Du 12 au 22 septembre dernier, la chaîne Arte a mis en place une diffusion expérimentale en UHD avec des images HDR (high dynamic range). Elle avait choisi de transmettre son programme « live », converti en images ultra-haute résolution, associé à une extension de dynamique HDR. Cette version améliorée était accessible au grand public, à condition de disposer d’un écran UHD compatible HDR, d’habiter dans la zone de couverture de trois émetteurs de TNT, ou encore de recevoir le satellite Astra ou enfin d’accéder au service OTT de Molotov.
Pour cette expérimentation, les responsables d’Arte préfèrent parler d’un POC (proof of concept) ou démonstration de faisabilité dont l’objectif est de tester une configuration technique innovante et surtout de vérifier l’interopérabilité des équipements. Jean-Luc Wackermann, directeur des technologies d’Arte, l’a d’ailleurs clairement rappelé lors de la présentation des résultats : « Cette expérimentation n’est en aucun cas une phase expérimentale ni les prémices d’une prochaine diffusion de la chaîne franco-allemande en UHD. »
Une diffusion « live » 24h/24 pendant dix jours en UHD/HDR
Pour conduire cette expérimentation, la direction technique d’Arte s’est associée à plusieurs diffuseurs, TDF, SES (Astra) et Molotov, ainsi que de nombreux industriels ou prestataires, dont Ateme, Technicolor, Philips, Globecast, Anyware Video, Cobalt et Amazon pour assurer le traitement, la mise en forme des signaux et leur distribution.
Pour coller au mieux à la réalité des contenus réels d’une chaîne, il a été décidé de convertir le signal issu de la régie finale à Strasbourg, de l’upscaler en résolution UHD et d’upgrader les images avec une dynamique HDR. Il était prévu que les émissions disponibles en version UHD, seraient diffusées avec une lecture parallèle dans ce format. Malheureusement, ce ne fut le cas que pour une seule émission diffusée le samedi 22 septembre. Pendant une période de transition, les chaînes débuteront leur diffusion UHD avec des sources encore en HD. Cette hypothèse d’upscaling et de conversion en HDR correspond donc à une situation concrète dont il est important de vérifier la viabilité.
Pour assurer cette conversion de sources HD SDR vers des images UHD-HDR, l’expérimentation s’est appuyée sur les outils de codage HDR développés par Philips et Technicolor, organisés en deux catégories.
Pour le versant production, les outils sont regroupés sous le sigle ITM (intelligent tone management). Technicolor s’est appuyé sur son expertise dans les effets spéciaux et les traitements colorimétriques pour développer des outils de conversion SDR vers HDR. Un algorithme dynamique analyse le contenu de chaque image et étend sa dynamique initiale SDR pour l’amener à l’échelle HDR. Il fonctionne aussi, bien sur, des contenus enregistrés convertis avant diffusion, que pour du live en temps réel. Technicolor et Philips sont agnostiques par rapport aux autres technologies HDR et la sortie HDR de leur outil est disponible au choix en S-Log3, en PQ ou en HLG.
Le second volet des technologies HDR proposées par Philips et Technicolor concerne la diffusion. Leur approche est basée sur une transition en douceur vers la diffusion HDR. Ils veulent éviter aux broadcasters le surcoût induit par une double distribution ou même une augmentation de débit due à l’ajout des données HDR. Ils proposent de convertir les signaux HDR en version SDR pour être compatibles avec l’ensemble du parc de récepteurs. Comme pour l’ITM, ils se basent sur un process dynamique avec des courbes de transfert optimisées pour chaque image. Le signal de sortie comprend le contenu en SDR, complété par des métadonnées, de faible poids, décrivant le complément HDR, d’où la dénomination de leur codage : SL-HDR pour single layer HDR. Le système de conversion Technicolor accepte en entrée des codages S-Log3, HLG et PQ et fournit en sortie les signaux en SDR, HLG10, HDR10, et SL-HDR.
Côté récepteur, le décodeur SL-HDR de Technicolor est soit intégré à un décodeur externe, soit inclus dans les circuits internes de l’écran. Il reconstitue le contenu HDR à partir des métadonnées en tenant compte des caractéristiques de l’écran (niveau lumineux maximal, courbes de transfert de la dalle, etc.). Le codage SL-HDR de Philips et Technicolor est standardisé par l’ETSI, sous le n° TS 103 433. Pour l’instant, en Europe, seuls les téléviseurs de la marque LG sont compatibles SL-HDR.
Une double diffusion pour mener des tests comparatifs
Le signal live HD d’Arte en sortie de régie finale est d’abord upscalé en résolution UHD. Il passe ensuite dans un système de playout OneGenie d’Anyware Video pour être combiné avec la lecture éventuelle de contenus natifs UHD. La sortie est envoyée vers deux châssis de traitement Cobalt.
Le premier convertit le signal UHD SDR Rec.709 en UHD HDR10 BT.2020, grâce au traitement ITM de Technicolor. Ensuite, ce signal UHD/HDR est encodé par le système Technicolor pour une diffusion HDR compatible SDR selon le mode propriétaire de Technicolor SL-HDR2, avec un codage HDR10 combiné à des métadonnées. Il constitue le premier canal Arte UHD1 transmis vers les divers réseaux de diffusion.
Le second signal sert à créer un autre canal Arte UHD2, avec alternativement différentes résolutions (2160p50 ou 1080p50), diverses courbes de transferts (SDR, HRD10, ou HLG) et encodé à différents débits (de 3 à 17 Mb/s). Ce second canal est destiné à étudier l’incidence de ces paramètres sur la qualité visuelle affichée sur différents types de téléviseurs.
Les deux signaux sont compressés en HEVC grâce à des codecs Ateme Titan Live, puis multiplexés et transmis par fibres optiques via Globecast vers les divers opérateurs des réseaux de diffusion : TDF pour une transmission hertzienne en TNT via le réseau expérimental multivilles UHD sur Paris, Nantes et Toulouse ; côté satellite, les deux canaux étaient disponibles sur un transpondeur Astra.
Molotov a pris en charge la diffusion du canal UHD1 d’Arte vers les terminaux OTT. La plate-forme de diffusion récupérait un signal HDR10 associé à des métadonnées, encodé en HEVC à 20 Mb/s. Elle traitait ce signal pour le proposer dans cinq profils (cf. tableau). Ensuite les flux étaient packagés d’un côté en Mpeg-Dash pour desservir des terminaux Android et les TV connectées LG fonctionnant sous WebOS 4.0 et d’un autre en HLS vers les AppleTV.
D’après l’équipe informatique de Molotov, les terminaux Android TV étaient ceux qui offraient le plus de possibilités, alors que l’Apple TV s’est retrouvée limitée à un affichage à 30 i/s, avec la version de tvOS disponible à l’époque. En outre ce terminal, pour reproduire les images en HDR, exigeait la présence simultanée d’un flux SD en SDR, même à très bas débit, d’où ce codage 240p dans les signaux distribués.
Enfin, dernier mode de réception proposé pour ce programme UHD d’Arte, les écrans HBBTV. Le contenu UHD2, était transmis en SDR, HDR10 ou HLG selon les heures vers les téléviseurs équipés d’un accès HBBTV. Le signal était mis en forme via une plate-forme Elemental Live d’Amazon.
Privilégier des sources UHD et HD de qualité
Dès la fin de cette diffusion en UHD, la direction technique d’Arte a présenté les premières conclusions de cette expérimentation. Malgré la diversité des contenus, elle a montré qu’il était assez facile de mettre en place une conversion vers l’UHD avec divers profils de HDR, et ce avec un fonctionnement 24h/24. La conversion SDR vers HDR augmente le contraste des images rendant les détails plus visibles et les couleurs plus saturées. Néanmoins, il faut rester mesuré dans le paramétrage du HDR, car une conversion trop agressive accentue tous les défauts présents dans la source (grain, compression, entrelacement…). En conséquence, le gain de qualité apporté par le HDR est moins attractif que ce qui était attendu.
Pour les documents existants, il semble indispensable de prévoir un pré-traitement avant la conversion SDR vers HDR pour réduire l’impact de ces défauts. Cela milite aussi pour la production dès maintenant dans des formats de qualité, au minimum en 1080p50, et si possible en HDR, la conversion d’un format progressif HD vers l’UHD étant meilleure que depuis un format entrelacé.
La production de qualité en amont est un élément clé pour une diffusion en HDR avec un fort contraste. Des outils de conversion, comme ceux de Technicolor testés au cours de cette diffusion, ont démontré qu’un traitement dynamique est indispensable pour faire face à la multiplicité des formats et des sources à diffuser, et en particulier les documents d’archive. Toute la production n’est pas encore effectuée en UHD/HDR, tant s’en faut, même si une nette évolution dans cette direction se dessine pour les grands évènements et les captations de prestige. Ce traitement dynamique permet aussi d’adapter plus finement la dynamique de l’image aux caractéristiques fort diverses des écrans chez le téléspectateur.
Durant le POC, l’ajout des métadonnées dynamiques au HDR10 a montré un gain visible de qualité. Pour une distribution de contenus 2160p, le débit minimal est de 15 Mb/s, une valeur de 17 Mb/s étant préférable. Le codage HDR10 a offert des images de meilleure qualité par rapport au SDR et au HLG.
À l’issue de cette diffusion expérimentale, Arte a organisé un séminaire technique pour en présenter le dispositif technique et les résultats. La chaîne a invité tous les partenaires impliqués dans ces tests, ainsi que les directions techniques des chaînes nationales pour partager leurs expériences de diffusion live en UHD réalisées au cours de l’été 2018.
ROLAND GARROS 2018 diffusé en UHD/HLG
Pour France Télévisions, Matthieu Parmentier, coordinateur des projets de recherche et développement, a décrit la diffusion en UHD et HDR effectuée à l’occasion du tournoi de tennis de Roland Garros en juin 2018. Après plusieurs tests de captation 4K au cours des éditions précédentes, cette année la fabrication du signal UHD a été intégrée au car de production affecté au court central et fournissant le signal international.
Quatre signaux étaient produits en parallèle : 2160p HDR, 2160p SDR, 1080p50 et 1080i50 pour la diffusion internationale. Les signaux UHD étaient enrichis de signaux audio 3D immersifs et interactifs NGA (next generation audio). La technologie HLG a été retenue pour fournir un signal vidéo HDR parce qu’elle s’avère plus facile à mettre en œuvre dans le cadre d’une production live, les ingénieurs vision conservant globalement leurs habitudes de calibration acquises avec le SDR.
C’était aussi l’occasion de tester via la TNT et le satellite, une diffusion vidéo UHD-HDR, associée au NGA encodé au standard Mpeg-H et valider entre autres la rétro-compatibilité du HLG sur des écrans 4K SDR. Sur ce dernier point les résultats ont été globalement plutôt satisfaisants, y compris sur des modèles datant de 2012. Curieusement, des erreurs de calibration sont apparues avec des images fort sombres sur des écrans pourtant compatibles HDR, mais elles ont pu être corrigées pour les derniers matchs du tournoi. La description du dispositif de captation de Roland Garros 2018 en UHD/HLG est consultable sur le site idfrancetv.fr.
Une captation exclusivement UHD/HDR aux CHAMPIONNATS D’ATHLÉTISME DE BERLIN
France Télévisions a également participé à une autre production expérimentale organisée par l’EBU lors des championnats d’Europe d’athlétisme fin août à Berlin. L’opération, qui associait également la BBC, l’IRT et la RAI et de nombreux constructeurs, était centrée sur la captation de cinq épreuves en associant le HDR HLG et le HFR à 100 i/sec. Les organisateurs ont mis en place une régie dédiée UHD, exploitée dans des conditions réelles avec des professionnels issus des équipes de production des différentes chaînes participantes et non avec des ingénieurs de R & D.
Les cinq signaux délivrés par cette régie sont : 2160p100 HDR HLG couplé à de l’audio HE.AAC 5.1, du 1080p100 HDR HLG décliné avec trois codages audio NGA (un mixage 4+7+0 associé à quatre objets de commentaires encodé en Dolby AC4 Atmos et Mpeg-H Audio, ainsi qu’un autre mixage en son sphérique HOA associé aux mêmes objets en Mpeg-H audio) et enfin du 1080p50 associé à de l’audio HE-AAC stéréo destiné à une expérimentation de diffusion en 5G.
Cette régie de production totalement indépendante de la diffusion antenne en HD-SDR permettait d’explorer toutes les potentialités de l’UHD HDR sans devoir faire un compromis pour fournir un signal HD SDR de qualité pour les téléspectateurs, comme cela s’impose presque à chaque captation UHD actuelle. Les résultats de ces expérimentations sont en cours d’analyse en vue d’une synthèse publiée par le SMPTE et l’EBU.
En toute première conclusion, Matthieu Parmentier a révélé que « le HFR apporte une réelle amélioration à condition que les objets ou les personnes se déplacent à moins de 30 km/h. Sinon il faut capter à 200 i/s ou plus. L’apport du HFR a également été testé en résolution HD pour apprécier la sensation de netteté supérieure du 100 i/s par rapport à une production 4K à 50 i/s d’une telle manifestation. Les images 4K à 100 i/s conduisent à des volumes de stockage qui se mesurent en Téraoctets, et là il y a encore du travail pour les industriels afin d’aboutir à des outils réellement exploitables. »
LA COUPE DU MONDE 2018 diffusée en UHD par TF1
Après avoir diffusé cinq matchs de l’Euro 2016 en UHD et quatre grands prix de Formule 1, le point fort de la diffusion UHD du groupe TF1 cette année a été la retransmission des 28 matchs de la Coupe du Monde de football. Yves Davot, responsable Expertise et Intégration Infras TV en charge de l’opération, a d’abord décrit le dispositif mis en place par HBS, responsable de la couverture TV de l’événement et de la fabrication du signal international.
HBS a fait le choix d’un système basé sur une captation unique, fournissant à la fois les images en UHD et en HD à travers un système à deux mélangeurs, le premier traitant des signaux UHD 2160p HDR S-Log3 BT.2020, le second en HD 1080p SDR Rec. 709. Les deux mélangeurs étaient pilotés par un pupitre unique afin de permettre une réalisation identique en UHD et en HD. Toutes les caméras ne pouvaient pas être UHD et c’est donc un parc hybride de 40 caméras qui a été déployé sur chacun des 12 stades de la compétition.
Une caméra UHD dédiée au plan large du stade envoyait un signal 2160p S-Log3 BT.2020 uniquement vers le mélangeur UHD. Sept caméras UHD avec double sortie fournissaient à la fois les images en 2160p S-Log3 BT.2020 et en 1080p Rec.709. Un ensemble de onze caméras travaillaient uniquement en HD avec une sortie 1080p Rec.709 destinée au mélangeur HD et une seconde en 1080p S-Log3 BT.2020 pour servir le mélangeur UHD via un upscale vers le 2160p. Enfin vingt et une caméras fonctionnaient en HD classique avec une sortie unique 1080p SDR Rec. 709 vers le mélangeur HD, et dont les sorties étaient upscalées en 2160p et converties (tone-mappées) en S-Log3 BT.2020 pour leur exploitation par le mélangeur UHD.
La courbe de transfert S-Log3 n’étant pas exploitée en diffusion, la sortie du mélangeur UHD était transmise vers l’IBC à Moscou où les autres codages HDR, HLG et PQ10 étaient effectués, ainsi qu’un tone-mapping et en SDR Rec.709, distribué par satellite uniquement. Dix diffuseurs ont repris le signal UHD en SDR, huit en S-Log3, onze en HLG et cinq en PQ10. Pour sa part, TF1 a choisi le signal UHD avec un codage PQ sur 10 bits pour son transport en fibre optique avec une compression HEVC jusqu’à Boulogne.
Comme pour la majorité des retransmissions sportives, TF1 enrichit le signal international avec ses images privatives, celles des commentateurs, l’avant-match, des interviews, des caméras en zone mixte et des plateaux avec des consultants intervenant depuis Paris. Toutes ces sources complémentaires étaient, quant à elles, fournies en HD. Les images UHD étaient diffusées uniquement vers les réseaux IPTV des quatre opérateurs Internet. Pour des raisons techniques, ceux-ci ont préféré diffuser les images de la Coupe du Monde uniquement en UHD SDR.
La réglementation du CSA exige que le contenu diffusé en IPTV soit strictement identique à celui délivré par les réseaux traditionnels, y compris les publicités. La direction technique de TF1 a dû dédoubler la régie finale avec une régie temporaire UHD pour assurer un vrai mixage UHD et non pas un simple upscaling de la régie finale HD.
La régie HD du plateau Coupe du Monde mixait le signal international HD et les sources privatives, elles aussi en HD. La sortie allait ensuite vers la régie finale pour la continuité antenne et l’insertion des publicités. La régie UHD mélangeait le signal international UHD PQ10, après un tone-mapping vers le SDR, avec des sorties secondaires (sources graphiques, sortie clean) du mélangeur plateau HD, upscalées en UHD. Il recevait également une sortie de la régie finale upscalée en UHD pour les publicités et les autres éléments de l’antenne, les commutations de la régie finale étant récupérées par GPI. Les différents traitements vidéo et conversions de format introduisent des retards qu’il a fallu compenser pour rephaser toutes les sources à l’entrée du mélangeur UHD. La gestion des commentaires a, elle aussi, suscité quelques traitements et mises en phase délicats à mettre au point.
Préserver une cohérence dynamique et colorimétrique, le principal enjeu de l’UHD/HDR ?
À la complexité de la gestion des deux résolutions HD et UHD et des images SDR et HDR, s’ajoute la combinaison des deux espaces colorimétriques Rec.709 utilisés en HD et BT.2020 de l’UHD. Yves Davot explique que « conserver une cohérence dynamique et colorimétrique tout au long de la chaîne, depuis le stade jusque chez le téléspectateur, n’est pas une mince affaire ».
Les ingénieurs de TF1 ont également été surpris de la disparité des rendus sur les téléviseurs grand public et de la manière de les régler. Il n’est pas rare que les fonctions liées à la 4K, au HDR et à la colorimétrie soient réparties au sein d’une dizaine de menus et de sous-menus, sans parler des profils de préréglage.
Parmi les différents tests effectués, Yves Davot confiait que le profil « cinéma » apparaissait souvent comme le mieux adapté à l’affichage des images de football de la Coupe du Monde (sic). Les forums spécialisés et les réseaux sociaux à l’époque ont relaté la perplexité des téléspectateurs cherchant désespérément une image UHD de qualité sur leur téléviseur tout neuf et acheté pour l’événement.
Lors de la conférence du Satis consacrée au thème de l’UHD en diffusion, Hervé Pavard, directeur des technologies et des systèmes d’information du groupe TF1, a expliqué que pour diffuser les images UHD de la Coupe du Monde, il avait choisi d’équiper le siège de la chaîne avec les écrans d’une seule marque, et que malgré cette précaution, il avait fallu plusieurs matchs avant d’obtenir une reproduction satisfaisante des images. La Coupe du Monde de football est l’un des premiers évènements couverts sur une longue période en UHD/HDR à partir de plusieurs sites.
À l’issue de cette longue opération, Hervé Pavard fait part de ses interrogations sur l’intérêt du HDR pour des évènements sportifs couverts en live. Il constate que le travail du réalisateur est d’abord centré sur l’action et le suivi du ballon et moins sur composition ou la qualité picturale de l’image. « Les plus belles images HDR que j’ai vues lors de la Coupe du Monde, ont été captées en dehors des temps de jeu. Par exemple au moment de la remise de la Coupe, ou durant les avant-matchs, avec des ciels fabuleux. Je suis un peu dubitatif sur la capacité pour un ingé vision ou une équipe de production à sublimer une image quand le réalisateur et les cadreurs sont avant tout concentrés sur le suivi de l’action. »
Il pense que ce travail pour enrichir l’image et exploiter les capacités du HDR concernera des émissions plus écrites ou scriptées comme des shows de variétés pour lesquels les équipes pourront mieux travailler les cadrages et les effets de lumière. « L’image HDR est belle, mais il n’y a pas encore tout à fait l’effet “waouh” attendu. » Il constate d’ailleurs que l’apport du HDR est moins convaincant sur les téléviseurs grand public que sur le moniteur professionnel, comme le Sony BVM-X300, qui sert à de nombreux tests et démonstrations dans les salons.
Plusieurs constats se dégagent à partir de ces premières diffusions réelles jusqu’au téléspectateur en UHD et HDR. L’extension de la dynamique de l’image apporte un gain réel sur le plan visuel, mais avec des contenus créés et mis en lumière de manière spécifique. Tous les tournages ou évènements n’exigent pas un rendu avec une dynamique élargie. Le compromis actuel nécessaire pour offrir une image de qualité à la majorité des spectateurs encore équipés en dalles SDR ne permet pas d’exploiter tout le potentiel de l’espace 3D offert par la combinaison du gamut et de la dynamique élargie.
Beaucoup d’intervenants ont aussi relaté les difficultés pour configurer les écrans TV dans le bon mode et profiter pleinement du gain qualitatif apporté par le HDR et le gamut élargi. Les constructeurs de téléviseurs doivent concentrer leurs efforts sur l’ergonomie des menus et stabiliser les systèmes de détection des signaux. Le nombre de combinatoires de codages est sans doute trop important avec un manque de stabilité dans la gestion des métadonnées. Les deux technologies, wide color gamut et HDR, offrent de nouvelles perspectives pour renforcer l’impact des images UHD, mais il est évident qu’un long travail expérimental et de maîtrise technique est encore nécessaire pour obtenir l’effet « waouh » tant attendu.
L’enregistrement de la conférence du Satis 2018 consacrée aux retours d’expérience des premières diffusions UHD/HDR est disponible en suivant le lien Place à l’UHD chez TF1 (Web TV Satis – Hervé Pavard) (Web TV Satis – Hervé Pavard)
Article paru pour la première fois dans Mediakwest #30, p.76/80. Abonnez-vous à Mediakwest (5 numéros/an + 1 Hors-Série « Guide du tournage ») pour accéder, dès leur sortie, à nos articles dans leur intégralité.
