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Signal Vidéo et codage couleur



Sommaire 1. Caractéristiques du signal vidéo composite .................................................................................... 1

1.1. Signal vidéo N&B composite ................................................................................................... 2

1.1.1. Séparation des composantes .......................................................................................... 2

1.1.2. Détails d'une ligne dans le format CCIR 625/50Hz .......................................................... 3

1.1.3. Synchronisation trame .................................................................................................... 4

1.1.4. Relevés expérimentaux ................................................................................................... 6

2. Signal vidéo couleur ........................................................................................................................ 8

2.1. Synthèse en télévision ............................................................................................................. 8

2.1.1. Expériences (relevés à la sortie vidéo d’un téléviseur) ................................................. 11

2.2. Codage couleurs .................................................................................................................... 13

2.2.1. NTSC (National Television System Committee) ............................................................. 13

2.2.2. PAL(Phase Alternation by Line) ..................................................................................... 14

2.2.3. SECAM (SEquentiel Couleur A Mémoire) ...................................................................... 15

Signal Vidéo et codage couleur Page 1

Généralement, le lieu de production de l'image vidéo (un studio de télévision par exemple) est éloigné de celui de la reproduction ! C'est le principe même de la télévision. C'est dans ce but qu'ont été élaborées, et normalisées, les caractéristiques d'un signal adapté à la transmission d'une image : le signal vidéo. Il doit comporter toutes les composantes de l'image : ses dimensions ainsi que la luminosité et la couleur de chaque point ou pixel. Toutes ces informations ne peuvent pas être transmises simultanément sur un seul signal : l'image à transmettre est donc analysée séquentiellement, pixel par pixel, de gauche à droite et de haut en bas, de sorte qu'à un instant donné, le signal vidéo ne contient que les informations relatives à un seul pixel. Des intervalles de temps sont réservés pour insérer des informations de synchronisation horizontale (au début de chaque ligne) et verticale (au début de chaque image) qui permettent de reconstituer le format de l'image. La transmission d'une image complète prend donc un certain temps, et dans le cas d'images animées, celle-ci est périodique avec un rythme suffisant pour la fluidité. La nature séquentielle du signal vidéo impose la présence d'une fonction de mémorisation dans le dispositif de reproduction. Cette mémorisation peut être analogique (rémanence de l'écran cathodique par exemple) ou numérique (RAM "vidéo"). Le support de transmission peut être un câble, une onde hertzienne ou la lumière dans une fibre optique.

1. Caractéristiques du signal vidéo composite L'expression "signal vidéo" est utilisée dès qu'il s'agit de transmettre une image animée entre deux points distants. Plusieurs natures de signal vidéo existent :

• En analogique : o Noir et Blanc :

Les composantes "luminance" et format ("synchronisation ligne" et "synchronisation trame") sont physiquement séparées (3 signaux). N'est plus utilisé aujourd'hui.

Les composantes «luminance", "synchronisation ligne" et "synchronisation trame" sont regroupées dans un seul signal composite (il comporte plusieurs composantes).

o Couleurs : Les composantes couleur ("R", "V", "B"), "synchronisation ligne" et

"synchronisation trame" sont séparées. Cette liaison à 5 fils est utilisée pour les très courtes distances et des images de haute résolution (ex : liaison ordinateur - moniteur informatique au format VGA).

Les composantes couleurs ("R", "V", "B"), "synchronisation ligne" et "synchronisation trame" sont regroupées dans un seul signal composite. Le codage est normalisé : PAL, SECAM et NTSC.

En numérique : les formats sont nombreux mais la majorité codent séparément la composante luminance (Y) et les composantes couleurs (voir §1.4). Les structures des trames numériques correspondent aux trames "images" et comportent une entête qui défini le format de l'image. Exemples de formats : images fixes : JPEG, BMP, TIFF images animées : CCIR601, CCIR656


1.1. Signal vidéo N&B composite

1.1.1. Séparation des composantes Un seul signal regroupe les 3 composantes : luminance, synchros lignes et trames. Le codage de ces 3 composantes a été choisi pour faciliter leurs extractions dans le téléviseur ou le moniteur. Les composantes "luminance" et "synchro" sont séparées par un niveau de référence : le "noir". Notes importantes :

• Le "noir" est un niveau relatif. Sa valeur absolue (par rapport à la masse par exemple) n'est pas imposée par la norme.

• Les amplitudes crêtes-crêtes indiquées des 2 composantes sont obtenues sur une charge de 75Ω.


1.1.2. Détails d'une ligne dans le format CCIR 625/50Hz Le palier de suppression (palier "noir") qui précède la partie active sert de référence de niveau dans le téléviseur. Le palier de garde arrière qui suit la partie active donne une marge pour cadrer l'image sur l'écran. Synchro ligne : est la référence de temps OH. Elle déclenche le balayage horizontal dans un tube cathodique et est donc aussi la référence de la position de la ligne en horizontal sur l'écran. Remarque : CCIR signifie "Comité Consultatif International des Radiocommunications" Note : les durées sont nominales

Détails de la composante « synchro ligne » A = 12μS ± 0,3μS B = 10,5μS C = 1,5μS± 0,3μS D = 4,7μS± 0,2μS Temps de commutation = 0,2μS ± 0,1μS Noter le repère OH de synchronisation ligne :il s'agit de la référence des temps d'une ligne.


1.1.3. Synchronisation trame La "synchro trame" est la référence des temps d'une image. Elle déclenche le balayage vertical dans un tube cathodique et est donc aussi la référence de la position en vertical de l'image sur l'écran. Les chronogrammes ci-dessous représentent la transition sur le signal vidéo composite entre les dernières lignes d'une trame (paire ou impaire : voir document sur le tube cathodique et les principes de balayages) et les premières de la suivante. Comme on peut le voir, la "synchro trame" n'est pas identifiée par un niveau de tension différent, mais par une chronologie assez complexe de la composante "synchro". Cette relative complexité permet de simplifier la structure du circuit de détection "trame" dans le téléviseur (voir document précédemment cité).

Le premier chronogramme représente la fin du balayage des lignes impaires et le début du balayage des lignes paires. C'est évidemment le contraire pour le deuxième chronogramme.


Détails de la composante « synchro trame »


1.1.4. Relevés expérimentaux


Chronogrammes "lignes" : La période "ligne" est bien de 64μS (8 divisions de 8μS) L'impulsion de synchro "ligne" est facilement identifiable. Elle dure 4μS environ Le palier de garde "avant" dure 5μS environ Le palier de garde "arrière" dure 1,5μS environ Pour chaque ligne, on identifie facilement la luminosité de chacun de ses points avec

la valeur du signal vidéo. Voir en particulier les chronogrammes des lignes 178 et 194 qui passent par le damier de la couverture de la bande dessinée. Observer notamment "l'opposition de phase" du signal vidéo dans ces 2 lignes

Le chronogramme à droite de l'image représente une trame complète, soit les 288

lignes actives + les lignes "mortes" qui encadrent la synchro trame. La trame dure 8x2,5mS = 20mS, ce qui est conforme.

Détail de la synchro trame. Elle est conforme aux descriptions données.


2. Signal vidéo couleur La télévision exploite le mode de restitution de la couleur sous forme de deux composantes : Le signal luminance Le signal chrominance

Ce mode a permis aux téléviseurs noir et blanc de l’époque de rester compatibles avec un signal vidéo transportant les informations de couleur. Ces derniers ne traitant que le signal luminance (voir plus haut). La restitution de la couleur utilise trois couleurs primaires Rouge Vert Bleu

Et le principe de la synthèse additive :

La superposition des sensations résultant de l'addition de deux couleurs primaires donne une couleur secondaire : Rouge + Vert = Jaune Rouge + Bleu = Magenta Vert + Bleu = Cyan L'addition des trois couleurs primaire (saturées) donne du blanc : Rouge + Vert + Bleu = Blanc

2.1. Synthèse en télévision

2.1.1. Théorie En télévision couleur, on a choisi la combinaison : Y = 0,33 R + 0.59 V + 0.11 B (Y = luminance) Ces proportions ont été choisies sur des critères physiologiques : le vert semble toujours plus lumineux que le rouge qui l'est plus que le bleu.


Au niveau de la transmission, pour des raisons techniques, au lieu de transmettre les signaux R et B, on transmet les signaux chroma (Y – R) et (Y – B). La figure suivante montre l’amplitude des signaux R, V, B dans le cas d’une mire de barres couleurs :

Au niveau du codage, il existe plusieurs standards : SECAM, NTSC, PAL Le signal de chrominance est superposé au signal de luminance par modulation de fréquence dans le cas du SECAM ou par modulation de phase dans le cas du PAL. Ainsi, le signal vidéo couleur est constitué du signal luminance auquel on superpose le signal chrominance :


Une « salve de chroma » est envoyée à chaque début de ligne indiquant au récepteur si la ligne chroma est rouge ou bleu. Le rouge et le bleu sont transmis de façon séquentielle dans le système SECAM.


2.1.1. Expériences (relevés à la sortie vidéo d’un téléviseur)


2.2. Codage couleurs

2.2.1. NTSC (National Television System Committee) NTSC (est un standard de codage analogique de la vidéo en couleurs lancée aux USA en 1953. Il est adapté aux formats vidéo 525 lignes et 30 images par seconde. Il peut être exploité pour les DVD-vidéo avec une résolution de 720 × 480 lignes. Le standard NTSC est exploité en Amérique du Nord, dans une partie de l’Amérique du Sud (NTSC-M) ainsi que l’Asie, dont le Japon (NTSC-J). Dans le système américain NTSC, les signaux rouge et bleu modulent (en modulation d’amplitude sans porteuse) deux sous-porteuses chrominance de même fréquence fc=3,579545 MHz et déphasées de 90 degrés.

La porteuse couleur modulée en amplitude par les signaux R et B s’écrit : c(t) = E.(R-Y) cos(ωct) + E.(B-Y) cos(ωct+π/2)

Le signal c(t) complet est la superposition de 2 sous-porteuse de ce type, l’une modulée par R-Y et l’autre par B-Y. Dans le système NTSC, les deux couleurs R-Y et B-Y sont présentes simultanément dans le signal vidéo et donc transmises simultanément par voie hertzienne dans le cas d’une diffusion TV.


Malheureusement des déphasages parasites peuvent s’introduire au cours de la transmission radio, ce qui rend plus délicat la démodulation synchrone. Ce système - qui a le mérite d'exister depuis fort longtemps - présente donc le défaut de dériver en teinte si un déphasage intempestif se produit, d’où l’appellation humoristique Never The Same Color! (Jamais deux fois la même couleur) D’un point de vue pratique, la démodulation synchrone des deux sous-porteuses nécessite un signal synchrone avec la sous-porteuse. Celui-ci est obtenu en synchronisant un oscillateur présent dans le récepteur à l’aide de salves à la fréquence fc et placées sur le palier arrière du top ligne :

C’est en détectant la fréquence de cette salve d’identification à 3,58 MHz que les dispositifs audiovisuels (téléviseur, magnétoscope …) reconnaissent que le signal vidéo est au standard NTSC.

2.2.2. PAL(Phase Alternation by Line) L'amélioration du procédé PAL (Phase Alternation by Line) développé en Europe par rapport au NTSC réside dans la compensation de phase : elle consiste à inverser une ligne sur deux la phase de la porteuse Rouge. Si un décalage de phase intempestif se produit on constate que la porteuse est un peu en avance sur sa position normale sur une ligne et symétriquement en retard la ligne suivante. La fréquence de la sous-porteuse PAL est de fc = 4,43361875 MHz.


L’oscillogramme d’un signal PAL ressemble très fortement à celui d’un signal NTSC, simplement la salve d’identification est à 4,43 MHz.

Le signal vidéo PAL correspondant à une image entièrement noire ne contient plus que les signaux de synchronisation et les salves d’identification.

2.2.3. SECAM (SEquentiel Couleur A Mémoire) Le système français SECAM paraît plus simple, les informations se succédant au lieu d'exister simultanément comme dans les autres procédés de codage. Ainsi, sur une ligne on adresse le signal rouge, sur la suivante on place le bleu, la prochaine ligne voit revenir le signal rouge et ainsi de suite une ligne sur deux. Ces signaux apparaissent dans le signal vidéo sous la forme de deux porteuses différentes, modulées en fréquence sur une plage assez large : ±1,2 MHz environ, à cause de la préaccentuation subie par les signaux couleurs. Les valeurs de sous-porteuses chrominance choisies sont:

fr = 4,40625 MHz et fb = 4,2500 MHz

sur lesquelles vont s'accorder les discriminateurs du récepteur. L’oscillogramme du signal vidéo SECAM montre deux différences par rapport à un signal PAL: la sous-porteuse couleur est modulée en fréquence, son amplitude reste donc

constante


les fréquences de la salve d’identification et de la sous-porteuse, changent d’une ligne à l’autre

Dans le procédé SECAM, l'interpénétration des spectres des signaux de luminance et de chrominance n'est plus possible car la sous-porteuse est modulée en fréquence par l‘information couleur. Or le spectre du signal FM modulé par les signaux de couleur R-Y ou B-Y n’est plus un spectre de raies mais un spectre continu et de ce fait interfère avec les raies du spectre de luminance. Pour laisser la place à la chrominance, la bande passante du signal de luminance a donc été réduite à 3,8 MHz au lieu des 6 MHz. Du fait qu’une ligne utilise une des 2 couleurs de la ligne précédente, une image couleur possède, a priori, une définition deux fois plus faible qu'une image émise en noir et blanc mais l'agrément de la couleur rattrape ce défaut. Il faut aussi reconnaître que la majeure partie des téléspectateurs ne constate pas de gêne quelconque quand on réduit à moins de 5 MHz la trame colorée à 625 lignes, gêne qui se remarque par contre quand on ôte la couleur et laisse l'image en noir et blanc. Par ailleurs, on limite volontairement l'excursion de fréquence des deux sous-porteuses puis on décale celles-ci différemment selon la couleur et ce, assez haut dans la bande vidéo et en choisissant des relations de phase et de fréquence telles que l'on minimise au maximum le moirage. Pour optimiser la transmission des informations de couleur, le signal chrominance est soumis à une double correction : une préaccentuation des signaux R-Y et B-Y avant la modulation FM pour favoriser le

haut du spectre chrominance comme pour toute émission radiophonique en modulation de fréquence. Ceci favorise les détails de la trame colorée. et améliore le rapport signal/bruit au décodage.

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