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Les codecs de la HD et du cinéma numérique

Mpeg 2 / Mpeg 4 / DCT

Publié par jcf le 18 Février 2008 dans Autres articles
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  1. jcf
     

    Mpeg 2 / Mpeg 4 / DCT

     

    Voici les caractéristiques de la famille Mpeg:
    • Structure de compression visible si taux de compression trop fort (ex TNT…)
    • Définition couleur divisée par 4 (4:2:0) en diffusion
    • Espace colorimétrique limité au YUV
    • Généralement 8 bits (parfois 10 bits) par composante, soit 256 nuances par canal.
    • Apparition de blocs de compression !
    • Compression Intra (spatiale) et inter images (temporelle)
    • dégradation visuelle prononcée en multi-génération

     

      mpeg-dct.png mpeg2_dct_blocks.png

    Mpeg: DCT et Compression par blocks de pixels


    Flux HDV Mpeg2:


    .M2T : fichiers natifs HDV au format Mpeg2 Transport Stream (TS)

    .MXF: Fichier .m2t encapsulés en MXF avec codecs Mpeg2 TS

     

    2 formats HDV (1080i et 720p):

    • HDV1080@25 Mbps sur 8 bits 4:2:0
    • GOP de 12 images (Gourmand en CPU et mémoire vive)
    • Video: MPEG2 Video 1440x1080 (MP@H1440 anamorphosé en 16:9) 25.00fps 25000Kbps
    • Cb et Cr: 360x1080
    • Audio: MPEG 1 Audio Layer 2 48KHz stereo 384Kbps

    et

    • HDV720@18 Mbps sur 8 bits 4:2:0
    • GOP de 6 images (CPU modéré)
    • Video: MPEG2 Video 1280x720 (16:9) 25.00fps 18000Kbps
    • Cb et Cr: 320x720
    • Audio: MPEG 1 Audio Layer 2 48KHz stereo 384Kbps


    Flux XDCAM HD:

    • HDV1080@25 Mbps CBR en 4:2:0 (MP@H1440 anamorphosé en 16:9)
    • HDV1080@35 Mbps VBR en 4:2:0 (MP@H1440 anamorphosé en 16:9)
    • HDV1080@18 Mbps VBR en 4:2:0 (MP@H1440 anamorphosé en 16:9)

     

    Flux XDCAM HD 50 Mbps 422:

    • HDV1080@50 Mbps CBR en 4:2:2 (MP@HL en 16:9)

     

    Flux XDCAM EX:

    • HDV1080@35 Mbps VBR en 4:2:0 (MP@HL en 16:9)
    • HDV1080@25 Mbps CBR en 4:2:0 (MP@H1440 anamorphosé en 16:9)

    Flux DVCPro 100 HD DCT (D7)

    • vitesse 4 x codec DV@25Mbps 8 bits = 100 Mbps / SMPTE 274M
    • Cible DVCproHD: 1280x720P@25images/s ou 24
    • Captation 1280 x 720 en 4:2:2 / enregistrement Y : 960x720 et Cr/Cb : 480x720
    • taux de compression 6.7:1
    • Format léger et éditable du HD: I frames only (édition, pas de pb de GOP)
    • Poids alléger par rapport au 1080 (2 fois moins de pixels)
    • Besoin en Disque dur et CPU raisonnable (Puissance idem DV)
    • K7 DV (gamme DVC pro)
    • IEEE1394 avec transfert simple x4 DV !
    • 32 minutes d’enregistrement HD sur K7

    Stockage sur Cartes P2 8 Go:

    • 32 minutes en DVCPRO ou DV
    • 16 minutes en DVCPRO50
    • 20 minutes en 720p/24
    • 10 minutes in 1080i/50 and 720p/50

    Flux DCT HDCAM

    • Enregistrement 1440x1080
    • Ratio Luma/Chroma: 3:1:1
    • Quantification: 8 bits
    • Ratio de compression: environ 4:1 (base de calcul 3:1:1@520 Mbps)
    • Débit numérique: 140 Mbps
    • Support: Cassette ½ pouce, Mécanique Digital Betacam, de 6 à 124mn
    • Définition Y: 1440x1080
    • Définition Pb/Pr: 480x1080
    • 4 Canaux audio 20 bits

    Flux Mpeg4 HDCAM SR

    • MPEG-4 Studio Profile (SP) compression
    • 4:2:2 (YUV) or 4:4:4 (R/G/B)
    • 1920x1080 Superior Resolution
    • 4:2:2 ratio compression 2.7/1
    • 4:4:4 ratio compression 4.2/1
    • 440 Mbps (ou 880 Mbps en 2:1)
    • 1080i: 50, 59.94, 60 Hz
    • 1080PsF: 23.98, 24, 25, 29.97 et 30 Hz
    • 720P: 59.94 Hz
    • 12 Canaux audio 24 bits


    Codec Avid DnxHD MOV

    Avid a developpé son propre codec HD appelé DnxHD; Il est librement téléchargeable et exploitable hors logiciels Avid, dans un container .MOV.

    Codec made in Avid: HD de 60 à 220 Mbps

     

    Codec Cineform HD .AVI/.MOV

    La société Cineform a developpé plusieurs codecs HD intermédiaires, permettant par exemple de décompresser des flux HDV 25 Mbps en cineform 90 Mbps pour pouvoir les monter en i frames only.

    • CineFormHD.avi: variable bit-rate, 40Mbps - 90Mbps contre 25 Mbps pour le HDV, codec Lossless encapsulé AVI ou MOV
    • Video: CFHD 1440x1080 25.00fps 90 Mbps
    • Audio: PCM 48000Hz stereo 1536Kbps 0x1 = PCM

     

    Codec Apple ProRES 422

    Apple a developpé un codec HD appelé ProRes au format 4:2:2, dans un container .MOV:

    • 1920x1080
    • 1280x720
    • 10 bits
    • 4:2:2
    • VBR de 145 à 220 Mbps

     

    Wavelets/Jpeg2000: Transformée en ondelette discrète 


    Une nouvelle génération de codecs vidéo, notamment dans le domaine du cinéma numérique, utilise la DWT, la Transformée en ondelette discrète. L'ondelette est une représentation mathématique de la fréquence d'un signal dans le temps, le but étant de séparer les hautes et les basses fréquences (les contours et les aplats), un but cousin avec les coefficients DCT à l'intérieur des blocks de 8 pixels sur 8 pixels, mais beaucoup plus puissant et léger (une base de formules mathématiques par ondelette moins lourde que la base DCT), mais avec des ressources d'encodage plus gourmandes.


    schema-wavelets.png

    Décomposition du signal source en coefficients wavelets:

    Une ondelette mère, puis ses décompositions en

    ondelettes filles horizontales, verticales et diagonales

    L'image n'est pas découpée en blocks de pixels comme avec la DCT; elle est décomposée en sous-images (½ image, ¼ d'image...), de la définition la plus grossière à la définition la plus fine selon un nombre précis de décompositions, qui servent aux calculs des coefficients DWT. Les coefficients DWT permettent de stocker les différences avec l'image de référence, en horizontale, verticale et en diagonale.


    Le format JPEG2000 reprend cette méthode qui permet par exemple d'afficher une image décomposée à la demi-résolution ou au quart de résolution de manière instantanée, sans aucun calcul: une image D-Cinéma 2K peut ainsi être affichée instantanément à partir d'un fichier Jpeg2000 4k sans calcul de sous-échantillonnage.

    • Nouvelle technologie (Ondelettes DWT)
    • La compression D-Cinema est transparente à l’œil (visuellement sans perte)
    • Diffusion adaptable 2K / 4K
    • Espace colorimétrique X Y Z (indépendant du dispositif de diffusion)
    • 12 bits par composante sans ratio luminance/chrominance (4:4:4)
    • Sécurité intégrée (cryptage)
    • Pas d’effet de blocs: sans perte visuelle si la compression n'est pas trop forte !
    • Compression Intra image: pas de GOP !

     

    decomposition_hvd-source.png decomposition_hvd.png

    Une image décomposée selon ses différences H, V et D: ici 2 niveaux de décomposition

    A la différence du Mpeg, le Jpeg2000 ne fait pas apparaitre de blocks quand la compression est forte, mais un flou sur l'image en général:

       mpeg-compression-schema.pngmpeg-dct.png mpeg2_dct_blocks.png

     

    A gauche Jpeg2000 (DWT), à droite Mpeg2 (DCT) et effets de blocks

    Le Jpeg2000 permet ainsi de travailler sur 12 bits par pixels sur un espace colorimétrique XYZ indépendant du dispositif de diffusion, et donc ouvert à toute amélioration future de la technologie utilisée par le projecteur D-Cinéma (aujourd'hui D.L.P. RGB Wide Gamut).

    espace-rgb.pngespace-xyz.jpg

    Espace colorimétrique limité RGB à gauche

    et Espace XYZ « device independant » D-Cinema à droite


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