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La télévision « Ultra Haute Définition », pour une… « Ultra Meilleure Qualité » ?

La télévision Ultra Haute Définition est l’étape logique après la télévision Haute Définition. Toujours à la recherche de l’amélioration de la Qualité d’Expérience pour l’utilisateur final, les fabricants d’écrans, fournisseurs de services audiovisuels et diffuseurs du monde entier travaillent sur les divers axes possibles d’amélioration, de l’interface jusqu’au son, et en passant bien sûr par ce qui nous intéresse ici : la qualité de la vidéo délivrée sur l’écran. La couleur a remplacé le noir et blanc, la HD s’est petit à petit imposée après la Définition Standard, aujourd’hui c’est l’Ultra Haute Définition qui est en passe d’arriver dans nos foyers. Récemment mise en exergue par des annonces lors du dernier salon Consumer Electronic Show (janvier 2015, Las Vegas) telles que la formation d’une alliance « UHDTV », l’Ultra Haute Définition est aussi poussée par les organismes de normalisation internationaux qui ne peuvent se laisser devancer par les intérêts propriétaires… Mais qu’en est-il vraiment ? L’Ultra Haute Définition est-elle techniquement différente de la Haute Définition ? Quelle expérience visuelle propose-t-elle vu du téléspectateur ? Quelques éléments de réponse ci-dessous…

Qu’est-ce que l’Ultra Haute Définition ?

L’Ultra Haute Définition est caractérisée par des changements sur les quatre caractéristiques d’un signal de télévision : la définition spatiale (les détails sont-ils perceptibles ?), les couleurs (sont-elles celles de la réalité ?), les contrastes (les scènes avec beaucoup de luminosité permettent-elles de restituer aussi des nuances dans les sombres ?) et le mouvement (pourquoi a-t-on du flou ou des saccades en télévision et pas dans la réalité ?).

Pour mener à bien des études sur l’amélioration de ces différentes composantes, Orange Labs travaille avec huit autres partenaires industriels et académiques français (France Télévisions, Globecast, Technicolor, ATEME, Technology Solutions, TeamCast, INSA/IETR et Télécom ParisTech) dans le projet collaboratif « 4EVER » (for Enhanced Video ExpeRience) dont il est le chef de file.

La définition spatiale impacte la définition, le piqué, les détails visibles en fonction du nombre de pixels que contient chaque image. L’Ultra Haute Définition définit deux fois plus de lignes et deux fois plus de colonnes que la Haute Définition actuelle. Avec donc quatre fois plus de pixels, on pouvait espérer que le ressenti des téléspectateurs serait amélioré, que les détails seraient plus visibles, le piqué meilleur. Or les études menées internationalement et notamment à Orange Labs montrent qu’effectivement le ressenti est meilleur… mais que ce bénéfice est limité et qu’en plus il n’est réel que si l’on se positionne à une distance égale à 1,5 fois la hauteur de l’écran de télévision (cf. explications en fin d’article). Ce qui sur un écran de 50 pouces revient à être assis à moins d’un mètre de l’écran ! Or, dans les foyers européens, la distance moyenne entre un écran de télévision et le canapé du salon est de 3 mètres. Il faudrait donc que nous équipions tous de téléviseurs de plus de 100 pouces pour apprécier, dans les conditions actuelles de nos maisons, les avantages de ce format communément appelé « 4K ».

Notons que cette augmentation de définition spatiale, ce 4K donc, est aujourd’hui normalisé sous le terme « Ultra Haute Définition phase 1 ». Les autres composantes, décrites ci-dessous, feront l’objet d’une « phase 2 ».

La restitution des couleurs est associée à une gamme de couleurs (le « gamut ») que la caméra est capable d’acquérir et l’écran capable d’afficher. Avec les technologies actuelles, il est difficile de rendre parfaitement toutes les couleurs que l’œil humain perçoit. L’espace de couleurs actuellement utilisé en télévision est normalisé et représenté dans la figure ci-dessous par un triangle bleu, inclus dans le grand espace des couleurs que l’œil sait distinguer. Les instances actuelles de normalisation proposent d’étendre ce triangle des couleurs TV pour restituer plus fidèlement l’ensemble des couleurs naturelles et pour s’approcher des capacités de l’œil. On parle alors de « triangle des couleurs élargi » (Wide Color Gamut, WCG), tel que représenté en blanc dans la figure.

Le contraste dépend de ce qu’on appelle « la dynamique » de l’image, qui représente la différence entre la luminosité maximale et la luminosité minimale de l’image. Le nombre de niveaux de luminosité entre ce minimum et ce maximum est également important pour assurer une perception optimale du contraste (continuité des niveaux). L’œil humain est plus sensible que ce que les technologies actuelles permettent en termes de rendu, tant à cause des limitations côté caméras que côté écrans, mas la technologie HDR (High Dynamic Range) permet de retrouver des détails dans les zones sombres comme dans les zones éclairées d’une même image.

Le rendu du mouvement est lié à la fréquence image ; elle définit le nombre d’images qui se succèdent à une certaine cadence afin de constituer une vidéo. Pour un ressenti optimal, dans certaines conditions de mouvement l’œil humain a besoin que jusqu’à 700 images par seconde soient affichées. Or les fréquences actuelles de télévision ne dépassent pas 50 ou 60 images par seconde (24 au cinéma), et pour les zones de l’image ayant un fort mouvement, les téléspectateurs peuvent donc percevoir des problèmes de saccades ou de flous dans les arrières-plans. Mais il est maintenant possible d’améliorer le rendu des zones à fort mouvement en augmentant la fréquence image (High Frame Rate, HFR) jusqu’à atteindre 100, 120 (voire 200, 240 et 300, 360) images par secondes, permettant ainsi une meilleure fluidité du mouvement.

Alors, Ultra mieux ou… juste Ultra technologique ?

Face à l’apparition de nouvelles technologies, il est important que des évaluations indépendantes des fabricants de solutions soient faites sur le rendu final. Dans le cas de l’Ultra Haute Définition, il est du ressort des organismes de normalisation et de consortiums comme 4EVER de mener de telles évaluations sur la chaine audiovisuelle de bout-en-bout.

Pour cela, les ingénieurs de recherche d’Orange Labs contribuent au développement de méthodes d’évaluation de la qualité perçue. Ils les mettent en œuvre ensuite dans des salles respectant des conditions très précises de visionnage (éclairage, couleur des murs, distance par rapport à l’écran) où sont invités des « testeurs », généralement des personnes « grand public » (non expertes en technologies vidéo). Elles y visionnent des séquences vidéo, avec composantes Ultra Haute Définition ou non, et reportent leur opinion sous la forme d’une note de 0 à 100 sur une échelle de cinq items de qualité : « Excellent », « Bon », « Assez bon », « Médiocre », « Mauvais ». Il ne leur est pas indiqué à quelle technologie est associée la séquence qu’ils sont en train de juger.

Ces tests dits « subjectifs », car basés sur l’opinion des testeurs après visualisation, permettent de générer des informations statistiques sur le bénéfice apporté par les différentes technologies de l’Ultra Haute Définition d’un point de vue perception visuelle.

Ainsi, on sait désormais que le passage de la HD à l’UHD phase 1 actuelle (i.e. « 4K ») n’améliore le ressenti que de dix points sur une échelle de 100, alors que le passage à la Haute Définition apportait un bénéfice de trente points. On sait de plus que ces dix points ne sont valables que si les téléspectateurs sont assis à une distance de 1,5 fois la hauteur de l’écran, car à trois fois la hauteur de l’écran, l’écart est encore plus limité, voire inexistant.

On sait également depuis les tests menés à Orange Labs en décembre 2014/janvier 2015 que le passage à 120 images par seconde (HFR) permet d’augmenter la qualité perçue de vingt points pour les contenus à fort mouvement, et ceci quelle que soit la distance à l’écran.

On sait de plus que l’utilisation de la technologie HDR augmente elle aussi d’environ vingt points la perception de la qualité. Cependant, quand la luminosité de la séquence vidéo est trop importante, les testeurs font part d’un inconfort visuel. Des travaux supplémentaires sont en cours pour définir un seuil de luminosité maximale présentée sur l’écran sans générer d’inconfort.

NB : les détails de tous ces tests et travaux – séquences utilisées, nombre d’observateurs, conditions matérielles, etc- ont été donnés au « Product Technology Seminar » de l’EBU (European Broadcast Union) le 29 janvier 2015. Contacter l’auteur pour toute information complémentaire.

Il reste maintenant à évaluer l’intérêt des diverses composantes de l’Ultra Haute Définition expliquées ci-dessus une fois combinées entre elles (plus de contraste et plus de couleurs, plus de pixels et plus d’images par seconde, etc..). Restera ensuite à valider les résultats atteints par les équipements de production, de diffusion et d’affichage conformes aux normes définies. Et que ces technologies puissent être implémentées de façon réaliste dans la chaîne de télévision live, qui reste le cas d’école le plus difficile à réaliser.Tout cela afin de définir le contenu des normes de la télévision numérique de demain, pour le bénéfice réel de l’utilisateur final, donc… pour notre bénéfice à tous !

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Cet article vient du Blog de la Recherche

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Devant les enjeux industriels, l’Utra Haute Définition est un sujet phare de la normalisation internationale, notamment :