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Comment passer de l’analogique au numérique ?

        De nos jours, il existe deux formats vidéo différents : l’analogique et le numérique. L’analogique est le format utilisé pour les cassettes vidéos (VHS). Cependant il est assez ancien et donc dépassé. Ses capacités sont limitées par le temps et les VHS ne sont plus adaptées aux exigences de nos jours. En effet, son concurrent, le numérique, plus récent, présente de nombreux atouts. Le DVD est le support le plus utilisé en numérique. Il est donc intéressant de connaître les différences entre les deux formats et de savoir comment passer d’une VHS à un DVD.

I – Introduction à la vidéo analogique et numérique

L’analogique et le numérique sont deux procédés pour transporter et stocker des données (de type audio , photo , vidéo…) . L’analogique est né avec le début de l’électricité tandis que le numérique est apparu plus récemment avec l’ère de l’informatique.

                1 – Définitions

La vidéo analogique est un signal vidéo pouvant prendre n’importe quelle valeur située entre deux extrémités. Le principe de l’analogique est de reproduire le signal à enregistrer sous forme similaire sur un support magnétique (en général). Le signal est en forme d’onde, il est très sensible aux perturbations extérieures. Ces perturbations peuvent entraîner une modification importante du signal.

La vidéo numérique désigne l’ensemble des techniques qui permettent d’enregistrer, de traiter et de reproduire les images vidéos sous forme de données numériques. Jusqu’à une époque encore récente, la vidéo ne pouvait être enregistrée qu’en mode analogique. L’évolution des technologies micro-informatique permet aujourd’hui d’enregistrer des images vidéo à haute définition au format numérique.

                2 – Les appareils et leurs formats

a) Appareils analogiques

 Comme l’œil humain, les caméscopes analogiques perçoivent les variations de lumière et de couleurs. Ce sont ces infimes fluctuations de la lumière et des couleurs que les caméscopes enregistrent sous la forme d’un signal analogique, c’est à dire une variation continue d’un courant électrique qui représente une information.

 Les formats analogiques :

¤ Le format VHS (Video Home System) : Inventé au début des années 1970 par JVC, le format VHS est alors en concurrence directe avec le V2000 de Philips. Le VHS est aujourd’hui le format vidéo grand public le plus populaire.

L’image vidéo est assez médiocre et beaucoup de défauts apparaissent. La qualité vidéo se dégrade avec l’usure de la bande.

¤ Le format S-VHS : Evolution du VHS, le format S-VHS offre une meilleure qualité vidéo par une augmentation de la résolution passée de 240 à 400 lignes. Pour améliorer la qualité, le traitement du signal vidéo est divisé en deux : d’un coté la luminance et de l’autre la chrominance.

¤ Le format Hi-8 : Actuellement, c’est le format analogique le plus aboutit. Il offre une bonne qualité d’image vidéo et utilise des cassettes de petite taille. Son seul défaut est d’être incompatible avec les magnétoscopes standards : la lecture des vidéos passe donc par l’intermédiaire du caméscope.

b) Appareils numériques

 La vidéo numérique utilise un signal du type binaire. Cela signifie qu’à un moment donné, le signal vidéo ne peut prendre que l’une des deux valeurs 0 et 1. Chaque image de la vidéo est donc traduite en une succession de 0 et de 1. Les caméscopes numériques enregistrent les images au format binaire. La        qualité de la vidéo ainsi obtenue explique l’enthousiasme actuel du public pour ce type d’équipement.

 Les formats numériques des caméscopes :

¤ Format DV : Première norme de vidéo numérique adoptée par l’ensemble de l’industrie, le format DV (Digital Video, Vidéo Numérique) rend possible l’échange de signaux vidéos entre différents types de matériels de vidéo numérique. Les caméscopes DV que l’on trouve sur le marché grand public utilisent des Minicassettes DV, plus petites que les cassettes DV normales. Pour cette raison, ils sont désignés sous le terme « Caméscope MiniDV ». Les Minicassettes DV peuvent contenir entre 60 et 90 minutes d’enregistrement.

¤ Format Digital8 : Format développé par Sony, c’est une déclinaison du format DV. Les caméscopes Digital8 permettent l’enregistrement vidéo numérique sur des cassettes analogiques Hi8. La vidéo numérique exige plus de place. Les caméscopes Digital8 peuvent lire et même numériser les vidéos enregistrées avec un ancien caméscope analogique 8mm ou Hi8.

Une fois la vidéo capturée sur la cassette du caméscope, il faut la transférer sur un ordinateur (à l’aide d’une carte d’acquisition) afin de créer un montage et de la finaliser sur différents supports comme le CD ou le DVD.

                3 – Traitement informatique

La possibilité de lire et de manipuler la vidéo numérique sur ordinateur explique, entre autres raisons, l’engouement pour cette technologie.
Une vidéo numérique étant constituée de données binaires, directement compréhensibles pour l’ordinateur, le transfert des séquences vidéos vers l’ordinateur se fait d’autant plus facilement. Lorsque la séquence vidéo est transmise à l’ordinateur, elle est codée au format DV. Or le format DV occupe beaucoup de place. En effet, on ne peut enregistrer que 15 minutes de film au format DV sur un DVD. Il est donc nécessaire de ré-encoder le film dans un autre format, comme le MPEG-2 (format utilisé pour les DVD), le MPEG-1 (format utilisé pour les VCD) ou le MPEG-4 (format utilisé pour les DivX). Tous ces changements de format, appelés « encodage » en informatique, se font directement sur ordinateur à l’aide de logiciels spécifiques et permettent la compression des données binaires. Cela réduit la taille du fichier vidéo, ce qui facilite le stockage d’un plus grand nombre de séquences dans le même espace.

a) Le format MPEG-1 offre une vidéo à faible débit. Les concepteurs sont partis du principe suivant : dans une vidéo qui tourne à 24 images par seconde, les différences entre deux images qui se suivent sont minimes. Le but est donc d’encoder seulement ce qui change.  Ensuite, une compression de type Huffman est appliquée.

 Compression Huffman : Son principe repose sur un algorithme basé sur la fréquence d’apparition. Une valeur très fréquente est codée sur un faible nombre de bits, une valeur peu fréquente est codée sur un plus grand nombre de bits.

Malgré sa complexité, le MPEG-1 souffre de plusieurs défauts. Il ne permet pas d’avoir une vidéo d’une qualité supérieure ; cette contrainte est liée au codage des couleurs. De plus, le débit est constant : pour des scènes rapides, il est impossible d’allouer un débit important, et, pour des plans fixes, un débit faible.
Cependant, le format MPEG-1 est intéressant car c’est celui utilisé dans les VCD (Vidéo-CD). Les lecteurs DVD de salon lisent les CD gravés au format VCD. On peut donc directement regarder une vidéo sur sa télévision, ce qui rend au final une qualité tout à fait correcte, même si la vidéo semblait mauvaise sur ordinateur. En effet, le décodeur DVD de salon est différent de celui sur PC, et la télévision offre un meilleur rendu vidéo que l’écran d’ordinateur.

b) Le format MPEG-2 est une version améliorée du MPEG-1. Il existe d’ailleurs une compatibilité ascendante. Une des premières améliorations vise à améliorer la qualité. En ce sens, plusieurs possibilités de formats de couleurs sont proposées et la chrominance est mieux échantillonnée. De plus, il utilise un débit variable, qui permet d’allouer un débit plus important lorsque la scène est compliquée, et de le réduire pour des scènes simples.

La qualité du MPEG-2 est donc excellente. C’est la norme MPEG-2 que l’on retrouve sur les DVD et sur les satellites numériques (TPS, Canal Satellite …).

c) Le format MPEG-4 est destiné aux applications multimédias et à la diffusion sur Internet à haut débit. Le célèbre DivX est une version modifiée de la norme MPEG-4. Il offre une qualité importante pour un faible débit, grâce à des algorithmes très complexes. Il est ainsi possible de mettre 2 heures de film sur un simple CD-ROM. Le succès de cette norme vient de la facilité de transmettre par Internet des vidéos. Le DivX utilise un débit variable, et une multitude de fonctions. On ne connaît pas l’évolution que va prendre ce codage, mais il peut devenir un standard pour tout type d’appareil numérique. Il est possible de faire tenir 5 films sur un seul DVD, avec une bonne qualité. De plus, commencent à arriver sur le marché des lecteurs DVD qui peuvent aussi lire le format DivX …

II – Différences entre l’analogique et le numérique

        1 – But de l’expérience

Les différences de formats, de normes et de supports vus ci-dessus entre l’analogique et le numérique, entraînent évidemment une différence de qualité entre une VHS (format analogique le plus utilisé) et un DVD (format numérique le plus utilisé). Nous avons donc décidé de faire une expérience, montrant les différences de qualités visibles à l’œil nu entre la VHS et le DVD, après simple lecture, et après plusieurs enregistrements.

        2 – Expérience 1

        Nous avons prit un même film, acheté en même temps, un en VHS et l’autre en DVD. Nous avons mis en parallèle les deux films et observé les différences.

 Nous avons effectué le test dans plusieurs conditions différentes :
- Au premier passage du film
- Après plusieurs passages du film
- Après une copie du film
- Après plusieurs copies du film

a) Au premier passage du film, on observe peu de différences entre le film de la VHS et celui du DVD. Les couleurs de la VHS sont un peu plus fades, mais la qualité est correcte.

b) Après plusieurs passages du film, le DVD garde une qualité excellente, inchangée par rapport à la première lecture. Tandis que la VHS est de bien moins bonne qualité. En effet, on observe une bande colorée horizontale ou verticale sur les bords de l’écran, et l’image tremble, mais rarement.

c) Après une copie du film original, la qualité du DVD copié est identique au DVD original. Par contre, la VHS est de qualité inférieure à l’originale. En effet l’image tremble un peu et paraît moins nette. De plus, les couleurs sont moins vives.

d) Après plusieurs copies du film nous observons une énorme différence entre le DVD copié qui est toujours de qualité excellente, identique au DVD original, et la VHS copiée, qui est de qualité nettement inférieure à l’originale. L’image saute, on observe des traits colorés sur les bords de l’image. L’image est moins nette et les couleurs sont vraiment fades. Un autre test consiste à mettre le film en pause : l’image du DVD est nette, celle de la VHS est très mauvaise : elle tremble et des bandes blanches horizontales cachent le tiers de l’écran.

Le DVD offre donc une qualité excellente quelles que soient les conditions, contrairement à la VHS, dont la qualité dépérit.
Nous pouvons expliquer cette différence de qualité entre les deux formats à cause des différents signaux qui définissent l’analogique et le numérique.

        3 – Fonctionnement théorique

Un signal analogique varie en continu et prend une infinité de valeurs intermédiaires entre deux points (comme une courbe mathématiques). Cette propriété la rend particulièrement sensible au moindre parasite.

Même après une simple lecture, et encore plus après plusieurs copies, le signal est différent du signal original :

 
En 1 le signal d’origine
En 2 le signal issu de plusieurs lectures ou de plusieurs copies 

 Pour obtenir une copie parfaite d’un signal analogique, il faudrait reproduire très exactement les variations d’amplitude de l’original. Ceci est impossible car le moindre changement de matériel ou de support influence la restitution du signal. La copie d’une vidéo analogique n’est donc jamais une réplique exacte de l’original. Les supports qui servent à stocker les vidéos analogiques, comme les cassettes VHS ne sont pas, en outre, à l’abri d’une détérioration due au temps.

 Un signal numérique ne pouvant prendre comme valeur que 0 ou 1, il est pratiquement insensible aux parasites. Chaque transmission ou duplication de la vidéo numérique reproduit exactement la succession originale de 0 et de 1, sans déperdition. Ainsi, la vidéo peut être dupliquée à volonté, sans perte de qualité. Le format binaire permet, en outre, la compression des données (utilisée pour le MPEG-1, MPEG-2 …).

 La représentation d'un signal analogique est donc une courbe, tandis qu'un signal numérique pourra être visualisé par un histogramme :

 III – De l’analogique au numérique

                1 – But de l’expérience

        Nous avons vu clairement que le numérique possède une durée de vie et un avenir bien plus certain que la cassette VHS. Il y a donc un grand intérêt à « recycler » nos cassettes VHS au format numérique, avant que celles-ci atteignent une qualité médiocre. Nous avons donc effectué une deuxième expérience : le passage d’une VHS au format numérique, à l’aide d’un ordinateur.

                2 – Expérience 2

        Nous avons donc pris plusieurs cassettes vidéos que nous possédions, de différentes qualités. Nous avons effectué l’expérience dans les laboratoires de biologie équipés d’un ordinateur récent et performant, permettant l’acquisition et le traitement vidéo.
L’ordinateur est équipé d’une carte d’acquisition utilisant prises RCA ou S-Video permettant de le relier directement au magnétoscope VHS. Nous avons effectué des tests avec les deux prises.   

        ¤ La prise RCA : C’est la prise la plus populaire du marché. On la trouve sur tous les appareils du commerce. Facilement identifiable, elle est composée de trois prises RCA :

 La jaune transporte le signal vidéo composite
 La blanche ou la noire transporte l’audio gauche
 La rouge transporte l’audio droit

Le signal passant par la prise RCA est donc un signal composite. Un signal vidéo composite est un signal vidéo contenant toutes les informations nécessaires pour la reproduction d’une vidéo. Il contient la luminance et la chrominance. Le mélange des deux flux rend une vidéo nettement moins précise.

        ¤ La prise S-Video : Elle possède de multiples noms : S-VHS, Y/C ou Ushiden. C’est le summum en vidéo analogique. Elle est spécialisée dans les transports de flux vidéo (il faut donc ajouter les prises sons de la prise RCA si on veut transférer le son). La luminance et la chrominance sont séparées, à la différence d’un signal vidéo composite. La prise S-Video possède donc une qualité vidéo nettement meilleure que la prise RCA. On la retrouve sur les matériels haut de gamme.

 L’ordinateur était équipé du logiciel My Vivo, qui permet d’enregistrer le signal d’arrivée au PC selon différents formats (VCD, DVD, MPEG2 …).

Nous avons effectué l’acquisition dans plusieurs formats différents :
a) DVD PAL (MPEG 2 à un débit de 6000 Kbits/s) – Taille : 640 x 480 pixels
b) DVD PAL (MPEG 2 à un débit de 4000 Kbits/s) – Taille : 720 x 576 pixels
c) DVD PAL (MPEG 2 à un débit de 1000 Kbits/s) – Taille : 352 x 288 pixels
d) VCD PAL (MPEG 1 à un débit de 1150 Kbits/s) – Taille : 352 x 288 pixels
Chaque format a été effectué avec la prise RCA et avec la prise S-Video.

Observations :
        On remarque une différence notable entre les différents formats au niveau de la qualité du rendu de l’image. De manière générale, la qualité du MPEG 2 est bien supérieure au MPEG 1. Cependant il faut relativiser la qualité que l’on voit instantanément à l’écran de l’ordinateur avec la qualité finale que l’on peut obtenir sur une télévision équipée d’un lecteur DVD de salon, sur laquelle l’image sera plus belle.
On remarque aussi une différence de qualité dans les mêmes conditions entre une acquisition à l’aide d’un câble RCA ou S-Video. En effet, la vidéo est plus floue lorsqu’elle est issue du câble RCA, et des pixels apparaissent. En revanche, le câble S-Video offre une qualité presque identique.

 Image extraite d’une vidéo obtenue avec le câble S-Video et un fort débit

 La même extraite avec le câble RCA et un faible débit

         3 – Fonctionnement théorique

Nous allons maintenant étudier de manière théorique comment se transforme le signal analogique issu de la VHS en signal numérique obtenu sur l’ordinateur.

La transformation d'un signal analogique en signal numérique est appelée numérisation. La numérisation comporte deux activités parallèles : l'échantillonnage et la quantification (Digitalisation + Serialisation). L’échantillonnage consiste à prélever périodiquement des échantillons d'un signal analogique. La quantification consiste à affecter une valeur numérique à chaque échantillon prélevé.

La qualité du signal numérique dépendra de deux facteurs:
 la fréquence d'échantillonnage (appelé taux d'échantillonnage): plus celle-ci est grande (c'est-à-dire que les échantillons sont relevés à de petits intervalles de temps) plus le signal numérique sera fidèle à l'original.
 le nombre de bits sur lequel on code les valeurs (appelé débit): il s'agit en fait du nombre de valeurs différentes qu'un échantillon peut prendre. Plus celui-ci est grand, meilleure est la qualité.

 Pour traduire le plus fidèlement possible le signal analogique, il faudra prendre un très grand nombre de mesures. Autrement dit, plus la fréquence d'échantillonnage sera élevée, plus la traduction numérique sera proche de l'original analogique. Ce premier point est essentiel et on a pu déterminer que cette fréquence d'échantillonnage doit être au moins égale au double de la fréquence maximale du signal analogique, plus 10 %.

Si par exemple ce signal a une fréquence maximale de 1 kHz la fréquence d'échantillonnage devra être, au minimum, de 2,1 kHz. Pour le son, il faudra une fréquence d'échantillonnage minimale supérieure à 12 kHz environ, mais la haute fidélité (restitution correcte des aigus) réclame 44,1 kHz.

Le deuxième point important est la quantification et concerne le nombre de bits disponibles pour le codage numérique. Chacun des chiffres ("0" ou "1") constituant un nombre binaire est un bit. Chaque fois que le convertisseur procède à une mesure de la tension du signal analogique, il transforme la valeur trouvée en un nombre binaire. Il est clair que ce nombre binaire sera beaucoup plus précis s'il est codé sur 16 bits plutôt que sur 2 bits.

 Schéma récapitulatif

         4 – Finalisation

Une fois le signal analogique convertit en signal numérique, il ne manque plus qu’à le finaliser en DVD ou en VCD pour pouvoir le lire sur le téléviseur.

De nos jours, beaucoup de logiciels gratuits permettent le traitement du signal numérique dans les différents formats possibles (TMPGEncoder, Virtual Dub, ...) ainsi que la gravure sur CD-ROM ou DVDRom (Nero Burning Rom, Easy CD Creator, ...).
De plus, le DVD ou le VCD permet d’insérer un menu interactif aux films, ce qui enthousiasme les utilisateurs, alors qu’une simple VHS ne permet qu’une lecture en boucle.
La gravure sur CD est aujourd’hui un marché développé et abordable (moins d’un euro le CD vierge). Beaucoup d’utilisateurs utilisent donc le format VCD ou SVCD pour stocker leurs films. En Chine, le format SVCD est même le plus utilisé, y compris pour la diffusion de films commerciaux, ce qui leur permet de s’affranchir des royalties associées au format DVD des multinationales cinématographiques.
Par contre, le marché du DVD reste encore cher pour le particulier (250 euros minimum le graveur de DVD et environ 10 euros le DVD vierge), même s’il devient de plus en plus abordable. Il est donc peu utilisé par les amateurs de vidéo.

Conclusion :

 Il est donc possible, à l’aide d’un ordinateur récent et performant, d’acquérir le signal analogique provenant d’un magnétoscope (et donc d’une VHS) et de le convertir en signal numérique afin de le sauvegarder sur un support numérique tel que le CD ou le DVD. Cependant, le prix du DVD reste encore élevé, et les utilisateurs à petit budget ne peuvent pas encore en profiter. Implantée depuis longtemps en Europe, la VHS continue de subsister. La vidéo analogique, et donc la VHS, format analogique le plus utilisé en France, a donc un avenir encore bien assuré tant que le prix des appareils entièrement numériques n’aura pas fortement baissé.

Néanmoins, la vidéo numérique sur informatique est en pleine expansion car l’informatique ayant beaucoup évolué, l’ordinateur peut de nos jours déjà remplacer entièrement la télévision (avec l’arrivée des nouveaux écrans numériques couleurs plats, la réception des chaînes numériques par satellite, les fonctions d’enregistrement évoluées …). D’autre part, l’ordinateur est entièrement compatible avec tous les formats : MPEG-1, MPEG-2, MP3 (son), MPEG-4, DivX, VCD, SVCD, DVD, Real Video, Quick Time, Images JPEG … Alors que les lecteurs de salon ne supportent pas tous les formats existants, et ne peuvent pas être mis à jour, contrairement à un ordinateur qui, équipé d’une connexion Internet, peut trouver des mises à jours des codecs, des normes, des explications … On peut même faire rentrer deux heures de vidéos familiales sur un seul CD-Rom au format DivX et se l’échanger rapidement par Internet avec la propagation de l’ADSL (connexion Internet rapide) grâce à des baisses de prix des fournisseurs d’accès Internet.

La vidéo numérique est donc de plus en plus présente dans les foyers Européens, ce qui est en relation avec l’évolution de l’informatique, et peut-être qu’un jour, nous ne trouverons plus que le format numérique.

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