Moyen d’information, outil de propagande politique et commerciale et également vecteur artistique, la diffusion télévisuelle, née dans les années 1920, se transforme encore, face aux techniques cinématographiques et aux technologies de l’information, qui la concurrencent. La chaîne de l’image télévisuelle est aujourd’hui complexe et l’évolution technologique fait coexister plusieurs types de réalisation. La concurrence commerciale qui s’exerce à partir de ces nouvelles offres incite à modifier les équipements en place dans les réseaux et chez les utilisateurs en accord avec les propositions des normes.
1 - L’image télévisuelle
La télévision permet la transmission à distance d’images animées en synchronisme avec les sons correspondants. L’image est décomposée en lignes horizontales explorées tour à tour de haut en bas. Chacune des lignes est constituée d’un certain nombre de points décrits de gauche à droite sur l’écran. On appelle pixel, le plus petit élément d’image couleur. Cette transmission s’effectue en convertissant une image optique en signaux électriques proportionnellement à la brillance des points. La fréquence de répétition des images est de 25 images par seconde en Europe et de 30 aux États-Unis (cinéma : 24 images/s).
1.1 - Formats d’image
Deux formats de rapport de la largeur à la hauteur d’image ont été retenus pour la télévision, le 4/3 (comme le film 16 mm) et 16/9. Le format 16/9 donne un confort visuel appréciable. La compatibilité des deux formats n’est possible qu’avec des masques.
1.2 - Formats de trame
Deux modes de balayage d’écran (ou tramage) sont à distinguer, repérés par les symboles "i" et "p".
En mode traditionnel, le HDI, (pour High Definition Interlace) entrelace les lignes paires et impaires de l’image. L’image est transmise ligne par ligne, l’ensemble des lignes portant le nom de trame. L’image en mode entrelacé est décrite en deux temps, d’abord les images de rang impair composées des trames de rang impair, puis, viennent entrelacées dans les premières, les trames de rang pair des images paires. Le mode HDP (pour High Definition Progressive) est un balayage continu de l’image avec un plus grand nombre de lignes. Il apporte une meilleure résolution verticale et temporelle, sans scintillement. Le principe du HDP est mis en œuvre sur les écrans d’ordinateur. Le débit de source en HDP est deux fois plus important qu’en HDI.
1.3 - Largeur de bande nécessaire en noir et blanc
La bande passante nécessaire à un signal de télévision analogique est liée à la définition de l’image sur l’écran, c’est-à-dire au nombre de points (ou pixels) qui la composent. En 625 lignes, 575 lignes seulement sont utilisées dans le format 4/3. Un damier de points noirs et blancs alternés fournit 575 x 575 x 4/3, soit 440 833 points, soit 24 fois par seconde, 5,6 millions d’alternances de points noir et blancs, ou 5,6 MHz.
1.4 - Télévision couleur
Spectre fréquentiel d’un canal télévisuel en couleur
La restitution sur l’écran d’une image vidéo couleur est basée sur l’addition des trois composantes fondamentales (RVB, rouge, vert, bleu) sur les phosphores du tube cathodique du téléviseur. Le blanc est recréé grâce à la combinaison suivante dans laquelle la somme des coefficients est égale à 1, optimisés selon la sensibilité de l’œil :
Luminance = 0,30 R + 0,59 V + 0,11 B (Relation 1)
La luminance (symbole Y) détermine les contours des formes visualisées. Elle est déterminée par l’addition des trois composantes primaires RVB et occupe le maximum de bande passante. La chrominance donne la couleur aux formes de l’image.
1.5 - Compatibilités noir et blanc et couleur
Un téléviseur doit pouvoir visualiser une image couleur dans la version noir et blanc. Mais le réseau des émetteurs doit pouvoir aussi transmettre le programme couleur. En conséquence, la largeur de bande des émetteurs doit donc être de 6 MHz par programme.
Pour les programmes couleur, au lieu de transmettre trois fois une bande à 6 MHz, la chrominance est transmise en bande étroite par une combinaison soustractive de couleurs primaires (R-Y et B-Y). Pour réduire la bande à transmettre, on utilise le fait que l’acuité visuelle, maximum en noir et blanc, est plus faible pour les couleurs. La luminance Y est transmise sous la forme de la relation 1. Selon le système utilisé, les deux signaux de chrominance sont modulés par une ou deux fréquences porteuses. Tous les systèmes sélectionnent les signaux de différence de couleur (R-Y) et (B-Y), la valeur de la troisième (V) se déduisant de Y et de la valeur des deux composantes. Ce procédé présente l’avantage de permettre la compatibilité avec les récepteurs noir et blanc par l’annulation de ces deux premiers signaux.
2 - Télévision à haute définition (TVHD)
La "TVHD" vise à délivrer au spectateur une qualité d’image semblable à celle du cinéma 35 mm, soit par l’augmentation des lignes, soit par d’autres procédés. La télévision numérique résulte de prises de vue analogiques qui sont codées avec compression ou de prises de vues en numérique. Chaque ligne visible comportant 1920 pixels, la transmission numérique d’une image nécessiterait 10 millions de pixels/s, soit 19,37 Mbit/s en format 1920 x 1080 avec son Dolby Digital 5.1 à six canaux. Le codage sur 8 bits de chaque pixel conduirait à un débit trop coûteux en transport et ce qui justifie la compression préalable.
La compression et la numérisation de l’image analogique à 8 MHz, conduit à des débits de 24 Mbit/s, selon MPEG-2 (voir DT 09). À ce codage de source, peut être ajouté un codage d’application MHEG. Le transport et la distribution utilisent des supports numériques. L’image numérique est restituée en analogique au téléviseur. La TVHD (25 ou 50 images par seconde) connaît plusieurs familles de "définitions" : standard (SD), améliorée (ED) et haute (HD).
Format télévisuel
Lignes / points
Pixels
SDTV 483 i
720 x 483
173 880
SDTV 576 i
720 x 576
207 360
EDTV 480 p
720 x 483
347 760
EDTV 576 p
720 x 576
414 720
HDTV 720 p
1 280 x 720
921 600
HDTV 1080 i
1 920 x 1 080
1 036 800
HDTV 1080 p
1 920 x 1 080
2 073 600
Sur le plan mondial, la télévision est diffusée selon des familles de normes régionales : DVB pour l’Europe, ATSC pour l’Amérique du Nord, ISDB pour le Japon, etc.
3 - Le système européen DVB (diffusion vidéo numérique)
Le système européen DVB, Digital Video Broadcasting, normalisé par l’ETSI dès 1991, a pour objet d’harmoniser la télévision numérisée et compressée, depuis la production jusqu’à la réception, en rapprochant les techniques de télévision de celles de l’informatique. Le DVB inclut les deux possibilités de balayage HDI et HDP. La plage de débits vidéo s’échelonne entre 34 et 70 Mbit/s, le format en 16/9 comportant 1 440 points par ligne et 1 250 lignes par image. Le DVB, créé pour la diffusion radio et télévisuelle numérique, a évolué vers plusieurs formes de réalisation :
DVB-T pour l’hertzien terrestre TNT (COFDM avec 1 706 ou 6 818 porteuses synchronisées)
DVB-T2 Base, plus récent et plus performant que le DVB-T (24 à 40 Mbit/s dans un canal à 8 MHz) ;
DVB-T2 Lite, une version allégée du précédent, pour terminaux mobiles (un à 4 programmes vidéo à 1 Mbit/s) ;
DVB-3DTV pour la vision en relief
DVB-MC/S pour le service de données interactif par radio à courte distance (MMDS) ;
DVB-S et S2 pour la transmission par satellite ;
DVB-C pour la transmission par câble ;
DVB-H - transmission terrestre vers les terminaux mobiles (échec commercial) ;
DVB-SH pour la transmission des satellites vers les terminaux portables.
Le DVB-MHP (Multimedia Home Plateform), défini par l’ETSI, est un système numérique d’information et de loisirs conçu pour les foyers ne disposant pas d’ordinateur. Le guide électronique des programmes (EPG) est couplé avec un moteur de recherche, le magnétoscope, le vidéotéléphone, etc.
4 - Le transport d’images animées
4.1 - Principes
Principe du transport d'images animées
La transmission de programmes télévisuels, comme les reportages télévisuels, n’utilise qu’un seul sens de communication. Des voies de communication auxiliaires de type classique permettent à la régie de rester en contact avec les prises de vue.
Le canal de télévision (son et image) est compressé et transmis sous forme numérique cryptée (débits de l’ordre de 2,5 Mbit/s pour la SD, 6 Mbit/s pour la HD, 10 Mbit/s pour la 3D). Après transport jusqu’à la tête de réseau, il est diffusé vers les abonnés qui doivent disposer d’un décodeur assurant le décryptage. Certains canaux de télévision peuvent être diffusés en clair.
Principe de la distribution d'images animées
L’interface HDMI, entre le STB et le terminal télévisuel, est devenue essentielle à toutes les connexions numériques vidéo apportées par les innovations en débit et en affichage. La version HDMI 1.4 permet la transmission de la 3D Full HD (1080p).
4.2 - Les trois services de télévision
Transport et distribution télévisuelles
L’UIT-R distingue trois services de télévision qui couvrent le transport des canaux son et image, depuis les studios jusqu’à l’usager. Les deux premiers services concernent le milieu professionnel, le troisième étant dédié au grand public :
1 Le service de contribution a pour objectif la transmission des images liées à la construction d’un programme en studio. Les images codées doivent pouvoir être soumises à des post-traitements (ralenti, changement de format, incrustation, etc.).
2 Le service de distribution primaire transmet les images entre centres de production et têtes de réseau, sur des artères de transmission de type satellite, faisceaux hertziens, câbles ou fibres.
3 Le service de distribution secondaire achemine le signal TV chez l’abonné sans procéder à aucun traitement d’image.
La numérisation et le codage permettent de réduire la bande de fréquences utilisée, de garantir une bonne qualité de transmission constante et d’offrir des services nouveaux ou des applications supplémentaires. Les signaux vidéo numérisés sont injectés dans un multiplexeur donnant un accès de supervision. La sortie haut débit du multiplexeur du satellite, subit un codage (Reed Solomon) et une modulation en phase en quadrature à haute fréquence (QPSK) avant d’être diffusée par le satellite.
4.3 - La distribution télévisuelle par satellite
La réception d’émissions par satellite peut se faire de façon individuelle (DTH, Direct To Home). Dans ce cas l’utilisateur dispose d’une antenne parabolique, d’un amplificateur à faible bruit et d’un dispositif de recherche de stations émettrices. La réception s’effectue en correspondance avec les fréquences des émetteurs du satellite qui couvrent la zone où se trouve placée l’antenne de réception.
L’antenne peut être calée dans la direction d’un satellite déterminée, ou être orientable (motorisée), si l’on souhaite changer de diffuseur. En bande Ku, une antenne fixe de 95 cm de diamètre peut recevoir les émissions de deux satellites écartés de 6° au maximum. Si l’on souhaite recevoir des émissions de chaînes payantes ou les messages en télétexte d’un programme déterminé, il convient de s’équiper en décodeurs adéquats.
Position des satellites équatoriaux par rapport au méridien 0
Le protocole DiSEqC (Digital Satellite Equipment Controler), conçu par Eutelsat à partir de signaux 12 volts et de 22 kHz, permet de commuter la réception des programmes reçus par satellite. La version DiSEqC1.2 permet de piloter le positionnement d’une antenne motorisée et la version 2.2 autorise le retour de données.
4.4 - Distribution secondaire par tête de réseau
La tête de réseau démodule le signal reçu du satellite, vérifie l’accès de l’utilisateur et module le signal, soit pour le transmettre sur câble, soit pour le diffuser par voie radioélectrique en MMDS, ou sur ADSL. Le DVB-T (l’hertzien terrestre) offre 36 programmes numériques en TNT (Télévision Numérique Terrestre).
4.5 - La réduction du débit télévisuel
La numérisation des signaux de diffusion télévisuelle présente cinq avantages :
1 Seul le numérique est susceptible de résoudre les questions de bonne qualité de réception.
2 Seules les techniques numériques permettent de définir une gamme évolutive de normes télévisuelles.
3 La compression d’images permet d’augmenter les ressources d’un canal et de multiplier le nombre de programmes diffusés dans une même bande de fréquences.
4 La numérisation permet la compression de la bande nécessaire à l’image et au son mono ou stéréo tout en assurant la qualité.
5 La numérisation permet la mise en œuvre de nouveaux services (interactivité) et applications dès la prise de vue (caméras numériques, effets spéciaux, etc.).
5 - Les services multimédias distribués
5.1 - L’interactivité
Deux formes d’interaction sont à considérer : l’une où la réponse retourne à la source, l’autre qui est une pseudo-réaction, la réponse n’étant qu’une réponse locale, limitée à la tête de réseau. Le mode de réponse peut être mis en œuvre :
1 Par appel à un service dépendant du réseau de distribution ;
2 Ou au moyen du système de distribution d’images.
Les applications concernent l’évaluation de l’audience (clips vidéo, publicité), les pages d’informations personnelles en télétexte, les jeux vidéo, le téléachat, la télévision à péage, le télé-enseignement, etc. La pseudo-interactivité se dirige vers la radiodiffusion multimédia, la télévision multiprogramme par satellite avec choix de l’heure de diffusion, etc. Pour réussir un projet global, un large consensus entre les exploitants de réseau responsables de la gestion informatique locale et les industries de loisirs est nécessaire.
5.2 - Les choix actuels
Il existe une riche arborescence de choix de systèmes dédiés aux services vidéo. Les informations sont multiplexées sur la ligne d’abonné (parole, supervision, données vers le central et données vers l’abonné).
Choix des services multimédias distribués
5.3 - Video on Demand (VoD) et Pay per View (PPV)
Les services de télévision à la demande visent les applications suivantes, complémentaires aux programmes diffusés : loisirs, téléachat, éducation, médecine, jeux et publicités. La VoD (vidéo sur demande) concerne un flux d’images propre à chaque usager qui suppose l’envoi et l’acquittement de messages (privilèges, paiement et droit de décryptage). La VoD est adressable et peut être cryptée. Le PPV est relatif à des services vidéo payants à accès conditionnel sur câble ou sur satellite.
5.4 - NVoD et télévision interactive (iTV)
NVoD (ou Nearly Video on Demand), type Multivision, permet de faire commencer le film à n’importe quel moment, par phase de 5 minutes, diffusion du film tous les 5, 15 ou 30 minutes, sans interactivité. L’interactivité (iTV) s’applique aux jeux, au téléachat, à la répétition de séquences prises par une autre caméra au ralenti, au télé-enseignement, à l’information dynamique, à la mesure d’audiences, etc.
5.5 - L’adaptateur de terminal télévisuel
Le modem (ou terminaison numérique de réseau, ou Screen Access Box, ou Set-Top Box, STB) qui est placé à l’entrée du domicile de l’usager joue un rôle d’interface de sélection des services DVB-S, T, T2 ou C (entre le réseau d’accès numérique et le téléviseur). Il peut recevoir des fonctions nouvelles : décodeur de chaînes cryptées payantes, interface abritant un modem à bas débit pour la voie de retour auxiliaire, lecteur de carte bancaire, avec mémoire Flash ou disque dur.
5.6 -Décodeurs
Les équipements de décodage ont pour but de rentabiliser la distribution de bouquets de programmes télévisuels par l’instauration d’un péage dont l’acquittement permet de bénéficier de la lisibilité du contenu de l’image et du son. La définition d’un décodeur unique chez le téléspectateur suppose des alliances commerciales entre producteurs de programmes et distributeurs (câblo-opérateurs).
5.7 – Télévision stéréoscopique (HDTV-3D)
La télévision en trois dimensions, ou télévision en relief, est également en cours d’essais, la vision stéréoscopique étant assurée soit à l’aide de lunettes (polarisantes ou à occultations simultanées), soit avec le concours d’un écran spécifique. Si les programmes pour télévision 3D disposent encore actuellement d’un catalogue restreint, les équipements TV3D devraient connaître un grand succès dans la gamme des jeux vidéo en relief. (Voir DT 22 - Systèmes d’écran).
5.8 – Diffusion numérique en espace public (Digital Signage)
L’affichage de messages dans l’espace public implique la possibilité d’associer des réseaux d’affichages numériques (Network of digital displays) à une signalisation numérique dynamique. Grâce à la collaboration d’un réseau spécialisé édifié à l’aide des secteurs public et privé, l’information utile est diffusée aux bons endroits. La diffusion numérique de proximité ou "narrowcasting", ou "digital signage", s’effectue selon les normes définies par l’UIT, le DSF (Digital Signage Forum), le "Web-based Digital Signage", etc. soit selon les définitions données au terminal H.721, à la plateforme H.761 Ginga-NCL et LIME en H.762, et aux notions relatives à la qualité de service, à la qualité d’expérience, etc.
6 - Services associés à la diffusion télévisuelle
6.1 – Vidéotransmission
La vidéotransmission concerne la transmission publique et privée d’images animées et de sons associés en point à point ou en multipoint. Elle s’effectue de façon périodique sur abonnement (informations thématiques, formation, etc.) ou sur réservation (reportages événementiels, manifestations officielles ou sportives, etc.). La communication peut être interactive, selon plusieurs modes : retour image, retour son, etc. La vidéotransmission utilise des canaux analogiques de transmission, ou bien compressés après numérisation. Dans les deux cas, sur demande de l’utilisateur, la transmission peut être cryptée afin de garantir la confidentialité de l’information.
6.2 - "Streaming media"
Le "streaming media" est une application qui consiste à distribuer un flux multimédia de données compressées. Cette application permet de visionner en continu des flux vidéo et/ou d’écouter de la musique sans téléchargement du flux sur le disque dur de l’ordinateur. Les langages de programmation utilisés pour ces développements sont en cours de normalisation (SMIL1.0 pour Synchronized Multimedia Integration Alliance, ou SMIL Boston). La Toile transfère ce flux multimédia sur protocole IP de sorte qu’il apparaisse en réception en temps presque réel pour l’utilisateur. Cette technologie permet également d’écouter des émissions radiophoniques du monde entier sur ordinateur en tâche de fond. Dans certains cas, une partie du flux multimédia peut être enregistrée sur le disque dur de l’ordinateur.
6.3 - Réseau de remise de contenus
Ce flux de données traverse un réseau IP, constitué parallèlement à Internet, qui obéit à des règles particulières. Ce réseau CDN (pour Content Delivery Network) dispose de routeurs et de mémoires cache associés (masquage de la latence et éventuellement protection des flux de données). Ces multiplexeurs et routeurs disposent d’accès à Internet qui leur permettent de transmettre des informations en amont afin de réguler les flux de remise. L’association d’images et de signaux sonores au sein du flux nécessite une interactivité des équipements de réseau et du terminal ainsi qu’un traitement de synchronisation des paquets IP en temps non réel. Les multiplexeurs du CDN effectuent à la demande une distribution hiérarchisée des flux multimédias, renvoient des informations à des serveurs spécialisés (gestion de trafic, nature des demandes, tarification des demandes et remises des droits) et gèrent l’écoulement des flux de façon à limiter la perte de paquets (situation de pré-congestion).
Principe du réseau de remise de contenus
a) La demande de transfert d’un fichier de flux multimédia est lancée par le client sur Internet. L’ISP serveur d’enregistrement des demandes (à droite sur le schéma) transmet au navigateur du demandeur un fichier texte, dit " metafile ". Ce fichier contient l’adresse du dossier multimédia contenu dans le serveur de médias ainsi que les références liées aux droits de propriétés artistiques (Copyright).
b) Téléchargé sur le navigateur de l’utilisateur, le metafile est transmis au lecteur d’application. Celui-ci affiche la page d’accueil du lien métafile et dirige une requête vers l’ISP serveur multimédia dédié.
c) Ce serveur ISP multimédia (à gauche sur le schéma) délivre en continu une réplique du fichier multimédia demandé à travers le CDN, dont le flux est adapté à la connexion et au terminal de l’utilisateur.
d) Le serveur ISP multimédia lance ensuite vers l’utilisateur un flux adapté à la capacité moyenne de son terminal (inférieur à ses possibilités réelles, de façon à disposer d’une marge de congestion vis-à-vis des contraintes du réseau). Un système de gestion de trafic assure l’adaptation des débits aux possibilités du réseau CDN en jouant sur la variation du taux de compression des microflux composant le flux multimédia (2 à 7 pour HTTP).
e) Les logiciels applicatifs de l’utilisateur stockent d’abord les premiers paquets du flux multimédia dans des tampons mémoire, puis les font glisser progressivement vers les dispositifs d’affichage (écran, haut-parleur) pendant que de nouveaux paquets sont stockés à leur tour dans les tampons. Des données de contrôle sont émises par le terminal de l’utilisateur pour informer le serveur du niveau de remplissage des tampons mémoire.
6.4 – L’Europe en faveur de nouvelles applications de télévision
Les diffuseurs et les industriels européens des composants nécessaires aux services de télévision envisagent la création d’une nouvelle télévision numérique, appelée "télévision connectée" ou "HbbTV" (Hybrid Broadcast Broadband TeleVision). Cette technologie devrait pouvoir diffuser tour à tour de la télévision ordinaire, de la télévision de rattrapage, de la vidéo à la demande, de la publicité interactive, des jeux vidéo, des vidéos des réseaux sociaux sur Internet, du vote en ligne, des bulletins météorologiques, etc. Elle devrait répondre aux critères d’inter fonctionnalité et d’accessibilité exprimés par les associations européennes de handicapés, notamment en ce qui concerne le sous titrage pour les sourds et les malentendants et la description d’images pour les aveugles (Projet appelé "Television for All", ou TV4All). De plus, la HbbTV présenterait l’avantage d’associer le "live" et l’Internet dans une interface fluide, grâce à une interactivité simple, passant d’une émission en temps réel vers un service interactif, et réciproquement. Le label "HbbTV" devrait être lancé en avril 2012. La technologie nouvelle HbbTV garde encore toutes ses chances face à d’autres initiatives lancées par des industriels japonais et ou des fournisseurs américains d’accès et de services sur Internet. (voir www.psp.dtv4all.org )
7 – En conclusion
La télévision, présente en Europe depuis 80 ans, a atteint une pénétration des foyers de plus de 98 % aujourd’hui. La numérisation des images et du transport des canaux hertziens a permis d’effectuer une redistribution des fréquences. La disponibilité du haut débit permet d’élargir les offres de services d’images animées, ouvrant une concurrence nouvelle entre les acteurs de l’Internet et les diffuseurs de programmes sur réseaux fixes et mobiles.
Bibliographie : Initiation aux Télécoms, Daniel Battu (Ed. Dunod) - Rec. et Séminaires UIT - Revues IEEE Com - TéléSatellite Numérique. Etc.
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