Les standards vidéo

YUV YDbDr YIQ Pal Secam NTSC

Les standards vidéo sont un ensemble de normes télévisuelles qui définissent les définitions vidéo, le signal vidéo, le balayage, les fréquences des porteuses et le profil colorimétrique utilisés. Il est souvent compliqué de s'y retrouver devant tous les signaux utilisés dans le monde, néanmoins avec une approche historique, il est plus simple de voir comment tous ces standards sont arrivés et comment ils intéragissent.

Un peu d'Histoire

Les émissions de télévision commencèrent avant la Seconde Guerre Mondiale, néanmoins à cette époque, les standards ne l'étaient pas vraiment, car la technologie était tout juste naissante et donc laissait place à beaucoup d'expérimentation. Pendant la guerre et après celle-ci, plusieurs standards furent créés, et en 1961, l'International Telecommunication Union (ITU, un organisme des Nations Unies) décida de poser un système de nommage international pour pouvoir normer tous ces standards noir-et-blanc, appelé le ITU System Letter Designation. Ces standards noir-et-blanc englobent la définition de l'image (en nombre de lignes, en analogique la notion de pixel n'existe pas), le framerate (en images par seconde), et les caractéristiques technique du signal (largeur de bande, modulation, plein de paramètres dont on ne parlera pas ici car ils sont trop complexes et ne nous concernent pas réellement).

Un point sur lequel se sont mis d'accord tous les standards télévisuels à l'époque, pour des contraintes techniques, est d'utiliser un format d'image entrelacé. Le nombre d'images par seconde utilisé par ces standards sera donc obligé d'être limité à la moitié du framerate défini dans ceux-ci (une image étant composé donc de deux frames). Nous vous expliquerons dans un article à paraître les spécificités de l'entrelacement.

En parallèle, les différentes régions du monde, qui s'étaient depuis alignées sur des standards similaires pour leur télévision noir-et-blanc, et se mirent à vouloir produire de la couleur. Pour produire de la couleur, comme il est vu dans l'article sur l'espace colorimétrique, il faut produire une synthèse de 3 composantes (ou plus). Cependant, le passage à la couleur de la population ne pouvait se faire d'un coup, il a donc été choisi de prendre un système de couleur dont la partie noir-et-blanc était une composante, et d'encoder les signaux couleurs par dessus celle-ci, ce qui permettait aux télévisions non-compatibles avec la couleur de juste ignorer le signal couleur, et de toujours pouvoir afficher une image.

Par conséquent, les systèmes de télévision couleur s'appuient sur les standards noir-et-blanc, et rajoutent juste les informations de couleur, comme une couche supplémentaire au dessus de la norme de base. Il faut donc traiter un standard vidéo couleur comme une combinaison de deux signaux séparés, le signal noir-et-blanc et le signal couleur.

Le noir-et-blanc : Les standards ITU

Comme expliqué précédemment, les standards ITU (aussi appelés standards CCIR, de l'ancien nom de la division radiocommunications de l'ITU) ne s'intéresse qu'à la partie noir-et-blanc (appelée luminance). Ces normes vont couvrir la fréquence de rafraîchissement, la définition ainsi que les paramètres de diffusion radio du signal (nous n'allons pas traiter ces informations, car elles ne nous intéressent pas vraiment pour les consoles de jeu). Après l'ajout de la couleur cependant, il est à noter qu'un paramètre radio supplémentaire fut rajouté à ces normes : la fréquence porteuse couleur. Ce paramètre définit un aspect de l'encodage de la couleur sur le signal, et est en partie la raison pour laquelle une console PAL forcée en NTSC ne sortira pas de couleur : les fréquences diffèrent et donc la télévision ne peut pas trouver le signal couleur.

Ici nous ne traiterons que des systèmes de diffusion qui ont un rapport avec les consoles de jeux, donc les systèmes populaires dans les différentes régions du monde à partir des années 1980. D'autres systèmes existent, mais ils sont tombés en désuétude bien avant qu'une console de jeu ne songe à les utiliser. De la même manière, les systèmes partageant les mêmes caractéristiques principales et aux différences mineures seront groupés ensemble.

En Europe : systèmes B/G, D/K, K', H, I, L

Ces systèmes sont les systèmes qui furent employés en Europe depuis le début des années 50. A cette époque, les quartz (composants permettant d'obtenir un timing électronique très précis) n'existant pas, les télévisions ont dû se baser sur le seul système stable pour définir toutes les références de temps : le réseau électrique alternatif. Celui-ci fonctionnant à 50 Hz en Europe, le standard adopté dût forcément fonctionner en 50 Hz. En contrepartie, la bande passante plus large par rapport aux systèmes américains (les européens ont été plus généreux dans la définition des largeurs de bande en Europe) lui permit de proposer une plus grande définition.

Ses caractéristiques principales sont les suivantes :

  • Fréquence de rafraîchissement : 50 Hz (25 images par seconde).
  • Définition verticale : 625 lignes (576 lignes réellement affichées).
  • Porteuse couleur : 4.43 MHz.
  • Norme couleur communément associée : PAL/SECAM.

Aux États-Unis et au Japon : M et J

Aux États-Unis, le système de télévision qui adopta la couleur est plus ancien que le système européen, ayant été développé en 1941. Pour la même raison que celle mentionnée pour les systèmes européens (l'horloge à quartz n'avait pas été encore inventée), la fréquence du réseau électrique local fut utilisée, impliquant donc une fréquence de rafraîchissement de 60 Hz.

Voici ses caractéristiques principales :

  • Fréquence de rafraîchissement : 60 Hz (30 images par seconde).
  • Définition verticale : 525 lignes (480 lignes réellement affichées).
  • Porteuse couleur : 3.58 MHz.
  • Norme couleur communément associée : NTSC.

Lors du passage à la couleur, pour des raisons que nous n'allons pas étaler ici (une vidéo en anglais de Matt Parker l'explique cependant), la fréquence de rafraîchissement du standard fut modifiée de 60 Hz à 59.94 Hz officiellement. Ce changement n'impacta pas les télévisions existantes, mais permit de simplifier la conception des télévisions couleur.

La couleur : NTSC, PAL et SÉCAM

La télévision en noir et blanc, c'est bien sympa, mais en couleur c'est mieux. C'est la raison qui a poussé les ingénieurs dans le monde à développer une technologie permettant de transmettre des images en couleur. Au début, des systèmes basés sur le système RGB furent envisagés, mais cette solution s'avéra trop coûteuse et incompatible avec les télévisions monochromes déjà sur le marché.

Les solutions retenues par delà le monde ont donc toutes un point commun : contrairement au RGB qui a 3 composantes couleur indépendantes qui suffisent à reproduire l'image, ceux-ci vont séparer différemment l'image en ce qu'on appelle la luminance, qui correspond au signal noir-et-blanc utilisé précédemment (et permet aux anciens postes de toujours recevoir la télévision, juste sans la couleur), et la chrominance (appelée aussi chroma), qui est l'ensemble des informations encodant la couleur seule. Le fait qu'une des composantes de l'image couleur soit l'image noir-et-blanc permet de garder la compatibilité avec les anciennes télévisions en utilisant le signal présent à l'origine, puis en rajoutant l'information de couleur, "cachée" dans celle-ci, on dit alors qu'elle "modulée" dans une fréquence porteuse. Il n'est pas nécessaire de savoir comment ce système de modulation fonctionne, il est juste important de savoir qu'il y a une fréquence transportant la couleur, et qu'entre les systèmes européens et américains, cette fréquence est différente (ce qui est la cause de la situation où une console américaine sur une TV européenne est affichée en noir et blanc).

Trois standards principaux fûrent donc créés dans le monde avec l’arrivée de la télévision en couleur. Le SÉCAM, PAL et NTSC sont incompatibles entre eux dans leur état brut à cause de leur différences technologiques, cependant les téléviseurs compatibles avec plusieurs standards arrivèrent sur le marché dans les années 80.

Il existe également un autre standard vidéo, le standard OSKM, mais vu qu'il ne fut utilisé qu'en URSS pendant 3 ans dans les années 1960, et avec environ seulement 4000 postes compatibles (avant qu'ils abandonnent et utilisent le SÉCAM), nous n'allons pas en parler ici.

Ces standards de couleur ne définissent que la manière dont la couleur est ajoutée sur l'image noir et blanc. Ils ont été conçus pour pouvoir se greffer par dessus les standards de télévision noir-et-blanc définis précédemment (grâce à la gestion de la composition d'image couleur expliquée plus tôt), et ainsi conserver la compatibilité avec le matériel existant précédemment.

Pour parler d'un système de télévision couleur complet, il faut donc indiquer les deux composantes du signal, qui définit l'image monochrome et le système couleur, comme par exemple PAL-B ou NTSC-J.

Nous verrons plus bas que les pays d'application de ces standards couleur sont souvent les mêmes que les pays utilisant chaque standard noir-et-blanc, cela incita les personnes à confondre les deux niveaux de standards et à parler de juste PAL ou NTSC. Il est vrai que cela simplifie la compréhension au premier abord, mais lorsque l'on doit explorer en profondeur ces systèmes, cela complique tout. Il est donc important de comprendre la séparation entre les deux standards, noir-et-blanc et couleur.

SÉCAM

YDbDrCréé en 1956 par Henri de France, le SÉCAM (pour quentiel Couleur À Mémoire) est le premier système couleur créé en Europe. La particularité de celui-ci est d'alterner l'émission des informations couleur, en n'envoyant qu'une partie des informations à chaque ligne, la télévision reconstruisant la composante complète à partir de deux lignes. Cette particularité lui permet de stabiliser les couleurs sur l'image, amélioration absente du NTSC.

Initialement implanté en France, le SÉCAM s’est aussi implanté dans les pays de l'ex-bloc de l’Est, en Afrique francophone, les pays de l’ex-URSS, en Mongolie et au Proche-Orient.

Le SÉCAM utilise un profil colorimétrique YDbDr.

Le SÉCAM était un standard plus destiné à la retransmission des chaînes de télévision et aux équipements vidéo. Il est très peu utilisé dans l’univers vidéo-ludique et seulement quelques anciennes consoles de salon l'utilisent, avec un signal RF (les raisons économiques ayant poussé les constructeurs à ne fournir que du PAL dès que la majorité des télévisions françaises furent compatibles).

Deux standards cohabitaient en Europe, le PAL et le SÉCAM, malheureusement il sont incompatibles. Pour résoudre ce problème, les constructeurs ont intégré dans certains équipements les deux standards et au fil des années le SÉCAM fut abandonné au profit du PAL.

PAL

YUVCréé en Allemagne par Walter Bruch et en France par Gérard Melchior. Le standard PAL (Phase Alternating Line) est une évolution du NTSC et reprend les principes du SÉCAM tout en corrigeant ses défauts. Contrairement au système NTSC, le système PAL utilise une technique appelée alternance de phase pour stabiliser les couleurs, une idée reprise du SÉCAM.

Le standard PAL est utilisé à partir des années 60 principalement en Europe, dans certains pays d’Amérique du Sud, en Australie et dans certains pays d’Afrique. Toutes les consoles de jeu vendues dans les territoires PAL avant l'avènement du numérique utilisent donc ce signal, excepté quelques consoles très anciennes en France utilisant le SÉCAM.

Le PAL utilise un profil colorimétrique YUV.

Usuellement, le système PAL est utilisé en Europe, en Afrique et en Asie, dans les pays qui utilisaient les systèmes noir-et-blanc B/G, D/K, K', H, I et L. Néamoins, ce ne sont pas les seuls, et cela donna naissance à une combinaison un peu différente : le PAL-M.

PAL-M

Cette variante fut introduite au Brésil qui, comme la majorité des pays d'Amérique du Sud, utilisait le système noir-et-blanc M. Le choix du PAL pour un système basé sur le système M s'explique par des campagnes de publicité lancées dans le pays par les marques allemandes Telefunken et Philips avec leur matériel, utilisant le système PAL.

Le PAL-M utilise donc le système M pour la définition de l'image (en 60 Hz et 525 lignes donc, et modulant le chroma sur la fréquence 3.58 MHz), mais l'encodage YUV des couleurs utilisé par PAL. Le résultat est donc qu'un signal PAL-M ne marchera pas du tout sur une télévision européenne (qui s'attend à un signal monochrome B), et affichera une image monochrome sur une télévision américaine (qui s'attend à une couleur NTSC). Il fallut donc développer des télévisions spécialement pour ce système.

PAL 60

Le PAL 60 n'est pas réellement un standard officiel comme ceux présentés précédemment. C'est plutôt une création due à un concours de circonstances. Sa cŕeation date de la fin des années 90 et trouve sa source dans deux facteurs :

  • Tout d'abord, au milieu des années 1990 apparaissent des lecteurs de VHS en Europe supportant les cassetes au format NTSC. Hors, pour que celles-ci fonctionnent sur nos télévisions, il faut appliquer une modification au signal NTSC, pour éviter d'avoir une image noir-et-blanc. Cette modification fut de transformer le système de couleur pour celui du PAL en conservant les propriétés d'image du NTSC.
  • En même temps, avec l'arrivée de télevisions compatibles avec le signal 60Hz PAL, les joueurs commencèrent à modifier leurs consoles pour les dézoner et les faire fonctionner en mode 60 Hz. Ils perdaient la couleur à ce moment là (à cause de problèmes d'horloge et de porteuse, on y reviendra plus tard), mais ils pouvaient jouer aux jeux importés du Japon ou des États-Unis. Avec l'arrivée de la 6e génération de consoles (Dreamcast, PS2, Xbox et Gamecube) en 1998, les constructeurs se mirent à proposer un mode 60 Hz pour leurs jeux européens, mais en conservant la couleur, sinon personne ne l'aurait voulu.

Le but principal ayant mené à la création du PAL60 est donc la volonté de proposer une image plus fluide aux utilisateurs, mais aussi (et surtout) de ne plus avoir à adapter les jeux entre les versions 50 et 60 Hz, maintenant que les télévisions supportent les deux fréquences, mais pas forcément le système de couleurs NTSC complet. Par conséquent, c'est une hybridation du système PAL et et du système noir-et-blanc M, utilisant 525 lignes et 60 Hz, mais utilisant la porteuse PAL (4.43 MHz) et l'encodage des couleurs YUV.

La principale différence entre le PAL-M et le PAL60 est donc la fréquence porteuse utilisée pour transporter la couleur. Le PAL-M utilise la fréquence NTSC (3.58 MHz) et le PAL60 la fréquence PAL (4.43). Mis à part cette différence, les signaux sont identiques, mais toujours incompatibles entre eux.

NTSC

YIQDéveloppé en 1941 au Etat-Unis, puis adopté en standard en 1953, le standard NTSC (pour National Television System Committee, l'organisation qui créa ce standard) fût le premier standard créé et utilisé dans le monde. Le NTSC n'utilise aucune technique spécifique pour stabiliser les couleurs sur l'image, ce qui fait qu'il est connu pour avoir un rendu des couleurs particulièrement mauvais (il était même dit avec humour que NTSC voulait dire Never Twice the Same Color).

Il est utilisé dans les pays d’Amérique du Nord ainsi que quelques uns en Amérique du Sud et en Asie. Il est utilisé exclusivement avec les systèmes noir-et-blanc M, J et associés, donc sur du 525 lignes / 60 Hz. Aux États-Unis, on parlera de NTSC-M et au Japon de NTSC-J, les deux principaux systèmes combinés utilisés.

Le NTSC utilise un profil colorimétrique YIQ.

NTSC 4.43

Il fût créé en Allemagne pendant la guerre froide pour que les soldats Américains puissent regarder des médias NTSC sur les équipements PAL. Cette variante utilise les même paramètres que le système M, c'est à dire 525 lignes, 60 Hz et une colorimétrie en YIQ. La seule différence avec le NTSC-M se trouve dans la porteuse couleur à 4.43 MHz qui correspond au PAL, au lieu des 3.57 MHz du NTSC-M (rendant le signal compatible avec une plus grande variété de téléviseurs PAL).

Ce standard n'est utilisé par aucune console de jeu.

NTSC 50

Le NTSC 50 est un standard non-officiel, existant à cause de circonstances plus que de choix. Ce format est celui utilisé par les Atari ST NTSC quand on essaye de faire fonctionner un logiciel PAL sur celles-ci. La résultante est un signal qui utilise les normes de fréquence et de nombre de lignes des systèmes européens (B: 625 lignes/50Hz), mais avec une porteuse 3.58 MHz et un encodage des couleurs YIQ.

Utilisation dans le monde des différents standards

Mappemonde
Mappemonde des différents Standards

Tableau récapitulatif

Ce tableau est divisé en deux types de standards : les standards ITU, normés et utilisés la plupart du temps, et les formats hybrides, utilisés uniquement dans certains territoires minoritaires ou dans certains cas, et mélangeant plusieurs normes pour arriver à un signal spécifique (et pas forcément compatible avec toutes les télévisions).

ITU B/G, D/K, K', H, I, L M/J Hybride "PAL 60" "NTSC 4.43" "PAL-M" "NTSC 50"
Ligne 625 525 525 625
Porteuse couleur 4.43 Mhz 3.58 Mhz 4.43 Mhz 3.58 Mhz
Balayage 50 Hz 60 Hz 60 Hz 50 Hz
Norme couleur usuelle PAL SECAM NTSC PAL NTSC PAL NTSC
Espace colorimétrique YUV YDbDr YIQ YUV YIQ YUV YIQ

En résumé

  • Il existe deux niveaux de normes empilés.
  • Les normes ITU, définissent le signal monochrome, sa définition et sa fréquence, ainsi la fréquence porteuse pour la couleur.
  • Les normes de couleur, définissent juste l'encodage des couleurs par dessus le signal monochrome.
  • Un signal couleur complet est l'adjonction de ces deux niveaux: PAL-B, NTSC-M par exemple.
  • Le PAL/SECAM n'est pas forcément 50 Hz, et le NTSC n'est pas forcément 60Hz.
  • Chaque signal couleur encode ses couleurs de manière différente.
  • Il existe des systèmes hybrides, qui ne suivent pas forcément un standard ITU complètement, comme le PAL60 ou le NTSC 4.43.

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