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Haute Définition et Cinéma Numérique CST Département Imagerie Électronique 8 Novembre 2005 Thierry Delpit et Matthieu Sintas.

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1 Haute Définition et Cinéma Numérique CST Département Imagerie Électronique 8 Novembre 2005 Thierry Delpit et Matthieu Sintas

2 Un peu d’histoire Ou comment la télévision (le petit écran) à voulu conquérir le cinéma (le grand) et s’est fait rattraper in fine par l’informatique

3 De la vidéo des débuts, à la vidéo numérique, la HD, l’infographie jusqu’au …cinéma numérique.

4 L’invention fondamentale 1873 en Irlande : Un jeune télégraphiste, Joseph May, découvre l’effet photoélectrique : une barre de Sélénium exposée au soleil voit sa résistance électrique varier.

5 Bien sûr on a imaginé appliquer directement cette invention à la reproduction d’une image… sans succès. Il faudra transmettre séquentiellement chaque point de l’image.

6 Les débuts (héroïques) de la vidéo L’histoire commence dans les années 20 avec l’oscillographe à rayons cathodiques. Source : Le haut parleur 1938

7 La projection sur grand écran est un vieux rêve pour les ingénieurs de la télévision…

8 Le terme « Fernesehen » à été utilisé par le physicien Eduard Liesegang en Le mot Français « Télévision » par le physicien russe Constantin Perskyi en Il est ensuite devenu « television » en Anglais « televisie » en Néerlandais, « televisione » en Italien, « television » en Espagnol, …

9 Cette vision électronique du cinéma date de 1941… Source : SMPTE Journal

10 Projecteur Eidophor, début des années 50…

11 La vidéo Mais pour que tous les appareils soient compatibles il faut une norme commune. En France (et en Europe) c’est le système de balayage à 625 lignes/50 Hertz/entrelacé qui à été choisi (en 1952). Aux Etats-Unis (en 1941) et au Japon c’est le balayage à 525lignes/60Hertz/entrelacé.

12 La convergence Lorsque les informations (images et sons) sont numérisées, elles peuvent être traitées soit par des équipements spécifiques (le lecteur DVD de salon) ou par des ordinateurs. C’est cela la convergence, alors que les 1 er lecteurs de CD et de DVD étaient des équipements dédiés, aujourd’hui tous les ordinateurs assurent ces fonctionnalités. Le numérique a créé un pont entre le monde de l’audiovisuel et celui de l’informatique. Les équipements informatiques ayant des performances en très forte croissance, il envahissent tous les domaines d’application et tendent à remplacer les équipements dédiés.

13 1986 : le 1er magnétoscope numérique (D1) Un caméscope DV Un baladeur audio Un caméscope à disque dur

14 Signaux HD et D-Cinema La TVHD La normalisation Cinéma Numérique Signaux 2K et 4K du DCI

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16 La haute définition La télévision haute définition cela a toujours été la télévision de… demain.

17 La haute définition La haute définition reprend les mêmes principes que la vidéo numérique avec plus de pixels. Des différences importantes sont à signaler : - Le format d’image commun* 1920 x 1080 (16/9) soit 4 fois la vidéo. - Les différentes cadences image : 24, 25, 30 - Le choix du progressif ou de l’entrelacé *Commun aux pays 50 Hz et 60 Hz

18 La haute définition Les principaux paramètres : - Format 16/ x Signal composante - Modes entrelacé et progressif - Plusieurs cadences image : 24, 25 et 30 Hz.

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20 Hiérarchie des formats* Vidéo (SD) Non recommandé pour la projection Sur grand écran Vidéo HD Recommandé pour les Contenus alternatifs Fichiers 2K et 4KCinéma numérique *d’après les documents de l’ITU, la SMPTE et du DCI

21 Le cinéma numérique

22 Le contexte international Il s’agit de remplacer la pellicule avec le même niveau de qualité et de compatibilité. Des standards sont indispensables. C’est un problème nouveau, si des technologies existantes sont utilisables, le système global est à concevoir de zéro. C’est pour cela que les normes se font attendre, même si les grandes lignes sont déjà définies.

23 Qui normalise ? La SMPTE* L’ITU* Le DCI et l’ETC La CST L’AFNOR* L’EDCF L’ISO* *En vert les organismes de normalisation

24 La SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) Prépare les normes techniques pour les USA (ANSI). Ces normes sont souvent reprises au niveau international par l’ISO pour le Cinéma et par l’ITU pour la Vidéo.

25 Projector Performance Measurements Les documents de la SMPTE Representation on Physical Media Security Entity Behavior Image Structure Audio Channel Mapping Audio LFE Characteristics Audio Downmixing Subtitling Audio Characteristics Reference Projector Packing List Composition Playlist Subtitles track file Sound & Picture Track File Certification Operational Constraints 1Gb/s Link Encryption Screen Luminance, Chrominance, Uniformity Intra-Theater Messaging Digital Certificates Extra-Theater Messaging Key Distribution Management MasteringDistributionExhibition Audio Phys/Elec Interfaces Track File Essence Encryption Source : W Aylsworth

26 Le DCI Le DCI (Digital Cinema Iniciative) a été fondé par 7 sociétés : Warner Bros, Fox, Disney, Universal Studios, MGM, Paramount Pictures, Sony Pictures Entertainment. Sa mission est de concevoir les spécifications techniques et le modèle économique pour l’exploitation des films en 1 ère exclusivité. Ce n’est pas un organisme de normalisation.

27 Buts du DCI Définir un système de distribution et de projection numérique qui soit supérieur, en terme de qualité, aux copies prestiges (tirées du négatif original). Les tests représentent une part importante du travail pour : définir les critères de qualité, contrôler la calibration des équipements et vérifier la compatibilité.

28 Les documents produits par le DCI Digital Cinema Test Plan v1, v2 et Digital Cinema System Specification v2, v3, v3.5, v4, v4.1 et v4.2

29 L’ETC C’est une unité de recherche de l’École Cinéma et Télévision de l’Université de Sud Californie (USC) fondée en Le budget de l’ETC provient des sponsors industriels, des majors Hollywoodiennes et des prestations de test.

30 Missions de l’ETC Fournir une plate-forme de tests dans un lieu « neutre ». C’est le laboratoire choisi par le DCI.

31 Un lieu historique pour les tests : le Pacific Theater Cinéma ouvert en 1928 par Warner Bros.

32 Le hall du Pacific Theater

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35 Le DCDM* image *Digital Cinema Distribution Master

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37 ZX Y Couleurs visibles Couleurs affichables Primaires d’affichages Espace de Représentation XYZ Source : G Kennel

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39 Le DCDM – Digital Cinema Distribution Master C’est un jeu de fichiers (non compressés) qui contient toutes les données pour la projection (images, sons, sous- titres, …). La structure par bobine est conservée pour des raisons pratiques.

40 DCDM - Image Les fichiers source utilisés en postproduction sont généralement du type TIFF. Ils devront être empaquetés dans le format MXF (SMPTE 384 M) qui est plus pratique pour la distribution par réseau et qui peut contenir de nombreuses méta données. Les méta données indiquent notamment la calibration colorimétrique du projecteur et le format des images. Les formats films devront s’inscrire dans les 2 containers prévus. Le centre des images étant toujours au centre du container.

41 DCDM - Image La colorimétrie retenue est l’espace CIE X, Y, Z. L’échelle des valeurs est une fonction de puissance d’exposant 2,6 (pré compensation de gamma)*.

42 DCDM - Audio 48 ou 96 KHz, 24 bits Format EBU Tech 3285 L’attribution des canaux fixe (document SMPTE) Des méta données indiquent comment doit être effectué une éventuelle réduction du nombre de canaux (downmixing)* Des méta données indiquent comment la dynamique doit être gérée si cette fonction est activée* 256 canaux maximum Pas de compression *Ces données ne sont pas modifiables

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44 Compression et codecs informatiques Thierry DELPIT

45 La copie numérique Aujourd’hui Demain Après demain Fichier : propriétaire Image : 1920x1080 4:2:2 (voire 4:2:0) Compression MPEG 2 Son : 5.1 non compressé Cryptage : propriétaire Liste de lecture : propriétaire Fichier : MXF Image : 1920x1080 4:2:2 (voire 4:2:0) Compression MPEG 2 Son : 5.1 non compressé Cryptage : AES - standard Liste de lecture : XML - standard Fichier : MXF Image : 2048x1080 (ou 4096x2160) X’Y’Z ‘ Compression JPEG2000 Son : 5.1 non compressé Cryptage : AES - standard Liste de lecture : XML - standard MXF Interop. DCI ??

46 Pourquoi la compression ? 36 bits X – 12 bits Y– 12 bits Z – 12 bits 1 pixel 1 image 2K 2048 x bits Film 24 i/s 90 minutes bits = soit 1,2 Téra – octets… 2000 CDs

47 Tient compte du fait que le fichier que l’on cherche à stocker et/ou à transporter est de la vidéo donc : Certaines zones d’une image sont unies Dans certaines zones d’une image, les nuances sont imperceptibles Compression INTRA - image Les différences entre deux images consécutives sont la plupart du temps très faibles Compression INTER - images La compression vidéo

48 Compression sans perte : on se débrouille pour que le fichier prenne moins de place, mais sans perdre une seule information : rapport de compression max 2:1 Compression avec perte : on peut perdre de l’information, même si elle cette perte est visible Compression sans perte visuelle : on peut perdre les informations qui sont indécelables à l’œil Types de compression

49 Codage RLE (Run Length Encoding) : code les suites de caractères identiques. Exemple : « AAAHHHH » se code « 3A4H » On va tenter de coder l’image pour avoir le plus possible de suite de valeurs de pixels identiques Différentes méthode de parcourir l’image pour la coder dans un fichier Pour les images, où des zones sont unies : Méthode la plus efficace Compression sans perte

50 On ne s’intéresse ici qu’à la compression d’une image fixe, indépendamment de la séquence vidéo. On prend tout d’abord le cas d’une image en noir et blanc. L’image est décomposée en blocs de pixels (en général 8x8) 8 8 Compression intra-image : le JPEG Valeurs des niveaux de gris

51 La DCT On effectue sur le bloc la transformation en cosinus discret : Formule mathématique qui transforme les valeurs du bloc en une moyenne sur tout le bloc, et des coefficients de détails, qui indiquent la variation de chaque pixel par rapport à cette valeur moyenne Les hautes valeurs obtenues correspondent aux hautes fréquences (contraste élevé), les petites valeurs aux basses fréquences (variation de luminance faible)

52 La DCT L’œil est sensible aux hautes fréquences, c’est-à-dire aux valeurs de contraste importantes. Les variations de contraste considérées comme trop faibles sont alors éliminées (mises à 0). Le sens de « trop faible » dépend du niveau de compression désiré. Pour l’affichage de l’image (décompression), on applique la DCT inversée

53 La compression JPEG On n’a ici compressé qu’une image en noir et blanc Dans la plupart des cas (Internet, photo amateur etc.), seules les informations de luminance de l’image sont compressées par DCT, la chrominance étant drastiquement moyennée par bloc de 2x2 Pour des applications professionnelles comme ici, on compresse chaque composante (Rouge, Verte et Bleue, ou X, Y et Z), indépendamment par la DCT, comme si chacune était une image en noir et blanc Pour l’affichage de l’image (décompression), on applique la DCT inversée.

54 Inconvénients: la compression est faite sur des blocs de taille fixe Les zones quasi-unies sont « aplaties » La DCT

55 S’applique à toute l’image et non à un bloc Là encore ne s’applique qu’à une image monochrome Même principe général de transformation en moyenne et coefficients de détail Division de la résolution horizontale (moyenne de 2 pixels) Écartement par rapport à la moyenne Même procédé pour la résolution verticale … Répétition récursive du procédé n fois Compression intra-image : les ondelettes

56 La DWT Dans notre exemple, pour diviser la résolution par deux, on effectue une moyenne, ce qui revient à utiliser l’ondelette de Haar Usuellement, on utilise l’ondelette de Morlet pour diffuser la perte d’information Ondelette de Haar Ondelette de Morlet P -2 P -1 P0P0 P1P1 P2P P 0 1 P -1 1 P 1 1 P -2 1 P ,5 Moyenne = P -1 P1P1 P -1 + P 1 2 Moyenne =

57 Les derniers niveaux de calculs du procédé récursif correspondent à des niveaux de détail très fins. On peut donc les éliminer. Avantages : –Plus d’effet de bloc (puisqu’on travaille sur l’image entière) –Artefact de compression : flou JPEG ONDELETTES La DWT

58 Compression 40:1 JPEG ONDELETTES DCT vs. DWT

59 Nous avons étudié les principaux principes de compression intra- image, c’est-à-dire de compression d’image fixe. On peut se limiter à cette compression : M-JPEG (DCT) ou M-JPEG 2000 (ondelettes). La vidéo compressée n’est alors qu’une suite d’images fixes compressées Compression inter-images (image animée) : MPEG Le MPEG se base sur une compression par DCT des images fixes (la compression inter-image basée sur les ondelettes n’existe pas encore). Réutilisation des blocs 8x8 de la compression JPEG. Utilisation la redondance temporelle (dans une séquence vidéo, de nombreux éléments ne changent pas ou peu d’une image à l’autre) Compression inter-images : le MPEG

60 Cycles de GOP : « Group Of Pictures » Images I, P et B Images I : Intra-coded frames, les images sont codées séparément, sans faire référence aux autres images (image JPEG) Images P : Predicted frames, les images sont décrites par différence avec les images précédentes Images B : Bi-directionnal predicted frames, les images sont décrites par différence avec les images précédentes et suivantes Le MPEG

61 Image P : encodée par rapport à l’image I ou P précédente En moyenne 3 fois moins volumineuse qu’une image I Codée par macroblocs de 16x16 Image I ou P précédente Image P Macrobloc Vecteur de mouvement Erreur quantifiée Le MPEG

62 Image B : encodée par rapport à l’image I ou P précédente, et l’image I ou P suivante En moyenne 6 fois moins volumineuse qu’une image I Codée par macroblocs de 16x16 Image I ou P précédente Image B Macrobloc Vecteurs de mouvement Erreurs quantifiées Image I ou P suivante Macrobloc Le MPEG

63 Cycles de GOP : « Group Of Pictures » : IB P B BPB … … La taille de ce GOP est variable. Plus il est long, plus il est efficace, mais moins le codage est « robuste » dans le cas de transmissions peu fiables Dans la cas du cinéma numérique, pas de problème de transmission : MPEG 2 long GOP Le MPEG

64 Flux d’images compressées indépendamment en JPEG 2000 Structure du flux : Compression inter-images : le format du DCI … maximum 5 itérations Image jusqu’à résolution 2K … « Complément » pour le 4K Débit maximum pour 2K 24im/s, 48im/s et 4K : 250Mbits/s Taille du film au maximum 300 Go

65 Evolutions de la compression vidéo: –MPEG 1 => Débit maximum 1,5 Mb/s, résolution limitée –MPEG 2 => Débit jusqu’à 40 Mb/s, résolution jusqu’à HD –MPEG 4 AVC (H.264) => 2 fois plus efficace que le MPEG2 –WM9 (Windows Media) => similaire au MPEG4, pour de la HD, débits vers les 20 MB/s –Compression inter-images basée sur les ondelettes ? Compression inter-images : les évolutions

66 Stratégies de sécurisation Thierry DELPIT

67 Cryptage : Action de transformer un message afin qu’il ne soit compréhensible que par quiconque connaît le code. Exemple simple de cryptage : codage « avocat » : A=>K, B=>L, C=>M etc.. Y=>I, Z=>J Introduction au cryptage Le cryptage est l’action de transformer un message afin qu’il ne soit compréhensible que par quelqu’un qui connaît le code. JIKJEDZEJD89237UE42 3JZMEDK%IKDPZEIMLK J?LKN

68 Système de clé symétrique : c’est la même clé qui permet de crypter et de décrypter Problème : transport de la clé, être sûr que le destinataire est bien celui qu’on croit Système de cryptage asymétrique : 2 clés, une pour crypter, une pour décrypter Une des clés est publique (tout le monde peut la connaître), l’autre est privée : architecture PKI (Public Key Infrastructure) La clé privée comme la clé publique peuvent être utilisées soit pour coder soit pour décoder Le couple clé privée / clé publique est unique Possibilité de coder un message avec la clé publique dont seul le destinataire connaît la clé privée Cryptage symétrique vs. asymétrique

69 Permet l’échange de message crypté sans envoi de clé Permet par ailleurs l’authentification Application du cryptage asymétrique message CST : AEZHJ87JZS89 CST : AEZHJ87JZS89 Annuaire de clés publiques HKDZ878 7DJ%¨JX message HKDZ878 7DJ%¨JX Clé privée de la CST Bonjour, Je suis la CST… 89|#kLK Clé privée de la CST CST : AEZHJ87JZS89 CST : AEZHJ87JZS89 Annuaire de clés publiques 89|#kLK Bonjour, Je suis la CST…

70 Un certificat est codé en « dur » dans un équipement Il contient des informations qui identifient cet équipement de manière unique Il peut être daté pour nécessiter un renouvellement régulier Il est crypté avec la clé privée d’une autorité de certification (Thomson, CertPlus, parfois le constructeur du matériel) Principe des Certificats Je suis le projecteur SN AYT78623 Ma clé publique est : 0912JLKDO8129HJKHDYUIY3UYUD32 Ce certificat est valable jusqu’au 01/01/2007 Clé privée d’une autorité de certification

71 « Public Key Infrastructure » Les « PKI » Blablabla, blablabla… Je suis l’équipement X. Voici mon certificat. Merci, je décrypte avec ma clé privée. J’ai maintenant la « clé de session » : Blablabla, blabla blablabla… Je décrypte… Et blablabla, blabla! Ok. Bien reçu, X. Nous allons maintenant parler avec cette « clé de session »: Je la crypte avec votre clé publique. Je décrypte… Et blablabla, blabla! X Y

72 Application des « PKI » par le DCI Distributeur Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Salle n Salle 2 Salle 1 Proj. Processeur Son Automatismes Serveur Stockage Média Communication logs

73 Installation du cinéma Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Salle n Salle 2 Salle 1 Proj. Processeur Son Automatismes Serveur … Stockage

74 Acquisition du film Distributeur Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Salle n Salle 2 Salle 1 Proj. Processeur Son Automatismes Serveur Stockage Média Communication

75 Préparation de la projection Distributeur Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Salle n Salle 2 Salle 1 Proj. Processeur Son Automatismes Serveur Stockage Média Communication logs

76 La projection Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Proj. Processeur Son Automatismes Décodage | Décompression | Codage Média Communication images sous-titres espace couleur logs

77 Après la projection… Système de gestion du cinéma Système de gestion des projections Proj. Processeur Son Automatismes Décodage | Décompression | Codage logs Effacement des données (média + clé) Billetterie

78 Tous les équipements du cinéma sont connus, certifiés et référencés Cela permet d’éviter qu’un équipement « interdit » soit connecté à la place Si un équipement est volé, son certificat est immédiatement référencé comme non valide Le film « crypté » peut circuler n’importe où et à tout moment La clé du film n’est fournie que juste avant la projection, et effacée juste après Sont obligatoirement « logués » et donc potentiellement fourni au distributeur : Où et quand le film a été joué Le déroulement de la séance Le remplissage de la salle Les atteintes à la sécurité des équipement Provoquent systématiquement un écran noir : La clé a été envoyée à la mauvaise salle Le film est jouée en dehors de la plage horaire prévue par la clé En résumé…

79 Le « Secure Media Block » Film crypté Clé de décryptage Décrypteur Décompresseur Watermarking Anti-caméra « Secure Media Block » « logs » Bloc physiquement protégé, où toute intrusion provoque des traces, et efface les données.

80 Le « Secure Media Block », deuxième option Film crypté Clé de décryptage Décrypteur Décompresseur Watermarking Anti-caméra « Secure Media Block » « logs » Bloc physiquement protégé, où toute intrusion provoque des traces, et efface les données. Cryptage du lien

81 Watermarking : Ajoute une information indécelable dans l’image, qui contient la date, l’heure, et le lieu de la projection, ou du stockage Ces informations sont robustes à la projection, à la prise de vue par camescope, à la compression (DivX, …), au transport sur Internet etc… Ces informations sont indélébiles, c’est-à-dire qu’il est impossible de la retirer sans gravement altérer l’image Permet, au cas où un film circule sur Internet, de retrouver d’où provient la copie : laboratoire de post-production, salle de projection etc. Anti-caméra : Système qui modifie la fréquence et la modulation de la lumière projetée (à des niveaux indécelables pour le spectateur) Interfère avec la fréquence de capture d’un camescope, et brouille ainsi l’image enregistrée Watermarking et anti-caméra


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