Visualisation d’images animées, du CRT au LCD, concepts technologiques et nouveaux enjeux

Systèmes d’affichage électronique, évolution et limites du CRT

Un système d’affichage électronique est un dispositif qui présente une information visuelle, générée à partir d’un signal d’entrée électrique, soit par émission de lumière, soit par modulation d’une source lumineuse existante. Les premiers systèmes d’affichage électronique apparaissent lors de l’avènement de la télévision au milieu du 20`eme siècle. Les téléviseurs de l’époque sont constitués d’un tube cathodique par l’intermédiaire duquel un faisceau d’électrons vient exciter les luminophores présents sur l’écran. Soixante ans plus tard, le principe de fonctionnement des écrans à tube cathodique n’a pas changé. Cependant, après un demi-siècle d’améliorations et de perfectionnements, l’écran à tube cathodique a atteint ses limites, ouvrant la voie à de nouveaux systèmes d’affichage électronique au fonctionnement radicalement différent.

Concepts de base

Structure d’un système d’affichage

La chaîne complète d’un système d’affichage peut être divisée en quelques éléments de base , présents dans n’importe quelle application sous une forme ou une autre. L’image source peut prendre de nombreuses formes : une scène naturelle vue à travers un capteur optique (appareil photographique, caméra), ou encore une information structurée traduite sous une forme visuelle (texte, diagrammes, etc.). Le traitement de l’image est nécessaire pour convertir l’information brute issue de la source dans une forme qui soit adaptée au reste du système (et plus particulièrement au système d’affichage). La « correction gamma» est un exemple de traitement simple effectué en amont d’un système de diffusion pour la télévision. En synthèse d’images, c’est le « rendu » qui consiste à écrire l’image dans la mémoire tampon sous une forme affichable (conversion de la représentation 3D d’une scène vers une image 2D par exemple).

La transmission de l’image a pour but d’acheminer l’information jusqu’à l’écran. Les images peuvent être transmises au fur et à mesure de leur acquisition. Elles peuvent aussi être stockées en prévision de leur affichage. Le stockage peut prendre diverses formes selon les applications : enregistrement sur un DVD, dans la mémoire d’un appareil photo, ou encore dans la mémoire tampon d’un système de synthèse d’images. La zone de stockage d’un système d’affichage peut servir à différer la présentation des images à l’observateur. C’est aussi souvent à ce niveau qu’une image formée de plusieurs composantes est reconstruite et formatée de manière à constituer l’image finale vue par l’observateur. Dans ce mémoire de thèse, nous nous focalisons sur les deux derniers éléments, à savoir l’écran et l’observateur. Ce dernier est certainement la partie la plus importante de la chaîne puisque c’est lui qui va déterminer les pré-requis du système d’affichage en termes de performances et de qualité. Il est important de garder à l’esprit qu’idéalement un système d’affichage doit répondre aux besoins de la vision humaine en s’appuyant sur les limitations de celle-ci.

Notions et terminologie

Pixels et image 

Un écran peut être vu comme une matrice de points lumineux, désignés par le terme « pixel » (de l’anglais picture element). C’est la juxtaposition de plusieurs milliers (voire millions) de ces pixels qui forme l’image. Chaque pixel constitue donc un point de l’image, défini par sa position et par sa valeur (couleur). La couleur d’un pixel est créée à partir de trois couleurs primaires, généralement le rouge, le vert et le bleu. Un pixel est donc en réalité constitué de trois sous pixels  qui émettent chacun une des couleurs primaires avec plus ou moins d’intensité. La combinaison des trois couleurs primaires à différents degrés d’intensité permet de reproduire une couleur donnée, grâce au caractère trichromate du système visuel humain .

Il convient ici de différencier le pixel d’une image et le pixel d’un écran. Le pixel d’une image est un élément ponctuel sans dimension qui correspond à un échantillon discret de l’image originale (continue). Le pixel d’un écran a une dimension physique donnée. Cette dimension est d’importance et ne doit pas être perçue par l’observateur sous peine de briser l’illusion de continuité spatiale de l’image affichée.

Résolution, taille et format

La résolution d’un écran est définie comme le nombre de pixels qu’il possède. Il est généralement exprimé par le nombre de pixels contenus dans une ligne suivi du nombre de pixels contenu dans une colonne (ou bien le nombre de colonnes suivi par le nombre de lignes, ce qui revient au même). Par exemple, un écran avec une résolution de 1920 × 1080 pixels possède 1080 lignes de 1920 pixels chacune. Une autre caractéristique importante est la taille de l’écran, c’est à dire sa dimension physique. Celle-ci est généralement mesurée sur une diagonale de l’écran et exprimée en pouces . Les dimensions de l’écran, pour une diagonale donnée, dépendent alors du rapport de la largeur sur la hauteur. Celui-ci est généralement représenté par deux nombres entiers plutôt que par une valeur décimale. Par exemple, 4:3 et 16:9 sont les rapports les plus fréquents pour les télévisions ; on rencontre également les rapports 5:4 et 16:10 pour les moniteurs informatiques. Dans le cas d’une image, on désigne par « format » le nombre de pixels. À titre d’exemple, le format CIF (de l’anglais Common Intermediate Format) correspond à 352 × 288 pixels. Comme pour la résolution d’un écran, le nombre de pixels dans la dimension horizontale (nombre de colonnes) est donné avant le nombre de pixels dans la dimension verticale (nombre de lignes). Dans la littérature, on rencontre également le terme « résolution » pour désigner le format d’une image. L’emploi du terme « résolution », dans un cas comme dans l’autre, est inapproprié. La résolution d’une image s’exprime en pixels par pouce (en anglais, dots per inch, dpi) et correspond au rapport entre le nombre de pixels et la taille physique de l’image. Dans le cas d’un écran, la résolution au sens premier est désignée par le terme pitch, qui correspond à la taille d’un pixel et s’exprime en millimètre par pixel. Dans la suite de ce mémoire nous parlerons cependant de « résolution » pour désigner le nombre de pixels d’un écran, car le terme n’entre pas en conflit avec le pitch et qu’il est largement utilisé. La « taille » d’un écran désignera toujours sa diagonale, sauf mention contraire. Enfin, on préférera parler de « format » pour spécifier le nombre de pixels d’une image ou, plus généralement, le format d’une vidéo .

Fréquence d’affichage et débit d’images
La fréquence d’affichage, ou fréquence de rafraîchissement, d’un écran correspond au nombre de fois que l’écran est mis à jour dans un laps de temps d’une seconde. Elle s’exprime en hertz. On utilise parfois l’écriture 1920 × 1200@60Hz pour spécifier à la fois la résolution et la fréquence de rafraîchissement d’un écran.

Le débit d’images, ou cadence d’images, d’une séquence vidéo correspond à la vitesse à laquelle doivent être présentées les image de la séquence. Elle s’exprime en nombre d’images par seconde, que l’on trouve parfois abrégé en i/s, ou encore fps (de l’anglais frame per second). Les formats de diffusion de la télévision sont généralement spécifiés en mentionnant le nombre de lignes d’une image suivi de la cadence d’images. Par exemple, les formats de diffusion haute-définition sont le 1080/50i, le 720/50p et 1080/50p. Les lettres i et p précisent si le format est entrelacé (en anglais interlaced) ou progressif .

Distinction entre écran et contenu

Il est important de lever toute ambiguïté entre les termes relatifs à l’écran et les termes relatifs au contenu affiché sur celui-ci. Les écrans numériques (ou plus précisément les « écrans à pixels fixes ») tels que les écrans à cristaux liquides ou les écrans plasma ont une résolution dite « native ». Quelle que soit l’image qu’ils reçoivent en entrée, elle sera affichée à la résolution native. Si le format d’entrée est différent de la résolution native de l’écran, l’image devra être transformée de manière à s’adapter à la mosaïque de pixels de l’écran. Si l’image d’entrée est plus grande, elle sera réduite via un processus de filtrage et de sous-échantillonage. Si elle est plus petite, elle sera sur-échantillonnée (bien qu’elle puisse également être affichée sans transformation sur une portion limitée de l’écran). Les opérations de sous- et sur-échantillonage sont effectuées en temps réel par l’écran. Elles ne sont pas simples, particulièrement lorsque le facteur d’échelle n’est pas entier, et introduisent des défauts visuels plus ou moins importants selon la méthode utilisée. Par exemple, utiliser un écran « HD ready » d’une résolution native de 1366 × 768 pixels pour afficher la télévision au format standard (576i) n’apportera pas d’amélioration de qualité, et risque même d’introduire des dégradations. Pour les écrans à tube cathodique (analogique), le problème est différent. S’ils possèdent bien une résolution native, aucune opération de sur- ou de sous-échantillonage n’est nécessaire pour afficher une image d’un format différent. La mise à l’échelle de l’image affichée est inhérente à la technologie utilisée dans les écrans à tube cathodique.

Table des matières

Introduction générale
I Visualisation d’images animées, du CRT au LCD, concepts technologiques et nouveaux enjeux
1 Systèmes d’affichage électronique, évolution et limites du CRT
1.1 Introduction
1.2 Concepts de base
1.2.1 Structure d’un système d’affichage
1.2.2 Notions et terminologie
1.2.3 Distinction entre écran et contenu
1.3 Télévision et écran à tube cathodique
1.3.1 Naissance de la télévision
1.3.2 Écran à tube cathodique (CRT)
1.3.3 Standardisation de la télévision analogique
1.4 Vers une amélioration de la qualité d’usage
1.4.1 Immersion, impact et expérience comparable au cinéma
1.4.2 Limites de l’écran à tube cathodique et de la télévision standard
1.4.3 Conditions pour une qualité d’usage accrue
1.4.4 Nouveaux écrans
1.5 Conclusion
2 Écrans à cristaux liquides, un nouveau contexte
2.1 Introduction
2.2 Les cristaux liquides
2.2.1 La découverte des cristaux liquides
2.2.2 Le cristal liquide en quelques mots
2.2.3 Application aux écrans
2.3 Fonctionnement d’un écran à cristaux liquides
2.3.1 Le panneau d’affichage
2.3.2 L’éclairage
2.3.3 L’adressage des pixels
2.4 Une nouvelle technologie à évaluer
2.4.1 De nouvelles conditions de visualisation
2.4.2 De nouvelles distorsions visuelles
2.4.3 Problématique
2.5 Conclusion
II Mesures photométriques du flou de mouvement sur les écrans à cristaux liquides
3 Le flou de mouvement sur les écrans à cristaux liquides
3.1 Introduction
3.2 Flou de mouvement
3.2.1 Causes
3.2.2 Formation du flou de mouvement
3.2.3 Méthodes de réduction du flou de mouvement
3.3 Réponse temporelle indicielle d’un écran LCD
3.3.1 Mesure de la réponse indicielle
3.3.2 Le temps de réponse
3.3.3 Normalisations concernant le temps de réponse des écrans LCD
3.4 Profil spatial d’un contour en mouvement
3.4.1 Systèmes de mesures du flou de mouvement par dispositifs imageurs
3.4.2 Mesure du flou de mouvement
3.4.3 Largeur de flou
3.4.4 Valeur globale du flou de mouvement pour un écran
3.5 Conclusion
4 Contribution à la mesure du flou de mouvement sur LCD
4.1 Introduction
4.2 Analyse de la formation du flou de mouvement sur le capteur
4.2.1 Signal affiché
4.2.2 Déplacement du capteur
4.2.3 Intégration temporelle
4.2.4 Conséquence
4.3 Mesures du flou de mouvement
4.3.1 Écrans testés
4.3.2 Mesures
4.4 Résultats
4.4.1 Observations
4.4.2 Comparaison des résultats obtenus par chacune des deux méthodes
4.4.3 Relation entre temps de réponse et temps de flou
4.5 Conclusion
III Étude psychophysique du flou de mouvement
Conclusion générale

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