Entrelacement (vidéo)

En août 1931, Ulysse Armand Sanabria présente son prototype de caméra à balayage mécanique. Son appareil exploite le principe du balayage entrelacé et génère une succession de demi-images ou trames vidéo ainsi qu'un signal de synchronisation.

La télévision se développe comme média de masse après la seconde guerre mondiale. Ses images doivent être retransmises par modulation hertzienne, à l'instar de la radio. Pour réduire les coûts et la complexité industrielle des appareils récepteurs, il est nécessaire de réduire le plus possible, la bande passante d'émission à exploiter. Jusqu'aux années 1940, les autorités de répartition du spectre hertzien réservent le bas de la bande VHF pour la télévision d'avant-guerre. Pour obtenir un succès commercial, l'effort d'investissement doit être pris en charge par les opérateurs et diffuseurs mais ne doit pas être répercuté sur le prix d'achat des appareils récepteurs ou des téléviseurs.

Le Russe Léon Thérémine, les deux Américains Randall Ballard de la société RCA et surtout Ulysse Armand Sanabria sont les principaux inventeurs du principe de l'entrelacement ; Sanabria élabore le premier la technique et, en janvier 1925, il dépose le brevet d'un dispositif « intercalated scanning », littéralement « balayage intercalé » puis un autre brevet en 1931, avant celui de Ballard - RCA. Léon Thérémine dépose le sien aux États-Unis, le 28 février 1928[2].

Sanabria fonde son entreprise en 1929 et prépare la fabrication d'émetteurs de télévision exploitant le principe de l'entrelacement. L'ingénieur supervise durant cette période, la production de 24 stations d'émission dotés de la même technologie[4].

En 1938, le principe de l'entrelacement est expérimenté dans les laboratoires de Philo Farnsworth, affichant une image de réolution 441 lignes entrelacées, sur le principe développé par Telefunken en Allemagne ; l'ingénieur américain observe alors l'efficacité de la technologie : « « le résultat était une trame fine, homogène, sans sautillement, ni papillotement» »[5].

Entre les années 1950 et 1980, le balayage entrelacé est l'unique mode d'affichage en télévision, alors que le mode progressif commence à apparaître à la fin des années 1970, pour l'univers de l'affichage vidéo informatique ; mais avant l'apparition des écrans plats notamment LCD, le mode enrelacé reste exploité par les ordinateurs, conformément aux formats internationaux recommandés par la Video Electronics Standards Association (VESA), avec les signaux couleur de tyope RVB comme de type vidéo composante[6].

La première norme de télévision à balayage progressif adoptée en 1986 est le HD Mac. Ce système peut exploiter un format intermédiaire de 1.250 lignes à balayage entrelacé (trame de 625 lignes), soit à balayage progressif à résolution 1.250 lignes, 25 fois par seconde[3].

Lancée en septembre 1988, la norme japonaise MUSE de télévision Haute Définition exploite 1.125 lignes au mode entrelacé, avec une fréquence de trame de 60 Hz[7]. Toutefois, comme le HD Mac, cette norme analogique est abandonnée au milieu des années 1990 avec l'introduction des normes de télévision numérique.

À la fin des années 1990, alors que les normes de télévision numérique terrestre et la connectique HDMI ne sont pas encore adoptées par les fabricants au plan international, l'arrivée des lecteurs DVD-vidéo permettant de produire un signal vidéo progressif marque un tournant[8].

Comme le démontre l'analyse publiée en 2018 par Broadcast Engineering Conservation Group (en), traditionnellement, l'entrelacement est une technologie de réduction du scintillement[9] qui permet d'afficher un nombre donné de lignes avec un doublement effectif de la fréquence d'images sans pénaliser la vitesse d'affichage des lignes et la bande passante vidéo. Aujourd'hui, il s'agit simplement de réduire la bande passante et le débit de données, car ce n'est pas le cas avec les affichages contenant un bloqueur d'ordre zéro. « Il faut se rappeler qu'ils utilisaient initialement la bande de diffusion à ondes moyennes avant de passer à la gamme de 2 mc/s sous les ordres de la Federal Radio Commission. Cela suggère que la réduction de la bande passante était son objectif, pas la réduction du scintillement[2]. »

En 1938, l'entrelacement s'impose par rapport au mode progressif, notamment « pour éviter les inconvénients du scintillement, sans avoir à recourir à une cadence de transmission exagérée ; ainsi par exemple, au lieu de retransmettre 25 images de 400 lignes, on transmettra 50 fois 25 demi-images de 200 lignes[10]. »

Pour reconstituer l'impression de mouvement, une dizaine d'images par seconde suffisent — pour éviter le papillotement vidéo, les projecteurs de cinéma insèrent une coupure au milieu de la projection de chaque image. Les écrans cathodiques inscrivent l'image séquentiellement le long de lignes horizontales. Le point qui s'illumine au passage du faisceau d'électrons qui balaye l'écran s'éteint progressivement. Pour qu'on puisse reproduire l'effet de mouvement, ce point doit être complètement éteint avant que l'image suivante ne s'affiche. Le balayage entrelacé permet de limiter le papillotement vidéo sans augmenter sensiblement les caractéristiques de la retransmission et préserver ainsi, le coût industriel du téléviseur ou du récepteur.

L'entrelacement permet de transmettre avec une résolution verticale double à la fréquence image, tout en limitant le papillotement par un passage deux fois dans le temps d'une image. Pour une image fixe, l'ordre de renouvellement des lignes n'a aucune incidence. Les images ou trames que le spectateur observe, il perçoit une pleine résolution.

Pour une caméra vidéo comme pour un téléviseur, l'entrelacement procure une solution simple et économique qui ne nécessite que d'identifier la trame impaire et la trame paire, dans le signal de synchronisation vidéo composite.

Compatible avec la télévision en couleurs introduite au milieu des années 1950, l'entrelacement reste présent dans certains pays du monde, notamment ceux qui n'ont pas encore abandonné la télédiffusion analogique.

Inconvénients

Détail de l'image entrelacée d'un objet en mouvement. Les lignes paires et impaires représentent des moments à 0,02 s d'écart

Le balayage entrelacé est composé de deux trames décalées dans le temps, exploitant chacune, la moitié du temps d'une image complète. Lors d'un déplacement horizontal ou mouvement panoramique, un objet en mouvement latéral apparaît décalé d'une trame à l'autre. Lors de l'affichage, ce phénomène correspond approximativement à un flou de bougé, limitant l'impression de mouvement saccadé. Le décalage entre lignes paires et lignes impaires produit un effet de peigne sur l'image arrêtée ou sur certains effets de ralenti.

L'image numérique transmet les images dans un flux compressé, qui exploite la similitude entre images successives pour réduire le débit d'informations. L'affichage recalcule chaque image par différence avec l'image précédente. Dans une image à balayage entrelacé, la progression du mouvement est décalée dans chaque trame, ce qui complique notablement le travail des algorithmes traitant l'image numérisée. En 2004, cette opération est complexe et on parvient alors à de meilleurs résultats avec des images en balayage progressif, dans lequel on peut considérer que l'ensemble correspond au même instant, conformément au théorème d'échantillonnage[11]. Toutefois, ces difficultés sont résolues avec l'introduction d'algorithmes de codage plus évolués, notamment les différentes versions successives des codecs AVC H.264 et HEVC H.265.

Affichage successif des trames impaires et paires, avec retours de ligne invisibles

Une image se décompose en deux trames consécutives, une trame paire et une trame impaire. Une trame est une image de demi-définition verticale. Le nombre de lignes dépend de la norme continentale, 525 en Amérique, 625 en Europe, desquelles il faut retirer pour chaque trame, vingt ou vingt-cinq lignes qui servent à la synchronisation et au retour du balayage en haut de l'écran, plus lent que le retour de droite à gauche pour des raisons techniques.

La diffusion hertzienne continue à exploiter le mode entrelacé. En France, cette obligation s'impose pour les chaines diffusées via la Télévision Numérique Terrestre : « Le signal vidéo correspond aux caractéristiques 1080i (entrelacé) à 25 images/seconde de ces normes, quel que soit le format du signal vidéo d'origine[12] ».

Dans une caméra vidéo, la généralisation du capteurs CCD remplace le balayage cathodique de l'image par un échantillonnage des niveaux lumineux sur chaque pixel, dans un registre de transfert qui constitue une image matricielle complète. Ce registre dit « à transfert de charge » sérialise l'exposition chaque zone optique capturée. Certains CCD sont conçus spécialement pour la vidéo entrelacée[13]. Bien que la transmission de l'image matricielle se fasse en série, l'ensemble des pixels correspond au même instant. Si, pour des raisons de compatibilité avec les systèmes anciens, on souhaite continuer à transmettre des lignes entrelacées, on peut le faire ; mais ce n'est plus une nécessité. Les capteurs récents produisent, si nécessaire, une image entrelacée par interpolation numérique à partir des images matricielles complètes[14].