Qu’est-ce que le Rec 2020 : Guide essentiel des standards d’espace colorimétrique Ultra HD
Rec. 2020 ouvre la voie à l’avenir de la reproduction des couleurs et couvre 75,8 % de toutes les couleurs visibles par l’œil humain. Cette norme d’espace colorimétrique, conçue pour l’Ultra HD (formats 4K et 8K), offre plus du double de la gamme de couleurs par rapport à l’ancienne norme Rec. 709, qui ne couvre que 35,9 % du spectre visible.
La différence entre l’espace colorimétrique Rec. 709 et Rec. 2020 témoigne des avancées remarquables de la technologie d’affichage. Rec. 709 a servi de norme pour la HDTV, mais les capacités du Rec. 2020 vont bien plus loin avec les Laser TVs. Cette nouvelle norme prend en charge une profondeur de couleur de 10 bits et 12 bits, offrant plus d’un milliard de variations de couleurs possibles. Ces capacités améliorées de reproduction des couleurs offrent aux créateurs de contenu un moyen précieux d’obtenir de meilleurs résultats, pour des expériences visuelles plus riches et réalistes.
Explorons en détail la norme Rec. 2020, des spécifications techniques aux applications pratiques. Les couleurs primaires RVB, les méthodes de codage du signal et les comparaisons avec d’autres espaces colorimétriques offrent une vue d’ensemble complète. De plus, le calendrier d’adoption par l’industrie apporte un éclairage sur l’avenir des contenus visuels.
Aperçu de la spécification ITU-R BT.2020
L’Union internationale des télécommunications (UIT) a publié la Recommandation UIT-R BT.2020 (Rec. 2020) en août 2012. Cette norme complète définit les paramètres des systèmes de télévision ultra haute définition (UHDTV) pour la production et l’échange international de programmes. L’UIT a publié des versions mises à jour depuis, la BT.2020-2 ayant été approuvée en octobre 2015.
Rec. 2020 constitue la base des contenus UHD et établit les spécifications pour les technologies vidéo de tous types. La norme se concentre sur deux formats de résolution : 3840 × 2160 pixels (4K) et 7680 × 4320 pixels (8K). Les deux conservent un format d’image 16:9 avec des pixels carrés. Ces résolutions plus élevées visent à offrir aux spectateurs « une sensation accrue d’immersion et de réalisme ».
La norme prend en charge le balayage progressif avec différents taux de rafraîchissement : 120Hz, 100Hz, 60Hz, 50Hz, 30Hz, 25Hz, 24Hz et leurs variantes fractionnaires (comme 59.94Hz). Les écrans modernes ont abandonné le balayage entrelacé afin de restituer le mouvement de manière plus fluide.
Rec. 2020 définit les paramètres de codage du signal garantissant une reproduction fidèle des couleurs. Les formats de signal RGB et YCbCr sont compatibles avec différentes options de sous-échantillonnage de chrominance (4:4:4, 4:2:2 et 4:2:0). La norme introduit le codage à luminance constante (Y'CC'BCC'RC) ainsi que le codage conventionnel à luminance non constante (Y'C'BC'R).
Le comité de normalisation a choisi des coordonnées de couleurs primaires situées à l’extrémité de l’espace colorimétrique visible. Ces sources lumineuses monochromatiques correspondent à des longueurs d’onde spécifiques : 630 nm (rouge), 532 nm (vert) et 467 nm (bleu). D65 sert de point blanc de référence et correspond à la lumière du jour moyenne, soit environ 6500 Kelvin.
Les technologies d’affichage actuelles ne reproduisent pas très bien l’ensemble de l’espace colorimétrique Rec. 2020. Cela soulève une question dans la recherche : qu’est-ce qui rend des couleurs primaires conformes à Rec. 2020 ? Certains chercheurs considèrent qu’un écran est conforme s’il est « perceptuellement indiscernable d’un véritable écran Rec. 2020 ».
Les fabricants et créateurs de contenu qui appliquent la Rec. 2020 obtiennent des valeurs spécifiques pour la fonction de transfert non linéaire. Les systèmes 10 bits utilisent α = 1.099 et β = 0.018, tandis que les systèmes 12 bits nécessitent des valeurs légèrement différentes (α = 1.0993 et β = 0.0181). Ces paramètres garantissent une expérience visuelle cohérente sur différents appareils et environnements de visionnage.
Paramètres de l’espace colorimétrique Rec. 2020
Les capacités exceptionnelles de reproduction des couleurs du Rec. 2020 reposent sur trois paramètres clés qui le distinguent des anciens standards tels que le Rec. 709. Ces paramètres définissent la manière dont l’espace colorimétrique capture et affiche le spectre visible, constituant la base des contenus ultra haute définition de nouvelle génération. Des appareils commele Valerion VisionMaster Pro 2, un projecteur à triple laser RGB 4K Ultra HD, illustre l’application pratique de ces paramètres.
Primaires RVB : longueurs d’onde 630 nm, 532 nm, 467 nm
L’espace colorimétrique Rec. 2020 se distingue des normes précédentes en utilisant des primaires RVB correspondant à des sources lumineuses monochromatiques sur le locus spectral CIE 1931. Cette approche permet d’afficher les couleurs dans leur forme la plus pure. Chaque primaire correspond à une longueur d’onde spécifique : 630 nm pour le rouge, 532 nm pour le vert et 467 nm pour le bleu.
Ces couleurs primaires possèdent des coordonnées chromatiques CIE 1931 xy précises : (0.708, 0.292) pour le rouge, (0.170, 0.797) pour le vert et (0.131, 0.046) pour le bleu. Les ingénieurs ont soigneusement sélectionné ces longueurs d’onde. Elles permettent à la Rec. 2020 de couvrir 99,9 % de l’espace colorimétrique de Pointer sur le diagramme de chromaticité xy.
Un détail fascinant apparaît : les couleurs primaires de la norme Rec. 2020 reflètent celles proposées par Maxwell au XIXe siècle. La primaire verte pourrait atteindre une couverture optimale de 100 % à 527 nm. Cependant, 532 nm s’est avéré plus pratique avec les technologies LED et laser actuelles.
Point blanc de référence : Illuminant D65
Rec. 2020 et Rec. 709 utilisent tous deux l’illuminant D65 comme référence de point blanc. Ce point blanc se situe aux coordonnées (0.3127, 0.3290) sur le diagramme de chromaticité CIE 1931 xy. L’illuminant D65 correspond à la lumière du jour moyenne, soit environ 6500 Kelvin.
Le point blanc commun entre les standards facilite la conversion entre les espaces colorimétriques. Les utilisateurs bénéficient d’une perception des couleurs cohérente, quel que soit le type de contenu. Même si leurs espaces colorimétriques sont très différents, les deux standards partagent ce même point blanc de référence.
Couverture CIE 1931 : 75,8 % contre 35,9 % pour le Rec. 709
La principale différence entre Rec. 2020 et Rec. 709 réside dans la couverture de leur spectre colorimétrique visible. Rec. 2020 atteint un impressionnant 75,8 % de l’espace colorimétrique CIE 1931, tandis que Rec. 709 n’atteint que 35,9 %[111]. En résumé, l’espace colorimétrique Rec. 2020 offre une gamme de couleurs deux fois plus large que son prédécesseur.
Cet espace colorimétrique plus large permet d’obtenir des couleurs plus riches et plus éclatantes. L’espace colorimétrique DCI-P3 couvre 53,6 % du CIE 1931, tandis qu’Adobe RGB atteint 52,1 %. Rec. 2020 surpasse non seulement Rec. 709, mais aussi d’autres espaces colorimétriques professionnels.
Le diagramme de chromaticité CIE 1931 l’illustre clairement : le Rec. 2020 forme un triangle plus grand qui englobe le triangle plus petit du Rec. 709. Cette représentation visuelle montre pourquoi les comparaisons entre Rec. 709 et Rec. 2020 mettent toujours en avant la meilleure reproduction des couleurs du Rec. 2020.
Encodage du signal et fonctions de transfert
Les fonctions de transfert sont essentielles pour la conversion des images capturées en images affichées dans l’espace colorimétrique Rec. 2020. Une bonne compréhension de ces fonctions permet de voir comment la norme gère l’encodage et le traitement du signal.
Les systèmes vidéo reposent sur trois fonctions de transfert principales. La fonction de transfert opto-électronique (OETF) convertit la lumière de la scène en signaux électroniques dans les caméras. La fonction de transfert électro-optique (EOTF) transforme les signaux électroniques en lumière affichée. La fonction de transfert opto-optique (OOTF) illustre la relation entre la lumière capturée et la lumière affichée.
La norme Rec 2020 utilise pratiquement la même fonction de transfert non linéaire que la norme Rec 709 sur le plan mathématique. Toutefois, les systèmes 12 bits bénéficient de paramètres de plus grande précision. La fonction se présente ainsi :
Pour les systèmes 10 bits : α = 1.099 et β = 0.018 (similaire à Rec. 709). Pour les systèmes 12 bits : α = 1.0993 et β = 0.0181 (précision supérieure)
Comparaison entre Rec. 709 et Rec. 2020 : les deux normes utilisent des fonctions de transfert basées sur le gamma. L’écran de référence pour les contenus Rec. 2020 utilise une fonction de transfert gamma 2.4, telle que définie dans l’ITU-R BT.1886.
Les implémentations modernes associent souvent l’espace colorimétrique Rec. 2020 à des fonctions de transfert à grande plage dynamique (HDR) issues de la norme Rec. 2100, dépassant ainsi la plage dynamique standard (SDR). Ces fonctions incluent :
- Perceptual Quantizer (PQ) : la normalisation SMPTE ST 2084 permet des niveaux de luminosité jusqu’à 10 000 cd/m²
- Hybrid Log-Gamma (HLG) : développé par la BBC et la NHK pour assurer la rétrocompatibilité avec les écrans SDR
Les écrans HDR traitent la vidéo avec 10 bits par composant de couleur au lieu de 8 bits, ce qui permet d’obtenir plus de paliers entre la luminosité minimale et maximale.
La prise en charge par Rec. 2020 des méthodes d’encodage à luminance constante et non constante se distingue. Les systèmes traditionnels comme Rec. 709 appliquent une correction gamma aux signaux RVB avant de calculer la luminance (Y), créant ainsi une « luminance non constante ». Cette méthode diffère légèrement de la luminance réelle. La norme prévoit les deux approches, reconnaissant leurs avantages et limites respectifs.
Rec. 2020 offre une meilleure efficacité de codage grâce aux formats de signal RGB et YCbCr pour le codage des différences de couleurs. La version à luminance constante (YcCbcCrc) gère mieux les limitations des méthodes traditionnelles non constantes, en particulier avec du contenu à large espace colorimétrique.
Ce cadre permet à l’espace colorimétrique Rec. 2020 d’offrir une excellente qualité visuelle sur tous types de technologies d’affichage, tout en maintenant des exigences raisonnables en matière de traitement du signal.
Formats et schémas de sous-échantillonnage pris en charge
L’espace colorimétrique Rec. 2020 prend en charge plusieurs formats de signal et schémas de sous-échantillonnage, ce qui renforce sa flexibilité pour les applications de diffusion de tout type, au-delà de son espace colorimétrique étendu.
Formats de signal RGB et YCbCr
Rec. 2020 fonctionne avec les formats de signal RGB et YCbCr en utilisant un échantillonnage pleine résolution 4:4:4. Le format RGB maintient les canaux rouge, vert et bleu séparés. YCbCr sépare la luminance de l’image (Y) des composantes de chrominance (Cb et Cr). La diffusion bénéficie du YCbCr car il permet d’allouer la bande passante en fonction de la perception humaine des images.
Qu’est-ce que le Rec 2020 utilise des coefficients de pondération spécifiques pour les signaux YCbCr : KR = 0,2627, KG = 0,678 et KB = 0,0593. Ces coefficients diffèrent de ceux du Rec 709, ce qui reflète l’espace colorimétrique plus large de la nouvelle norme.
Sous-échantillonnage de la chrominance 4:4:4, 4:2:2 et 4:2:0
Les yeux humains réagissent davantage aux variations de luminosité qu’aux différences de couleur, et la sous-échantillonnage de chrominance exploite cette caractéristique. L’espace colorimétrique Rec 2020 prend en charge trois principaux schémas de sous-échantillonnage :
- 4:4:4 : La résolution des couleurs complète est préservée pour une qualité maximale, sans sous-échantillonnage.
- 4:2:2 : La bande passante est réduite d’environ un tiers, car les composantes chromatiques sont échantillonnées à la moitié de la résolution horizontale.
- 4:2:0 : La bande passante diminue d’environ 50 % car les composantes chromatiques sont échantillonnées à la moitié de la résolution horizontale et verticale.
La notation (4:x:y) représente une zone conceptuelle de 4 pixels de large et 2 pixels de haut. « x » correspond aux échantillons de chrominance sur la première ligne, tandis que « y » indique les variations d’échantillons de chrominance entre les lignes.
YcCbcCrc pour le codage à luminance constante
Rec 2020 devance les principales normes en introduisant le codage à luminance constante via le format YcCbcCrc. Le YCbCr traditionnel calcule la luminance après la correction gamma, ce qui crée une « luminance non constante ». YcCbcCrc adopte une approche différente en appliquant la correction gamma après le calcul de la luminance.
L’avantage principal du YcCbcCrc réside dans une meilleure préservation des informations de luminance. Cette méthode est particulièrement efficace lorsque la précision de la conservation de la luminance prime sur la compatibilité avec les normes existantes.
La conclusion
Rec. 2020 représente sans aucun doute une avancée majeure dans la technologie de reproduction des couleurs. Cette norme d’espace colorimétrique Ultra HD offre plus du double de la gamme de couleurs de son prédécesseur. La couverture atteint un impressionnant 75,8 % du spectre visible, contre 35,9 % pour le Rec. 709. La prise en charge des profondeurs de couleur 10 bits et 12 bits permet de créer plus d’un milliard de variations de couleurs, offrant ainsi des dégradés plus fluides et des images plus réalistes.
Les différences entre Rec. 2020 et Rec. 709 vont au-delà de l’espace colorimétrique. La nouvelle norme fonctionne parfaitement avec les résolutions 4K et 8K, prenant en charge les formats HDR tels que HDR10, Dolby Vision et HLG. Les écrans classiques ne peuvent toujours pas reproduire l’intégralité de l’espace Rec. 2020. Il reste encore du chemin à parcourir, mais nous pouvons nous appuyer sur ces avancées, car les technologies à points quantiques, rétroéclairage laser et OLED atteignent une couverture de 90 à 98 %. Un projecteur laser avancé, tel quele Valerion VisionMaster Pro2, peut atteindre environ 110 % de l’espace colorimétrique Rec. 2020, repoussant les limites de la fidélité des couleurs dans les écrans grand public. L’écart entre la perception de l’œil humain et les capacités d’affichage des écrans ne cesse de se réduire à mesure que des normes comme Rec. 2020 font progresser la technologie de reproduction des couleurs.
