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Contribution de 29 - Jean-Claude JOLIVET

 Les activités "images" et "télévision" à la SAT

1 - Introduction : les premiers pas 

L’activité « Images » a démarré à la SAT en Janvier 1967 par la création du Groupe d’Etude de Lannion qui faisait partie de la Division III sous la responsabilité de Marc Liger.

Le Groupe d’Etude était dirigé par François-Xavier Stouls, précédemment Chef de département au CNET Lannion, et s’est installé dans les locaux de la TREL (Trégor Electronique) alors filiale de la SAT. François-Xavier Stouls a assuré la direction du groupe d’étude jusqu’au 1er Juillet 1975, date à laquelle il a pris la direction de l’établissement de la SAT Lannion.
Au départ le Groupe d’Etude a continué le développement de projets démarrés par l’équipe du CNET : équipement de mesure de l’hygrométrie par absorption du rayonnement infrarouge, équipements pour stations de réception de satellite Météo. Mais, assez rapidement, le CNET a chargé le Groupe d’Etude de Lannion de nouvelles études qui allaient orienter l’activité future du groupe vers la transmission d’images.
Au départ l’équipe se composait d’Emile Poumerol et Jean-Claude Jolivet, qui faisaient partie de l’équipe CNET et de Michel Le Chevalier. Le Groupe a été rapidement rejoint par Daniel Devimeux, et un peu plus tard par Guy Dagorne et Gérard Aguillé, puis Hervé Le Bloch qui avait démarré, à la TREL, l’installation de l’unité de fabrication de cellules solaires que la SAT produisait alors pour les satellites. Par la suite l’équipe a été rejointe par des transfuges de la SAT Cantagrel : Claude Ferrey, Armand Riou, Jacques Fichen, Jean-Jacques Prigent. L’équipe s’est également agrandie par l’arrivée de jeunes recrutés localement.
 

1- 1 Les challenges de la transmission des images

Le problème posé par transmission des images est celui de la bande passante analogique ou du débit numérique élevés nécessaire à leur transmission lorsqu’on les compare à la référence de transmission téléphonique.
En transmission analogique, un programme de Télévision, au standard Européen de 625 lignes PAL ou SECAM occupe une bande passante de 8 MHz, soit l’équivalent de 2 000 voies téléphoniques analogiques. Cet encombrement est acceptable lorsque quelques services de Télévision sont distribués à des millions de téléspectateurs ou lorsque que l’on dispose de réseaux à large bande en câble ou fibre optique comme par exemple celui que la SAT a installé à Biarritz.
Les nouveaux services tels que la Visiophonie ou la Visioconférence, que l’on souhaitait mettre en place, ont une définition réduite par rapport à la Télévision, mais la bande passante nécessaire à leur transmission est d’environ 1 MHz, soit l’équivalent de 250 voies téléphoniques.
A la fin des années 1960, la transmission numérique de la téléphonie commence à se mettre en place avec un débit de référence de 2,048 Mbit/s pour 30 voies téléphoniques. La transmission numérique d’un programme Télévision couleur demande elle plus de 200 Mbit/s. Le standard de Télévision numérique, adopté dans les années 1990 spécifiait un débit de 270 Mbit/s, soit environ 4 000 voies téléphoniques numériques.
La transmission à grande distance des images sur les réseaux de télécommunications, avec un coût acceptable, nécessite donc la mise en œuvre de techniques de « compression » d’information qui ont été utilisées dans les équipements qui sont décrits plus loin.
 

1- 2  Les applications

Les premières applications visaient à la création de nouveaux services associant un signal d’image au signal téléphonique : soit des applications de communications individuelles comme la Visiophonie ou les communications de groupe comme la Visioconférence.
La première étude a porté sur la transmission de la Visiophonie sur un groupe primaire analogique d’une bande passante de 48 kHz, soit l’équivalent de 12 voies téléphoniques analogiques. Compte tenu des technologies disponibles à cette époque, les premières études étaient basées sur l’analogique. L’utilisation des ces technologies n’ayant pas permis d’aboutir à un produit adapté, l’émergence des technologies numériques a orienté les études vers les systèmes de compression numérique. L’objectif de débit visé pour ces applications était faible : de 30 voies téléphoniques (2.048 Mbit/s) à 1 voie téléphonique (64 kbit/s).
L’expérience acquise dans les systèmes de compression et de transmission des images appliquées à la Visiophonie et la Visioconférence a permis de développer par la suite des produits destinés à la transmission de la Télévision. L’application étant la diffusion de programmes avec une très bonne qualité vers un grand nombre de d’abonné le coût de la transmission ramené à l’abonné était moins élevé que dans les applications point à point comme la Visiophonie et la Visioconférence et le débit pouvait être plus élevé.
 

2 - Les premiers équipements numériques de visioconférence 

Les premiers développements d’équipements numériques de transmission d’image ont été orientés vers les applications de Visiophonie et de Visioconférence.

2- 1  Codeur à 6,3 Mbit/s

Le premier développement, au début des années 1970,  d’un équipement numérique pour application de transmission de signaux de visiophonie a été un codeur décodeur (codec) qui assurait la transmission au niveau 6,3 Mbit/s de la hiérarchie numérique utilisée à cette époque, soit l’équivalent de 90 voies téléphoniques numériques.
L’image était en « noir et blanc » avec un fréquence de 60 trames par seconde. Ce format avait été choisi pour être compatible avec le standard défini à l’époque par les Bell Labs aux Etats Unis dans le but de faciliter les communications internationales. La résolution était de 259 lignes et 216 pixels par ligne, soit une bande passante d’environ 1 MHz.
Le codage de l’image utilisait la technique dite « MIC différentiel » qui consistait à coder la différence entre l’échantillons vidéo et une valeur « prédite » dépendant des échantillons voisins avec un quantificateur non linéaire à 8 niveaux. La compression apportée était modeste car le signal vidéo était codé avec 3 bits par échantillon au lieu des 8 bits qui auraient été nécessaires en codage MIC classique. Le signal « son » multiplexé avec le signal d’image était une voie téléphonique numérique à 64 kbit/s.
Les premiers équipements ont été expérimentés sur l’une des premières artères numériques « l’autoroute électronique de l’Ouest ». Par la suite le niveau hiérarchique de 6,3 Mbit/s a été abandonné et remplacé par 8,448 Mbit/s. Il a alors été jugé préférable de s’orienter vers des équipements permettant la transmission au débit immédiatement inférieur de la hiérarchie numérique, soit 2,048 Mbit/s.

2- 2 Codec de visioconférence à 2 Mbit/s

La première génération de Codec à 6,3 Mbit/s utilisait des techniques de compression qui tiraient parti de la redondance spatiale (à l’intérieur d’une même image). L’amélioration des performances de compression pour arriver à l’objectif de débit de 2 Mbit/s a été obtenue par l’exploitation des redondances entre images, en l’occurrence un sous échantillonnage d’un trame sur trois. La fréquence trame du signal d’origine étant de 60 Hz, la fréquence trame transmise en ligne était abaissée à 20 trames par seconde, ce qui permettait cependant une reconstruction acceptable du mouvement. Les mémoires à semi-conducteurs étaient encore à leurs débuts et si les équipements de série ont utilisé ce type de mémoires, la maquette qui a permis la mise au point de l’équipement utilisait une mémoire d’image à tambour magnétique.
 
 
Une salle de visioconférence
 
L’objectif de service s’est alors orienté vers la visioconférence, qui consistait à réunir des groupes de personnes dans deux salles distantes équipées des équipements de prises des prise de vue, de visualisation et de codage de décodage. Ce service a été mis en place par France Télécom et utilisait les Codecs développés par la SAT.

2 - 3  Visiocodec 2

Le Codec décrit ci-dessus, dit à « rafraîchissement systématique » était un système propriétaire à la SAT. Dès la fin des années 1970, le développement des réseaux numériques et le besoin d’interopérabilité entre les services de Visioconférence qui se mettaient en place dans les différents pays Européens à conduit à la normalisation d’un système de codage à 2,048 Mbit/s. Le standard a été défini dans le cadre d’un programme d’étude Européen : COST 211. Le produit développé en France « Visiocodec 2 » a été développé en collaboration avec CIT Alcatel.
Gérard Aguillé, Daniel Devimeux, Jean-Claude Jolivet ont participé, avec les opérateurs de Télécommunications et les industriels Européens à l’élaboration de ce standard ainsi qu’au développement du produit Visiocodec 2, avec l’aide de Reynald Cariou, Jean-Jacques Prigent et Pierre Zic.
Le standard de l’image de cette nouvelle génération était dérivé du standard Européen de Télévision à 50 trames par seconde plutôt que du standard de la première génération qui était dérivé du standard Américain à 60 trames par seconde. Le nombre de lignes était la moitié de celui du format Européen à 625 lignes. Ce nouveau standard permettait d’utiliser des caméras et moniteurs de Télévision standard, et les convertisseurs permettant de passer du format Télévision au format étaient intégrés dans l’équipement. Cet équipement permettait la transmission d’images en couleur alors que les générations précédentes étaient en « noir et blanc ».
 
 

Visiocodec 2
Les images de Visioconférence étant relativement statiques, le principe de codage consistait à ne transmettre que les pixels qui avaient changé entre deux images successives. Ces pixels étaient transmis en codage MIC différentiel associé à un codage à longueur variable.
L’équipement permettait la transmission de l’image et du son à débits compris entre 768 et 2048 kbit/s sur une jonction à 2 Mbit/s. L’équipement, permettant des communications bilatérales était implanté dans un châssis de 12 Unités.
L’équipement était compatible avec les équipements de Visioconférence multisalles permettant d’interconnecter plusieurs salles de Visioconférence.
 
Le Visiocodec 2 a été utilisé sur le réseau de Visioconférence de France Télécom et a été également commercialisé pour des entreprises privées et à l’exportation.
 

2 - 4  Les applications militaires et le codage par transformée

En parallèle avec les développement de produits destinés aux réseaux civils, des études on été entreprises pour des applications militaires. Des premières études de faisabilité sur les systèmes à base transformées ont été entreprises. Cette technique, consistant à traiter des blocs de 8x8 pixels s’est avérée plus performante et a servi de base aux futures générations d’équipements.
Voir le système « Trianon dans la contribution de Daniel Devimeux ».

 

3 -  La Transmission de la Télévision

La diffusion en France de programmes de Télévision couleur utilisant le système SECAM a démarré en France en 1967. La transmission des studios de production vers les émetteurs était alors assurée par des systèmes hertziens analogiques dédiés. Dans le courant des années 1970, La SAT, qui avait pris l’option de la transmission numérique a rapidement ressenti le besoin de disposer, d’équipements permettant de transmettre la Télévision sur ses systèmes de transmission numériques par câble ou faisceaux hertziens.

A l’époque quelques équipements permettaient la transmission numérique d’un signal de télévision au débit de 140 Mbit/s, l’équivalent de 1920 voies téléphoniques. Ce débit était trop important surtout pour les transmissions par faisceaux hertziens, et l’objectif était donc de développer un produit qui permettrait la transmission d’un programme de Télévision à un débit moins élevé.

3 - 1  Le TVD34

C’est sur la base d’un objectif de transmission d’un programme de Télévision à 34,368 Mbit/s, soit l’équivalent de 480 voies téléphoniques numériques, que les développements du TVD34 on démarré. en 1979. L’étude a été financée au départ par un contrat du ministère de l’industrie (DIELI) qui avait été obtenu sous l’impulsion de Marc Liger. Les développements suivants ont été financés par le CCETT (Centre Commun d’Etudes de Télévision et de Télécommunications) qui associait des ingénieurs des Télécommunications et de Télédiffusion de France (TDF) dans un centre d’études basé à Rennes.
L’étude a été menée par le Hervé Le Bloch, Gérard Aguillé, Armand Riou, Michel Le Chevalier, Guy Dagorne en liaison avec le CCETT à Rennes. C’est principalement les ingénieurs d’origine TDF, très soucieux de la qualité des images, qui ont assuré le suivi des études.
Le signal vidéo composite SECAM ou PAL utilisé pour la transmission analogique de la Télévision comporte un signal de base « en noir et blanc » (la luminance) auquel est superposée une sous-porteuse modulée par les signaux de différence de couleur. La méthode la plus simple consiste à numériser ce signal composite, mais ce signal étant mal adapté aux techniques de compression, cette méthode n’a été appliquée que pour des débits supérieurs à 100 Mbit/s.
La technique choisie a donc été celle du codage des composantes séparées. Les composantes du signal de Télévision sont constituées de :
- un signal de Luminance Y représentant l’image monochrome (en « noir et blanc »)
- deux signaux de différence de couleur CR = R-Y et CB = B-Y).
L’intérêt de la transmission par composantes est que les signaux de différence de couleurs peuvent être transmis avec une bande passante sensiblement plus faible que le signal de luminance.
Le signal de luminance était codé avec un débit de 27 Mbit/s, avec en moyenne 3 bits par pixel. La compression est obtenue en associant un codage MIC différentiel à caractéristique glissante à 5 bits par échantillon sur la moitié des pixels et une interpolation adaptative caractérisant la corrélation horizontale ou verticale des pixels sous échantillonnés.
Les signaux de différence de couleur étaient codés avec un débit de 4,5 Mbit/s en associant des sous échantillonnages, un pixel sur 2, une ligne sur 2 une trame sur 2, et d’un codage MIC différentiel à caractéristique glissante à 4 bit par échantillon. En effet, lors de la numérisation, la définition des signaux de différence de couleur est largement dimensionnée pour permettre des traitements en studio, tels que les incrustations, peut être sensiblement réduite pour les applications de distribution.
Après compression, les signaux vidéo devenant plus sensibles aux erreurs de transmission, des informations supplémentaires de protection d’erreurs sont multiplexées avec les informations vidéo, pour améliorer la résistance du signal comprimé aux éventuelles erreurs introduites au niveau du canal de transmission. Ces informations de protection représentaient environ 2,5 % du débit des informations vidéo.
Le Multiplex final au débit de 34,368 Mbit/s associait les informations luminance, de couleur, de protection contre les erreurs de transmission ainsi qu’un canal à 2,048 Mbit/s contenant les voies « son » et les voies de service. La jonction à 2 Mbit/s permettait la connexion d’un codeur de voies radio qui était disponible sur le marché et n’a pas été développé à la SAT.
Contrairement aux équipements de transmission téléphoniques qui sont par nature bidirectionnels, les équipements de distribution de Télévision sont unidirectionnels, ce qui a conduit à implanter les équipements de codage et de décodage dans deux châssis séparé (voir les photos ci-dessous).
                 Codeur TVD34                                               Décodeur TVD34
 
Les codeurs et décodeurs TVD 34 ont été déployés dans le réseau de France Télécom dans une boucle de distribution numérique qui faisait le tour de la France et qui alimentait les réseaux de vidéocommunications. Le TVD 34 a été également déployé à l’étranger, en particulier au Kenya. en Australie et en Chine.
 

3 - 2  Le codeur ETSI

Le TVD34 avait démontré la faisabilité des liaisons de Télévision à 34 Mbit/s. l’évolution des technologies a conduit à orienter les études vers des technologies plus performantes que le codage MIC différentiel utilisé dans le TVD 34.
La Transformation en Cosinus Discrets (TCD) plus connue sous le nom anglais de DCT (Discrete Cosine Transform) a servi de base aux nouveaux algorithmes de compression appliqués à la Télévision comme dans les équipements de Visioconférence et d’images fixes JPEG et plus tard dans les standards MPEG-1, MPEG-2 et MPEG-4.
Après des travaux de simulation sur ordinateur, l’équipe de Hervé Le Bloch a participé, aux travaux du groupe ETSI qui a abouti à la normalisation d’un algorithme de codage à 34 Mbit/s et un prototype a été développé. Cette étude n’a pas abouti à un développement industriel car le TVD34 était encore bien adapté aux applications de distribution de Télévision, mais les techniques mises en œuvre ont servi de base aux développements des systèmes « tout numérique ». 

 3 - 3  Le codeur MAC

 

Codeur MAC
A la fin des années 1980, les terminaux professionnels de Télévision Haute Définition (TVHD) commencent à apparaître, et donc le besoin de diffusion de ces programmes. Un nouveau procédé de transmission analogique de la Télévision, adapté à une transmission TVHD ainsi qu’au remplacement des systèmes composites tels le PAL et le SECAM ou NTSC utilisé pour la diffusion de la Télévision de définition standard par un système de meilleure qualité a été normalisé.
Le système MAC (Multiplexage Analogique des Composantes) consistait en un multiplexage temporel des composantes « luminance et couleur » et de données numériques tels le « son » de qualité numérique.
La SAT a développé, en liaison avec le CCETT, le codeur image de la chaîne D2-MAC adapté aux systèmes 625 lignes et présenté sur la photo ci-dessus. Ce codeur a été intégré dans la chaîne de diffusion D2-MAC de Télédiffusion de France (TDF).
Cependant, les développements des systèmes de compression performants, l’évolution rapide de la technologie des composants numériques (mémoires, circuits intégrés…) a rendu possible la transmission numérique de bout en bout jusque chez le téléspectateur. Le système MAC a donc été abandonné au profit du tout numérique et n’a pas donné lieu à l’industrialisation d’un produit.

3 - 4  L'évolution vers le tout numérique

A partir de 1993 les travaux de normalisation des systèmes de transmission de la Télévision en numérique jusque chez l’abonné ont démarré dans les groupes ISO MPEG-2 (Motion Picture Expert Group) et DVB (Digital Video Broadcast). Les développements de transmission des signaux de Télévision conformes à ces standards se sont poursuivis à la SAT et dans le groupe SAGEM.
Les développements de modulateurs pour la transmission par Câble et Satellite on été développés à la SAT ainsi que la technologie des circuits intégrés des démodulateurs qui a été utilisée dans les décodeurs d’abonnés développés par la SAGEM.
Les équipements de professionnels de codage et de multiplexage ont été développés par la société DiviCom, créée en Californie, en 1993, par le groupe SAGEM. Jean-Claude Jolivet a participé au développement de ces produits chez DiviCom. Les codeurs MPEG-2/DVB développés par DiviCom ont été par la suite distribués en Europe par SAT et SAGEM.

 4 - Les produits d'entreprise

Lors de la réorganisation de la SAT en 1986, le groupe d’étude « images » a été rattaché à la Branche Téléinformatique et Images (BTI), dirigée par Moni Mitrani, sous la forme d’un département dirigé par Jean-Claude Jolivet. Le département était divisé en deux groupes en fonction des applications : le groupe étudiant les équipements de transmission Télévision dirigé par Hervé Le Bloch et le groupe étudiant les équipements de Visioconférence à faible débit dirigé par Daniel Devimeux.
M. Mitrani, qui avait lancé avec succès la gamme des produits téléinformatique « Telsat », a orienté les nouveaux développements bas débit vers des produits de communication d’entreprise : le « Telsat Prisme » dédié à la transmission des images fixes et le « Telsat Caméris » dédié aux applications de Visioconférence en entreprise. Louis Enderlé, chef de produit et SATELCOM étaient chargés de la promotion et de la distribution de ces produits.

4 - 1  Telsat Prisme


Les cartes de Telsat Prisme
Les applications visées par le « Telsat Prisme » étaient la transmission des images sur les réseaux Numéris ou Transfix à 64 kbit/s ou sur le réseau téléphonique à l’aide des modems de la gamme Telsat.
Le Telsat Prisme était constitué d’un jeu cartes add-on pour PC et de logiciels dédiés au stockage et à la transmission des images fixes.
Le choix des cartes au format PC a permis avec les logiciels adaptés de développer des bases données sur micro-ordinateur.
 
Le Telsat Prisme supportait les modes séquentiel et progressif (dans lequel l’image se reconstruit par définition croissante)
Le développement du produit, en liaison avec le CCETT, s’est déroulé en parallèle avec les travaux d’un groupe ISO : le groupe JPEG (Joint Photographic Expert Group) en charge de la normalisation de l’algorithme de codage des images fixe. La SAT a contribué activement à ce groupe.
La présentation (après quelques nuits blanches passées par Alain Durroux, Serge Gicquel, Jean-Claude Jolivet et Michel Le Chevalier) à la réunion du groupe JPEG a Copenhague en Janvier 1988 de la première maquette temps réel d’une transmission au débit de 64 kbit/s d’images fixe en mode progressif a été décisive pour orienter le choix définitif de ce standard, maintenant encore, largement utilisé dans les applications photos numériques.
Le jeu de2 cartes PC (Bus ISA) développé à la SAT conformément à ce standard et commercialisé avec des drivers Windows était constitué de :

  • une carte graphique comportant une mémoire d’image de résolution 720 pixels x 576 lignes en16 millions de couleurs. La restitution pouvait se faire en mode entrelacé sur des moniteurs de télévision ou en mode progressif sur des écrans informatiques. Cette carte pouvait être équipée soit de sous cartes permettant l’acquisition de signaux au format Télévision 625 lignes, soit en interfaces RVB, soit en interface composite PAL ou SECAM.
  • une carte de co-processeur de compression et de décompression utilisant un processeur de signal car, à l’époque, les unités centrales des micro-ordinateurs ne supportaient pas la compression ou la décompression en temps réel pour une transmission à 64 kbit/s.
Le Telsat Prisme était dédié à des applications autonomes telles que la transmission des images fixes, les bases de données d’images, et pouvait également être intégrées dans le Telsat Caméris présenté ci-dessous.

4 - 2  Telsat Cameris

Le Visiocodec 2, basé sur un standard Européen, ouvrait la voie de la Visioconférence, mais il devenait nécessaire de disposer d’un standard mondial. Le CCITT a donc lancé la normalisation d’un système de codage qui supporterait le standard Européen 625 lignes 50 trames/s ainsi que le standard 525 lignes 60 trames/s utilisé en particulier aux Etats-Unis et au Japon. Par ailleurs les performances du système de compression utilisé dans les équipements tels que le Visiocodec 2, ne permettaient pas la transmission aux faibles débits disponibles sur les réseaux tels que le RNIS. Le Groupe d’étude XV du CCITT a ainsi normalisé un standard de Visioconférence : 
- qui était compatible avec tous les formats de prise de vue 625 lignes et 525 lignes utilisés dans le monde,
- dont les performances permettaient de transmettre des images faiblement animées, telles que les images du service de Visioconférence, à des débits aussi faibles que 64 kbit/s. 
Le Codec utilisé dans le Telsat Caméris a été au départ développé en partenariat avec Alcatel CIT avant de devenir un produit spécifique SAT.
Le Codec du Telsat Cameris et le meuble Cameris sont présentés ci-dessous.
Le codec Cameris
 
Le meuble Cameris

 


 

 


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