Vidéo numérique

La vidéo numérique est une représentation électronique d'images visuelles en mouvement ( vidéo ) sous forme de données numériques codées . Elle s'oppose à la vidéo analogique , qui représente des images visuelles en mouvement sous forme de signaux analogiques . La vidéo numérique comprend une série d' images numériques affichées en succession rapide, généralement à 24, 25, 30 ou 60 images par seconde . La vidéo numérique présente de nombreux avantages, tels que la facilité de copie, de multidiffusion, de partage et de stockage.

La vidéo numérique a été commercialisée pour la première fois en 1986 avec le format Sony D1 , qui enregistrait un signal vidéo composante de définition standard non compressé sous forme numérique. Outre les formats non compressés , les formats vidéo numériques compressés les plus courants incluent aujourd'hui MPEG-2 , H.264 et AV1 . Les normes d'interconnexion modernes utilisées pour la lecture de vidéos numériques comprennent HDMI , DisplayPort , Digital Visual Interface (DVI) et Serial Digital Interface (SDI).

La vidéo numérique peut être copiée et reproduite sans dégradation de qualité. En revanche, lorsque des sources analogiques sont copiées, elles subissent une perte de génération . La vidéo numérique peut être stockée sur des supports numériques tels que des disques Blu-ray , sur un stockage de données informatiques ou diffusée en continu sur Internet aux utilisateurs finaux qui regardent le contenu sur l'écran d'un ordinateur personnel ou d'un appareil mobile ou d'une télévision connectée numérique . Aujourd'hui, le contenu vidéo numérique tel que les émissions de télévision et les films comprend également une bande sonore numérique .

Les capteurs d'image à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) sont à la base des caméras vidéo numériques . à semi-conducteurs pratique était le dispositif à couplage de charge (CCD), inventé en 1969 par Willard S. Boyle, qui a remporté un prix Nobel pour ses travaux en physique. Après la commercialisation des capteurs CCD de la fin des années 1970 au début des années 1980, l' industrie du divertissement a lentement commencé à passer de la vidéo analogique à l'imagerie et à la vidéo numériques au cours des deux décennies suivantes. Le CCD a été suivi par le capteur à pixels actifs CMOS ( capteur CMOS ), développé dans les années 1990.

Les grands films tournés en vidéo numérique ont dépassé ceux tournés sur pellicule en 2013. Depuis 2016, plus de 90 % des grands films ont été tournés en vidéo numérique. En 2017 , 92 % des films sont tournés en numérique. Seuls 24 grands films sortis en 2018 ont été tournés en 35 mm. Aujourd'hui, les caméras de sociétés telles que Sony , Panasonic , JVC et Canon offrent une variété de choix pour le tournage de vidéos haute définition. Sur le marché haut de gamme, on assiste à l'émergence de caméras destinées spécifiquement au marché du cinéma numérique. Ces caméras de Sony , Vision Research , Arri , Blackmagic Design , Panavision , Grass Valley et Red offrent une résolution et une plage dynamique supérieures à celles des caméras vidéo traditionnelles, conçues pour les besoins limités de la télévision de diffusion .

Dans les années 1970, la modulation par impulsions codées (PCM) a donné naissance au codage vidéo numérique , exigeant des débits binaires élevés de 45 à 140 Mbit/s pour le contenu en définition standard (SD). Dans les années 1980, la transformée en cosinus discrète (DCT) est devenue la norme pour la compression vidéo numérique .

La première norme de codage vidéo numérique était H.120 , créée par le Comité consultatif international télégraphique et téléphonique (CCITT) ou CCITT (aujourd'hui UIT-T) en 1984. H.120 n'était pas pratique en raison de ses faibles performances. H.120 était basé sur la modulation par impulsions codées différentielles (DPCM), un algorithme de compression inefficace pour le codage vidéo. À la fin des années 1980, un certain nombre d'entreprises ont commencé à expérimenter la DCT, une forme de compression beaucoup plus efficace pour le codage vidéo. Le CCITT a reçu 14 propositions de formats de compression vidéo basés sur la DCT, contrairement à une seule proposition basée sur la compression à quantification vectorielle (VQ). La norme H.261 a été développée sur la base de la compression DCT, devenant la première norme pratique de codage vidéo. Depuis H.261, la compression DCT a été adoptée par toutes les principales normes de codage vidéo qui ont suivi.

MPEG-1 , développé par le Motion Picture Experts Group (MPEG), a été suivi en 1991 et a été conçu pour compresser des vidéos de qualité VHS . Il a été remplacé en 1994 par MPEG-2 / H.262 , qui est devenu le format vidéo standard pour les DVD et la télévision numérique SD . Il a été suivi par MPEG-4 en 1999, puis en 2003 par H.264/MPEG-4 AVC , qui est devenu la norme de codage vidéo la plus largement utilisée.

Le format de codage vidéo de la génération actuelle est HEVC (H.265), introduit en 2013. Alors qu'AVC utilise la DCT entière avec des tailles de bloc 4x4 et 8x8, HEVC utilise des transformations DCT et DST entières avec des tailles de bloc variées entre 4x4 et 32x32. HEVC est fortement breveté, la majorité des brevets appartenant à Samsung Electronics , GE , NTT et JVC Kenwood . AV1 qui vise à être sous licence libre . En 2019 , AVC est de loin le format le plus couramment utilisé pour l'enregistrement, la compression et la distribution de contenu vidéo, utilisé par 91 % des développeurs vidéo, suivi par HEVC qui est utilisé par 43 % des développeurs.

À partir de la fin des années 1970 et jusqu'au début des années 1980, des équipements de production vidéo dont le fonctionnement interne était numérique ont été introduits. Il s'agissait notamment de correcteurs de base de temps (TBC) et d'unités d'effets vidéo numériques (DVE) . Ils fonctionnaient en prenant une entrée vidéo composite analogique standard et en la numérisant en interne. Cela facilitait la correction ou l'amélioration du signal vidéo, comme dans le cas d'un TBC, ou la manipulation et l'ajout d'effets à la vidéo, dans le cas d'une unité DVE. Les informations vidéo numérisées et traitées étaient ensuite reconverties en vidéo analogique standard pour la sortie.

Plus tard dans les années 1970, les fabricants d'équipements de diffusion vidéo professionnels, tels que Bosch (par l'intermédiaire de leur division Fernseh ) et Ampex, ont développé des prototypes d'enregistreurs vidéo numériques (VTR) dans leurs laboratoires de recherche et développement. La machine de Bosch utilisait un transport de bande vidéo de type B de 1 pouce modifié et enregistrait une forme précoce de vidéo numérique CCIR 601. Le prototype d'enregistreur vidéo numérique d'Ampex utilisait un magnétoscope à bande vidéo quadruplex de 2 pouces modifié (un Ampex AVR-3) équipé d'une électronique vidéo numérique personnalisée et d'une tête octaplex spéciale à 8 têtes (les machines quadruples analogiques classiques de 2 pouces n'utilisaient que 4 têtes). Comme le quad 2 pouces standard, l'audio sur la machine numérique prototype d'Ampex, surnommée Annie par ses développeurs, enregistrait toujours l'audio en analogique sous forme de pistes linéaires sur la bande. Aucune de ces machines de ces fabricants n'a jamais été commercialisée commercialement.

La vidéo numérique a été commercialisée pour la première fois en 1986 avec le format Sony D1 , qui enregistrait un signal vidéo composante de définition standard non compressé sous forme numérique. Les connexions vidéo composantes nécessitaient 3 câbles, mais la plupart des installations de télévision étaient câblées pour la vidéo composite NTSC ou PAL à l'aide d'un seul câble. En raison de cette incompatibilité et du coût de l'enregistreur, le format D1 était principalement utilisé par les grands réseaux de télévision et d'autres studios vidéo capables de prendre en charge la vidéo composante.

En 1988, Sony et Ampex ont développé et commercialisé conjointement le format de cassette vidéo numérique D2 , qui enregistrait la vidéo numériquement sans compression au format ITU-601 , à l'instar du D1. En comparaison, le D2 avait la principale différence d'encoder la vidéo sous forme composite selon la norme NTSC, ce qui ne nécessitait que des connexions vidéo composites à câble unique vers et depuis un magnétoscope D2. Cela en faisait un format parfaitement adapté à la majorité des installations de télévision de l'époque. Le D2 était un format à succès dans l' industrie de la diffusion télévisée à la fin des années 80 et dans les années 90. Le D2 était également largement utilisé à cette époque comme format de bande maîtresse pour le matriçage des disques laser .

Les formats D1 et D2 seront remplacés par des systèmes moins coûteux utilisant la compression vidéo, notamment le Digital Betacam de Sony , qui sera introduit dans les studios de télévision du réseau . Parmi les autres exemples de formats vidéo numériques utilisant la compression, on peut citer le DCT d'Ampex (le premier à l'utiliser lors de son introduction en 1992), les formats standard DV et MiniDV et leurs variantes professionnelles, le DVCAM de Sony et le DVCPRO de Panasonic , ainsi que le Betacam SX , une variante moins coûteuse du Digital Betacam utilisant la compression MPEG-2.

L'un des premiers produits vidéo numériques à fonctionner sur des ordinateurs personnels était PACo : le compilateur d'animation PICS de The Company of Science & Art à Providence, Rhode Island. Il a été développé à partir de 1990 et commercialisé pour la première fois en mai 1991. PACo pouvait diffuser des vidéos de longueur illimitée avec un son synchronisé à partir d'un seul fichier (avec l' extension de fichier .CAV ) sur CD-ROM. La création nécessitait un Mac et la lecture était possible sur Mac, PC et Sun SPARCstations .

QuickTime , le framework multimédia d' Apple Computer , est sorti en juin 1991. Audio Video Interleave de Microsoft a suivi en 1992. Les premiers outils de création de contenu grand public étaient rudimentaires, nécessitant une source vidéo analogique à numériser dans un format lisible par ordinateur. Bien que de faible qualité au départ, la vidéo numérique grand public a rapidement augmenté en qualité, d'abord avec l'introduction de normes de lecture telles que MPEG-1 et MPEG-2 (adoptées pour une utilisation dans la transmission télévisée et les supports DVD), et l'introduction du format de bande DV permettant de transférer les enregistrements au format directement vers des fichiers vidéo numériques à l'aide d'un port FireWire sur un ordinateur de montage. Cela a simplifié le processus, permettant aux systèmes de montage non linéaire (NLE) d'être déployés à moindre coût et à grande échelle sur des ordinateurs de bureau sans nécessiter d'équipement de lecture ou d'enregistrement externe.

L'adoption généralisée de la vidéo numérique et des formats de compression associés a réduit la bande passante nécessaire pour un signal vidéo haute définition (avec HDV et AVCHD , ainsi que plusieurs formats professionnels tels que XDCAM , tous utilisant moins de bande passante qu'un signal analogique de définition standard). Ces économies ont augmenté le nombre de chaînes disponibles sur la télévision par câble et les systèmes de diffusion directe par satellite , ont créé des opportunités de réaffectation du spectre des fréquences de diffusion de la télévision terrestre et ont rendu possibles les caméscopes sans bande basés sur la mémoire flash , entre autres innovations et gains d'efficacité.

Sur le plan culturel, la vidéo numérique a permis à la vidéo et au film de devenir largement disponibles et populaires, bénéfiques pour le divertissement, l'éducation et la recherche. La vidéo numérique est de plus en plus courante dans les écoles, les étudiants et les enseignants souhaitant apprendre à l'utiliser de manière pertinente. La vidéo numérique a également des applications dans le domaine de la santé, permettant aux médecins de suivre le rythme cardiaque et les niveaux d'oxygène des nourrissons.

En outre, le passage de la vidéo analogique à la vidéo numérique a eu des répercussions sur les médias de diverses manières, notamment sur la manière dont les entreprises utilisent les caméras de surveillance. La télévision en circuit fermé (CCTV) est passée à l'utilisation d'enregistreurs vidéo numériques (DVR), ce qui a posé la question du stockage des enregistrements pour la collecte de preuves. Aujourd'hui, la vidéo numérique peut être compressée afin d'économiser de l'espace de stockage.

La télévision numérique (DTV) est la production et la transmission de vidéos numériques depuis les réseaux vers les consommateurs. Cette technique utilise le codage numérique au lieu des signaux analogiques utilisés avant les années 1950. Par rapport aux méthodes analogiques, la DTV est plus rapide et offre davantage de capacités et d'options pour la transmission et le partage des données.

Les origines de la télévision numérique sont liées à la disponibilité d' ordinateurs peu coûteux et performants . Ce n'est que dans les années 1990 que la télévision numérique est devenue une possibilité réelle. La télévision numérique n'était auparavant pas réalisable en raison des exigences de bande passante excessivement élevées de la vidéo non compressée , nécessitant environ 200 Mbit/s pour un signal de télévision à définition standard (SDTV), et plus de 1 Gbit/s pour la télévision haute définition (HDTV).

La vidéo numérique comprend une série d' images numériques affichées en succession rapide. Dans le contexte de la vidéo, ces images sont appelées trames . La vitesse à laquelle les trames sont affichées est appelée fréquence d'images et est mesurée en images par seconde . Chaque trame est une image numérique et comprend donc une formation de pixels . La couleur d'un pixel est représentée par un nombre fixe de bits de cette couleur où les informations de la couleur sont stockées dans l'image. Par exemple, 8 bits capturent 256 niveaux par canal et 10 bits capturent 1 024 niveaux par canal. Plus il y a de bits, plus les variations de couleurs sont subtiles. C'est ce qu'on appelle la profondeur de couleur , ou profondeur de bits, de la vidéo.

Dans une vidéo entrelacée, chaque trame est composée de deux moitiés d'image. La première moitié contient uniquement les lignes impaires d'une trame complète. La seconde moitié contient uniquement les lignes paires. Ces moitiés sont appelées individuellement champs . Deux champs consécutifs composent une trame complète. Si une vidéo entrelacée a une fréquence d'images de 30 images par seconde, la fréquence de trame est de 60 trames par seconde, bien que les deux parties d'une vidéo entrelacée, les images par seconde et les champs par seconde, soient des nombres distincts.

Par définition, le débit binaire est une mesure du débit du contenu d'information du flux vidéo numérique. Dans le cas d'une vidéo non compressée, le débit binaire correspond directement à la qualité de la vidéo, car le débit binaire est proportionnel à chaque propriété qui affecte la qualité de la vidéo . Le débit binaire est une propriété importante lors de la transmission de vidéo, car la liaison de transmission doit être capable de prendre en charge ce débit binaire. Le débit binaire est également important lors du stockage de la vidéo, car, comme indiqué ci-dessus, la taille de la vidéo est proportionnelle au débit binaire et à la durée. La compression vidéo est utilisée pour réduire considérablement le débit binaire tout en ayant peu d'effet sur la qualité.

Le nombre de bits par pixel (BPP) est une mesure de l'efficacité de la compression. Une vidéo en vraies couleurs sans aucune compression peut avoir un BPP de 24 bits/pixel. Le sous-échantillonnage de la chrominance peut réduire le BPP à 16 ou 12 bits/pixel. L'application d' une compression JPEG sur chaque image peut réduire le BPP à 8 ou même 1 bits/pixel. L'application d'algorithmes de compression vidéo tels que MPEG1 , MPEG2 ou MPEG4 permet l'existence de valeurs BPP fractionnaires.

Le BPP représente la moyenne des bits par pixel. Il existe des algorithmes de compression qui maintiennent le BPP quasiment constant pendant toute la durée de la vidéo. Dans ce cas, nous obtenons également une sortie vidéo avec un débit binaire constant (CBR). Cette vidéo CBR convient au streaming vidéo en temps réel, sans tampon, à bande passante fixe (par exemple en visioconférence). Étant donné que toutes les images ne peuvent pas être compressées au même niveau, car la qualité est plus sévèrement impactée pour les scènes de grande complexité, certains algorithmes tentent d'ajuster constamment le BPP. Ils maintiennent le BPP élevé lors de la compression de scènes complexes et faible pour les scènes moins exigeantes. De cette façon, il fournit la meilleure qualité au plus petit débit binaire moyen (et à la plus petite taille de fichier, en conséquence). Cette méthode produit un débit binaire variable car elle suit les variations du BPP.

Les pellicules standard enregistrent généralement à 24 images par seconde. Pour la vidéo, il existe deux normes de fréquence d'images : NTSC , à 30/1,001 (environ 29,97) images par seconde (environ 59,94 trames par seconde), et PAL , à 25 images par seconde (50 trames par seconde). Les caméras vidéo numériques sont disponibles dans deux formats de capture d'image différents : balayage entrelacé et balayage progressif . Les caméras entrelacées enregistrent l'image en séries de lignes alternées : les lignes impaires sont balayées, puis les lignes paires sont balayées, puis les lignes impaires sont à nouveau balayées, et ainsi de suite.

Un ensemble de lignes paires ou impaires est appelé un champ , et une paire consécutive de deux champs de parité opposée est appelée une trame . Les caméras à balayage progressif enregistrent toutes les lignes de chaque trame comme une seule unité. Ainsi, la vidéo entrelacée capture le mouvement de la scène deux fois plus souvent que la vidéo progressive pour la même fréquence d'images. Le balayage progressif produit généralement une image légèrement plus nette, cependant, le mouvement peut ne pas être aussi fluide que la vidéo entrelacée.

La vidéo numérique peut être copiée sans perte de génération, ce qui dégrade la qualité dans les systèmes analogiques. Cependant, un changement de paramètres comme la taille de l'image ou un changement de format numérique peut diminuer la qualité de la vidéo en raison de la mise à l'échelle de l'image et des pertes de transcodage . La vidéo numérique peut être manipulée et éditée sur des systèmes de montage non linéaires .

La vidéo numérique coûte nettement moins cher que le film 35 mm. En comparaison avec le coût élevé du film , les supports numériques utilisés pour l'enregistrement vidéo numérique, comme la mémoire flash ou le disque dur, sont très peu coûteux. La vidéo numérique permet également de visionner les images sur place sans le traitement chimique coûteux et chronophage requis par le film. Le transfert réseau de la vidéo numérique rend inutile la livraison physique de bandes et de bobines de film.

La télévision numérique (y compris la TVHD de qualité supérieure ) a été introduite dans la plupart des pays développés au début des années 2000. Aujourd'hui, la vidéo numérique est utilisée dans les téléphones mobiles modernes et les systèmes de visioconférence . La vidéo numérique est utilisée pour la distribution de médias sur Internet , notamment la vidéo en streaming et la distribution de films peer-to-peer .

Il existe de nombreux types de compression vidéo permettant de diffuser des vidéos numériques sur Internet et sur des disques optiques. Les tailles de fichiers des vidéos numériques utilisées pour le montage professionnel ne sont généralement pas adaptées à ces fins, et la vidéo nécessite une compression supplémentaire avec des codecs pour être utilisée à des fins récréatives.

En 2017 , la résolution d'image la plus élevée démontrée pour la génération de vidéos numériques est de 132,7 mégapixels (15 360 x 8 640 pixels). La vitesse la plus élevée est atteinte par les caméras industrielles et scientifiques à grande vitesse , capables de filmer des vidéos 1 024 x 1 024 à une vitesse allant jusqu'à 1 million d'images par seconde pendant de brèves périodes d'enregistrement.

La vidéo numérique en direct consomme de la bande passante. La vidéo numérique enregistrée consomme du stockage de données. La quantité de bande passante ou de stockage requise est déterminée par la taille de l'image, la profondeur de couleur et la fréquence d'images. Chaque pixel consomme un nombre de bits déterminé par la profondeur de couleur. Les données requises pour représenter une trame de données sont déterminées en multipliant par le nombre de pixels de l'image. La bande passante est déterminée en multipliant le besoin de stockage pour une image par la fréquence d'images. Les besoins de stockage globaux d'un programme peuvent ensuite être déterminés en multipliant la bande passante par la durée du programme.

Ces calculs sont exacts pour la vidéo non compressée, mais en raison du débit binaire relativement élevé de la vidéo non compressée, la compression vidéo est largement utilisée. Dans le cas d'une vidéo compressée, chaque image ne nécessite qu'un faible pourcentage des bits d'origine. Cela réduit la consommation de données ou de bande passante d'un facteur de 5 à 12 lors de l'utilisation d'une compression sans perte , mais plus couramment, la compression avec perte est utilisée en raison de sa réduction de la consommation de données par des facteurs de 20 à 200. Notez qu'il n'est pas nécessaire que toutes les images soient compressées de manière égale par le même pourcentage. Considérez plutôt le facteur de compression moyen pour toutes les images prises ensemble.

Interfaces vidéo numériques spécialement conçues

• Vidéo composante numérique
• Interface visuelle numérique (DVI)
• DisplayPort
• HDBaseT
• Interface multimédia haute définition (HDMI)
• Interface d'affichage unifiée

Interfaces à usage général utilisées pour transporter des vidéos numériques

• FireWire (IEEE 1394)
• Bus série universel (USB)

L'interface suivante a été conçue pour transporter des vidéos compressées MPEG -Transport :

• DVB - ASI

La vidéo compressée est également transportée via UDP - IP sur Ethernet . Il existe deux approches pour cela :

• Utilisation de RTP comme wrapper pour les paquets vidéo comme avec SMPTE 2022
• 1 à 7 Les paquets de transport MPEG sont placés directement dans le paquet UDP

Autres méthodes de transmission de vidéos sur IP

• Interface de périphérique réseau
• SMPTE 2110

• CCIR 601 utilisé pour les stations de radiodiffusion
• VC-2 également connu sous le nom de Dirac Pro
• MPEG-4 est idéal pour la distribution en ligne de vidéos volumineuses et de vidéos enregistrées sur une mémoire flash
• MPEG-2 utilisé pour les DVD, les Super-VCD et de nombreux formats de diffusion télévisée
• MPEG-1 utilisé pour les CD vidéo
• H.261
• H.263
• H.264 également connu sous le nom de MPEG-4 Part 10 ou AVC , utilisé pour les disques Blu-ray et certains formats de diffusion télévisée
• H.265 également connu sous le nom de MPEG-H Partie 2 ou HEVC
• MOV utilisé pour le framework QuickTime
• Theora utilisé pour la vidéo sur Wikipédia

• Betacam SX , MPEG IMX , Digital Betacam ou DigiBeta — formats vidéo professionnels de Sony, basés sur la technologie Betamax originale
• D-VHS — Données au format MPEG-2 enregistrées sur une bande similaire au S-VHS

  

• D1 , D2 , D3 , D5 , D7 , D9 (également connu sous le nom de Digital-S) — diverses normes vidéo numériques professionnelles SMPTE
• Digital8 — Données au format DV enregistrées sur des cassettes compatibles Hi8 ; format largement grand public
• DV , MiniDV — utilisé dans la plupart des caméscopes grand public à cassette vidéo numérique ; conçu pour une qualité élevée et un montage facile ; peut également enregistrer des données haute définition ( HDV ) au format MPEG-2
• DVCAM , DVCPRO — utilisés dans les opérations de diffusion professionnelles ; similaires au DV mais généralement considérés comme plus robustes ; bien que compatibles DV, ces formats ont une meilleure gestion audio.
• DVCPRO 50 et DVCPRO HD prennent en charge des bandes passantes plus élevées que le DVCPRO de Panasonic.
• HDCAM a été introduit par Sony comme une alternative haute définition au DigiBeta.
• MicroMV — Données au format MPEG-2 enregistrées sur une très petite cassette de la taille d'une boîte d'allumettes ; obsolète
• ProHD — nom utilisé par JVC pour ses caméscopes professionnels basés sur MPEG-2

• Disque Blu-ray
• DVD
• VCD