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

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

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

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.

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.

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

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

Le terme « Fernesehen » à été utilisé par le physicien Eduard Liesegang en 1890. Le mot Français « Télévision » par le physicien russe Constantin Perskyi en 1900. Il est ensuite devenu « television » en Anglais « televisie » en Néerlandais, « televisione » en Italien, « television » en Espagnol, …

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

Projecteur Eidophor, début des années 50…

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.

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 1er 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.

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

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

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

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

La haute définition Les principaux paramètres : - Format 16/9 1920 x 1080 - Signal composante - Modes entrelacé et progressif - Plusieurs cadences image : 24, 25 et 30 Hz.

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

Le cinéma numérique

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.

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

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.

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

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 1ère exclusivité. Ce n’est pas un organisme de normalisation.

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.

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

L’ETC C’est une unité de recherche de l’École Cinéma et Télévision de l’Université de Sud Californie (USC) fondée en 1993. Le budget de l’ETC provient des sponsors industriels, des majors Hollywoodiennes et des prestations de test.

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

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

Le hall du Pacific Theater

Le DCDM* image *Digital Cinema Distribution Master

Z X Y Couleurs visibles Primaires d’affichages Couleurs affichables An x,y chart showing locations of XYZ primaries Think of these primaries as RGB values, or perhaps “hyper RGB” values – extended outside visible range Color gamut possible is defined by the triangle encompased by the 3 primary colors. Look at example of RGB color gamut (DLP) compared to XYZ. Real color is defined by linear combination of X,Y, and Z values Espace de Représentation XYZ Source : G Kennel

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.

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.

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)*.

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

Compression et codecs informatiques Thierry DELPIT

La copie numérique Après demain Aujourd’hui Demain Fichier : Fichier : propriétaire Image : 1920x1080 4:2:2 (voire 4:2:0) Compression MPEG 2 Son : 5.1 non compressé Cryptage : Liste de lecture : 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

Pourquoi la compression ? 36 bits X – 12 bits Y– 12 bits Z – 12 bits 1 pixel 1 image 2K 2048 x 1080 79 626 240 bits = soit 1,2 Téra – octets… 2000 CDs Film 24 i/s 90 minutes 103 195 660 704 000 bits

La compression vidéo 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

Types de compression 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

Compression sans perte 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 intra-image : le JPEG 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) 52 47 33 27 31 38 43 46 37 12 10 11 30 66 89 25 8 15 75 40 39 35 57 64 36 34 29 42 71 90 87 65 50 22 63 78 58 55 23 48 8 8 Valeurs des niveaux de gris

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) -1 -2 -3 2 1 3

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. -1 -2 -3 2 1 3 -2 -3 2 3

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.

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

Compression intra-image : les ondelettes 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 … Répétition récursive du procédé n fois Même procédé pour la résolution verticale

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-1 P1 P-2 P-1 P0 P1 P2 2 4 P0 1 P-1 1 P1 1 P-2 1 P2 + 2,5 Moyenne = P-1 + P1 2 Moyenne =

La DWT 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

DCT vs. DWT ONDELETTES Compression 40:1 JPEG

Compression inter-images : le MPEG 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)

Le MPEG 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 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 Erreur quantifiée Macrobloc Vecteur de mouvement Image I ou P précédente Image P

Le MPEG 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 Macrobloc Macrobloc Erreurs quantifiées Vecteurs de mouvement Image I ou P suivante Image I ou P précédente Image B

Le MPEG … … Cycles de GOP : « Group Of Pictures » : B B P … I B B … 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

Compression inter-images : le format du DCI Flux d’images compressées indépendamment en JPEG 2000 Structure du flux : … 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

Compression inter-images : les évolutions 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 ?

Stratégies de sécurisation Thierry DELPIT

Introduction au cryptage 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 Le cryptage est l’action de transformer un message afin qu’il ne soit compréhensible que par quelqu’un qui connaît le code. JIKJEDZEJD89237UE423JZMEDK%IKDPZEIMLKJ?LKN<WN.?QHX78SV ZEDN 98ZXY96Z2ENOI XJKQ29DB32 XY9ZE6 B237DPM2O31R89µ£+23E13E12E Le cryptage est l’action de transformer un message afin qu’il ne soit compréhensible que par quelqu’un qui connaît le code. code code Message en clair Message crypté Message en clair A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z CINEMA NUMERIQUE MSXOWK XEWOBSAEO

Cryptage symétrique vs. asymétrique 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

Application du cryptage asymétrique Permet l’échange de message crypté sans envoi de clé Permet par ailleurs l’authentification message message Annuaire de clés publiques CST : AEZHJ87JZS89 Clé privée de la CST HKDZ878 7DJ%¨JX HKDZ878 7DJ%¨JX Bonjour, Je suis la CST… Bonjour, Je suis la CST… Annuaire de clés publiques Clé privée de la CST CST : AEZHJ87JZS89 89|#kLK JE9ç@~KN 89|#kLK JE9ç@~KN

Principe des Certificats 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) 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

Les « PKI » X Y « Public Key Infrastructure » 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… 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! Blablabla, blablabla… Et blablabla, blabla! X Y

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

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

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

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

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

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

En résumé… 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

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

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

Watermarking et anti-caméra 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