dimanche 30 août 2015

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La projection numérique — 2/4

Cadences au début de l’histoire du cinéma

, François Helt

Avant de se lancer dans des commentaires sur les cadences de projection en projection numérique, il est instructif de revenir un peu en arrière. La première recommandation sur la cadence nécessaire à une projection fluide est attribuée à Edison.

Le cinéma utilise la persistance rétinienne, c’est-à-dire la capacité de l’œil à conserver l’empreinte d’une image, pour donner l’illusion du mouvement. Si les images se succèdent à une cadence assez rapide, le mouvement perçu est fluide, alors que dans le cas contraire, il est saccadé. Il y a également une gêne liée à la perception du noir entre chaque image. Une cadence trop basse provoque un effet de scintillement. La résolution temporelle correspond au nombre d’images projetées par seconde, mais dès les débuts du cinéma il faut distinguer les cadences de prises de vue et les cadences de projection.

Historiquement, les premiers films étaient muets. Leur cadence de projection n’obéissait à aucun standard, d’autant moins que les projecteurs étaient actionnés manuellement. La cadence de projection variait donc entre 14 et 24 images par seconde et n’était certes pas très régulière. Pour la petite histoire on a constaté que la cadence des prises de vue s’accélérait et se ralentissait en fonction de l’action sur la manivelle de la caméra. Cela va plus vite lorsque l’on pèse sur la manivelle et moins vite lorsqu’on la remonte.

Quelle que soit la cadence de prise de vue Il était néanmoins préférable de projeter les images de la pellicule photochimique à une cadence rapide. D’une part comme la pellicule des films était à base de nitrate, aux propriétés hautement inflammables, il n’était pas souhaitable que chaque photogramme reste longtemps devant la lampe de projection qui constitue une dangereuse source de chaleur. D’autre part une cadence de projection supérieure à la cadence de prise de vues permet d’augmenter à moindre frais l’intensité dramatique des scènes de cascades. Certains films étaient même distribués avec une recommandation de cadences dépendant des séquences projetées.

C’est l’introduction du son, en 1926, qui a lié les vitesses d’acquisition caméra et de projection. Il a fallu choisir une cadence unique de projection pour que le son soit rendu correctement à la bonne fréquence et à la bonne hauteur. Une projection plus rapide ou plus lente que la prise de vue ferait non seulement accélérer ou ralentir les dialogues mais ferait aussi respectivement monter le son dans les aigus ou descendre vers les graves.

On dit que Thomas Edison, dans les années 1920, affirmait qu’il fallait projeter au minimum à 46 images par seconde : toute cadence inférieure « gênerait l’œil ». Dès lors, les cadences de projection ont été fixées à 48 images par seconde, même si la cadence d’acquisition est restée à 24 images par seconde. Cette cadence de prise de vues, relativement basse, évite de multiplier inconsidérément la quantité de pellicule utilisée, et donc le coût d’un tournage. Il ne faut pas négliger d’autre part le stress mécanique généré par l’action des roues dentées sur les perforations. Une trop grande vitesse de défilement peut détruire trop rapidement les films.

Pour projeter à 48 images par seconde des scènes tournées à 24, il suffit de projeter 2 fois chaque image avant de passer à la suivante. Cette technique a pour effet de réduire le scintillement entre deux images consécutives.

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Schéma de l’obturation et de l’avance du film pour la projection cinématographique

Chaque image présente sur la pellicule est fixe pendant la rotation de l’obturateur, et on ne passe à l’image suivante que lors de la deuxième obturation. La surface couverte par les lames est réduite afin d’augmenter la luminosité de la projection. Il a existé des projecteurs 35 mm modernes utilisant des obturateurs à 3 lames, et donc projetant les images à 72 images par seconde. Mais le couple 24 images en prise de vues et 48 images par seconde en projection reste la norme ce qui a fait dire à Jean-Luc Godard que le cinéma c’est 48 noirs par seconde.

Quelques systèmes commerciaux ont également proposé des vitesses de projection élevées et sont toujours utilisés dans des parcs à thèmes, comme par exemple le système IMAX à 48 images par seconde, ou le Showscan à 60 images par seconde.

Les tailles d’image en numérique

La projection numérique a maintenu cette technique de multiplication des images pour éviter le scintillement. La production des films est restée très largement fidèle à la cadence historique. Les anciens films et les films actuels sont donc projetés à cette même cadence. Le jargon technique utilise les termes de double ou triple flashs pour désigner une multiplication des images par deux ou trois. Afin de se donner une marge de sécurité, la projection en triple flashs, soit à 72 images par seconde, est la plus courante de nos jours. En théorie les projecteurs numériques sont capables de projeter dans une très large gamme de cadences de 20 à plus de 200 images par seconde. Pour explorer et expliquer les pratiques et les développements futurs il va falloir absorber une liste de chiffres et faire quelques calculs. Mais la liste sera courte et nous n’y reviendrons pas sauf si cela est nécessaire pour expliquer quelques détails.

Les tailles d’images font partie de cette liste de chiffres. Ces tailles sont données en nombre d’éléments de base des images ou pixels, contraction des mots anglais picture elements. Le cinéma numérique a retenu deux tailles d’images dénommées 2K et 4K. Le standard le plus répandu en pratique est le 2K qui peut aller jusqu’à 2048 éléments en horizontal par 1080 éléments en vertical. Cette définition est à peine supérieure à celle de l’image de télévision haute définition, dite HDTV, qui est de 1920 par 1080 pixels. Il y a aussi le 4K qui permet jusqu’à 4096 par 2160 pixels ; en fait le double dans les deux dimensions. Les salles équipées en 4K revendiquent ce label qui offre en théorie mais pas toujours en pratique une image mieux définie : il y a au moins deux raisons à cela.

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Les formats du cinéma numérique

D’une part tous les films ne sont pas forcément distribués en version 4K. Le système de compression choisi pour la distribution en cinéma numérique contient la version 2K. Ceci permet aux salles en 2K de projeter un film distribué en 4K sans exiger une autre version. Si un film est distribué en 2K les salles dites 4K projettent en 2K.

L’autre explication de limitation de la qualité tient à cette compatibilité qui a été conçue dès le départ pour simplifier la production et la distribution. Pour faire court, dans une image 4K, les données sont arrangées de façon à pouvoir reconstituer une image 2K ; et on ajoute des données supplémentaires qui permettent de reconstruire l’image 4K. Jusqu’ici tout va bien, « so far so good », mais il est clair que l’on ne peut pas se permettre de fournir une image 2K de mauvaise qualité pour les salles qui sont en très grande majorité dans ce standard. Comme le débit de données est contraint on ne peut raisonnablement affecter que peu de place aux données qui permettent de reconstituer l’image 4K. En conséquence l’image 4K projetée ne reflète pas forcément la meilleure qualité que ce standard pourrait fournir en théorie.

Vous avez peut-être remarqué que les dimensions 2K et 4K sont spécifiées comme un maximum. Il y a une bonne raison à cela qui tient au format d’image c’est-à-dire au ratio entre sa largeur et sa hauteur. Historiquement les films étaient projetés dans des formats plus carrés comme le 1,33 :1 que l’on constate sur les vieux films projetés à la télévision. Puis il y a eu des formats plus rectangulaires, le 1,65 :1 et le 1,85 :1 par exemple. Certains formats dits larges ont servis de bannière en revendiquant à la fois la qualité et la nouveauté, sans oublier les royalties. Cela a été le cas du Panavision ou du Cinémascope pour les plus connus.

La projection numérique retient officiellement 3 ratios d’images respectivement dénommés « Flat », soit 1,85 :1, « Scope », soit 2,39 :1 et le « Full » format utilisant tous les pixels. Le « Flat » en 2K n’utilise en totalité que la hauteur ; il fait 1998 par 1080 pixels. Le « Scope », dérivé du format cinémascope, utilise toute la largeur mais est très réduit en hauteur ; il fait 2048 par 858 pixels.

Notons au passage qu’une salle de qualité aura les dispositions géométriques de l’écran et des rideaux permettant de proposer une surface d’écran bien adaptée à ces trois formats.

Les cadences en numérique

Après ce détour sur les tailles revenons aux cadences. Si les projecteurs numériques autorisent de nombreuses combinaisons, la contrainte principale vient de la lecture des données images. Même avec la compression d’un facteur 10, chaque minute de film occupe un peu moins d’un Gigaoctet. Le système serveur, plus exactement le dispositif technique appelé « media block » doit récupérer les images et exécuter des opérations complexes sur cette grande quantité de données. Les cadences ont été fixées en tenant compte de ces contraintes et des performances qui existaient au démarrage du cinéma numérique, en 2005 pour fixer une date.

Les cadences de restitution standard, sans tenir compte de la multiplication à la projection, sont de 24 images par seconde pour les images 2K et 4K, et il existe également la cadence de 48 images par seconde pour le 2K uniquement. Un document supplémentaire décrit les cadences de 25, 50 et 60 images par seconde. Ces cadences sont optionnelles, dans le sens où les fabricants de serveurs de cinéma numérique ne sont pas tenus de les proposer. La cadence de 48 images par seconde n’est pratiquement utilisée que pour la projection stéréoscopique : elle correspond à 24 images par seconde par œil.

Certains fabricants proposent déjà des cadences élevées (High Frame Rate). Celles-ci vont permettre des projections à 48, 50 ou 60 images par seconde, et on commence à envisager ce type de cadences en format 4K. On trouve cette année des salles équipées de projecteurs capables d’atteindre la cadence de 48 images par seconde en 4K. Comme on l’a déjà dit, en général, les projecteurs sont capables de s’adapter à une large gamme de cadences, ce qui n’est pas le cas du media-block, le système électronique qui lit les données stockées, les décrypte, les décode et effectue leur conversion couleur. Décembre 2012 a vu la sortie du premier long-métrage 3D tourné et projeté à 48 images par seconde par œil : « The Hobbit, an unexpected journey » de Peter Jackson.

Des cadences dites « archive » à 16, 18, 20 et 22 images par seconde ont également été définies pour la projection de films anciens, mais elles restent optionnelles, et à ce jour, aucun fabricant ne les propose.

Petits avantages et désavantages du numérique

Il ne faut pas oublier une contrainte sur les cadences apportées par la gestion numérique du son. Depuis plus longtemps que l’image, le son existe sous forme numérique. Les standards de la projection numérique ont été définis aussi en fonction de l’existence de standards industriels concernant la numérisation du son. Mais le nombre d’échantillons sonores est défini à la seconde et non pas à l’image. Ceci provoque un petit casse-tête de calcul et restreint les cadences possibles à celles pour lesquelles il y a un nombre entier d’échantillons de son. Les standards retenus sont de 48000 ou 96000 (le double) échantillons par seconde.

Je laisserai à ceux qui le veulent le soin de calculer le nombre d’échantillons son par image pour toutes les cadences énoncées ci-dessus. Mais je vais expliciter un des calculs qui a amené à une des cadences archives. Si l’on calcule à partir des cadences de 18 images par seconde et de 48000 échantillons sonores par seconde on obtient un nombre non entier d’échantillons sonores par image de 2666,66…. avec des 6 à l’infini derrière la virgule.

Pour obtenir un nombre entier et en fonction des fréquences disponibles dans les blocs électroniques modernes la valeur de 200/11 a été retenue. Le diviseur par 11 existe en effet de façon courante et ceci nous mène à une cadence de 18,181818… avec des 18 à l’infini. C’est très proche de 18 et le nombre d’échantillons sonores est ramené au chiffre rond de 2640. De la même façon les forts en calcul auront déjà constatés que l’autre cadence archives compliquée est celle de 22 images par seconde. Cette dernière a été remplacée par la valeur 240/11 soit une cadence de 21,818181… avec des 81 à l’infini mais avec un nombre entier d’échantillons.

Nous allons maintenant expliquer quelques enjeux économiques liés aux cadences. Un petit retour en arrière nous ramène au temps de la projection mécanique. Si l’on accélère légèrement la projection en passant par exemple de 24 à 25 images par seconde, la hauteur du son va être modifiée ; la bande sonore sera un peu plus aigüe. De même les mouvements seront très légèrement accélérés. Mais la perception humaine est telle que cela passera largement inaperçu. L’inverse n’est pas vrai, en ce sens qu’un ralentissement de 25 à 24 images par seconde rend un son plus grave qui est beaucoup plus perceptible.

Ce petit jeu d’accélération, en apparence inoffensif, permet cependant de réduire la durée de projection d’un film. En poussant un peu l’accélération cela a permis à certains d’ajouter un passage de plus par jour pour certains films. La séance de plus peut rapporter de façon appréciable si on se débrouille bien.

Le numérique ne permet pas ce petit jeu. La constitution des blocs de données images et sons et les horloges programmées des ensembles électroniques n’offrent pas de contournements faciles. Il faut voir plutôt le côté positif des contraintes. Le fait qu’un système puisse projeter des contenus à 24, 25 et 30 images par seconde ouvre de nouvelles possibilités.

En effet la télévision est basée sur une cadence d’image différente de celle du film. Pour les Etats-Unis et d’autre pays ayant adopté le système couleur américain la télévision est à 30 images par seconde. En Europe elle est de 25 images par seconde. Pour passer des films ou des publicités qui ont été tournées pour la télévision il fallait autrefois en Europe faire quelques opérations loin d’être gratuites. Le film pouvait être passé à une cadence inférieure (25 à 24) à condition de convertir la bande sonore ; l’opération consiste à allonger la durée de cette bande sonore tout en remontant la tonalité pour éviter la perception de descente dans les graves.

Le numérique permet donc de passer des films produits pour la télévision sans opération complexe induite par le changement de cadence. Cela est particulièrement intéressant pour la publicité qui peut envisager un seul tournage pour les deux media.

Je spécifie en Europe car le passage de 30 à 24 est plus facile que celui de 25 à 24. Les mêmes forts en calcul auront remarqué que le plus petit multiple commun de 24 et 30 est 120. Si on ajoute en plus que du fait du principe de l’entrelacement en télévision la cadence est de 60 trames par seconde, il apparaît que des stratégies de conversion peuvent se mettre en place à partir de cette cadence sans trop de calculs compliqués. Pour être complet le plus petit commun multiple de 24 et 25 est 600.

Ces caractéristiques de la projection numérique ont un effet bénéfique pour le marché Européen. Mais la mondialisation a aussi quelques inconvénients. Les cadences de 25 et 50 images par seconde sont optionnelles comme on l’a vu. Et il n’est pas très surprenant qu’il soit très difficile de les rendre, sinon obligatoires, du moins plus officielles internationalement. Au moins, en France, le Centre National du Cinéma œuvre pour qu’elles soient disponibles dans nos salles nationales.