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I.
Le signal vidéo
Sa composition, sa transformation en
informations électriques.
1.
Notions de bases.
Avant de commencer, il faut savoir que l’information vidéo
est transportée par un signal codé
et modulé (le son est aussi modulé dans la
même onde porteuse, mais nous ne verrons ici uniquement la
partie relative à l’image). Le signal modulé est partagé
entre deux types d’informations :
-
le signal vidéo, à proprement parlé que nous allons
étudié.
-
des informations de services, que nous évoquerons
plus tard.
Le signal vidéo décompose l’image en plusieurs informations,
en plusieurs couches :
-
Les informations de
luminances (informations relatives à la variation
de la luminosité, et de niveaux de gris pour les téléviseurs
noir et blanc).
-
Les informations de
chrominances (relatives à la variation des
couleurs dans une image.
Mais ce codage ne pourrait fonctionner s’il n’existait des
normes qui permettent
aux téléviseur de communique avec les émetteurs de
programmes et les émetteurs d’être compris par les
téléviseurs.
Lorsqu’il s’agit de transporter les informations par ondes
hertziennes, on utilise des signaux
composites. Là aussi il existe plusieurs
normes :
-
Composite CVBS (Color
Video Blanking Synchro) qui ne sépare pas les signaux de
luminances et de chrominances.
-
Composite Y/C qui envoie
les informations de luminances et de chrominances
séparément.
Seulement la luminance elle-même est soumise à un système de
norme (vestige des émissions en noir et blanc), comme le
montre ce tableau récapitulatif (on s’aperçoit que la date
de suppression des normes A et E correspondent avec la fin
de la diffusion en noir et blanc).
Pour une totale harmonisation, on a aussi adopté des normes
pour coder la chrominance (couleurs) :
-
SECAM (Séquentiel
Couleur A Mémoire) code la chrominance pour la France
-
La norme
PAL a
été adoptée en Europe
-
Le
NTSC (National
Television Standard Committee) est la norme en
Amérique du nord, et en Asie.
Il est à noter que aujourd’hui les téléviseurs sont
compatibles avec ces différentes normes (notamment entre PAL
et SECAM).
2.
L’image contenue et codifiée par le signal vidéo
Pb : Comment les informations (luminances,
chrominances et services) sont-elles transportées pour le signal
vidéo ?
On a vu en introduction que le signal été émis au moyen
d’ondes électromagnétiques
modulée, qui contiennent les informations
nécessaires à la synthèse de l’image.
Arrivé à l’antenne, le courant est débarrassé de l’onde
porteuse par le tuner,
c’est donc le premier module de la chaîne :
Le tuner sélectionne les informations
correspondant aux programmes télévisés diffusés en même
temps. A sa sortie on obtient un signal électrique a
fréquence intermédiaire.
Second module : l’amplificateur Fi
image (voir schéma). C’est
dans cette partie que le signal électrique est analysé et ou
s’opère la séparation de la luminance et la chrominance. On
obtient donc un signal vidéo composite débarrassé de son
onde porteuse, constitué de des informations fondamentales
pour l’image.
En ce qui concerne l’extraction du son, il subit les même
opérations de démodulation mais est directement envoyé vers
le FI son puis vers les haut-parleurs.
Remarque : si le signal est capté a partir d’une
source analogique ou numérique (magnétoscope, dvd …) le
signale est déjà décomposé ces étapes préliminaires.
Nous remarquons donc que le signale est composé de deux
informations importantes :
luminance et la chrominance.
Nous allons donc décomposer chacun de ces signaux.
1.1
la luminance
La luminance contient les informations de variation d’éclairement
des différents point (pixels) de chaques lignes (trames).
Théoriquement :
plus le niveaux de blanc est fort, correspondant à un objet
claire, plus le niveau du signal augmente et inversement
moins le niveau est fort plus le signal diminue.
Remarque : le niveau le plus bas ne correspond pas
forcement au noir. En effet entre 0 et 30% de l’amplitude
maximale est consacrée a l’envoie des
informations de services (télétexte, programme télé…)
On notera que en se concerne le SECAM, la
modulation est négative. De ce fait le noir
correspond au niveau le plus haut et le blanc au niveau le plus
bas.
Exemple : analyse de la luminance d’une image
L’image à analyser est découpée en
trames.
Sur cette image on voit l’analyse du
signal de la luminance sur la trame A-G.
On s’aperçoit que la fréquence de ce
signal est constamment variable :
-
fréquence nulle :
partie de l’image à analyser es une surface de brillance
uniforme, qui se traduit par une tension continue)
-
fréquence maximale
: la brillance est différente et varie (comme sur l’exemple
du damier).
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A droite :
le signal correspondant à une ligne de ce damier
(fréquence maximale du signal) |
Sachant qu’à chaque période on commande 2 pixels, et qu’une
ligne est parcourue en 64µs, la période la plus petite possible
est de :
T = 64 / (833/2) = 0,154µs
F = 1 / T = 1 / 0,154 = 6,5.106 Hz
Avec le standard 625 lignes, la
fréquence maximale à transmettre est de
6MHz. Cela signifie que la
fréquence du signal pourra varier, mais sans dépasser la valeur
de 6MHz.
1.2
La chrominance
La chrominance est la partie du signal vidéo qui contient les
informations de couleur (correspondant au signal C du composite)
a. La synthèse des couleurs,
L’analyse trichrome
La trichromie est une propriété de la rétine
exploitée tant en cinéma qu’en télévision. La colorimétrie
en donne les lois physiques linéaires. Trois lumières dites
primaires (rouge, vert, bleu) réalisent la
synthèse additive à la
réception et imposent les règles de formation de trois
signaux vidéo de commande indépendants. Celles-ci sont
formées simultanément sur trois analyseurs et l’éclairement
pondéré est traduit en signal. Ce signal est ensuite
transmis aux canons à étrons.
Les signaux primaires ne sont égaux en amplitude que pour la
couleur blanche de référence et représentent théoriquement
les composantes trichromatiques du système colorimétrique
utilisé. Ils sont ensuite « corrigés en gamma » pour
compenser la réponse non linéaire du récepteur.
Cette applet
permet de voir comment se réalise la synthèse soustractive
des couleurs
b.
La composition du signal vidéo
On peut donc voir qu’avec seulement trois couleurs primaires
il est possible de reconstituer n’importe quelle autre
couleur.
Seulement il y a un problème : le
signal ainsi obtenue est trop important pour être diffusée
sur la bande passant maximale réservée pour la vidéo (6MHz).
De plus la télévision diffusée par onde hertziennes exige
que les récepteurs en noir et blanc acceptent les émissions
en couleurs et que, réciproquement, les récepteurs en
couleurs acceptent les émissions en noir et blanc : c’est
la compatibilité. Elle
est obtenue en émettant dans tous les cas un signal « noir
et blanc » EHY traduisant la luminance de l’objet. Les trois
signaux primaires de la couleur : EHR (rouge), EHV (vert) et
EHB (bleu), forment ce signal par la combinaison :
Ceci afin de réduire la l’importance du signal vidéo en
incluant les information de chrominance dans le signal de
luminance. Les téléviseurs noirs et blancs croient ainsi
recevoir uniquement des informations de luminances et ne
sont donc pas perturbés.
c. extraction
de la chrominance
Vision globale d’un signal vidéo
Nous venons de voir que le signal de variation des couleurs
été contenue dans le signal de luminance. Il y a plusieurs
façons de représenter le signal complexe vidéo :
-
en montrant la variation de son amplitude dans le
temps
-
en montrant l’ensembles des fréquences qui compose en
fonction du temps
L’extraction de la chrominance est assez complexe, il faut
seulement savoir qu’elle est contenue dans le spectre de la
luminance.
Nous nous contiendrons à ce schéma récapitulatif :
Mais il ne faut pas oublier que le signal de chrominance a
été atténué pour ne pas perturber les téléviseurs noir et
blanc, c’est pourquoi il faut augmenter l’amplitude du
signal pour obtenir les couleurs d’origines.
d.
Transmission séquentielle
Malgré l’intégration du signal de chrominance dans celui de
luminance, le signal est trop
important pour être envoyé sur les ondes. On
imagina alors de transmettre les signaux de couleurs non pas
en même temps mais de façon
séquentiel.
Pour cela, nous rappelons l’équation
qui lie les trois couleurs primaires :
La première ligne correspond au signal
R (rouge)-Y
(luminance) et la seconde a B-Y
Les couleurs choisies pour la transmission étant le
rouge et le
bleu, le vert risque de
se dégrader durant la transmission des couleurs. Les
information relatives aux deux couleurs sont stockée dans
une ligne de retard qui
équivaut a une trame soit 64 μs.
Grâce à ces information il nous est passible de calculer les
trois couleurs primaire (vert compris) et ainsi toutes les
couleur du spectre visible :
Le matriçage du vert :
Il va nous être possible de recalculer
la fréquence du signal codant le vert grâce l’équation
D’autre part nous avons :
0,30+0 ,59+0,11=1
Nous avons l’équation :
Y=0,30R+0,59V+0,11B (1)
Nous pouvons donc écrire : Y =
(0,30 + 0,59 + 0,11) .Y
ou Y
= 0,30 Y + 0,59 Y + 0,11 Y (2)
Soustrayons
l’équation (2) de l’équation (1) :
Y = 0,30 R + 0,59 V + 0,11 B
Y = - (0,30 Y + 0,59 Y + 0,11 Y)
0 = (0,30 R - 0,30 Y) + (0,59 V - 0,59 Y) + (0,11 B - 0,11 Y)
Mettons les
coefficients en facteur !
0 = 0,30 (R - Y) + 0,59 (V - Y) + 0,11
(B - Y)
0,59 (V - Y) = - 0,30 (R - Y) - 0,11 (B - Y)
V - Y = - 0,30/ 0,59 (R - Y) - 0,11/0,59 (B - Y)
V - Y = - 0,51 (R - Y) - 0,19 (B - Y)
- (V - Y) = 0,51 (R - Y) + 0,19 (B - Y)
Interprétation du résultat : pour obtenir le
signal V-Y il faut
additionner les signaux rouge (R-Y)
avec pour coefficient 0,51
et le bleu (B-Y) avec
pour coefficient 0,19.
Nous avons donc nos trois couleur primaires et de ce fait
trois signaux : R-Y,
B-Y et
V-Y
La luminance (Y) est ensuite filtrée et
on obtient :
(R-Y)+Y=R
(V-Y)+Y=V
(B-Y)+Y=B
Les signaux vidéo sont enfin amplifié et envoyés aux
Wehnelts, à l’entre du tube cathodique
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