Les formats vidéo analogiques

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Je fais cet article pour vulgariser les bases de la vidéo analogique, en ces temps de retro-gaming. Je ne rentre volontairement pas dans les subtilités techniques (les calculs mathématiques, les histoires de fréquences et tout). Je fais ça à la sauce C’est pas sorcier (sauf que je suis nul en maquettes). C’est utile pour comprendre les autres articles qui concernent mes bricolages avec le Raspberry Pi. 😉

Si vous voyez des trucs qui vous paraissent louches ou mal expliqués faites-moi signe par exemple sur Mastodon.

  1. Fréquence
  2. Résolution
  3. Entrelacement
  4. Systèmes de couleurs
  5. Modulation
  6. Prises
  7. Consoles de jeux
  8. Pour aller plus loin

Fréquence

Le nombre de trames par seconde est basé sur la fréquence du courant électrique utilisé dans chaque région, pour des raisons historiques. C’est pour ça que l’Amérique du Nord a la télévision en 60 trames/s, parce que son courant électrique est de 60 Hz. Même chose pour l’Europe et son 50 Hz.

Plus la fréquence est élevée, plus l’image est fluide. Sur PC, au temps des moniteurs à tube, on avait des fréquences plus hautes que sur la plupart des écrans LCD de maintenant pour éviter le scintillement (jusqu’à 75 Hz en général).

Résolution

La résolution d’un signal analogique ne se détermine pas en pixels mais en lignes, puisque l’essence du signal vidéo est une variation continue de tension électrique. On passe d’une ligne à l’autre avec une saute de tension appelée top ligne, et on passe de trame en trame avec un top trame.

Là aussi ça change selon les pays… Il y a fort longtemps en France la première chaine était émise en 819 lignes, les Anglais étaient eux en 405 lignes. Puis toute l’Europe s’est accordée sur le 625 lignes. L’Amérique du Nord et le Japon se sont mis quelques années plus tôt sur 525 lignes.

Les Anglais en 405 lignes, les Français en 819 lignes…

Subtilité : les télévisions à tube cathodiques n’affichent pas toutes les lignes. En effet, une partie de l’image est mangée par les bords de l’écran, on appelle ça l’overscan.

  • Amérique du Nord / Japon : 525 lignes dont 480 visibles
  • Europe : 625 lignes dont 576 visibles

En général, les télévisions mangent même quelques lignes supposées être visibles.

Les lignes en trop ont servi en télévision pour être affectées aux données de télétexte, au sous-titrage ou aux informations numériques pour les décodeurs Canal+ en France (pour l’actualisation des droits des abonnés).

VBI Lignes invisibles de l’image, normalement hors de l’écran

Entrelacement

Il s’agit d’un énième bricolage technique qui date des débuts de la télévision et dont on n’arrive pas à se débarrasser. Pour faire court, c’est une astuce qui consiste à transmettre un affichage fluide (60 Hz par exemple) sans transmettre réellement une image complète à chaque 60e de seconde.

En fait avec l’entrelacement on transmet des demi-images. Sur une trame on transmet les lignes paires et sur la trame d’après on transmet les lignes impaires, contrairement au mode progressif où chaque trame consititue une image complète. En gros, qu’on transmette une image en 480i (480 lignes visibles entrelacées) ou en 240p (240 lignes visibles progressives), on fait passer la même quantité d’informations par seconde (le même nombre de lignes chaque seconde), mais répartie différemment.

Schéma progressif vs entrelacé Fichier SVG disponible ici

  • i pour interlaced (entrelacé)
  • p pour progressive (progressif)

En Europe la télédiffusion analogique avait 625 lignes entrelacées, donc chaque 50e de seconde une trame de 312,5 lignes était transmise (oui ça fait des demi-lignes…). On détermine la fréquence ligne comme ça : 312,5 × 50 = 15625 Hz. Ça nous donne environ 15,6 KHz, et c’est ça le bruit très aigü qu’on entend lorsqu’une télévision est allumée. 😊

Traditionnellement la télédiffusion utilise l’entrelacé, les formats progressifs n’ont été utilisés qu’avec les jeux vidéo. Une télévision américaine conçue pour le 480i s’accomodera normalement du 240p : on lui indique que toutes les trames sont paires, c’est de là que vient l’effet de « scanline ». Pareil pour une télévision européenne conçue pour le 576i, elle doit fonctionner en 288p.

L’entrelacement ça fonctionne grâce à la persistance rétinienne.

Systèmes de couleurs

Je vais résumer ça très brièvement sans rentrer dans des détails techniques d’une autre époque (bien que les principes de ces systèmes de couleurs des années 60 se retrouvent aujourd’hui dans les méthodes de compression numérique).

Une image en couleurs peut être constituée à partir de trois composantes primaires rouge, vert et bleu. Par superposition de ces couleurs à différentes intensités on obtient toutes les couleurs.

Superposition RGB Un écran à tube cathodique en couleurs est composé de trois faisceaux colorés rouge, vert et bleu qui parcourent la surface de l’écran en variant d’intensité. (svg)

Quand la télévision en couleurs a fait son apparition dans les années 50, il a fallu bricoler pour que les postes en noir et blanc puissent continuer à recevoir les émissions correctement, c’est pourquoi les ingénieurs de l’époque ont transmis la couleur en la modulant (en la « cachant ») sur le signal lumineux (celui en niveaux de gris). Les postes anciens continuaient d’afficher les programmes en convertissant la tension électrique du signal vidéo en lumière, et les postes couleur avaient en plus des circuits électroniques permettant de reconstituer les couleurs.

Donc on a besoin de trois composantes pour transmettre un signal couleur, mais l’un deux doit être le signal en noir et blanc (Y, la luminance). La deuxième composante est alors la différence de bleu par rapport à cette luminance (B-Y), et la troisième composante est la différence de rouge (R-Y).

Espace de couleurs YUV Espace de couleurs du système PAL représenté pour une lumière à 50% (centre), la diff. de rouge est le vecteur vertical, la diff. de bleu est le vecteur horizontal.

Ensuite, on utilise la magie des ondes pour moduler à chaque ligne les composantes B-Y et R-Y sur le signal de luminance (Y). Ce qui ressort, c’est ce qu’on appelle un signal composite : dans un seul fil on a nos trois composantes pour que la TV reconstitue l’image en couleurs. Le processus dégrade légèrement la qualité de l’image.

Il existe dans le monde trois normes de codage de couleurs pour faire un signal composite : le NTSC (utilisé au Japon et en Amérique du Nord), le PAL (utilisé en Europe) et le SÉCAM (utilisé en France et en Russie). Le SÉCAM n’a jamais été utilisé par aucun fabricant de consoles de jeux vidéos (ou alors dans les années 70 peut-être…).

Tous ces systèmes sont incompatibles les uns avec les autres : lire une VHS couleur de type SÉCAM sur une télé en PAL donne une image en niveaux de gris et inversement. Les postes « multistandards » ont été popularisés dans les années 90.

Traitement du signal couleur Les différentes étapes de traitement d’un signal vidéo de la source jusqu’à l’antenne d’émission. C’est comme ça que fonctionne la télévision analogique traditionnelle. (svg)

Modulation

La dernière étape du schéma ci-dessus est la modulation « RF », c’est-à-dire que le signal vidéo est assemblé avec l’audio puis est placé sur une fréquence. Cela permet d’envoyer le signal sur les ondes.

On module le signal sur une fréquence. Pour se simplifier avec les chiffres on utilise des numéros de canaux qui dépendent de la norme de modulation utilisée. Par exemple en Amérique du Nord (modulation norme M) :

Ici CBFT canal 2 Montréal Radio-Canada Montréal (CBFT) était modulée sur le canal 2 pour l’antenne du Mont-Royal, et sur le canal 4 pour la télédistribution par câble.

Les postes de télévision traditionnels n’avaient pas d’entrée vidéo externe et ne pouvaient recevoir du signal que via leur prise d’antenne. C’est pour cela que les anciens appareils électroniques (VHS ou consoles) pouvaient se connecter directement via la prise d’antenne, il fallait alors syntoniser (tuner) la bonne fréquence.

L’avantage de la modulation est qu’il permet une énorme compatibilité avec toutes sortes d’écrans antiques, mais la qualité d’image est encore dégradée par rapport au signal composite (neige, écho, image qui bave…).

La console Super Nintendo américaine a une sortie composite en NTSC (la prise « Multi out ») puis une sortie antenne (le truc brun) qui sort le même signal NTSC mais modulé sur le canal 3 ou 4 (on peut choisir avec le switch).

Arrière de la SNES

Attention, il existe là encore plusieurs normes de modulation non compatibles entre elles ! Voici les principales :

  • Amérique du Nord, Brésil, Japon : norme M
  • France : norme L / L’
  • Europe de l’Ouest : norme B / G
  • Europe de l’Est, Chine : norme D / K
  • Grande-Bretagne : norme I

Heureusement depuis les années 90 les télévisions sont en général multistandards.

Affichage d’un signal norme L sur une télé en norme B. En norme L un haut voltage indique beaucoup de lumière et un bas voltage indique du noir, c’est l’inverse en norme B : c’est ce qui explique cette inversion de luminance. L’image saute constamment car la télé n’arrive pas à trouver les débuts de lignes ni de trames.

Prises

Je ne vais pas détailler tous les modèles de prises existants, mais uniquement quelques connecteurs remarquables.

Le RCA

C’est le connecteur le plus répandu partout dans le monde. Sa forme la plus courante c’est le cable avec les trois prises rondes jaune-rouge-blanc : le jaune pour la vidéo composite, les rouge et blanc pour le son stéréo.

On trouve aussi (en Amérique du Nord surtout) un cable RCA avec des prises rouge-vert-bleu pour faire transiter un signal vidéo directement en RGB (rouge - vert - bleu) ou parfois en YUV (luminance - diff. de bleu - diff. de rouge), chaque fil faisant passer une composante, on évite ainsi de moduler et la qualité est meilleure. Pour le son il faut ajouter un cable RCA audio (rouge-blanc).

On trouve aussi des connecteurs RCA sur les sorties modulateur de vieux appareils (ce qui peut créer la confusion).

Audio-vidéo en composite

Vidéo en composantes : en RGB ou en YUV

Le S-Vidéo

Dans le chapitre sur les systèmes de couleurs, on a vu que pour créer la vidéo composite on mélangeait un signal de différence de rouge (R-Y) et un signal de différence de bleu (B-Y) avec le signal de lumière (Y, la luminance). Le S-Vidéo est un standard intermédiaire entre le composite et le composante. En effet, il mélange ensemble les deux informations B-Y et R-Y mais conserve la luminance sur un fil séparé.

La qualité est très proche du composante donc bien meilleure que le composite car la télévision n’a pas besoin de faire le travail délicat de séparation de la chrominance sur la luminance.

La Péritel

Parfois appelée SCART ou « Euroconnector », cette invention française est devenue plus ou moins une norme européenne. La prise péritel permet de faire passer un signal soit en RGB, soit en YUV, soit en S-Vidéo, soit en composite, le tout avec le son en même temps.

Ainsi avec un appareil doté d’une sortie Péritel, on choisit le mode de sortie (le plus souvent RGB ou Composite) dans les menus de réglage.

Il y a un piège avec cette super prise ! Les broches qui servent au RGB ou au YUV sont les mêmes qui servent au S-Vidéo. Une télévision qui a deux entrées Péritel en a généralement juste une qui prend le RGB, l’autre prenant le S-Vidéo. Certains postes sophistiqués plus rares permettent de choisir manuellement le mode. Les télévisions qui n’ont une seule entrée Péritel ne sont généralement compatibles qu’avec le RGB, mais ça dépend d’un modèle à l’autre. Heureusement le composite fonctionne sur toutes les prises.

Attention aussi aux cables : certains ne sont cablés que pour le RGB, d’autres que pour le composite histoire de faire des économies.

Consoles de jeux

Les consoles de jeux ont souvent joué avec les standards classiques de télévision. Quelques particularités…

Le mode progressif

Le mode progressif consiste à n’envoyer que des trames paires. Ce n’est pas un standard de télévision mais une solution pour avoir une image plus fluide avec 50 ou 60 fps réels. Ça privilégie la fluidité plutôt que la définition visible. La NES et la Super Nintendo fonctionnaient comme ça, les autres consoles de cette époque aussi certainement.

La France

La France, c’est ce pays qui a été le seul en Europe de l’Ouest à fonctionner en couleurs SÉCAM (le reste de l’Europe étant en PAL). Étant donné que dans le pays la prise Péritel permettait de délivrer une image en RGB, les NES et Super Nintendo françaises avaient un cable spécial RGB, ce qui évitait à Nintendo d’y mettre un modulateur SÉCAM uniquement pour le marché français. Conséquemment, ces appareils n’avaient pas de sortie modulateur RF (puisque pas de signal composite à moduler) mais la sortie RGB était d’une super qualité ! 😃

Au milieu des années 90, les télévisions multistandards PAL/SÉCAM devenaient beaucoup plus répandues ; les premières consoles 3D étaient alors vendues en France comme dans le reste de l’Europe : avec une simple sortie composite PAL.

Le fameux PAL 60

Les éditeurs de jeux travaillaient en général en norme américaine : c’est à dire en 480 lignes visibles à 60 trames/s. En Europe le standard était de 576 lignes visibles à 50 trames/s. Pour que le public européen puisse bénéficier de la fluidité originale de ces jeux, on proposait au joueur 50 ou 60 Hz (en réalité 576i/50Hz ou 480i/60Hz).

Le souci, c’est les anciens postes européens étaient incapables de gérer la résolution et la fréquence américaines, ce qui rendait impossible de jouer correctement. D’où la nécessité de demander au joueur à chaque début de jeu si sa télé était compatible avec ce format.

Pour aller plus loin