Communication audiovisuelle

En ce début de troisième millénaire, la communication audiovisuelle représente un aspect important de l'activité humaine. Elle couvre un champ de plus en plus vaste : professionnel (formation à travers la télévision et Internet, visioconférence, échange d'informations animées via Internet, etc.), éducatif, récréatif, ludique (TV, jeux et découvertes sur Internet, etc.), interpersonnel (WebCam, vidéo-téléphones portables, etc.). Toutes ces applications reposent sur une architecture générale décrite dans cet ouvrage. La "production" génère des signaux sources audiovisuels naturels ou synthétiques. Le codage de source numérise, met en forme et compresse ces signaux suivant des normes complexe(MPEG par exemple). Divers canaux permettent l'acheminement des signaux audiovisuels codés en source (fibre, milieu hertzien, etc.). Pour un acheminement correct, on procède à un codage de canal suivant des procédés (ou normes) variés : DAB en audio, DVB-T pour la télévision numérique terrestre, DVB-S pour les liaisons par satellites, DVB-C par câble, étalement de spectre pour communication audiovisuelle avec les mobiles, ADSL sur ligne téléphonique, etc. Ces liaisons mettent en jeu des protocoles, publics ou propriétaires, très divers, par exemple ATM ou IP évolué pour les réseaux, HIPERLAN pour les BLR, BlueTooth pour les réseaux locaux. Tous ces moyens conduisent à la restitution des signaux sources audiovisuels sur des écrans de TV ou des moniteurs PC. On constate que la technologie et les finalités de la TV et d'Internet tendent à fusionner dans en seul média support de la communication audiovisuelle. Ces différentes étapes de l'architecture sont illustrées dans l'ouvrage par des applications en plein essor : téléchargement de musique en MP3, MP4, liaisons cellulaires GSM / GPRS / UMTS, liaisons satellites à protocoles encapsulés : MPEG / IP / ATM / DVB, décodeurs propriétaires MédiaHighway et autres, streaming en MPEG-4, protocoles de streaming Windows Media et autres. Edouard Rivier est ingénieur diplomé de l'Institut polytechnique de Grenoble et Docteur ès sciences physiques. L'auteur a poursuivi l'essentiel de sa carrière, commencée à Grenoble, à la faculté de Nice-Sophia Antipolis comme enseignant-chercheur en électronique et télécommunications, ainsi que comme maître de conférences dans deux écoles supérieures d'ingénieurs.

PARTIE I - CONNAISSANCES DE BASE
Chapitre 1 : SERVICES ET ARCHITECTURES
I Services de communication audiovisuelle
I-1 La situation antérieure en (télé)communications audiovisuelles
I-2 Evolution des modèles de communication audiovisuelle
I-3 Evolution de l'offre de services audiovisuels
II Architectures des systèmes numériques de communication audiovisuelle
II-1 Schéma de base (télévision, Internet, visioconférences, portables,
etc.)
II-2 Architecture d'un système en liaison hertzienne.
II-3 Architecture d'un système linéaire, fermé
II-4 Architecture d'un système bouclé, ouvert et interactif
II-5 Architecture d'un système numérique, ouvert et interactif, de
communication audiovisuelle via un réseau maillé (télévision, Internet,
visioconférences, portables, etc.)
Chapitre 2 : NORMALISATION
I Processus d'élaboration d'une norme.
II Répartition des organismes de normalisation en télécommunications
III Particularités des organismes mentionnés dans le tableau III-1 Instances internationales de normalisation
III-2 Instances continentales de normalisation
III-3 Autres instances de normalisation
III-4 Groupes d'experts (liste non exhaustive)
IV Validation et certification des normes
V Quelques exemples de normes figurant dans l'ouvrage
Chapitre 3 : VISION ET AUDITION
I Psychophysiologie de la vision
I-1 Loi de FECHNER (images et sons)
I-2 Incidence, sur la vision, des informations contenues dans une vue ou
une image colorée
I-3 Influence de la géométrie sur la visualisation des images
I-4 Restitution de la couleur
I-5 Restitution de la couleur sur les moniteurs et les afficheurs /
Autre base colorée possible
I-6 Avancée technologique : affichage par diode laser
II - Psychophysiologie de l'audition
II-2 Incidence sur l'audition, des informations contenues dans un son II-3 Définition des unités photométriques
PARTIE II - PRODUCTION DES SOURCES
Chapitre 4 : PRISE DE VUE, VISUALISATION
I Les systèmes de prise de vue
I-1 Matrice d'analyse d'un objet éclairé/Pixels
I-2 Paramètres électroniques des transducteurs d'image à la prise de vue
I-3 Principes) de fonctionnement des caméras à tubes cathodiques
I-4 Les dispositifs de prise de vue à l'état solide en technologie CCD
I-5 Les dispositifs de prise de vue à l'état solide en technologie CMOS
I-6 Principes de base d'une caméra trichrome
II Les systèmes de visualisation (Ecrans, moniteurs, afficheurs, etc.)
II-1 Généralités sur les systèmes de visualisation
II-2 Ecran, ou moniteur, couleur à tube cathodique
II-3 Ecrans, ou moniteurs, ou afficheurs, LCD à cristaux liquides
II-4 L'écran plasma à courant alternatif
II-5 Les écrans OLED
II-6 Vers les grands écrans plats
III Dispositifs de prise de vue : évolutions / exemples de réalisations
III-1 Prise de vue à tube cathodique à "cathode froide"
III-2 Dispositifs de prise de vue à CCD
III-3 Dispositifs de prise de vue CMOS
IV Dispositifs de visualisation : évolutions / exemples de réalisations
IV-1 Tube à vide
IV-2 Ecrans LCD
IV-3 Ecrans plasma
IV-4 Solution mixte LCD-plasma pour écrans plats très grand format
IV-V Ecrans OLED
V Comparatifs entre technologies
Chapitre 5 : EXPLORATION ET GEOMETRIE DES IMAGES
I Exploration des images
I-1 Généralités sur le mode de lecture ou d'écriture d'une mosa=EFque de
pixels / Balayage ou adressage
I-2 Balayage ligne et balayage image
I-3 Cas d'une mosa=EFque adressée en X-Y (caméra état solide ou écran sans
tube cathodique, à l'exception des FED)
I-4 Synchronisation / Horloge mère
I-5 Fréquence image et balayage
I-6 Suppression de retour ligne / Suppression de retour champ
II Géométrie des images
II-1 Rapport d'aspect d'échantillon SAR, encore appelé rapport d'image ou
format
II-2 Choix du nombre minimum de lignes par image
II-3 Nombre de lignes par image dans diverses géométries normalisées
II-4 Nombre de pixels par ligne d'image de la mosa=EFque (caméra ou écran
de visualisation)
II-5 Fréquence de l'oscillateur pilote des commandes de balayage. Période
de ligne / Période de champ
II-6 Nombre de points visibles par ligne visible / Durée du retour ligne
III Valeurs normalisées
Chapitre 6 : CONTENU ET MISE EN FORME DU SIGNAL VIDEO COMPOSITE
I Contenu temporel, mise en forme, analyse spectrale du signal vidéo
monochrome
I-1 Le signal vidéo composite codé en niveau
I-2 Allure des signaux de ligne (dans un modèle analogique)
I-3 Allure des signaux de champ (modélisés, en partie seulement, en
analogique)
I-4 Spectre et encombrement spectral du signal de luminance / Rappels et
application générale en télévision
I-5 Etude analytique du spectre du signal de luminance
I-6 Tests empiriques de l'encombrement spectral du signal de luminance
I-7 Modulation d'une porteuse par le signal TV en bande de base /
Allocation en bande passante pour les transmissions hertziennes
II Contenu et mise en forme du signal vidéo coloré
II-1 L'idée de base de la télévision couleur : compatibilité ascendante
en passant de la TV monochrome à la TV couleur
II-2 L'apport de la télévision couleur analogique dans la définition des
signaux de luminance et de chrominance
II-3 Bandes passantes, ou débits, allouées en bande de base, pour
transmettre Y, Cr, Cb
II-4 Imageurs couleur
II-5 Représentation simplifiée, par blocs fonctionnels, d'un système
(conventionnel) de TV couleur en transmission hertzienne
Chapitre 7 : CODAGE NUMERIQUE EN STUDIO
I Signaux source pour la norme UIT-T R 601
II Equations de matriçage
III Echantillonnage de la vidéo
III-1 Echantillonneur - bloqueur
III-2 Choix des fréquences d'échantillonnage / Compatibilité ascendante
III-3 Echantillonnage du signal de luminance
III-4 Sous - échantillonnage des signaux de chrominance
III-5 Filtrage anti-repliement, en bande de base, préalable à
l'échantillonnage
III-6 Format géométrique d'image ( SAR : Sample Aspect Ratio )
III-7 Espacement temporel entre deux pixels sur les tableaux Y , Cr, Cb,
avant échantillonnage
III-8 Horloges d'échantillonnage et de sous échantillonnage
III-9 Processus pratique d'échantillonnage et de sous échantillonnage
IV Quantification et numérisation du signal vidéo
IV-1 Notion de quantification
IV-2 Lien entre numérisation et quantification
IV-3 Nombre de bits souhaitables (subjectivement) pour coder la vidéo
IV-4 Calcul du rapport S / B pour un signal vidéo numérisé
IV-5 Nombre de bits retenus pour coder la vidéo
V Protocole retenu pour le codage des niveaux de quantification de la
vidéo (de 0 à 255) dans avec une numérisation sur 8 bits
V-1 Translation des niveaux de luminance Y
V-2 Translation des niveaux de chrominance Cr et Cb
VI Codage numérique de la vidéo (sur 8 bits) après translation
VI-1 Codage numérique de la luminance Yt en binaire pur
VI-2 Codage numérique des chrominances Crt et Cbt en binaire décalé
VI-3 Résumé des traitements suivis par la vidéo depuis la caméra jusqu'au
multiplex vidéo
VII Codage du son numérique
VII-1 Dynamique du son
VII-2 Bruit de quantification pour un signal audio
VII-3 Choix du nombre de bits pour le son numérisé
VII-4 Codage numérique du son en complément à deux
VIII Protocole structurant, avant multiplexage, une ligne de vidéo
composite en un " paquet " d'échantillons
VIII-1 Voie luminance
VIII-2 Voies chrominances
IX Multiplexage des trois voies vidéo pour acheminement
IX-1 Utilité d'un multiplexage des voies vidéo composites
IX-2 Raisonnement sur des " échantillons bloqués "
IX-3 Modélisation de principe d'un multiplexeur
IX-4 Débit et encombrement spectral du flux vidéo multiplexé sur bus
parallèle
IX-5 Multiplexage parallèle-série du bus vidéo / Débit et encombrement
spectral en acheminement série
IX-6 Nécessité d'un codage à réduction de débit pour les transmissions
numériques
X Protocole structurant, après multiplexage, une ligne de vidéo
composite en un paquet de "mots" binaires
X-1 Nature des paquets avant multiplexage (rappel)
X-2 Informations apportées, en synchronisme, au multiplexeur (rappel)
X-3 Répartition des données techniques, avant multiplexage (rappel)
X-4 Protocole de mise en paquet d'une ligne d'image après multiplexage
X-5 Disposition détaillée des données techniques
X-6 Introduction de délimiteurs de ligne active, servant de références
temporelles
X-7 Structure numérique des délimiteurs
XI Protocole d'organisation en champs d'une image numérique "en ligne"
XI-1 Notion d'image "en ligne" (on line)
XI-2 Notion de ligne vidéo au sein d'une image "en ligne"
XI-3 Affectation des lignes dans l'image numérique tramée en deux champs
XII Illustration de la transmission par paquets du multiplex vidéo
composite
XII-1 Représentation schématique d'une séquence de champs numériques
XII-2 Zooms sur les lignes et leurs délimiteurs au sein d'une séquence de
champs
III - CODAGE DE SOURCE A REDUCTION DE DEBIT
Chapitre 8 : CODAGE DU SON A REDUCTION DE DEBIT
I Qualité sonore et codage
I-1 Les grandes phases d'évolution du codage sonore
I-2 Notion de réversibilité et d'irréversibilité en réduction de débit
II Méthodes réversibles de codage sonore
II-1 Codage MIC (modulation par impulsions et codage, en anglais PCM)
II-2 Codage CELP (Code Excited Linear Predictive Coder)
II-3 Codage différentiel prédictif MICDA
II-4 Codage par transformée DCT ou SB
II-5 Codage de HUFFMAN
III Méthodes irréversibles de codage sonore
III-1 Méthodes irréversibles appliquées au domaine sonore
III-2 Calcul de la courbe d'audition masquée / Modèle perceptuel
III-3 Schéma de principe du codage perceptuel
III-4 Schéma de principe du codeur MUSICAM
IV Exemples de codeurs / décodeurs audio
IV-1 Normes UIT-T de codage de la parole dans la bande téléphonique
IV-2 Normes UIT-T de codage dans la bande sonore élargie (0 à 7 kHz)
IV-3 Codages SB / MICDA pour la qualité musicale à 15 kHz
IV-4 Codage sonore par DCT
IV-5 Les algorithmes MPEG-1/2 pour la qualité audio à 20 kHz (MP3, MP4)
IV-6 Codage / Décodage audio en MPEG-4
Chapitre 9 : CODAGE D'IMAGE A REDUCTION DE DEBIT
I Opérations réversibles de codage vidéo
I-1 Prédiction / Codage différentiel / Analyse par blocs
I-2 Compensation de mouvement par vecteur mouvement
I-3 Changement de représentation
I-4 Les principales transformations utilisées dans la compression des
images (fixes ou mobiles): Cosinus discrète / Sous-bandes / Ondelettes /
Fractales
I-5 La transformée en cosinus discrète (DCT)
I-6 La transformation en ondelettes
I-7 Tableau comparatif des transformations
I-8 Codage à longueur variable
I-9 Codage de suites (RLC : Run Length Coding, ou RLE : Run Legth
Encoding )
II Opérations irréversibles de codage vidéo
II-1 Diminution de la quantité d'information contenue dans les images
II-2 Sous échantillonnage des images.
II-3 Compression irréversible du débit, en télévision numérique, par
action de seuillage (après transformation) et par application d'une
fonction de pondération
II-4 Compression irréversible du débit, en télévision numérique, par
action sur la quantification
II-5 Codage optimal / Conclusion
Chapitre 10 : CODAGES DE CONTRIBUTION
I Rappel sur le service de contribution en télévisionm
II Codage de contribution à 140 Mbps (Recommandation 721 du CCIR)
III Codage de contribution à 34-45 Mbps (Recommandation 723 du CCIR ;
norme ETSI 300174)
Chapitre 11 : LA NORME MPEG 2 POUR LA TELEVISION NUMERIQUE
I Survol de la norme MPEG-2 vidéo
I-1 Brève présentation des codages de source référencés PEG de l'ISO /
IEC
I-2 Premier aperçu de la norme MPEG 2
II Syntaxe et sémantique du flux de bits vidéo
II-1 Structure des données vidéo
II-2 Syntaxe du flux de bits vidéo
II-3 Sémantique du flux de bits vidéo
III Processus de décodage de la vidéo
III-1 Schéma bloc simplifié d'un possible codeur
III-2 Schéma bloc simplifié d'un décodeur MPEG 2
IV Extensions graduelles
IV-1 Notion d'extension graduelle.
IV-2 Extensions graduelles dans la norme MPEG-2
IV-3 Couches (layers) vidéo
IV-4 Applications supportées par les extensions graduelles dans MPEG-2
IV-5 Extension graduelle spatiale
IV-6 Extension temporelle graduelle
IV-7 Extension graduelle SNR (Signal to Noise Ratio)
IV-8 Extension par partition des données
V Profils et niveaux
V-1 Définition des profils et niveaux
V-2 Répertoire des profils et niveaux
V-3 Analyse simplifiée des profils et niveaux
V-4 Combinaisons entre profils, niveaux (levels) et couches (layers)
Chapitre 12 : LA NORME MPEG-4
I Un aperçu de la norme MPEG-4
I-1 Prestations offertes par l...