Introduction aux techniques audio et vidéo

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1 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 6 septembre Quelles sont, dans l air à température ambiante (18 C), les longueurs d onde (min. et max.) correspondant aux limites du domaine audible? 1.2. Un haut-parleur est alimenté par un signal audio large bande (par exemple, un bruit blanc). Le niveau relevé en laboratoire à 1m est de 100dB. On utilise deux haut-parleurs de ce type dans une installation stéréophonique. Un microphone omnidirectionnel est placé à 10m, à égale distance des deux H.P. Quel sera le niveau sonore (db) mesuré au microphone, si les deux H.P. sont alimentés par le même signal que ci-dessus? Suggestion : supposez la propagation de type sphérique (l effet de la directivité des H.P. est négligeable) Esquissez la courbe de directivité des microphones suivants : - omnidirectionnel - cardioïde - ultradirectionnel Soyez précis : indiquez les grandeurs attachées aux axes.

2 1.4. Qu est-ce que le dithering dans une conversion audionumérique? Dans quelle circonstance l utilise-t-on et pourquoi? 1.5. Comment reproduit-on la couleur jaune sur un écran vidéo (à partir des luminophores de l écran). Esquissez la forme du signal vidéo NTSC correspondant à une ligne jaune de l écran, en indiquant le déphasage entre ce signal et le color burst Comment s appelle le format de compression des images animées (+ son) utilisé dans le DVD? Donnez l ordre de grandeur du flux de données (en Mb/sec) après compression.

3 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 7 juin Un signal audio large bande est codé sur 12 bits (format PCM linéaire). Quel est son SNR (Signal to noise ratio) théorique? 1.2. Qu est-ce que le dithering dans une conversion audionumérique? Dans quelle circonstance l utilise-t-on et pourquoi? 1.3. Quel est l intérêt de suréchantillonner dans une conversion audionumérique?

4 1.4. Dessinez schématiquement le signal vidéo PAL correspondant à une ligne de l image (graphe en fonction du temps) Quel est le taux d information audio (bit rate) sur un CD audio (calcul exact)? Evaluer ensuite le taux total, incluant les bits d erreur, les bits de canal, le subcode et la synchronisation.

5 Introduction aux techniques audio et vidéo NOM : PRENOM : Examen du 11 janvier Quelles sont, dans l air à température ambiante (18 C), les longueurs d onde (min. et max.) correspondant aux limites du domaine audible? 1.2. Citez un principe de la compression d un signal audio (qualité CD 1.41 Mbits/s) par MPEG Citez un principe de la compression d un signal vidéo par MPEG Pourquoi les woofers ont-ils un grand diamètre de membrane (relativement aux tweeters)? Soyez précis dans votre réponse, et faites appel à votre connaissance du comportement acousto-mécanique du hautparleur électrodynamique.

6 1.5. Quelle serait la bande passante d un signal de télévision HDTV (haute définition) analogique de 1080 lignes, format 16/9 et fréquence de rafraîchissement de l image 100 Hz (sans entrelacement)? Expliquez votre calcul.

7 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 11 janvier 2001 (deuxième partie) 2.1. Décrivez l opération de quantification dans la conversion audionumérique (format PCM linéaire) : - quel en est le principe? - qu est-ce que l erreur de quantification et quelle est sa relation avec le rapport signal à bruit? - qu est-ce que le dithering? Pourquoi est-il nécessaire? - quelle est l utilité du dithering dans la conversion digitale/analogique? 2.2. Une caméra filme en continue une mire de quatre barres verticales (de même largeur) : de la gauche vers la droite de l image : une blanche, une jaune, une rouge et une noire. Expliquez : - le principe de l analyse de l image par la caméra (système 625 lignes/25 images par sec. entrelacé) ; - la formation de l image en couleur ; - la formation du signal vidéo PAL (Y+C). Soyez complet dans votre réponse Décrivez le principe de la lecture optique du CD audio (uniquement la partie optique, depuis l émission du rayon laser jusqu aux diodes réceptrices).

8 Introduction aux techniques audio et vidéo NOM : PRENOM : Examen du 14 janvier On veut programmer un DSP pour traiter un signal audio dans la bande utile [20Hz, 500Hz]. On désire que la conversion A/D (de type PCM linéaire) soit réalisée avec un rapport signal à bruit (théorique) minimum de 70dB. Indiquez (EN JUSTIFIANT BRIEVEMENT) les caractéristiques minimales à imposer : - à la fréquence d échantillonnage de travail ; - au filtre anti-alias (au niveau fréquentiel) ; - au convertisseur A/D (nombre de bits) Pour capter le plus fidèlement possible le signal audio dans l exemple précédent (question 1.1.), on utilise un microphone de type électrostatique. a) Dessinez la courbe de réponse en fréquence d un microphone de ce type qui aurait les performances juste suffisantes pour répondre aux exigences de l exemple précédent. b) Graduez les axes. Distinguez deux cas : - la résistance mécanique du microphone est faible ; - cette résistance est élevée.

9 1.3. Toujours dans l exemple précédent, le signal audio capté provient d une source acoustique (supposée ponctuelle) dont le niveau de pression émis à 1m est de 98 db. Si le microphone a une sensibilité de 60dB (ref. 1V/Pa), quelle tension efficace délivre-t-il s il est placé à 8m de la source? N.B. On suppose une propagation de type sphérique (pression efficace en Pa inversement proportionnelle à la distance à la source). Rappel : la pression de référence pour la définition du décibel est Pa Estimez le bitrate (Mbits/sec) correspondant à un signal vidéo PAL classique (50Hz entrelacé) dans le système (4 :2 :2), c est-à-dire : - échantillonnage complet de la luminance - 1 pixel sur deux codé pour U et V (Le calcul peut être basé sur une image utile de 576 x 720 pixels). 1.5 La capacité d enregistrement du DVD est de 4.7 Gbytes par face. Si l on veut pouvoir enregistrer un film de 135 min par face, quel doit être l ordre de grandeur du taux de compression de l information (se baser uniquement sur l information vidéo, voir question précédente). 1.6 Reliez Sous-porteuse couleur PAL (transmission vidéo) Limite théorique (ou fréquence critique) de la bande passante d un enregistrement magnétique audio (V=4.76 cm/sec, entrefer=4 µm) limite supérieure audible de la bande passante audio fréquence d image d un signal vidéo en Europe fréquence audio de longueur d onde (dans l air) égale à 1m sous-porteuse couleur (magnétoscope VHS) 12 khz 340 Hz 4.43 MHz 627 khz 20 khz 25 Hz

10 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 14 janvier 2002 (deuxième partie) 2.1 Question sur les réducteurs de bruit (plus dans la matière) 2.2 Partant de l image plane primaire, décrivez les principes de la formation du signal vidéo PAL (analogique). Votre description doit entre autres comprendre : - la description précise du signal mesuré à l oscillo ; - la définition de la luminance et la chrominance ; - la description du signal dans le domaine fréquentiel ; - l analyse du signal dans le plan de chrominance (correspondance couleur/coordonnées de ce plan). 2.3 Décrivez les 4 techniques principales utilisées par la compression audio dans MPEG. (ne pas se contenter de les citer)

11 Introduction aux techniques audio et vidéo NOM : PRENOM : Examen du 24 janvier Dessinez la courbe d un signal vidéo PAL analogique (signal en bande de base, non modulé), observable à l oscilloscope, correspondant à une image composée de trois bandes uniformes verticales : de la gauche vers la droite : une large bande bleue (b=1,r=g=0), une étroite bande noire et une large bande blanche. On se contentera de décrire le signal correspondant à une ligne de cette image. Soyez précis, graduez les axes, nommer chaque partie du signal. 1.2 Lors d une compression vidéo de type MPEG2, quelles seront a priori les parties de l image précédente qui seront codées avec le plus de bits? Pourquoi? 1.3 Dessinez la courbe typique du THD+N (%) d un ampli audio analogique en fonction de l amplitude (Volts) du signal d entrée. Commentez les différentes parties de la courbe.

12 1.4 Que représente (à l écoute) un son de 5dBSL (le dbsl étant, pour rappel, le décibel défini pour un niveau de pression acoustique)? Et un son de 130 dbsl? 1.5 Dessinez la courbe de réponse en fréquence typique d un woofer électrodynamique (à rayonnement direct). Soyez précis, graduez les axes! Qu appelle-t-on un subwoofer? 1.6 Quelles devraient être les spécifications fréquentielles du filtre anti-recouvrement (à l entrée) d un système audionumérique devant traiter des signaux de 20 Hz à 20 khz (qualité CD)? Le système travaille à la fréq. d échantillonnage de 48kHz, mais il utilise à l entrée une technique de suréchantillonnage à 96 khz.

13 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 14 janvier 2002 (deuxième partie) 2.1 Donnez les différentes étapes dans une conversion audionumérique vers analogique (D/A). Partant du signal numérique, après démodulation et correction d erreurs, que fait-on concrètement pour retrouver le signal analogique. Décrivez ces opérations en insistant sur les causes possibles de dégradation du signal. 2.2 Décrivez le système VHS en enregistrement magnétique des images. (N.B. n est plus dans la matière en 2009) 2.3 Décrivez la lecture optique du CD.

14 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 14 juin Expliquez brièvement pourquoi la saturation d un amplificateur audio, ayant en entrée un signal sinusoïdal de fréquence f 0, génère des harmoniques (distorsion harmonique). 1.2 A) Que représente un son pur de 0dB à 1000 Hz (db acoustiques ou dbsl)? B) Classez les sons purs suivants par ordre croissant de force sonore (impression de force sonore) : - 50 db à 1000 Hz - 0dB à 50 Hz - 1 db à 1000 Hz db à 100 khz (les db sont des db acoustiques ou dbsl). 1.3 Dans une chaîne audio-numérique de conversion analogique/digitale, placer dans l ordre (à partir de l entrée analogique) les opérations ou circuits suivants : - registre à approximations successives (opération de quantification) - filtre anti-aliasing ou anti-recouvrement - enregistrement sur disque compact - circuit «sample-and-hold» - insertion du code CIRC (cross-interleaving Reed-Solomon)

15 1.4 Quel serait le rapport signal/bruit théorique d un codage audio-numérique PCM utilisant une représentation à 12 bits au lieu de 16? 1.5 Où se place la sous-porteuse couleur dans le spectre d un signal vidéo (expliquez le principe)? Illustrez pour le signal PAL 625 lignes, 25 images/sec, sous-porteuse à 4.43 MHz.

16 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen du 9 janvier 2004 (deuxième partie) 2.1 Etablir la courbe de réponse du haut-parleur électrodynamique à rayonnement direct, placé dans un baffle infini, en basse fréquence. Mettre en évidence la première fréquence de résonance mécanique. Comment déplacer cette fréquence de manière concevoir un woofer ou un tweeter? Données Force de résistance de la charge d air sur la membrane : F=Z air v (v=vitesse de la membrane) avec πρ0a ω 16ρ0a ω Z air = + j (a=rayon extérieur de la membrane) c 3 Pression efficace dans l axe du haut-parleur à 1m : p eff ωρ a = v eff

17 Introduction aux techniques audio et vidéo Examen de janvier 2006 (2 ème partie) 2.1. Identifiez le filtre audio suivant : x[n] z -k + y[n] g -1 + z -k Quelle est sa fonction de transfert H(jω) et son module H(jω)? Dessinez sa réponse impulsionnelle pour g=0.5. Quelles sont les conditions de stabilité de ce filtre? N.B. : «g» est un nombre réel positif et «k» un entier positif Donnez le schéma-bloc complet de l encodeur AUDIO MPEG-1, layer I. Décrivez ensuite, de manière précise et concise, la fonction de chaque bloc. Illustrez votre description de données numériques : taille d un bloc d échantillons, nombre de sous-bandes, etc 2.3. Analysez la composition fréquentielle d un signal vidéo analogique (composante de luminance uniquement) : quelle est sa bande passante approximative (expliquez comment vous obtenez cette valeur), comment se répartit l énergie du signal dans cette bande passante, qu est-ce que les «vides inter-harmoniques», qu y place-t-on comme information (expliquez comment), où se trouve la bande son?