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Terme Definition
sous-échantillonnage de la chrominance 4

En matière de télévision numérique, les fréquences d’échantillonnage sont définies par des formules abrégées, qui ont, à plusieurs égards, un rapport assez éloigné avec le concept qu’elles décrivent.

Ces formules numériques ne sont pas des nombres absolus, mais expriment des rapports de fréquences d’échantillonnage ; un certain effort d’interprétation est donc nécessaire pour comprendre leur signification précise.

Le terme « sous-échantillonnage de la chrominance » fait référence à ces rapports de fréquence d’échantillonnage. La plupart du temps, les premiers chiffres expriment la luminance (Y) et les deux derniers la chrominance (à l’exception de 4:4:4 ou 4:4:4:4 abordés plus en détail ciaprès).

Le premier chiffre est quasi systématiquement un 4, signifiant que la luminance est échantillonnée une fois par pixel produit dans l’image. Dans quelques rares cas, une fréquence d’échantillonnage plus faible pourra être utilisée pour la luminance.

C’est le cas par exemple du HDCAM, qui a généralement recours au format 3:1:1. Le terme souséchantillonnage désigne l'utilisation d'une fréquence d’échantillonnage inférieure au nombre de pixels final.

Les deux chiffres suivants correspondent aux fréquences d’échantillonnage des composantes de couleur pure numérisée de Rouge-Y et Bleu-Y, intitulées Cr et Cb. Selon le principe télévisuel exploitant les limites de perception de l’oeil humain dans le domaine de la couleur pure, les coupes permettant de réduire la quantité de données sont généralement effectuées au niveau de la chrominance plutôt qu’au niveau de la luminance.

Le format d’échantillonnage le plus couramment utilisé en studio est le 4:2:2 : sur chaque ligne, la fréquence d'échantillonnage des deux composantes de couleur est deux fois moins élevée que la fréquence d'échantillonnage de luminance.

Le format 4:1:1, utilisé par certains formats DV et par le DVCAM, effectue, sur chaque ligne, un échantillonnage de Cr et Cb tous les 4 points d’échantillonnage de Y. Il permet néanmoins d’atteindre un niveau de détail de chrominance supérieur au PAL ou au NTSC.

On peut également raisonner de la façon suivante : si on effectue un sous-échantillonnage horizontal de la chrominance, comme c’est le cas en 4:1:1, la même opération réalisée dans le sens vertical devrait, en toute logique, permettre une répartition plus uniforme des informations de couleur. Ainsi, au lieu d’échantillonner Cr et Cb sur la même ligne, l’échantillonnage de Cr s'effectue sur la première ligne et celui de Cb sur la deuxième.

La fréquence d’échantillonnage augmente alors sur chaque ligne pour passer à une valeur Y sur deux. Ce type de procédé est appelé échantillonnage 4:2:0 (soit 4:2:0 sur une ligne et 4:0:2 sur la suivante) utiliséen MPEG-2 et dans la plupart des processus de compression JPEG.

En règle générale, il est conseillé d’associer aux images un signal clé (signal alpha). Pour synthétiser, une image clé est une image complète dont on n’a gardé que les valeurs de luminance. Il est donc logique d’ajouter le chiffre 4 à la formule ; on parle alors de format 4:2:2:4. Techniquement parlant, le 4:4:4 peut correspondre à un échantillonnage complet du RVB ou, beaucoup plus rarement, des signaux des composantes Y, Cr et Cb.

Si un canal clé est associé au RVB, on parle alors de codage en 4:4:4:4. Dans certaines situations, des techniques non standard seront plus indiquées, telles que le sur-échantillonnage, qui permet une amélioration de la qualité d’image, à condition d’être traité correctement.

Vous pourrez voir dans ce cas des formats de codage du type 8:8:8, correspondant à deux échantillonnages par pixel dans le cas du RVB.

Ce rapport d’échantillonnage est utilisé aussi bien en SD que pour la vidéo haute définition. Même si la taille d’échantillonnage est généralement 5,5 fois supérieure, le format 4:2:2 reste le plus largement répandu en studio HD.

Pourquoi le chiffre 4 ? En toute logique, le premier chiffre devrait être un 1, qui représenterait une relation d’équivalence avec les pixels de 1:1, mais les normes télévisuelles restent largement tributaires des formats existants. En effet, au début des années soixantedix, les premières tentatives de numérisation de signaux de télévision portaient sur des formats PAL et NTSC codés.

Dans un cas comme dans l’autre, la fréquence d’échantillonnage devait nécessairement être calquée sur celle de l’onde sousporteuse couleur, elle-même régie par un rapport fixe du nombre de lignes/fréquences d'images. En NTSC, la fréquence du signal de sous-porteuse équivaut à 3,579545 MHz et celle du standard PAL-I à 4,43361875 MHz. En comparaison, l’échantillonnage des systèmes numériques équivaut généralement à 4 fois le signal de sous-porteuse NTSC ou 3 fois le signal pour le PAL, soit respectivement 14,3 et 13,3 MHz.

Une nouvelle étape déterminante a ensuite été franchie avec l’apparition de la vidéo à composantes Y, B-Y et R-Y (valeur de luminance plus deux composantes de couleur pure, appelée également signal de différence de couleurs), simplifiant considérablement le traitement de toutes les opérations courantes effectuées sur les images (redimensionnement, lissage, conversions à diverses normes ou compression, entre autres).

La même logique a été conservée dans le cadre du développement de la norme d’échantillonnage pour ce type de vidéo. Une certaine harmonisation entre les deux systèmes de balayage 525/60I et 625/50I utilisés dans les différents pays a également été introduite. Cette norme est connue sous le nom de norme UIT-R BT.601 pour l’échantillonnage SD. ‘601’ définit la fréquence d’échantillonnage de la luminance à 13,5 MHz (produisant 720 pixels par ligne active) et chaque signal de différence de couleurs à la moitié de cette fréquence, soit 6,75 MHz.

Et pour la petite histoire, on s’aperçut un beau jour que cette valeur de 13,5 MHz était quasiment identique aux 14,3 MHz équivalent à 4 fois le signal de sous-porteuse du NTSC. En poussant un peu plus loin le raisonnement, il aurait été facile d’établir une correspondance encore plus proche entre cette fréquence de 13,5 MHz et la multiplication par 3 du signal de sous-porteuse du standard PAL, ce qui aurait permis de simplifier largement le jargon pour le moins complexe utilisé actuellement. Voilà pourquoi ce nombre qui aurait pu être un 3 et aurait dû être un 1 est devenu par convention un 4.

En haute définition, les fréquences d’échantillonnage étant 5,5 fois plus rapides que pour la SD, l’échantillonnage 4:2:2 largement répandu en studio équivaut en réalité à 74,25 MHz pour les valeurs Y et 37,125 MHz pour Cr et Cb.

 

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