Dossier : Tout comprendre de l’Ultra HD/4K
L’Espace Colorimétrique
Le Rec. 2020 est définit le 23 août 2013 comme espace colorimétrique retenu pour l’UHD. Il couvre 75,8% du diagramme C.I.E. ( et permet de bénéficier du rendu colorimétrique du cinéma ) alors que le Rec.709 de l’HDTV ne recouvre que 35,9% de ce diagramme C.I.E.
A l’intérieur de l’espace colorimétrique Rec.2020, les coordonnées du blanc sont définies par le standard international D65. Le D65 correspond à une lumière naturelle en plein jour à midi en zone tempérée, donc une température du blanc d’environ 6 500 K. D’après Joe Kane, le standard D60 serait plus réaliste pour fixer les coordonnées du point blanc dans la zone couverte par le Rec.2020. Le standard D60 correspond à une lumière du jour de milieu de matinée / milieu d’après midi, ayant une température du blanc d’environ 6000 K, donc un peu plus « chaude » que le standard D65.
L’image ci dessous montre que la représentation réelle des couleurs des objets nous entourant dépasse bien souvant l’espace colorimétrique du Rec.709 mais est toujours contenu dans l’espace colorimétrique Rec.2020 :
Le Rec.2020 autorise l’utilisation des signaux RGB ou YUV ( en 4:4:4, 4:2:2, et 4:2:0 ). Enfin, le Rec.2020 est supporté par les formats d’encodages HEVC/H.265 et AVC/H.264. A noter que dans un premier temps les premières sources UHD ou 4K risquent d’être encodées selon l’espace colorimétrique Rec.709 en raison de sa large généralisation dans nos équipements.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) stockés sur support physique optique (remplaçant du Bluray, …)
Janvier 2014 : les studios Hollywoodiens, partit prenante dans les spécifications du futur Bluray, souhaitent une norme colorimétrique en CIE XYZ et que ce soit le lecteur et non pas le diffuseur qui fasse la conversion dans le format colorimétrique que le diffuseur accepte. Pour rappel la norme CIE XYZ a été spécifié dans les années 1930 puis a évolué. Le diagramme CIE XYZ est plus étendue que le diagramme CIE du Rec.709, de la norme P7 du cinéma digital, et celui du Rec.2020.
Pour la diffusion TV (Broadcasting c’est à dire via satellite ou TNT, Broadbanding c’est à dire via boîtier internet ou live via site internet)
Le standard SMPTE retient toujours le Rec.2020 somme cible référence pour l’UHD-1 et UHD-2. Le Rec.709 reste quand même autorisé pour le déploiement de l’UHD-1 jusqu’en 2017 ( date de sa possible suppression ) du fait de sa généralisation dans la totalité des diffuseurs. Selon SMPTE, aucun diffuseur du marché grand public ne permet actuellement d’afficher l’espace colorimétrique Rec.2020. En mars 2014, SMPTE précise que des travaux sont actuellement menés pour spécifier la bonne façon de convertir des formats de colorimétrie de sources vidéos non Rec.2020 en UHDTV Rec.2020.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) disponible en streaming ou via des sites de vidéo à la demande
Il semblerait que pour un long moment les fournisseur de services de vidéo à la demande ou de streaming, obligé de « taper » dans leur stock de vidéos existantes, se contenteront du Rec.709. le Rec.2020 devrait voir le jour sur internet lorsque la télévision aura adopté cette norme, c’est à dire pas avant 2017 au plus tôt.
Représentation colorimétrique
Petit rappel sur le signal YCbCr (YUV)
Comme vous le savez sans doute, les images en couleur sont reproduites sur pratiquement tous les écrans en combinant rouge, vert et bleu (RVB en Français ou RGB en anglais). Le signal RVB peut être transformé en une autre représentation appelée YCbCr, qui se compose d’un canal de luminosité en noir et blanc (Y) et deux canaux dits de différence de couleur (Cb et Cr). Après cette transformation, le signal YCbCr peut être connu en tant que :
- 4:4:4 parce que, pour tous les quatre pixels de Y sur chaque ligne horizontale du signal vidéo, il y a aussi quatre Cb et Cr pixels sur les lignes paires et quatre Cb et Cr pixels sur les lignes impaires. Comme cela fait beaucoup de données et que le système visuel humain est beaucoup plus sensible à la luminosité que à la couleur, on a tendance à réduire le nombre d’infos Cb et Cr pour obtenir un signal en 4:2:2 ou 4:2:0.
- 4:2:2 parce que, pour tous les quatre pixels de Y sur chaque ligne horizontale du signal vidéo, il y a deux pixels Cb et Cr pixels sur les lignes paires et deux Cb et Cr pixels sur les lignes impaires. Cela équivaut à couper la résolution horizontale de l’information de couleur de moitié.
- 4:2:0 parce que, pour tous les quatre pixels de Y sur chaque ligne horizontale du signal vidéo, il y a deux pixels Cb et Cr pixels sur les lignes paires et aucun Cb et Cr pixels sur les lignes impaires. Cela équivaut à couper la résolution horizontale et verticale de l’information de couleur de moitié.
Dans les deux cas ( 4:2:2 et 4:2:0 ), les informations de couleur sont reconstruites en utilisant l’interpolation, dans lequel un processeur vidéo recrée les pixels manquants mais avec moins de précision.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) stockés sur support physique optique (remplaçant du Bluray, …)
Janvier 2014 : les studios Hollywoodiens, partit prenante dans les spécifications du futur Bluray, souhaitent que le futur support puisse accepter les représentation YCbCr 4:2:0, 4:2:2 et 4:4:4. Ils sont actuellement en train d’étudier l’impact précis à utiliser uniquement du 4:2:2 ou du 4:4:4 en lieu et place du 4:2:0. Les vidéos mises à disposition en UHD ne devraient pas être distribuées en signal YCbCr 4:4:4 du fait de l’augmentation des données à traiter, mais plutôt en YCbCr 4:2:2 qui offre une meilleure qualité que le YCbCr 4:2:0. A noter que les films disponibles en Blu-Ray ou DVD sont généralement distribués en YCbCr 4:2:0.
Pour la diffusion TV (Broadcasting c’est à dire via satellite ou TNT, Broadbanding c’est à dire via boîtier internet ou live via site internet)
Le standard UHDTV de SMPTE autorise les trois représentations possibles en YCbCr. Jusqu’à présent, les captations se faisaient en 4:2:2, plus rarement en 4:4:4 et la diffusion se faisait en 4:2:0. Le consortium DVB, qui spécifie les paramètres type des signaux UHD télévisé exploitable en Europe, a fixé en janvier 2014 le 4:2:0 comme unique représentation possible lors de la phase d’introduction de l’UHD-1. Des négociations sont en cours pour que l’UHD-1 ( 2ème phase qui devrait voir le jour à partir de 2017 ) puisse être distribué en 4:2:2, voie en 4:4:4.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) disponible en streaming ou via des sites de vidéo à la demande
Du fait de la problématique liée à la faible bande passante internet disponible chez la majorité des consommateurs, la représentation en 4:2:0 restera longtemps le format de représentation référence sur le net.
Représentation numérique, profondeur de couleur
Le Rec.2020 définit un encodage d’une composante de couleur, appelé aussi profondeur de couleur, sur 10 bits ou 12 bits.
La profondeur de couleur est le nombre de bits utilisés pour représenter la luminosité d’une composante de couleur ( rouge, vert ou bleu ). La norme actuelle est de 8 bits, ce qui représente 256 mesures de luminosité pour chaque composante de couleur. La couleur finale d’un pixel étant un mélange de rouge, de vert et de bleu ; un pixel est donc encodé sous 24 bits.
Exploiter l’espace colorimétrique Rec.2020 revient à encoder un pixel sur 30 bits ( 3×10 bits ) ou 36 bits ( 3×12 bits ) pour les données décrivant sa luminance et par conséquent sa colorimétrie. La profondeur de couleur sur 8 bits est définitivement abandonnée par l’espace colorimétrique Rec.2020 permettant ainsi de lisser les dégradés de couleurs et éviter le phénomène connue sous le nom de Banding :
A gauche : profondeur de couleur 8bits ( généralement exploité via le Rec.709 ).
Au milieu : profondeur de couleur 10 bits ( minimum envisagé via le Rec.2020).
A droite : profondeur de couleur 12 bits ( maximum envisagé via le Rec.2020).
Pour les vidéos ( films, concerts, documentaires ) stockés sur support physique optique (remplaçant du Bluray, …)
Janvier 2014 : les studios Hollywoodiens, partit prenante dans les spécifications du futur Bluray, souhaitent que le futur support puisse accepter l’encodage des primaires sur au moins 12 bits et ils parlent même d’autoriser le 14 et 16 bits … Pour le marché grand public, les dalles ( TV ) ou matrices ( vidéo projecteur ) des diffuseurs sont toutes adressables en 8bits, elles le sont plus rarement en 10 bits, et quasiment jamais en 12 bits ( sauf pour les moniteurs professionnels qui peuvent adresser jusqu’à 16 bits ).
Pour la diffusion TV (Broadcasting c’est à dire via satellite ou TNT, Broadbanding c’est à dire via boîtier internet ou live via site internet)
Le consortium DVB, qui spécifie les paramètres type des signaux UHD télévisé exploitable en Europe, a fixé en janvier 2014 une profondeur de couleur unique de 10bits pour la phase d’introduction de l’UHD-1. Le 8 bits est donc abandonné définitivement pour les futures chaînes UHDTV diffusées en Europe. Des négociations sont en cours pour que l’UHD-1 ( 2ème phase qui devrait voir le jour à partir de 2017 ) puisse être distribué aussi en 12 bits. Cet abandon du 8bits permet d’anticiper l’arrivée d’une autre fonctionnalité attendue de l’UHDTV à savoir le High Dynamic Range ( HDR ). Le HDR fonctionne avec un résultat dégradé sur des signaux vidéos dont les primaires sont encodées en 8 bits d’où l’officialisation du 10 bits minimum.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) disponible en streaming ou via des sites de vidéo à la demande
Du fait de la problématique liée à la faible bande passante internet disponible chez la majorité des consommateurs, le codage en 8 bits restera longtemps le format de représentation référence sur le net.
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