Fig. 2.1 : Chaîne de traitement de la télévision
2.1 Définition géométrique de l'image *
2.2 Cadencement des images *
2.3 Caractéristiques des images de télévision
*
2.4 Analyse spectrale *
2.5 Défauts générés *
Fig. 2.1 : Chaîne de traitement de la télévision
La création du signal électrique, monodimensionnel par essence, impose au système de scruter le plan d'analyse (l'image) par balayage d'un point ; historiquement, ce balayage se fait en ligne, de la gauche vers la droite, les lignes étant analysées du haut vers le bas ; il s'agit donc d'un échantillonnage de l'image dans le sens vertical. La restitution du mouvement se fait également par échantillonnage des images suivant l'axe temporel.
2.1 Définition géométrique de l'image
La normalisation internationale définit les formats suivants :
C = 4/3 pour la télévision standard
C = 16/9 pour le cinéma et la télévision du futur
Notons que le format 4/3 a été défini, à l'origine, pour une utilisation optimale d'un tube à écran circulaire ; des expériences montrent que le spectateur a une impression de réalisme plus grande avec une image de format plus allongé, C prenant une valeur comprise entre 5/3 et 2. C'est ainsi que le CinémaScope, puis les nouveaux standards TV, ont adopté la valeur 16/9.
2) Du fait de contraintes liées aux tubes images à balayage (cadrage, synchronisation et retour du spot), l'image visible a une définition moindre que celle transmise ; soit D le nombre total de lignes dans la période d'image et Dv le nombre de lignes visibles ; pour la télévision, on a :
Dv = 0,922.D (par exemple : pour D = 625, on obtient Dv ~ 575)
3) Pour l'observateur, la visibilité de la structure des lignes horizontales dépend de l'angle sous lequel il sépare les lignes. La grandeur caractéristique est la distance relative d'observation (dob) de l'image, qui, par convention, est le rapport d/v : distance d'observation sur la hauteur de l'image.
Si a est l'angle (en minutes) sous lequel est vue la distance entre 2 lignes consécutives de l'image (entre axes), on a :
L'acuité visuelle de l'œil varie, approximativement de 0,7 (pour a = 1'5) à 1 (pour a = 1), ce qui permet d'obtenir Dv en fonction de dob (figure 7.1).
Par ailleurs, des essais statiques ont montré que le téléspectateur a tendance à se placer à une distance comprise entre dob = 6 et dob = 10 avec les tubes images classiques (moins de 70 cm de diagonale), ce qui est en rapport avec la disposition naturelle d'une vision en famille (distance de 3 à 5 m du récepteur).
Par contre, dans les salles de cinéma, la distance la plus appréciée correspond à dob = 2 à 4, ce qui souligne l'impression favorable donnée par le grand angle de vision de l'écran.
Il y a une certaine corrélation entre la distance pratique d'observation et la finesse pratique de l'image ; des essais japonais sur une image à haute définition ( D = 1250 lignes) ont donné des valeurs optimales pour dob comprises entre 2 et 3. On voit sur la figure 2.2 que le système à 625 lignes est un compromis acceptable bien qu'un peu faible et qu'une définition plus élevée favoriserait un certain rapprochement de l'écran pour le téléspectateur.
Fig. 2.2 : Relation entre définition et distance relative d'observation
En admettant au mieux que les lignes d'analyse de l'image agissent d'une manière totalement indépendante les unes des autres, ce qui n'est pas toujours le cas en pratique, les variations d'éclairement de l'image sont échantillonnées à l'analyse et le spot de synthèse restitue une structure en impulsions dont les crêtes sont sensiblement relatives du relief de l'image.
Cette analyse du type échantillonnage possède les limites normales que lui assigne la théorie de l'information en ce qui concerne la restitution correcte des variations du signal analysé. En particulier, la fréquence spatiale du signal correctement restitué sera, au maximum, égale à ½ de la fréquence de l'échantillonnage. Si ce n'est pas le cas, il y a mélange des spectres et effets de modulation parasites (moirages).
Cette limitation se vérifie aisément sur l'analyse d'une mire de Foucault horizontale lorsque le pas de la mire pm est de l'ordre de grandeur du pas des lignes de balayage pb.
La figure 2.3 montre les 2 situations extrêmes qui peuvent se produire lorsque pm = 2pb :
- Dans le 1er cas, l'axe des spots d'analyse chevauche la transition noir-blanc des barres de la mire, le signal résultant sera donc uniforme (visualisation d'une plage unie et grise) ; la mire ne sera pas restituée.
- Dans le 2ème cas, l'axe des spots d'analyse coïncide avec l'axe des barres de la mire, la mire est correctement restituée.
Ainsi, la restitution correcte de la mire de Foucault est une question de probabilité.
Fig. 2.3a : Effet d'échantillonnage à l'analyse d'une
mire horizontale grossière
Fig. 2.3b : Effet d'échantillonnage à l'analyse d'une mire horizontale fine
Un examen similaire montrerait que lorsque pm = pb, la mire de Foucault ne peut jamais être restituée et que si pm = 4pb, la mire est toujours correctement restituée.
La situation variable due aux variations du rapport pm/pb peut être mise en évidence en analysant une mire en éventail ; la restitution donne un effet de moiré que la figure 2.4 reproduit, bien qu'une telle photographie ne restitue pas l'aspect dynamique du défaut (scintillement et papillotement dus à l'entrelacement de trames).
En considérant qu'un point d'image pour une mire de Foucault est une surface dont la largeur correspond à celle d'une bande (blanche ou noire), on voit que le point de l'image n'est pas sûrement restitué par le système lorsque la hauteur v est égale au pas pb du balayage.
L'examen de la figure 7.3 montre que la figure de moiré présente des nœuds avec un effet particulièrement marqué pour pb /pm = 0,67.
Fig. 2.4 : Restitution d'une mire en éventail
C'est pour des valeurs supérieures à cette valeur que se manifestent plus spécialement les phénomènes d'interférence ; il est à remarquer qu'un filtrage spatial qui aboutit à supprimer les composantes spatiales verticales élevées (produisant ces interférences) a pour conséquence de supprimer ces effets de repliement de spectre et d'améliorer la qualité de l'image.
On peut donc admettre, comme coefficient statistique, que la mire de Foucault limite pour être correctement restituée est telle que pm = 3pb/2 ou encore pm = Kpb où K est un coefficient dit facteur de Kell.
La valeur de K a prêté à discussion et, en particulier, si la valeur de 0,67 est admise pour des images non-entrelacées, les défauts de papillotement de lignes dus à l'entrelacement de trames conduiraient à diminuer la valeur de K (jusqu'à 0,42 selon certains auteurs) ; il est cependant admis de prendre K = 0,7.
Cela revient aussi à dire que dans la hauteur de l'image, le nombre de points N séparables est : N = K.Dv où Dv est le nombre de lignes visibles.
Les caractéristiques du système de balayage permettent de connaître la durée Tu de l'analyse d'une ligne utile de l'image.
Les caractéristiques de la mire permettent de connaître le nombre de lignes (noires ou blanches) N de la mire qui occuperaient la largeur totale de l'image ; ce nombre de lignes N est aussi le nombre de périodes du signal vidéo correspond à l'analyse d'une ligne utile ; on en déduit la fréquence du signal :
Bien que la fonction reliant f du signal au nombre N de lignes de la mire soit continue, on pourra donner une limite pratique à cette fréquence qui sera celle de la bande vidéofréquence B du signal. Le choix de la limite B entraîne une valeur limite maximale pour N et une largeur minimale h pour les barres de la mire ; cette largeur h est aussi la largeur minimale du point image que l'on considérera reproduit par le système de télévision. Cette hypothèse suppose que, pour cette fréquence limite, la réponse d'ouverture du spot d'analyse donne encore un signal d'amplitude utilisable ; la dimension du spot d'analyse est donc associée à cette limite.
En pratique, il est utile de chiffrer les mires de Foucault ; par convention, il est admis que les mires de Foucault sont caractérisées par le nombre de barres (noires ou blanches) tenant dans la hauteur de l'image.
En associant la largeur h de la barre de la mire de Foucault verticale correspondant à la fréquence limite (B) du signal et la largeur v de la barre de la mire de Foucault horizontale traduite statistiquement par la structure de ligne compte tenu du facteur de Kell, on définit le point d'image de la reproduction comme le rectangle de dimensions hxv. La finesse de l'image dépend de la forme de ce point qui ne doit pas trop s'éloigner du carré, si l'on admet que la meilleure qualité de l'image correspond à une égale définition dans les 2 directions principales.
Le principe d'affichage des images de télévision est l'entrelacement de trame, cela consiste à ne restituer qu'une partie de l'image à chaque champ affiché (trame) ; la restitution totale de l'image se fait ainsi sur plusieurs trames. Dans le cas de la télévision, l'entrelacement est d'ordre 2, c'est à dire que l'on affiche successivement une trame contenant les lignes paires puis une trame contenant les lignes impaires.
Fig. 2.5 : échantillonnage 2D+t de la télévision
L'intérêt de l'entrelacement provient du fait que, globalement, une plage d'une certaine dimension émet un flux moyen modulé à la fréquence de trame tandis que, dans le détail, l'œil apprécie, en vision fovéale, les détails de chaque ligne sans être influencé par la fréquence d'image de la lumière émise par chaque point (qui est la moitié de la fréquence de trame ; cette circonstance exploite une propriété de l'œil.
En pratique, cette séparation des 2 aspects de l'image n'est pas aussi nette et l'entrelacement de trames produit quelques défauts spécifiques :
1°) Les 2 trames sont des structures identiques déplacées sur l'image du pas de ligne et se succèdent à intervalles de 20 ms (pour une fréquence de 50 Hz). Par un effet stroboscopique, et par une réaction qui peut être contrôlée par la volonté, l'œil peut suivre, d'une trame à l'autre, le déplacement de la structure et tout se passe comme si l'image se présentait en une seule trame, à définition moitié de la définition normale, donnant une structure lignée très visible défilant soit vers le haut soit vers le bas au gré du hasard de l'accrochage initial par l'œil. Outre la gêne engendrée par ce défilement, l'image perd de sa finesse et s'en trouve dégradée.
2°) Lorsque les lignes sont assez fines ou suffisamment éloignées pour être séparées par l'œil, le papillotement de ces lignes se manifeste sous une forme particulière qui ressemble à une vibration de la structure lignée. Cet effet est également gênant et peut dégrader sérieusement l'image, notamment si celle-ci comporte des détails fins horizontaux. De plus, sa fréquence d'apparition étant celle de l'image, à savoir 25 Hz, sa perception est d'autant plus marquée.
3°) L'entrelacement est correct lorsque les lignes de l'image sont rigoureusement équidistantes ; or il y a des raisons diverses pour que, dans le récepteur, les 2 trames ne se placent pas correctement et que les lignes se rapprochent pour former des paires laissant entre-elles des intervalles noirs plus larges. Ce défaut augmente la visibilité de la structure lignée de l'image et, de ce fait, dégrade la qualité de celle-ci.
Pour un nombre de lignes donné par image, l'image non-entrelacée est de meilleure qualité que l'image entrelacée ; par contre, la bande vidéofréquence nécessaire est double.
Pour une bande vidéofréquence donnée, l'image
à D lignes entrelacées est de meilleure qualité qu'une
image à D/
lignes non-entrelacées,
ce qui justifie l'entrelacement de trames.
On admet, sur la base d'essais, que la qualité d'une image à D lignes entrelacées est la même que celle d'une image à D' (~0,6 à 0,7.D) lignes non-entrelacées ; ceci est valable dans une large plage puisque les essais ont porté tant sur les systèmes à 1000 lignes (D' = 1125 est équivalent à D = 1625) que pour les systèmes à faible définition (D = 225 correspond à D' = 165 à 185).
2.3 Caractéristiques des images de télévision
Les caractéristiques des images de télévision actuelles
(TV analogique) sont les suivantes :
Format d’image : (H/V) 4/3
Écriture séquentielle des lignes
Bande passante (Vidéo Composite) : ~ 6 MHz
Fig. 2.6 : fréquence critique de rafraîchissement de l'écran
La figure suivante donne le trajet du spot sur l'écran.
Fig. 2.7 : Trajet du spot sur l'écran
Le principe d'analyse utilisé par la télévision consiste alors en une scrutation séquentielle de l'axe horizontal et un échantillonnage des axes vertical et temporel ; l'entrelacement de trames va se traduire par un échantillonnage entrelacé sur ces 2 axes.
Fig. 2.8 : Échantillonnage spatio-temporel
Une première incidence apportée par cet entrelacement est illustrée par la figure 2.9, il s'agit de la restitution de zones mobiles ; il y a alors déformation des formes de l'image, ce qui peut être gênant pour l'observateur et pour des algorithmes de traitement.
Fig. 2.9 : Restitutions des zones mobiles
Pour évaluer plus précisément l'incidence de l'entrelacement, effectuons une analyse spectrale spatio-temporelle (axes vertical et temporel) des images TV.
La figure 2.10 nous indique la position des points d'échantillonnage des images.
Fig. 2.10 : Restitution des zones mobiles
Soit p(y,t) le profil spatio-temporel des images, sa correspondance dans le domaine spectral peut s'écrire : P(fy,ft)
L'image restituée (s(y,t)) aura, compte tenu de l'échantillonnage, une réponse spectrale composée d'une somme de raies :
Une raie d'indice mn aura l'expression suivante :
Ainsi les raies dont l'indice est tel que m+n impair seront nulles, cela est représenté de manière graphique par la figure 2.11 ; sur cette figure est indiqué un exemple de zone de perception du système visuel humain correspondant à des conditions d'observation "standard" des images de télévision.
Fig. 2.11 : Spectre spatio-temporel des images TV
Fig. 2.12 : Spectre spatio-temporel des images TV
Ainsi, l'entrelacement de trames va poser des contraintes spectrales aux images devant être codées afin de respecter le théorème de Shannon ; la figure suivante illustre cela en prenant 2 exemples de limites possibles pour le spectre de base.
Fig. 2.13 : Respect du théorème d'échantillonnage
Cette analyse permet de définir les 3 des 4 principaux types de défauts générés par l'échantillonnage entrelacé des images de télévision.
Le système actuel de restitution d'images adopté pour la télévision (625 lignes, 25 images/s entrelacées) présente 4 défauts principaux :
L'élimination de ce défaut peut se faire de 2 manières, suivant le contexte :
- augmentation de la fréquence de balayage de trames de 50 à plus de 70 Hz.
- augmentation de la rémanence (temps d'extinction des luminophores) de l'écran ; cela génère un effet de traînée sur les parties en mouvement qui peut dégrader sérieusement la qualité de restitution d'images animées ; ce remède est exploité pour les écrans graphiques d'ordinateurs.
Etant dû à l'entrelacement de trames, cet effet apparaît à une fréquence de 25 Hz, fréquence sur laquelle l'œil peut accrocher.
L'élimination de ce défaut peut se faire par traitement spatial de l'image (réduction volontaire de la bande passante verticale de l'image) ou en augmentant sa fréquence d'apparition.
Le défaut observé est le croisement des lignes à une cadence de 25 Hz (fréquence d'image) ; de même que précédemment, l'élimination du défaut peut se faire par traitement du signal ou par augmentation de la fréquence de restitution.
a) L'angle de vision :
Dans la gamme des luminances rencontrées en télévision, l'acuité visuelle est voisine de l'unité, ce qui incite le téléspectateur à se placer à une distance au moins égale à 6 fois la hauteur de l'image.
b) La taille du spot :
Elle doit résulter d'un compromis entre la définition de l'écran (recouvrement entre lignes) et l'apparition d'interlignes noirs.
c) L'entrelacement de trames :
Par combinaison entre le papillotement, le tremblotement et le croisement des lignes, la structure apparente semble comporter moins de lignes qu'elle devrait ; dans le paragraphe 6.1, le rapport est approximé à 0,7 soit, pour 575 lignes visibles, il n'en reste que 400 discernables.
L'augmentation du cadencement de l'affichage semble améliorer
notablement le rendement de la restitution.
