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Quel support de stockage pour les films 24p en UHD ?

Le format Blu-Ray introduit en 2003 a atteint son essor à la fin de la guerre contre le format HD-DVD en 2008. L’annonce de l’arrivée du format UHD pose problème du fait de l’augmentation des données à stocker induite par ce format. Je vous propose d’adopter une démarche visant à montrer la capacité ( ou incapacité ) des supports physiques annoncés à satisfaire au stockage d’un film 24p en UHD/4K.

Rmq : l’exercice est délicat dans la mesure ou nous allons devoir mixer des calculs exacts en tenant compte de paramètres non figés à l’heure actuelle. Mais le but est de nous donner une tendance sur ce qui sera stockable ou pas.

Nous avons vu dans un précédent article sur l’UHD, quels supports physiques sont préparation en vue de stocker des films 24p en UHD  Leur capacité de stockage est connue :

  • Le Blu-Ray Disc a une capacité de stockage de 50 Go maxi pour un débit maxi de 40Mb/s.
  • L’évolution directe du Blu-Ray, nommé BDXL, a une capacité de stockage de 128 Go maxi, le débit maxi m’est inconnue.
  • Sony et Panasonic travaillent sur un futur support prévue pour être commercialisé en 2015 avec une capacité de stockage de 300 Go, le débit maxi est inconnue.

Calcul de la taille de la piste vidéo d’un film 24p non compressé :

Les paramètres entrant dans le calcul de la taille de la piste vidéo d’un film 24p en UHD ( non compressé ) sont connus :

  • La résolution l’UHD est arrêtée : 3840 x 2160, la résolution 4K est différente : 4096 x 2160,
  • Même si la majorité des films affiche une fréquence d’image progressive de 23,976 Hz, nous prendrons la fréquence progressive de 24hz pour simplifier nos calculs. A noter que nous excluons la fréquence de 48hz qui n’est pas encore normé pour l’encodage de films 2D à destination du grand public,
  • L’UHD autorise l’utilisation de signaux RGB ( RVB ) ou YCbCr ( YUV ). La réalité démontre que la totalité des films encodés sur Blu-Ray le sont dans un représentation YUV ( du fait de son gain d’informations utilisées par rapport au signal RGB ),
  • Les espaces colorimétriques  Rec.709 et Rc.2020 autorisent un chroma sampling de 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0. Les spécifications du Blu-Ray fixent une limitation à l’utilisation du chroma sampling en 4:2:0. Il est raisonnable de penser que cette limitation n’aura plus lieu d’être pour le BDXL et pour le futur support de 2015.
  • Les espaces colorimétriques  Rec.709 et Rc.2020 autorisent une profondeur de couleur sur 8 bits ( 709 ), 10 bits ou 12 bits ( 709 et 2020 ). Nous tiendront donc compte de la profondeur de couleur 8 bits qui est la valeur retenue pour la quasi totalité des films actuellement sur Blu-Ray Disc.

Voir ici pour plus de précisions : https://www.projection-homecinema.fr/2013/11/30/comprendre-lultra-haute-definition-1/

https://www.projection-homecinema.fr/2013/11/30/comprendre-lultra-haute-definition-2/

 

Le calcul simplifié du débit est le suivant :

Résolution (Full HD/UHD) x profondeur de couleur (8, 10, 12 bits) x fréquence (24hz)

On divisera alors ce chiffre par  8 000 000 pour avoir des Mo ( Mēga octets ) ou par 8 000 000 000 pour avoir des Go ( Giga octets ).

Rmq : j’ai choisit de conserver des débits en Mo/s et des capacités en Go pour faciliter la compréhension du plus grand nombre ( je ne parlerais donc pas de Mébi/s ou de Gébi ).

Du fait des différentes formes de chroma sampling, le calcul exact du débit est évidemment plus complexe :

Full HD 4:2:0 8 bits : (((1920x1080x8)+(960x540x16))x24 )/8 000 000 = débit de 74,6 Mo/s ( non compressé ).

Full HD 4:2:2 10 bits : (((1920x1080x10)+(960x1080x20))x24 )/8 000 000 = débit de 124,42 Mo/s ( non compressé ).

Full HD 4:4:4 12 bits : ((1920x1080x36)x24 )/8 000 000 = débit de 223,95 Mo/s ( non compressé ).

 

Facteur de compression des codecs AVC et HEVC :

Nous connaissons les deux codecs qui pourraient être utilisés pour encoder/décoder les films 24p sur ces trois supports.

  • l’ AVC qui utilise le codec H.264 est le codec le plus utilisé pour encoder/décoder les films 24p sur Blu-Ray Disc. Il est raisonnable d’envisager que le support BDXL autorisera l’emploi de l’AVC.
  • Le HEVC qui utilise le codec H.265 autorise un facteur de compression double de celui de l’AVC à iso-qualité ( ce qui revient à dire que deux fois moins de débit est utile pour obtenir une vidéo de même qualité ). Il est raisonnable de penser que le support physique prévu en 2015 autorisera uniquement l’emploi du HEVC ( qui sera généralisé au moment ou le support sera commercialisé ). Il est raisonnable de penser que le BDXL autoriserait aussi l’emploi du HEVC. En ce qui concerne le Blu-Ray, il est peu probable que ce format autorisera l’emploi du HEVC ( du fait qu’il sera remplacé par un support qui lui l’exploitera ) mais nous en tiendrons néanmoins compte dans nos calculs.

Trouver le facteur de compression moyen de l’AVC/H.264 nous permettra d’en déduire celui de l’HEVC/H.265 :

  • Le lien suivant ( http://forum.blu-ray.com/showthread.php?t=3338 ) sur le forum Blu-Ray a recensé les débits moyens constatés pour les pistes vidéos sur Blu-Ray en fonction du codec utilisé ( 25Mb/s dans le cas de l’AVC/H.264 soit 3,13 Mo/s).
  • Nous avons calculé le débit d’une vidéo non compressé codé avec la seule représentation autorisée pour le Blu-Ray ( full HD 4:2:0 8 bits ) et le résultat est de 74,6Mo/s,
  • Le facteur de compression moyen pour l’AVC/H.264 est donc de 74,6/3,13 soit 23,83.

Pour simplifier nos calculs, nous retiendrons le facteur de compression moyen de 24:1 pour l’AVC. Le facteur de compression moyen de l’HEVC est par conséquent le double : 48:1.

Voici un tableau récapitulatif des débits maxi ( normés ) et débits moyens constatés par moyen de diffusion :

Débits moyens

Calcul de la taille des  pistes audio d’un film non compressé

Un film c’est une piste vidéo mais aussi une ou plusieurs bandes son. il nous faut donc connaître la taille de ces bandes sons afin de savoir quelle place est disponible pour la piste vidéo. Les formats de bande son les plus répandus pour des films sur Blu-Ray sont les suivants :

Débits audio

  •  Postulat 1 : un BD ou BDXL aurait au moins 1 piste son DTS-HD 96khz + 1 piste DD
  • Postulat 2 : Le support 2015 pourrait avoir au moins 2 piste son DTS-HD 192kz + 2 piste DD

Ce qui nous donne la capacité restante pour la vidéo selon la durée du film :

Place restante

Dans notre approche nous simplifierons nos calculs car on retrouve généralement sur un Blu-Ray, de nombreux documentaires traitant de l’œuvre cinématographique ainsi que des pistes audios réservées aux commentaires du réalisateur, etc …

  • Postulat 3 : La taille maximale que peut occuper la piste vidéo sur un Blu-Ray est fixée à 47 go,
  • Postulat 4 : La taille maximale que peut occuper la piste vidéo sur un BDXL est fixée à 120 go,
  • Postulat 5 : La taille maximale que peut occuper la piste vidéo sur le prochain support 2015 est fixée à 285 go.

 

Pour une vidéo de résolution Full HD :

Commençons par ce qui est connue et appliquons la démarche à la résolution Full HD, nous obtenons le tableau suivant :

 

Débits vidéos Full HD

 

Voici une représentation plus synthétique :

 

Synthèse Full HD

Conclusions :

  • Le Blu-Ray actuel pourrait stocker tous films en full HD 24p jusqu’à 4:2:2 8 bits, en tenant compte de sa limite de débit.
  • Le Blu-Ray actuel pourrait stocker tous films en full HD 24p jusqu’à 4:2:2 10 bits, s’il n’était pas limité en débit.
  • Le Blu-Ray actuel pourrait stocker des films, en full HD 24p en 4:4:4 8 bits, d’une durée maxi de 2h20 s’il n’était pas limité en débit,
  • Le Blu-Ray actuel pourrait stocker des films, en full HD 24p en 4:4:4 10 bits, d’une durée maxi de 1h45 s’il n’était pas limité en débit,
  • Tous les autres supports ( spécifications non définies ) seraient capable de stocker tous les types de signaux full HD en 24p.

 

Pour une vidéo de résolution UHD/4K :

Appliquons désormais notre matrice aux résolutions UHD :

 

Débits vidéos UHD

Voici une représentation plus synthétique :

Synthèse UHD

 Conclusions :

  • Le Blu-Ray actuel ne peut pas stocker de films UHD 24p  ( limité en débit et en capacité de stockage, format UHD incompatibile ),
  • Même constat si le Blu-Ray exploitait le H.265,
  • Si le BDXL exploite le H.264, il pourrait stocker tous films 24p en UHD 4:2:0 à 8 bits uniquement,
  • Si le BDXL exploite le H.265, il pourrait stocker tous films 24p en UHD jusqu’à 4:4:4 8 bits,
  • Le seul support qui serait capable de stocker tous les signaux UHD 24p est le futur support qui sortira en 2015.

Rmq : La différence entre une résolution UHD et  une résolution 4K est de voir augmente le débit nécessaire de 5% quel que soit le type de représentation du signal YUV 4K.

 

Pour une vidéo de résolution UHD-2/8K :

Allons plus loin et regardons ce qu’il en est pour un signal UHD-2/8K :

 

Débits vidéos UHD-2

 Voici une représentation plus synthétique :

Synthèse UHD-2

Conclusion :

  • Le Blu-Ray actuel et le BDXL n’ont pas l’espace de stockage suffisant pour stocker un film 24p de résolution UHD-2,
  • Le support qui sortira en 2015 serait capable de stocker tous films en UHD-2 24p en 4:2:0 jusqu’à 10 bits,
  • Le support qui sortira en 2015 serait capable de stocker tous films en UHD-2 24p en 4:2:2 8 bits.

Synthèse et  Conclusion

 

 Nous connaissons désormais les limites des supports physique visant à stocker des films 24p en UHD :

Le Blu-Ray actuel ne peut pas stocker de films UHD 24p quel que soit le codec utilisé.

Le BDXL est une solution alternative crédible :

  • Si le BDXL exploite le H.264, il pourrait stocker tous films 24p en UHD 4:2:0 à 8 bits uniquement,
  • Si le BDXL exploite le H.265, il pourrait stocker tous films 24p en UHD jusqu’à 4:4:4 8 bits,

Quel que soit le codec autorisé pour le BDXL, il permettrait de visionner un film 24p UHD en YUV 4:2:0 8 bits ( qualité moindre mais transposable rapidement ) ou mieux encore, voir un film 24p UHD en YUV 4:2:2 12 bits, ce qui serait alors une amélioration notable pour le consommateur.

Le seul support qui serait capable de stocker tous les signaux UHD 24p est le futur support qui sortira en 2015 du fait de sa capacité de 300Go. Il est d’ailleurs capable de stocker des films 24p 8K en 4:2:0 10 bits …. mais arrêtons la les spéculations.

blu ray 4k

3 Réponses

  1. Avatar
    Dominique BERÇOT.

    Bonjour,

    Vos explications sont très intéressantes, je me demande quel signal sera transmis par satellite pour les futurs diffusions de programmes et en TNT aussi ?

    Aujourd’hui mercredi 19 novembre 2014, une diffusion sur le satellite Astra à lieu (Source télésatellite.com) :

    Mercredi 19 novembre 2014, SES diffusera en direct et en Ultra HD, via ses satellites sur la position 19,2° Est, l’intégralité du concert “The Hunting Party” groupe Link Park. Le saignal sera codé en HEVC à une résolution 3840 x 2160 pixels, à 50 images pour secondes et une profondeur de couleurs de 10 bits. Paramètres de réception ASTRA 19,2 Est Transpondeur : 1.035 Fréquence : 10.994 GHz – Polarisation Horizontale – SR : 22 MS/s – FEC : 5/6 DVB-S2 – Modulation: 8PSK.

    Par contre pas d’informations quand au taux d’échantillonnage ! C’est dommage.

    Cordialement.

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