Ultra HD Premium, la vraie Ultra HD
Les écrans Ultra HD existent depuis plus de deux ans maintenant, mais manquent encore de sources vidéo adaptées. Seuls les services de streaming comme Netflix ont pour l’instant commencé à fournir du contenu UHD. Pour les deux principales sources de vidéos que sont les chaînes de TV et les Blu-ray, les contenus UHD se font encore attendre. Car il faut que toute la chaîne de diffusion s’accorde sur des standards compatibles. De l’enregistrement jusqu’à l’affichage, en passant par la distribution. Les Blu-ray Ultra HD arriveront en mars, avec des platines compatibles, un codec prêt (HEVC) et une interface adaptée (HDMI 2.0a). Il nous faut maintenant des écrans capables d’en tirer parti.
Côté écran, la dernière évolution en date, c’est la mise en place officielle du standard UHD Premium, visant à distinguer les écrans capables d’afficher l’Ultra HD dans la meilleure qualité, avec tous ces raffinements. Car l’industrie souhaite nous servir une Ultra HD qui ne se résume pas seulement en une définition accrue. D’autres évolutions s’y sont greffées : couleurs 10 bits, espace colorimétrique élargi, taux de contraste et luminosité records pour afficher des contenus HDR. Autant de conditions sine qua non pour les téléviseurs qui souhaitent arborer le logo Ultra HD Premium sur leur cadre. Des conditions qui disqualifient la quasi-totalité des téléviseurs actuels, même les derniers modèles estampillés Ultra HD !
Alors pour passer sans mauvaise surprise à l’UHD Premium, voilà tout ce qu’il vous faut savoir.
La norme UHD Premium en détails
Afficher de l’Ultra HD
La première condition est simple : elle consiste à afficher une définition Ultra HD de 3840 x 2160 pixels. Ce que toutes les télés UHD actuels peuvent faire. Attention, il ne s’agit pas ici d’afficher une définition 4K, légèrement plus importante (4096 x 2160 pixels), et toujours réservée au cinéma (mastering et projection).
Les autres conditions seront les plus difficiles à satisfaire. Car elles consistent à préparer le terrain pour la technologie désormais la plus attendue : le HDR, pour High Dynamic Range. Cette technique consiste à ajouter des métadonnées au flux vidéo pour afficher plus de couleurs et plus de teintes sur une plage dynamique bien plus large que celle des sources vidéo actuelles. L’objectif est de restituer des détails visibles dans des zones très sombres de l’image, autant que dans d’autres zones très lumineuses. Tout ceci pour se rapprocher des capacités réelles de l’œil humain.
Gérer un signal codé sur 10 bits
L’écran doit d’abord gérer un signal vidéo dont la profondeur de couleur est codée sur 10 bits au lieu de 8 bits. C’est-à-dire 1024 teintes sur chaque canal de couleur primaire (rouge, vert, bleu), au lieu de 256 auparavant. Résultat : il sera possible d’afficher plus d’un milliard de couleurs au total, contre 16 millions avant. Attention, les téléviseurs devront surtout décoder ce signal 10 bits, sans forcément être capables d’afficher sur leur dalle la totalité du milliard de teintes qu’il peut encoder.
Les TV les plus récents peuvent gérer un signal 10 bits sans problème. Le principal avantage du 10 bits est d’assurer des dégradés parfaits, notamment dans les zones sombres, sans effet de banding (ou postérisation). Si certains téléviseurs actuels (notamment chez Sony) sont capables d’appliquer des filtres très efficaces de debanding en temps réel sur des sources codées en 8 bits, la technologie HDR exige, de l’avis de tous, un codage sur 10 bits pour ne pas être handicapée. Certains souhaitaient même un signal 12 bits, mais les ingénieurs ont coupé la poire en deux.
Élargir son espace de couleurs (gamut)
Les téléviseurs devront aussi pouvoir décoder une source vidéo encodée dans l’espace de couleur BT.2020 (ou REC. 2020), soit le plus large espace de couleur jamais standardisé pour les écrans. Ne rêvez pas, les TV ne pourront pas restituer la totalité de cet espace dès cette année. La certification UHD Premium n’impose que le décodage de cette source BT.2020, pas son affichage.
Pour l’affichage, l’UHD Premium est moins exigeant, mais se place au maximum des capacités actuelles des écrans de télévision : il leur faudra restituer visuellement 90 % de l’espace de couleur DCI P3, celui des projecteurs de cinéma. C’est un gamut déjà très large et difficile à satisfaire, même par les téléviseurs qui seront lancés cette année. Pour les téléviseurs LCD, cela passera impérativement par la technologie de rétroéclairage LED avec points quantiques (Quantum Dot et équivalent), ou par l’utilisation de LED de différentes couleurs et de phosphores (tels que sur les écrans GB-LED ou RG-LED). Le résultat est particulièrement visible sur les tons rouges et verts, beaucoup plus saturés et intenses à l’écran.
Pendant un bon moment, tous les téléviseurs UHD Premium à venir devront donc intégrer une matrice de conversion des couleurs (3D LUT, pour 3D Look Up Table), afin de replacer les couleurs de la source vidéo BT.2020 en fonction de leurs propres capacités d’affichage, sans dénaturer le réalisme de l’image.
Le HDR oblige à tout repenser
Adieu gamma, bonjour PQ
Pour comprendre le HDR, il faut comprendre la manière dont les écrans actuels affichent la réalité. Dans le monde réel, les écarts de luminosité sont bien plus élevés, de plusieurs dizaines de milliers de cd/m2 dans les zones éclairées et seulement quelques centièmes de cd/m2 dans les ombres. Aucun écran n’est capable de reproduire de tels écarts (et aucune caméra n’est capable de les capter). Face à une plage dynamique aussi large, et avec un taux de contraste aussi énorme, il est indispensable d’encoder de manière cohérente la luminance des teintes et des images. C’est ce qu’on appelle communément le gamma, mais qu’il serait plus juste de nommer EOTF (electro-optical transfer function) : la conversion d’un signal numérique en lumière visible sur un écran.
Le gamma actuel fut conçu en fonction de la physique des téléviseurs à tube cathodique (CRT). Il consiste à compenser l’irrégularité de la luminosité émise par les phosphores de l’écran lorsqu’ils sont bombardés par les électrons émis par le tube cathodique. Cette méthode de restitution de la luminosité, qui existe depuis longtemps, mais qui n’a été standardisée qu’en 2011 par la SMPTE (Society of Motion Picture & Television Engineers), n’est plus adaptée au HDR et aux nouvelles technologies d’affichage, notamment car elle est incapable de différencier les tons les plus sombres.
Le gamma corrige la non-linéarité de l’émission des écrans CRT.
Les ingénieurs de Dolby Laboratories ont donc décidé de se baser sur la perception de l’œil humain, indépendamment de la technologie d’affichage. Ils ont mené plusieurs expériences visuelles avec des cobayes humains, sur un afficheur capable de restituer des noirs très profonds (0,004 cd/m²) et des blancs extrêmement lumineux (20 000 cd/m²). La perception du noir dépend de l’ouverture de l’iris de l’œil : un spectateur ne percevra pas une teinte très sombre de la même manière, s’il est dans une pièce éclairée ou dans le noir complet. De même, après quelques secondes, ce qui lui paraissait totalement noir, peut devenir plus lumineux.
Dans le cadre de leurs recherches sur leur standard HDR (nommé Dolby Vision), les ingénieurs de Dolby ont ainsi mis en équation la notion de Perceptual Quantizer (PQ), qui prend en compte la perception humaine du contraste dans différentes conditions, en restituant plus d’informations dans les zones très sombres et très lumineuses d’une image, et en gardant un bon équilibre sur des écrans dont la luminosité est variable, de 500 à 10 000 cd/m². Et ce ne fut pas en vain, puisque le PQ vient d’être choisi par la SMPTE pour remplacer l’ancien gamma, sous le standard ST-2084. Les écrans UHD Premium devront donc gérer ce standard, essentiel pour les futures technologies de rendu HDR.
De la même manière que pour les couleurs, il est prévu dans les métadonnées HDR un système de correspondance des tons (tone mapping) qui permettra à l’écran d’adapter la plage dynamique de la source vidéo à la sienne. Ce système pourrait donc bénéficier aussi aux écrans qui pourront décoder un signal HDR sans en avoir les capacités d’affichage.
Afficher un taux de contraste gigantesque
Voilà un autre défi très difficile à relever, en directe relation avec la nouvelle notion de Perceptual Quantizer. Dans cette logique de perception visuelle, les écrans devront satisfaire l’une ou l’autre de ces deux conditions :
- Afficher des pics lumineux de 1000 cd/m² tout en préservant des noirs à 0,05 cd/m². Cette condition s’adresse clairement à la technologie LCD, capable de monter très haut dans les blancs, mais ayant du mal à afficher des noirs très profonds. C’est un taux de contraste imposé de 20 000:1, mais cette valeur n’est pas qualifiante pour autant : par exemple, un écran affichant un pic à 2000 cd/m² et des noirs à 0,1 cd/m² ne sera pas certifié UHD Premium, même si son taux de contraste est bien de 20 000:1. Des noirs d’une luminosité inférieure à 0,05 cd/m² sont indispensables.
En l’état actuel des technologies, seuls les écrans LCD dotés d’un rétroéclairage Full LED (ou Direct LED) avec « local dimming » seront capables de remplir ces conditions. Ces téléviseurs sont équipés d’un tapis de plusieurs centaines de LED couvrant toute la surface de la dalle. Ces LED diminuent leur luminosité ou s’éteignent derrière les zones les plus sombres de l’image. Les écrans à dalle LCD de type VA (la majorité des TV Sony, Sharp ou Samsung, par exemple) auront plus de facilité à remplir ces conditions, car ils peuvent afficher des noirs très profonds (jusqu’à environ 0,01 cd/m²). Ce sera beaucoup plus délicat pour les dalles IPS et leur faible taux de contraste natif de 1000:1 (les TV LCD LG, par exemple).
- Afficher un pic lumineux de 540 cd/m² en allant très loin dans les noirs, à 0,0005 cd/m². Cette condition s’adresse plutôt aux écrans à technologie OLED. Ces derniers n’ont aucune difficulté à rendre des noirs parfaits, car les pixels OLED produisent leur propre lumière. En revanche, ils sont incapables d’afficher de très fortes luminosités. Le taux de contraste imposé est donc ici de 1 080 000:1 ! Les téléviseurs OLED LG ne devraient pas avoir de difficulté à remplir cette condition.
Une illustration du rétroéclairage Direct LED à local dimmmingTout n’est donc qu’une question de perception humaine : avec des pics lumineux à 1000 cd/m², l’œil aura l’illusion d’un noir parfait à 0,5 cd/m² (iris contracté). Avec des pics à 540 cd/m², il lui faudra des noirs beaucoup plus profonds pour créer cette même illusion (iris dilaté). De même, les écrans LCD très lumineux auront l’avantage dans des pièces très éclairées, tandis que les écrans OLED seront imbattables dans une pièce très sombre.
Une question subsiste : comment ces valeurs seront-elles mesurées pendant la certification ? Sur quel type d’image ? Le pic lumineux de 1000 cd/m² doit-il être atteint sur toute la surface de la dalle ou juste sur un pourcentage de sa surface totale ? Les principaux fabricants de TV faisant partie de l’UHD Alliance, nul doute que la certification UHD Premium devrait être assez… souple !
Les sources UHD Premium arrivent tout juste
Quelle norme HDR ?
Plusieurs normes HDR ont vu le jour (notamment celles de la BBC, de Philips ou de Technicolor), mais deux semblent pour l’instant avoir un avantage de taille :
- Le HDR10 (HDR-10 ou Open HDR), vient s’imposer comme le dénominateur commun entre les différents systèmes de diffusion et d’affichage. Tout simplement car il met en place les deux certifications SMPTE essentielles pour la technologie : le transport des métadonnées dans le flux vidéo (SMTPE ST-2086, que le HDMI 2.0a respecte) et le nouveau gamma perceptuel (SMPTE ST-2084 EOTF, que les téléviseurs UHD Premium respectent). De son côté, le Blu-ray Ultra HD s’est aussi résolu à respecter la norme HDR10. C’est aussi le standard choisi par Netflix et Amazon Instant pour leurs flux vidéo HDR
- Quant à la technologie HDR Dolby Vision, elle a déjà gagné la bataille de la redéfinition du gamma. Le Dolby Vision est un HDR très poussé, codé sur 12 bits, et adapté à des écrans extrêmement lumineux (10 000 cd/m²). La technologie semble très bien partie pour s’imposer chez les studios dans le mastering des films. À l’heure actuelle, de nombreux films HDR ont été masterisés, ou remasterisés, en studio sur des écrans à 4000 cd/m² Dolby Vision. Du coup, il est possible que les fabricants de téléviseurs compatibles Dolby Vision nous servent un marketing à base de « qualité Master »… Notez, par ailleurs, que cette techno se contente d’une interface HDMI 2.0.
Attention, les téléviseurs actuels, même mis à jour pour gérer le HDR, ne pourront pas tous être 100 % compatibles. Ceux qui n’ont que des entrées HDMI 2.0 (et pas HDMI 2.0a) pourront lire des flux HDR en streaming, mais pas à partir d’une platine Blu-ray sur interface HDMI !
Exemple simulé des apports du HDR. (Image : Dolby Laboratories)
Le Blu-ray Ultra HD
Après plusieurs mois de retard, le Blu-ray UHD devrait arriver en mars avec de nouvelles platines capables de le lire. Ce support pourra bien stocker une vidéo conforme au standard UHD Premium : une définition UHD encodée en HEVC (H.265), codée sur 10 bits et sur un espace de couleurs BT. 2020, avec métadonnées HDR au standard SMPTE ST-2086. Le support du Dolby Vision est aussi prévu de manière optionnelle. Autre grande nouveauté, la possibilité de monter à 60 images complètes par seconde (progressif). Une inconnue persiste toutefois pour les vidéos encodées à 48 images par seconde, comme la trilogie The Hobbit.
Pour gérer toutes ces informations, les disques Blu-ray UHD existeront en différentes capacités :
- 50 Go sur deux couches de 25 Go : débit typique de 92 Mbit/s
- 66 Go sur deux couches de 33 Go : débit typique de 123 Mbit/s
- 100 Go sur trois couches de 33 Go : débit typique de 123 Mbit/s
Le streaming UHD et HDR
Voilà encore un autre format de distribution à prendre en compte. Il semble bien qu’ici aussi, les principaux services de vidéo à la demande (Amazon Instant et Netflix) soient résolus à respecter le standard HDR-10. Cependant, Netflix a pris du retard sur la technologie HDR. La firme privilégie pour l’instant la définition UHD/4K, offrant le plus grand nombre de programmes dans cette définition. Le HDR de Netflix, prévu à l’origine pour 2015, n’arrivera finalement que cette année avec la seconde saison de la série Marco Polo.
Chez Amazon, les premiers contenus HDR sont déjà arrivés, mais ils ne sont pour l’instant compatibles qu’avec les téléviseurs haut de gamme de Samsung (JS9500, JS900 et JS8500). Notez qu’en termes de débits, le HDR est une évolution plus facile à gérer pour les services de streaming, car il n’augmente le débit que de 20 % pour des sensations visuelles vraiment remarquables. Ces derniers devraient développer le HDR sur des définitions Full HD (voire 2560 x 1440 pixels), en restant accessibles sur des connexions ADSL.
Et la télévision ?
C’est encore un autre problème. Le HDR sur nos chaînes de télévision se fera attendre, comme l’Ultra HD. Pour l’instant, le standard HDR proposé par la BBC (télévision publique britannique) semble être le plus adapté, car techniquement très simplifié. Mais la qualité de son rendu HDR est forcément plus basique. Comme d’habitude, la technologie HDR devrait d’abord arriver sur les bouquets satellites haut de gamme.
La question de la consommation
Notez qu’une nouvelle contrainte vient se greffer à cette certification UHD Premium : la question de la consommation électrique des écrans. Ces derniers devront pomper plus d’énergie pour afficher de fortes luminosités, mais devront toujours respecter les normes européennes de consommation électrique, ce qui risque de leur poser des difficultés supplémentaires.
Encore bien peu de téléviseurs certifiés Ultra HD Premium
Tout d’abord, il semble bien que la catégorie des vidéoprojecteurs grand public soit mise à l’écart par la certification UHD Premium. Aucun ne pourra respecter toutes les conditions, spécialement concernant le taux de contraste exigé. Il faudra attendre la démocratisation des projecteurs laser, seule technologie apte à délivrer la luminosité suffisante.
Ensuite, chez les fabricants de téléviseurs, tout n’est pas encore très clair. Lors du dernier CES 2016, la majorité des fabricants ont présenté des téléviseurs annoncés « prêts pour la technologie HDR », mais peu se sont avancés à arborer la certification UHD Premium.
Chez Samsung : SUHD 2016 = UHD Premium
C’est surtout Samsung qui s’est distingué dans ce domaine, en présentant toute une gamme de TV SUHD ayant eu le privilège d’être certifiée UHD Premium avant les autres. On parle ici bien des téléviseurs SUHD lancés en 2016, pas des précédents.
Le Samsung KS9500.
La marque a présenté son nouveau fer-de-lance SUHD, le KS9500, qui sera donc l’un des téléviseurs les plus performants de l’année, prêt pour afficher des vidéos HDR. Samsung explique que le KS9500 couvre un gamut encore plus large, grâce à un rétroéclairage par points quantiques amélioré. Le plus surprenant, c’est que le rétroéclairage de l’écran soit un classique Edge LED (LED sur les bords), et pas un Full LED. Samsung semble avoir compensé ce handicap par un revêtement nanostructuré Moth Eyes sur la dalle, réduisant les reflets et les effets de blooming (halo lumineux apparaissant autour des objets brillants). Autre surprise, les téléviseurs SUHD de Samsung ne prendront pas en charge le standard HDR de Dolby (Dolby Vision). Elles sont compatibles avec le standard Open HDR, soutenu par le SMPTE et adopté par le Blu ray Ultra HD.
Chez Philips : compatibilité Open HDR et Dolby Vision
Les téléviseurs UHD de Philips seront tous compatibles avec la norme Open HDR (ou HDR10 ou HDR-10). Et deux modèles très haut de gamme vont gérer le HDR Dolby Vision : les 55 et 65 pouces de la série 8600 (55PFL8601/F7 et 65PFL8601/F7). Ces derniers auront un rétroéclairage Full LED local dimming et pourront couvrir 82 % de l’espace de couleur BT.2020, ce qui est énorme. La série 8900 pourra même couvrir 87 % de cet espace ! Le fabricant ne parle toutefois pas encore de certification UHD Premium. Le revêtement Moth Eyes est de la partie (Philips fut le premier à l’exploiter).
Chez Panasonic : rétroéclairage Full LED ultrapoussé, UHD Premium
Panasonic a présenté le DX900, un téléviseur LCD qui mise sur son rétroéclairage pour concurrencer la technologie OLED. Le tapis de LED qui couvre toute la surface de la dalle est divisé en 512 zones de variations indépendantes pour une plus grande précision dans le contraste de l’image, avec une structure en nid d’abeille pour aussi limiter les fuites de lumière autour des objets brillants. Ce téléviseur, disponible en 55 et 65 pouces (TX-65DX900 et TX-55DX900) est bien certifié UHD Premium (et toujours THX) avec une compatibilité HDR, même si Panasonic évoque un taux de contraste de « seulement » 10 000:1 et un gamut large (mais inconnu). Ce TV aurait aussi une matrice de conversion de couleurs 3D LUT très avancée. Nul doute que ce modèle sera l’un des plus intéressants du marché en 2016.
Structure de l’écran HDR Panasonic DX900.
Chez Sony : Open HDR, sceptique sur l’UHD Premium
Sony a présenté au CES 2016 un prototype de téléviseur offrant une luminosité de 4000 cd/m². Mais les téléviseurs prévus pour cette année seront plus raisonnables. Avec un logo « 4K HDR » signé Sony, mais sans certification UHD Premium pour l’instant. La couverture d’une large gamme de couleurs est bien au rendez-vous (Sony était premier sur le rétroéclairage par points quantiques avec les dalles Triluminos). Sept modèles 4K sont compatibles avec la norme Open HDR, mais Sony affirme n’avoir pas encore décidé de demander la certification UHD Premium. Seul le modèle très haut de gamme de 75 pouces (XD9405) est équipé d’un rétroéclairage Full LED (ou Direct LED).
Chez LG : de l’OLED difficile à surpasser
Chez LG, les écrans OLED Signature 65G6 et 77G6 (respectivement 10 000 et 30 000 euros) sont certifiés UHD Premium, avec une luminosité maximale annoncée à 800 cd/m², une véritable prouesse pour de la technologie OLED. Les modèles milieu de gamme (55E6 et 65E6 à 4000 et 6000 euros) monteront à 540 cd/m², pour rester certifiés UHD Premium. Les versions d’entrée de gamme seront moins lumineuses (55B6 et 65B6). En revanche, tous sont compatibles Open HDR et Dolby Vision, et peuvent couvrir 99 % du gamut DCI P3 !
Chez Sharp : HDR et points quantiques
Pour la première fois chez Sharp, le nouveau téléviseur haut de gamme N9000 est doté d’une technologie de type Quantum Dot, capable de couvrir 91 % du gamut REC. 2020 et 90 % de l’espace DCI P3. Ce TV est compatible HDR, mais il monte « seulement » à 800 cd/m². Son rétroéclairage Full LED se fait sur 192 zones d’atténuation indépendantes (relativement peu) pour la version 70 pouces. Les modèles N8000 et N7000 seront aussi compatibles HDR, avec un rétroclairage Full LED à local dimming pour le N8000. Le fabricant n’évoque aucune certification UHD Premium pour l’instant.
Chez Hisense : ULED 3.0 et HDR
Le fabricant chinois Hisense met le paquet avec la nouvelle technologie ULED 3.0 sur les modèles 55H8 et 65H9 : rétroéclairage Direct LED local dimming sur 576 zones, contraste dynamique de 10 000:1, pics lumineux à 1000 cd/m², et du Quantum Dot pour couvrir 100 % du gamut DCI P3 et 91 % de l’espace Rec.2020. Ces téléviseurs sont annoncés compatibles HDR. Mais ici encore, pas de certification UHD premium pour l’instant.
Chez TCL : compatibilité Dolby Vision
Le nouveau fleuron du chinois TCL, c’est le S99 X1 (U65S9906) qui intègre notamment six haut-parleurs Harman Kardon en façade. Il est annoncé compatible HDR Dolby Vision, avec un pic lumineux à 1000 cd/m² et un filtre Quantum Dot pour un large gamut. Ici encore, pas de vertification UHD Premium pour l’instant.
