[Dossier] Que faut il savoir quand un fabricant annonce 4K sur ses produits ?

La 4K et l’Ultra HD sont des termes destinés à définir une résolution d’image. Tout appareil affichant 4K/UHD doit répondre à ce critère. Mais il n’y a pas seulement la résolution. Il y a également le respect des couleurs. Ces dernières occupent une place non négligeable au sein des informations transmises par le câble HDMI. Il est possible de les compresser pour alléger le signal, mais au détriment de la qualité vidéo. Quelles sont les conséquences ? Comment être sûr de choisir le produit respectueux du signal ?

Transmission haut débit de la 4K/UHD

Lors de la transmission d’un signal 4K/UHD d’une source vers un diffuseur, plusieurs modes de transport sont possibles. Rappelons qu’un signal 4K/UHD représente 18,2 Gbps de débit. Voici quelques exemples comparatifs pour se faire une idée de ce que cela représente.

Réseau informatique Gigabit Ethernet => 1 Gbps
Câble Catégorie 6a => 10 Gbps
Cordon HDMI 2.0b => 18.2 Gbps
Câble Catégorie 8 => 40 Gbps
Fibre optique OM4/OM5 => 100 Gbps

Le plus simple est le cordon HDMI direct. Ce dernier est conçu pour passer le signal sans perte. Tant qu’il ne dépasse pas 7-8 mètres. Au-delà, il faut trouver une autre solution. Dans le monde de l’AV actuel, les appareils sont de plus en plus éloignés les uns des autres : nécessiter de déporter les sources, matriçage multi sources multi écrans, distribution sur de longues distances, etc.

Respecter les 18,2 Gbps de débit

Deux solutions existent pour étendre le signal 4K/UHD, de façon directe ou indirecte :

Modulation du signal sur un câble réseau => exemple : HDBaseT
Transcodage du signal en un flux IP (AVoIP) => exemple : SDVoE

Dans ces deux cas, le signal HDMI est transformé en un signal différent. Il se retrouve sur un câble réseau ou une fibre optique.

Il faut que ces deux types de liaisons soient capables de transporter 18,2 Gbps de données. Si c’est impossible, le signal devra être compressé, et donc dégradé.

Quelles sont les composantes du signal pouvant être compressées ?

Un signal HDMI ne contient pas que de l’audio et de la vidéo. Il y a également des données de sécurité, de synchronisation et de contrôle (horloge, CEC, HDCP…). Celles-ci occupent une part négligeable de la bande passante. Ce n’est pas sur ce point que des économies peuvent être réalisées.

Pour réduire le débit de 18,2 Gbps, il n’y a pas le choix : il faut intervenir sur la qualité de l’image. Les deux composantes principales sont sa résolution et sa luminance/chrominance.

Le signal 4K/UHD occupe 18,2 Gbps de bande passante => il est identique à l’original
S’il occupe moins de place => il est dégradé

Les résolutions 4K et Ultra HD

Revenons tout d’abord sur les deux résolutions de la très haute définition vidéo. Même si l’on emploie indifféremment les termes 4K et Ultra HD, ils ne délivrent pas la même taille d’image, et donc le même nombre de pixels :

A lire également : Qu'est-ce que le HDR ? En quoi est-il important ?

4K = 4096 colonnes x 2160 lignes = 8,8 millions de pixels

UHD = 3840 colonnes x 2160 lignes = 8,3 millions de pixels

Comme on le voit, la hauteur de l’image (2160 lignes) est identique dans les deux cas. En revanche, la largeur, qui équivaut au nombre de colonnes, diffère. Une image 4K est plus « allongée » qu’une image UHD.

Les sources grand public comme les décodeurs satellites ou les lecteurs Blu-ray sortent une image en Ultra HD. La 4K se retrouve essentiellement dans les applications professionnelles, dont les salles de cinéma.

Pourtant, il faut savoir que les écrans plats sont tous en résolution UHD, y compris les moniteurs professionnels. Tandis que les vidéoprojecteurs présentent une matrice en résolution 4K, y compris la plupart des (quelques) modèles grand public.

4K et UHD : différents mais compatibles

Bien sûr, diffuseurs UHD et 4K sont indifféremment compatibles avec les signaux 4K et UHD. Ils sont adaptés de la façon suivante :

Signal 4K sur un écran UHD : 128 colonnes seront rognées de chaque côté de l’image
Signal UHD sur un écran 4K : soit il y a des barres noires sur les côtés ; soit l’image est zoomée et 67 lignes seront rognées en haut et en bas de l’image

Comme on vient de le voir, un signal 4K ou UHD reste dans son format de bout en bout. Il s’adapte à la résolution éventuellement différente du moniteur (UHD) ou du vidéoprojecteur (4K) en rognant quelques lignes ou colonnes.

Lors de la transmission d’un signal vidéo 4K/UHD, il n’y a donc aucun gain de place possible : les pixels du départ doivent être les mêmes à l’arrivée. Dans le cas contraire, on n’est plus en 4K/UHD !

La luminance et la chrominance

Ces deux termes techniques couvrent tout ce qui concerne la luminosité et les couleurs de l’image. Il serait possible de réduire les informations de luminosité. Mais l’œil y est très sensible. Le résultat donnerait une image totalement différente de l’originale. Il n’est pas envisageable de toucher à la luminance.

Il reste la chrominance. Elle regroupe l’éventail de couleurs composant la source d’origine. Avec plus de 8 millions de pixels, ils peuvent potentiellement être tous d’une couleur différente. La couleur associée à l’intensité lumineuse (la luminance) offre une infinité de teintes.

C’est un domaine dans lequel l’œil est un peu moins sensible. C’est donc celui que l’on a décidé de compresser. Cela sera acceptable dans certains cas d’usage, ce ne le sera pas dans d’autres.

A lire également : Tout savoir sur le HDMI 2.1

La seule solution : dégrader les couleurs

La norme prévoit cette simplification des couleurs via le sous-échantillonnage. Nous vous avions déjà expliqué ce principe dans notre dossier sur l’Ultra Haute Définition ([Dossier] Ultra HD, 4K et HDR : tout savoir sur la ultra haute définition). Résumons son fonctionnement.

Afin de simplifier les couleurs, le sous-échantillonnage travaille sur la totalité des pixels de l’image en les prenant par groupe de huit.

Vous avez ci-dessus les trois possibilités les plus courantes :

4:4:4 – identique à l’original
4:2:2 – le nombre de couleurs divisé par 2
4:2:0 – le nombre de couleurs divisé par 4

Comme on le voit, le gain est important en supprimant la moitié ou les trois quarts des couleurs. La luminance n’étant pas compressée, les couleurs restantes conservent tout de même des teintes différentes pour éviter une trop grande simplification.

La compression de la chrominance aplatit l’image

Néanmoins, si l’on compare un signal 4:4:4 à un signal 4:2:0, on observe que sur cet échantillon de 8 pixels, on a complètement perdu le rouge, le vert ou l’aubergine.

Au lieu d’occuper un seul pixel, une même couleur occupe un groupe de quatre pixels. Visuellement, même si ces pixels identiques conservent une luminance différente, des détails sont forcément occultés.

Avec un sous-échantillonnage en 4:2:0, l’image conserve sa résolution et ses 8 millions de pixels. Mais elle perd en précision. Comme le sous-échantillonnage fonctionne de façon arbitraire, des artefacts vont apparaître de façon aléatoire, les contours seront moins nets, etc.

Une image dont la chrominance est sous-échantillonnée en 4:2:0 nécessite un débit de 10,2 Gbps (au lieu de 18,2 Gbps en 4:4:4). Le gain est substantiel.

Tous les produits 4K ne se valent pas

Un produit estampillé 4K/UHD ne délivre pas toujours la meilleure image possible. Lorsque vous sélectionnez vos produits, il est important de vérifier sa gestion des couleurs.

L’idéal est de choisir un produit 4:4:4
Un produit 4K en 4:2:2 représente un bon compromis entre compression et qualité
L’image d’un produit en 4:2:0 est trop dégradée pour être acceptable dans un grand nombre de cas d’usages