absences fugitives de signal.

7.3 Les méthodes d’enregistrement vidéo analogiques

Les formats analogiques mettent en œuvre différentes méthodespour enregistrer le signal vidéo. Certains enregistrent le signalcomposite directement en modulation de fréquence ; d’autrestransposent la chrominance dans le bas du spectre pour s’adapterà une largeur de bande réduite ; d’autres encore effectuent untraitement séparé sur les signaux de luminance (Y) et de chromi-nance (C) codés en composite avant de les combiner à l’enregis-trement ; d’autres enfin enregistrent sur des pistes différentes lescomposantes Y et Dr/Db.

A(dB) 14,3 h α⋅λ

----------- 2

⋅=


342


7.3.1

L’enregistrement direct du signal composite (2", 1"B, 1"C)

Les premiers magnétoscopes à bandes broadcast enregistraientdirectement le signal composite (bande passante 5,5 MHz) enutilisant la modulation de fréquence. Pour chaque format, unstandard de modulation était défini par une fréquence f1 corres-pondant au fond de synchro du signal vidéo (0 V), et unefréquence f2 pour le blanc (1 V). L’excursion en fréquence f2-f1était d’environ 2 MHz. Une telle méthode d’enregistrement n’aété rendue possible qu’au prix d’une vitesse relative tête/bandetrès élevée – de l’ordre de 20 m/s. Ces machines très encombrantesont aujourd’hui quasiment totalement disparu au profit de magné-toscopes à cassettes bien plus compacts et plus pratiques. Leprincipe de la modulation de fréquence a cependant été conservépar tous les formats analogiques qui ont suivi.

7.3.2

Le procédé under color (U-Matic, VHS, 8mm)

Ce procédé a été inventé à l’origine pour l’U-Matic 3/4", leformat à cassettes le plus répandu dans les années 1970 sur lesmarchés institutionnel et broadcast. Il a été repris ensuite par lesformats grand public VHS et 8mm. La technique

under color esten fait nécessaire quand la vitesse relative tête/bande n’est pasassez élevée pour enregistrer l’intégralité de la bande passante dusignal vidéo sans dégrader ses hautes fréquences, en l’occurrencela zone où se trouve notamment la chrominance. Elle consiste àtransposer le signal de chrominance – 4,43 MHz en PAL – dansle domaine des basses fréquences, en dessous de 1 MHz. Cetteopération n’est évidemment pas transparente : elle engendre uneréduction des bandes passantes de la luminance (qui ne dépassepas 3 MHz) et de la chrominance (0,6 MHz), avec un rapport S/Bde seulement 41 dB. À l’enregistrement, la luminance moduléeen fréquence est additionnée à la chrominance transposée. À lalecture, un filtrage sépare les deux signaux et la chrominanceretrouve sa place à 4,43 MHz. Après démodulation, la luminanceest ajoutée à la chrominance pour former le signal vidéo composite.



343

Figure 7.3Les différentes méthodes d’enregistrement du signal vidéo analogique.

Composite direct en modulation de fréquence (2", 1")

MOD DEMOD

MOD DEMOD

Y/CSEP

Transpositionbasses fréquences

Y

C

+

4,43 MHz

CompositeComposite

Composite Composite

MOD DEMODY

4,43 MHzC Transpositionbasses fréquences

MIX Y

C

MOD DEMODY Y

MODCTDM

Dr

DbDEMOD Dr

Db

Under color (U-Matic, VHS, 8mm)

Y/C (S-VHS, Hi8)

Composantes (Betacam, Betacam SP)


344


7.3.3 Le composite séparé Y/C (S-VHS, Hi8)Le signal vidéo Y/C se situe à mi-chemin entre le signal compo-site et le signal en composantes pures (dérivées de R, V, B). Il estcaractérisé par un traitement séparé des signaux de luminance etde chrominance qui sont cependant codés chacun comme encomposite. La coupure classique du signal composite « passe-bas » pour Y et « cloche » pour C est ainsi évitée. La bandepassante de la luminance est élargie à 5 MHz, ce qui améliore demanière significative la résolution de l’image avec un rapport S/Bporté à 45 dB. Il faut cependant préciser que les signaux Y et Csont au final recombinés pour être enregistrés par la même tête ;ils n’occupent donc pas des pistes distinctes comme dans lessystèmes en composantes. Sur les machines travaillant en modeY/C, les signaux de luminance et de chrominance sont malgrétout disponibles séparément en entrée/sortie sur des connecteursappelés « S-Vidéo », permettant d’effectuer des copies directesavec un minimum de dégradation.

7.3.4 L’enregistrement en composantes (Betacam, Betacam SP)

Fin du fin dans le domaine de l’enregistrement vidéo analogique,les formats en composantes enregistrent séparément les signauxY et Dr/Db. Des têtes différentes sont en effet allouées au signalde luminance et aux signaux de différence de couleurs. La bandepassante de la luminance est enregistrée dans son intégralité(5,5 MHz) et celle de la chrominance est plus de deux fois supé-rieure à celle des systèmes Y/C (1,5 MHz). Le rapport S/Batteint 51 dB (toutes ces valeurs sont celles du Betacam SP).

7.4 Les méthodes d’enregistrement vidéo numériques

7.4.1 Les formats en composantes numériques (D1, D5)

Ces formats enregistrent sans compression le signal vidéo 4:2:2,avec une quantification sur 8 bits en D1, et sur 10 bits en D5. Ils



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sont compatibles 525/625 lignes, offrent le meilleur rapport S/Bqui soit en enregistrement vidéo (> 60 dB en D5), et sont carac-térisés par une totale transparence en multigénération. Mais cesformats n’existent que sous la forme de magnétoscopes de studio,particulièrement encombrants et onéreux. Ils sont réservés auxapplications graphiques haut de gamme et au mastering.

7.4.2 Les formats composites numériques (D2, D3)

Ces formats, qui résultent d’une démarche davantage commercialeque technologique, s’appuient sur une numérisation du signalcomposite PAL ou NTSC, réalisée à quatre fois la fréquence dela sous-porteuse couleur (notée « 4fSC »). Ils ont été créés pourremplacer les magnétoscopes « un pouce » PAL ou NTSC sansbouleverser les infrastructures analogiques existantes, dans l’attentedu tout-numérique. D’un point de vue technique, ils n’apportentpas un réel plus, mis à part le son numérique et quelques générationssupplémentaires, car l’image conserve tous les défauts inhérentsau codage composite (moirages, cross color…). C’est essentiel-lement sur le marché américain que ces formats ont connu leurheure de gloire à la fin des années 1980, l’Europe ayant trèsclairement préféré s’orienter vers les systèmes en composantespour permettre la coexistence des deux standards analogiques PALet SECAM. Ils ne sont aujourd’hui quasiment plus utilisés.

7.4.3 Les formats numériques compressés

Plus d’une dizaine de formats numériques sont apparus cesdernières années, avec l’arrivée à maturité des techniques deréduction de débit et la standardisation du MPEG-2 et du DV.Dans le domaine de la production et de la postproduction haut degamme, le Digital Betacam (Sony), le DVCPRO50 (Panasonic)et le MPEG-IMX ou D10 (Sony) mettent en œuvre chacun à samanière une compression intra-image à faible taux (de 2:1 à 3,3:1)appliquée à un signal 4:2:2. Le débit reste ainsi suffisammentélevé pour maintenir un excellent niveau de qualité d’image et


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garantir une transparence quasi totale à la multigénération et auxtraitements complexes en régie.

Pour les applications de type reportage news/sport et les produc-tions légères, les fabricants proposent des formats utilisant unecompression plus élevée (de 5:1 à 10:1), ayant engendré deséquipements numériques dont le prix est comparable à celui deleurs équivalents analogiques. On distingue alors deux famillesde formats : d’un côté le DVCAM (Sony) et le DVCPRO25 ouD7 (Panasonic), basés sur l’algorithme de compression DV ; del’autre, le Betacam SX de Sony mettant en œuvre une compressionMPEG-2 inter-image.

Pour l’anecdote, sachez qu’il n’existe pas et qu’il n’existerajamais de format D4 ; le chiffre 4 est un mot tabou dans la cultureasiatique, car il se prononce comme le mot « mort ». Il n’y a pasnon plus de format D8, cette fois pour éviter tout risque deconfusion avec certains systèmes audio (DA-88…).

Dans le domaine grand public, tous les constructeurs de camé-scopes et magnétoscopes se sont unis autour d’un seul et uniqueformat, le Digital Video, plus communément appelé « DV ». Deson côté Sony a lancé en 2001 un format extrêmement compactbaptisé MICROMV, et basé sur le MPEG-2 inter-image.

Cinq formats d’enregistrement en haute définition ont parailleurs récemment vu le jour (HDCAM, HDCAM-SR, D5-HD,DVCPRO-HD, HDV), tous étant des déclinaisons de formatsstandards. Certains sont déclinés en caméscopes très perfor-mants utilisés pour des applications de cinéma numérique, enalternative à la pellicule.

Enfin, en 2003, Sony et Panasonic ont lancé deux nouveauxsupports d’enregistrement en remplacement de la bande, respec-tivement le Professional Disc (disque optique en cartouche ayantdonné naissance à la ligne de produits XDCAM) et le P2 (cartemémoire à état solide). Ces nouveaux médias, directement issusdu monde de l’informatique grand public, ne s’accompagnentcependant pas de nouveaux formats vidéo, puisqu’ils supportentles standards actuels, à savoir le DVCAM et le MPEG-IMX pourSony (XDCAM), et la ligne DVCPRO/DVCPRO-HD pour Pana-sonic (P2).



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7.5 La famille VHS

7.5.1 Le VHSLe format VHS est lancé par JVC en 1977 dans sa version NTSC,et l’année suivante en PAL et SECAM. Il utilise une cassette detaille 19 · 10 cm renfermant une bande de largeur 12,7 mm (1/2")offrant une durée d’enregistrement maximale de 240 minutes. Labande s’enroule en « M » à 180° autour d’un tambour de diamètreD = 62 mm. La vitesse de défilement linéaire de la bande est de23,4 mm/s, la vitesse de rotation du tambour est de 25 tr/s, ce quidonne une vitesse relative tête-bande de 4,84 m/s (voir formule§ 7.2.2).

Le signal de luminance module en fréquence une porteuse centréesur 4,5 MHz, et oscillant entre les valeurs 3,8 (fond de synchro)et 4,8 MHz (blanc), ce qui donne une excursion en fréquence deseulement 1 MHz. La luminance est limitée à une bande passante de3 MHz afin de loger à sa suite la chrominance (centrée à 4,43 MHzen PAL). La résolution horizontale ne dépasse pas 250 lignes. Lachrominance est enregistrée en modulation d’amplitude après unetransposition dans le domaine des basses fréquences selon le

Figure 7.4 ____________________________________________________________________________________

Format VHS : enroulement de la bande autour du tambour de têtes avec une boucle en « M ».

Tambour rotatif

Tête d’effacementtotal Tête d’effacement audio

104 mm

188 mm

Tête audio + synchroA B

Têtes vidéo

VHS


348


procédé under color. La vidéo est inscrite sur des pistes obliqueslarges de 49 mm, longues de 9,7 cm et dotées d’un angle d’azimutalterné de +6/–6°. L’audio est enregistré en longitudinal par unetête fixe.

7.5.2 Le VHS-CDes impératifs de miniaturisation imposés par le désir de fabriquerdes caméscopes petits et légers ont conduit à la naissance duVHS-C, format plus compact que le VHS standard et permettantd’utiliser des cassettes environ deux fois plus petites. La duréemaximale d’une cassette VHS-C est cependant beaucoup plusfaible que celle d’une VHS standard, puisqu’elle ne dépasse pas60 minutes. Le VHS-C met en œuvre un tambour de diamètreréduit de 1/3 (41,3 mm), comportant deux têtes de plus, et tournant50 % plus vite (37,5 tr/s).

La bande magnétique s’enroule à 270° autour du tambour et décritune boucle en « W ». L’empreinte des pistes et la vitesse relativetête/bande sont les mêmes qu’en VHS. Une cassette VHS-C peutdonc être lue par un magnétoscope VHS, après avoir été toutefoisinsérée dans un boîtier d’adaptation mécanique.

Figure 7.5 ____________________________________________________________________________________

Format VHS-C : enroulement de la bande autour du tambour de têtes avec une boucle en « W ». Tête d’effacement audio

Tête audio + synchro

Têtes vidéo

AA'

B'

B

Tête d’effacement total

Tambour rotatif

56 mm

92 mm

VHS-C



349

7.5.3 Le VHS-HiFi

Le format VHS-HiFi améliore de manière significative la repro-duction sonore du VHS en contournant les contraintes de l’enre-gistrement longitudinal.

Dans le format VHS, la piste audio est enregistrée par une têtefixe. La très faible vitesse de défilement de la bande, soit 2,3 cm/s(la moitié de celle d’une cassette audio), ne peut permettred’espérer une qualité sonore exceptionnelle : la bande passante

Figure 7.6 ______________Le format VHS-C inscrit sur la bande la même empreinte que le VHS standard.

Figure 7.7 ____________________________________________________________________________________

Empreinte de la bande dans les formats VHS.

VHS VHS-C

diamètre du tambour : 62 mmenroulement de la bande : 180°vitesse du tambour : 25 tours/seconde

diamètre du tambour : 41 mmenroulement de la bande : 270°vitesse du tambour : 37,5 tours/seconde

180°

A B

270°

A

B A'

B'

Piste d’asservissement

Piste audio

Pistesvidéo12,65 mm

largeur d’une piste: 49 µmvitesse linéaire de la bande : 24 mm/svitesse tête/bande : 4,85 m/s

Sens de défilement de la bande

Sens delecture


350


est limitée à 10 kHz, le rapport signal sur bruit ne dépasse pas40 dB, la distorsion approche 3 %…

En VHS-HiFi, les signaux audio (deux pistes) sont enregistrés enmodulation de fréquence au moyen de têtes rotatives ; ils bénéficientainsi, comme la vidéo, d’une vitesse tête/bande élevée. Une pairede têtes supplémentaires diamétralement opposées est donc montéesur le tambour tournant. Ces têtes font appel à une techniqued’enregistrement dite « en profondeur », qui consiste à enregis-trer les signaux audio HiFi stéréo dans la totalité de l’épaisseurde la couche magnétique, alors que le signal vidéo est enregistrépar-dessus, mais uniquement en surface. Les têtes audio sontplacées en avance par rapport aux têtes vidéo sur le tambour(60°) ; leur entrefer relativement large (0,65 mm) crée un champmagnétique intense pénétrant au cœur de la couche magnétique.La vidéo est, quant à elle, enregistrée sur la surface de la bande,avec un entrefer deux fois plus étroit créant un champ magnétiquerayonné plus faible. La vidéo recouvre donc l’audio à la surfacede la bande, mais le laisse intact dans sa profondeur. Par ce procédé,les signaux audio restent parfaitement détectables à la lecture.Les angles d’azimut des têtes audio (± 30°) et vidéo (± 6°) sontcroisés, ce qui permet d’éviter tout risque de diaphonie entre lesdeux signaux (angle de +6° pour la tête vidéo A, de –30° pour latête audio A, etc.). Les têtes audio et vidéo sont situées à la mêmehauteur sur le tambour ; les pistes audio (32 mm) sont centréespar rapport aux pistes vidéo (49 mm).

Les signaux audio des deux voies gauche et droite HiFi modulenten fréquence deux porteuses respectivement centrées sur 1,4 et1,8 MHz (excursion en fréquence de +/–150 kHz). Pour assurerune totale compatibilité avec le format VHS standard, les circuitsaudio d’un magnétoscope VHS-HiFi sont doubles (têtes fixes +têtes tournantes). Un magnétoscope VHS standard peut donc lireune cassette enregistrée par un magnétoscope VHS-HiFi, et unmagnétoscope VHS-Hifi peut lire une cassette VHS standard ;dans ces deux cas, il est évident que seul l’audio longitudinal esttraité.



351

7.5.4 Le S-VHS

Le S-VHS est une version perfectionnée du VHS, caractérisée parune amélioration très sensible de la qualité de l’image. Il s’appuiesur un traitement séparé des composantes de luminance Y et dechrominance C, conformément à la représentation Y/C du signalvidéo. La bande passante de la luminance n’a plus à être limitéeà 3 MHz pour laisser de la place à la chrominance, et peut s’étendrejusqu’à 5 MHz. La résolution horizontale passe ainsi de 250 lignes(VHS) à 400 lignes.

La plage de modulation en fréquence pour la luminance est élevéede 3,8-4,8 MHz à 5,4-7 MHz, ce qui porte l’excursion en fréquencede 1 à 1,6 MHz, améliorant ainsi sensiblement le rapport signalsur bruit. Les signaux audio sont, quant à eux, traités exactementcomme dans le format VHS-HiFi ; les deux porteuses correspon-dant aux voies gauche et droite sont placées après la chrominance.

L’augmentation de la déviation en fréquence du signal vidéo a parailleurs conduit à la mise au point de nouvelles bandes magnétiquesde coercitivité et de rémanence plus élevées.

Un magnétoscope S-VHS peut lire et enregistrer du VHS ; lescircuits d’enregistrement/lecture se commutent automatiquementdès l’introduction de la cassette. En revanche, un magnétoscopeVHS ne peut pas reproduire une bande enregistrée en S-VHS.

Précisons que le S-VHS existe également en version compacte(S-VHS-C).

Figure 7.8 ______________Coupe de la bande enregistrée en VHS-HiFi. L’audio est enregistré en profondeur, la vidéo uniquement en surface.

Couche magnétique

Support polyester

Tête audio HiFi :enregistrement en profondeur

4 à 5 microns

Tête vidéo :enregistrement en surface

0,85 microns


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