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Signal vidéo de télévision et synoptiques TV
lundi 14 mars 2011, par gerla
Description des contenus du signal et utilisation dans le téléviseur

Quelque soit le domaine d’application envisagé aujourd’hui, la définition et le contenu du signal vidéo remontent à l’origine de la télévision. Mis en place au fur et à mesure de l’évolution de la télévision analogique, les principes fondateurs sont repris dans le développement des techniques actuelles . La première analyse sous-tend le schéma synoptique de transmission des images en télévision noir et blanc. Aujourd’hui, l’aspect numérique permet de mieux prendre en charge les nouvelles technologies d’affichage de l’image et la transmission ou le stockage de données.

1- Signal vidéo : mise en situation

Dans la caméra, chaque point du capteur CCD (Charge Coupled Device) ou CMOS du dispositif analyseur est soumis à un éclairement variable en fonction du contenu de l’image ...etc. (Extrait de Cours de télévision, Dunod, chapitre 3 , page 55 ). Voir également le diaporama attaché à l’article « Signal vidéo, Normes, Utilisation en télévision » sur ce site.

La figure 1 montre la variation du contenu vidéo du signal de luminance Y issu d’une caméra noir et blanc et correspondant à une ligne de la mire de barres noir et blanc.

La figure 2 montre la variation du contenu vidéo du signal vidéo composite CVBS issue d’une caméra couleur et correspondant au contenu d’une ligne de la scène qui est filmée.

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Contenus du signal vidéo noir et blanc et couleur

2- Principe de l’analyse de l’image par la caméra

Voir le diaporama attaché à l’article « Signal vidéo, Normes, Utilisation en télévision »

3- Signal de luminance Y à fréquence ligne

Dans la caméra, l’image est analysée ligne après ligne (comme pour la lecture des lignes d’une page d’un livre). La « lecture » d’une ligne est fixée à 52µs. En fin de ligne, on garde 12µs pour retourner à la ligne suivante. La durée totale d’une ligne (aller ligne + retour ligne) est donc de 64µs dans les caméras correspondant au standard européen 50Hz, 625 lignes. Un oscilloscope est connecté sur la sortie vidéo de la caméra noir et blanc ou sur la sortie vidéo d’un générateur de mires réglé sur la mire de barres noir et blanc avec un cercle blanc (ou encore sur la broche 19 de la péritel SCART d’un téléviseur syntonisé sur une source UHF diffusant une mire de barres). L’oscillogramme observé est celui représenté par la figure 3 . Les réglages de l’oscilloscope sont indiqués. L’image de la mire est mise en coïncidence avec l’oscillogramme pour en faciliter la compréhension. On note la présence de bruit et de légères distorsions qui se superposent au signal vidéo théorique.

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Signal de luminance à fréquence ligne

Exercices :
-   sur l’oscillogramme de la figure 3 , déterminer à quoi correspond l’aller ligne, le retour ligne et le top de synchronisation ligne (solutions Cours de télévision, Dunod, page 60 ) ;
-   Sur l’image de la figure 3 , déterminer la ligne correspond l’oscillogramme (solution Cours de télévision, Dunod, page 61 ).
-   A partir de la durée totale d’une ligne, calculer la fréquence ligne (voir tableau Cours de télévision, Dunod, page 59 ).

Outre le contenu vidéo, le signal de luminance contient toutes les informations nécessaires à la reconstruction d’une image monochrome (image noir et blanc). Pour cela, le signal de luminance doit fournir au téléviseur noir et blanc les informations d’ asservissement des circuits de balayage et des circuits vidéo.

Pendant le retour ligne, la caméra (ou le générateur de mires) génère un top de synchronisation ligne. Le front descendant du top est utilisé dans le récepteur de télévision pour démarrer au bon moment le signal de balayage ligne ( scanning horizontal, base de temps ligne).

Pendant le retour ligne et de part et d’autre du top ligne, le niveau de tension (observé sur l’oscillogramme de la figure 3) correspond au niveau d’effacement. Ce niveau est analysé dans les téléviseurs (en analogique) et détermine l’extinction du spot (tube cathodique) ou sera considéré comme l’intervalle entre les données vidéo d’une ligne et celles la ligne suivante (en numérique).

4- Signal de luminance Y à fréquence trame Dans la caméra, les lignes (d’une image) analysées sont regroupées en deux trames :
-   la trame impaire est composée des lignes 1, 3, 5, 7, ...,
-   la trame paire est composée des lignes restantes (lignes 2, 4, 6, 8, ...)

Conformément au standard européen 50Hz, 625 lignes, une séquence vidéo est télédiffusée de la façon suivante :
-   chaque images est constituée de deux trames (une trame impaire et une trame paire) entrelacées (interlaced, noté « i »)  ;
-   la diffusion des trames est de 50 trames par seconde ce à quoi correspond une vitesse de 25 images par seconde (aussi bien en analogique qu’en TNT) ;
-   chaque trame est constituée de 312,5 lignes dont 25 lignes (en analogique) ou 24 lignes (en numérique, dont TNT) correspondant au temps du retour trame.

Exercices :
-   Déterminer le temps correspondant à la diffusion durée trame complète (aller et retour) et en déduire la fréquence trame (solutions Cours de télévision, Dunod, pages 57 et 58 ) ;
-   Déterminer le nombre de lignes d’une trame comportant de l’information vidéo, en diffusion analogique puis en TNT (solutions Cours de télévision, Dunod, pages 165 et figure page 168 ) ;

Un oscilloscope est connecté sur la sortie vidéo de la caméra noir et blanc ou sur la sortie vidéo d’un générateur de mires réglé sur la mire de barres noir et blanc. L’oscilloscope est réglé de façon à visualiser au moins une trame entière de façon à mettre en évidence la composition d’une trame. L’oscillogramme observé est celui représenté par la figure 4 . La trame débute par le top de synchronisation trame constitué de cinq impulsions à ½ période ligne (le top trame dure 2,5 lignes). Après une séquence ne comportant pas de contenu vidéo (fin du retour trame), les 312,5 lignes constituent ce qui va être affiché à l’écran (en partant du haut de l’écran et en allant vers le bas).

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Signal de luminance à fréquence trame et retour trame

Exercices :
-   Sur la figure 5 , nommer les signaux contenus dans le retour trame et correspondant aux repères 1, 2 et 3 (solutions Cours de télévision, Dunod, page 62 ) ;
-   Sur la figure 5 , nommer puis calculer la durée correspondant au repère 4 (le réglage de la base de temps de l’oscilloscope est indiqué sur la figure). Connaissant la durée d’une ligne (aller + retour ligne), en déduire le nombre de lignes équivalent (solutions Cours de télévision, Dunod, pages 58 et 62 ).

5- Utilisation du signal vidéo dans le téléviseur noir et blanc (monochrome)

Pour arriver jusqu’au téléviseur noir et blanc ( figure 6 ), les signaux vidéo (et audio) sont télédiffusés. Une liaison est réalisée par ondes hertziennes entre les antennes de l’émetteur et du téléviseur dans les bandes UHF IV et V (les bandes VHF I et III ne sont plus utilisées actuellement). Pour cela, les contenus vidéo sont «  montés  » sur une porteuse (idem pour les contenus audio). (Voir Cours de télévision, Dunod, pages 66 et suivantes .

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Flux vidéo dans le téléviseur noir et blanc

Les fonctions connectées à l’antenne ( front-end ) permettent de recouvrer en partie le signal vidéo correspondant à l’émission diffusée (repère Y’ sur la figure 6 ). En transmission analogique, lors des étapes de modulation (à l’émission) et démodulation (dans le récepteur), la composante continue (valeur moyenne) du signal vidéo issu de la caméra est perdue. Pour reconstruire cette composante continue dans le récepteur de télévision, une fonction de clamp aligne le contenu de chaque ligne vidéo sur le niveau du palier arrière correspondant au niveau d’effacement (clamp = alignement synchronisé ; voir Cours de télévision, Dunod, pages 162 et 163 ).

Les réglages de l’utilisateur (lumière et contraste) sont réalisés autour de l’étage de préamplification vidéo. Le signal Y obtenu sera ensuite appliqué à la commande de l’écran.

Parallèlement au traitement des informations vidéo à afficher, les tops de synchronisation ligne et trame sont extraits (étage de séparation, figure 6 ). Des signaux de balayage horizontal sont générés par la base de temps ligne en synchronisme avec les tops ligne. De même, des signaux de balayage vertical sont générés par la base de temps trame en synchronisme avec les tops trame.

6- Signal vidéo couleur

En première approximation et afin d’assurer la compatibilité avec les équipements de reproduction monochrome, on ne transmet pas les couleurs primaires RVB ...etc. (Extrait de Cours de télévision, Dunod, chapitre 1, page 13 ). Voir également le diaporama attaché à l’article « Signal vidéo, Normes, Utilisation en télévision » sur ce site.

Pour reconstruire l’image en couleur, un signal de chrominance C composé de (R-Y) et (B-Y) est transmis simultanément avec le signal de luminance Y (voir Cours de télévision, Dunod, chapitre 3 , pages 63 et suivantes ). Voir en particulier le schéma d’organisation fonctionnelle de la caméra couleur figure 3.8 sur Cours de télévision, page 64 . Le signal vidéo composite CVBS (analogique) issu de la caméra couleur, de certaines cartes graphiques de PC ou d’un générateur de mires couleur est un mélange du signal de luminance et du signal de chrominance C codé PAL / NTSC ou SECAM. La figure 7 permet de comparer les oscillogrammes à fréquence ligne des signaux Y, CVBS-SECAM et CVBS-PAL.

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Vidéo composite CVBS à fréquence ligne

Exercices :
-   En observant les différentes parties de la figure 7 et en terme de fréquences, quelle différence peut-on faire entre le signal de luminance et les composantes de chrominance codées PAL ou SECAM ?
-   Compte tenu des fréquences de la sous-porteuse PAL et des sous-porteuses SECAM, déterminer où se situent les spectres des chrominances codées PAL ou SECAM dans les signaux CVBS (solution Cours de télévision, Dunod, page 125 ) ;
-   Quelles solutions permettent de séparer les signaux de luminance Y et les signaux de chrominance codés PAL ou SECAM ? (solutions Cours de télévision, Dunod, pages 148 à 150 ).

Le chapitre 6 du Cours de télévision, Dunod est consacré au traitement vidéo, codage couleur, décodage, séparation Y, C (etc.). L’étude aborde les opérations effectuées sur le signal aussi bien en analogique qu’en numérique.

7- Utilisation du signal vidéo dans le téléviseur couleur

La figure 7 (représentant les éléments de reconstruction de l’image couleur) est développée à partir de la représentation de la figure 6 sur laquelle viennent s’appuyer les éléments propres aux fonctions “couleur”. L’écran monochrome est remplacé par une dalle couleur capable de reproduire les nuances de couleurs à partir des primaires RVB.

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Flux vidéo dans le téléviseur couleur

Le schéma de la figure 7 représente essentiellement la circulation des informations vidéo contenues dans le signal vidéo composite. Bien évidemment, beaucoup d’autres formats de signaux vidéo sont disponibles aujourd’hui. Le téléviseur intègre donc de nombreuses autres fonctions de traitement du signal. Ces développements ainsi que l’étude des technologies des écrans sont disponibles dans Cours de télévision, Dunod .

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