Cinéma Numérique : État de l art d un point de vue Art et Essai

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1 Cinéma Numérique : État de l art d un point de vue Art et Essai Master 2 Recherche Informatique et Télécommunications, parcours AVI Auteur : Nicolas Bertrand 52, chemin du Buisson Saint-Leu [email protected] Encadrant : Jean-Denis Durou Résumé Le cinéma fait sa transition de la bobine 35 mm au format numérique. La mise en œuvre de cette transition a été initiée en 2006 par le DCI (Digital Cinema Initiative, qui réunit sept majors hollywoodiennes) en éditant une spécification. Cette dernière décrit le format pour les masters et les copies numériques, ainsi que le matériel pour la diffusion des films et la projection en salle. La norme a été pensée pour le cinéma «entertainment» : diffusion en masse de blockbusters, sécurisation des copies et des salles, et contrôle strict de la distribution. Dans la cadre de ce mémoire, nous analysons le cinéma numérique à travers une étude bibliographique portant sur les aspects socio-économiques et sur la spécification du DCI et, en particulier, sur le format de compression des images choisi : le JPEG2000. Nous étudions aussi des solutions possibles pour adapter le cinéma Art et Essai à la dématérialisation de la bobine. Mots clés : Cinéma numérique, DCI, compression JPEG2000, logiciel libre. 20 juillet 2011

2 Remerciements Je remercie Jean-Denis Durou, Maître de Conférences à l Université Paul Sabatier, d avoir bien voulu m encadrer lors de cette étude, ainsi que Zoubir Mammeri, Professeur à l Université Paul Sabatier, pour m avoir accueilli dans sa formation. Je remercie les cinémas Utopia et notamment Rodolphe Village pour leurs aiguillages dans les méandres du fonctionnement du Cinéma. Je tiens à remercier Marjorie Davion qui m a été d un grand secours au travers de ses conseils et de son appui quotidiens indispensables à l écriture de ce mémoire. Enfin, je remercie Sébastien Zamith, Chargé de Recherche au CNRS, de m avoir ouvert les portes de la bibliographie scientifique. 1

3 Table des matières Introduction 3 1 Contexte socio-économique La chaîne industrielle du cinéma Les financements La projection en 3D La spécification Digital Cinema Initiatives, LLC (DCI) du cinéma numérique DCDM : Le master numérique Compression du master numérique Digital Cinema Package (DCP) : La copie numérique Transport du DCP Équipement des salles de cinéma Projection La sécurité : les moyens mis en place Le format JPEG Caractéristiques du format JPEG Fonctionnement du JPEG Comparaison du JPEG2000 avec d autres encodeurs Le matériel de décodage Propositions d axes de recherche pour le cinéma Art et Essai De l usage du logiciel libre Projecteur alternatif Un TMS libre Distribution Conclusion 31 A Acronymes 33 2

4 Introduction Le principe du cinématographe des frères Lumière est resté le même : la fixation d images sur un film et leur projection sur un écran par un projecteur, et ce à travers l évolution des technologies, du muet au parlant, du noir et blanc au technicolor. Ce système centenaire est aujourd hui en pleine transformation, et passe au numérique tout comme le livre ou l appareil photo. L industrie cinématographique dématérialise les bobines. Le tirage de films est remplacé par la copie de bits sur un disque dur ou bien par la transmission de ces mêmes bits par les réseaux. Il est fort probable que d ici quelques années les projecteurs 35mm auront disparu, mais nous parlerons toujours d aller voir un film. Les premières projections cinématographiques en numérique ont eu lieu au début des années 90 avec le projecteur Hughes/JVC Image Light Amplifier (ILA). La qualité d image était très éloignée de celle d un projecteur 35mm. L apparition de la technologie Digital Light Processing (DLP) développée par Texas Instrument a permis de créer les premiers projecteurs numériques permettant de projeter des films dans une salle de cinéma avec une qualité satisfaisante. Le premier projecteur pour le cinéma fondé sur la technologie DLP est apparu en Cette technologie permet la projection d une image par des miroirs microscopiques disposés sous forme de matrice dans un semi-conducteur. Depuis les années 2000, une fois la technique de projection numérique mise au point, tous les aspects concernant la diffusion et la projection de films en numérique sont étudiés. Le cinéma numérique reste toujours en évolution. La Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) est une organisation internationale qui développe des standards pour les industries du cinéma et de l audiovisuel. En 2000, elle crée le comité DC28, afin d étudier et de travailler sur le cinéma numérique. Ce comité est divisé en sept groupes travaillant sur toute la chaîne de distribution du cinéma, de la création du master à la projection en salle. Deux ans plus tard, afin d accélérer l adoption du cinéma numérique, les sept majors hollywoodiennes créent un groupement d experts du cinéma appelé DCI. Il est chargé de créer un standard pour le cinéma numérique, qui une fois établi retournera au sein de la SMPTE. En 2005, le DCI édite la première version de sa spécification : la Digital Cinema System Specification (DCSS). La DCSS retranscrit l architecture système et les exigences désirées par les studios hollywoodiens. Le document a une portée vaste et il s appuie sur les documents produits par le DC28 ; il décrit le format pour les masters et les copies numériques, ainsi que le matériel pour la diffusion des films et la projection en salle. La DCSS est pensée pour 3

5 la diffusion en masse de «blockbusters», un contrôle strict de la distribution et une sécurisation des copies et des salles. Ce modèle de distribution provoque des inquiétudes et des interrogations pour le cinéma d Art et d Essai. Le modèle proposé ne semble pas s adapter aux besoins de ce cinéma. Le matériel numérique est bien plus coûteux que l ancien matériel, et les pratiques d utilisation sont modifiées. À ce jour, les petites salles et les salles Art et Essai recherchent des financements pour pouvoir s équiper en matériel compatible avec la DCSS. Les contraintes posées par la spécification du DCI ne sont pas seulement économiques. Elle change aussi la manière de diffuser et de projeter, en rajoutant des restrictions sur la période de projection d un film ou bien des contraintes liées aux dispositifs anti-piratage. Elle remet aussi en cause le métier de projectionniste, remplacé par des services d assistance informatique. Nous nous proposons ici d analyser la DCSS et les technologies liées au cinéma numérique à travers une étude bibliographique. De nombreuses publications dans les domaines de l informatique, du traitement du signal, de l électronique mais aussi en socio-économie traitent différents aspects du cinéma numérique. La compression d images, le transport de fichiers volumineux, la protection de données et les enjeux financiers sont des exemples de sujets traités dans les publications scientifiques. Le chapitre 1 est une mise en contexte socio-économique du cinéma numérique actuel. Le chapitre 2 est une présentation de la spécification du DCI. Le chapitre 3 présente l encodeur JPEG2000, utilisé pour compresser les images des pistes vidéo, et le compare à d autres encodeurs. Le chapitre 4 propose des pistes de recherche et des solutions pour adapter le cinéma numérique au cinéma Art et Essai. 4

6 Chapitre 1 Contexte socio-économique «Par ailleurs le cinéma est une industrie», c est ainsi qu André Malraux conclut son essai Esquisse d une psychologie du cinéma, consacré à l esthétique du cinéma. «Contrairement à la plupart des autres arts, le cinéma puise son essence même dans le lien inextricable entre la création et l argent» ([13], p. 7). La principale raison de la transition de l industrie du cinéma vers le numérique est économique ([17], p. 21). Le coût de tirage d une copie sur bobine 35mm est élevé, et il n est pas rare qu un film pour sa sortie soit distribué sur 4000 copies. Une copie numérique (voir tableau 1.1) est bien moins coûteuse. Par contre, le coût des équipements numériques est bien plus élevé que celui du 35mm. C est un gain de coût pour le distributeur et une perte pour l exploitant de salle. De ce constat, il a découlé la mise en place de propositions de financement des équipements de salles à travers les économies réalisées par les distributeurs (voir 1.2). en 35mm en numérique Coût d une copie (en ) 600 à à 300 Coût d équipement d une salle (en ) à à Table 1.1 Comparaison de coût entre équipement numérique et 35mm. Les variations de coût d une copie varient suivant le nombre de tirages pour la copie 35mm et dans une moindre mesure pour la copie numérique [16]. 1.1 La chaîne industrielle du cinéma L organisation de l industrie cinématographique est découpée en plusieurs acteurs : Le producteur C est le créateur et l ayant droit du film. Depuis l avènement du numérique, on sépare l activité du producteur et celle du post-producteur. Le postproducteur est en charge des activités techniques : effets spéciaux, traitement des négatifs 35mm, colorimétrie,... 5

7 Le distributeur Il est l intermédiaire entre le producteur et l exploitant. C est lui qui négocie le nombre de films distribués et la durée pendant laquelle le film va être montré dans une salle. L exploitant Son rôle est de montrer le film au public. Les principales étapes, de la création du master à la projection, restent pratiquement inchangées pour le cinéma numérique (voir figure 1.1), certaines pouvant disparaître en raison de la dématérialisation des copies numériques. Actuellement, la majorité des copies numériques sont livrées par le distributeur aux exploitants sous forme de disques durs, mais cela va être remplacé par la transmission de copies par les réseaux. Figure 1.1 Les acteurs de la filière cinématographique (source [16]). La projection numérique permet aussi la diffusion en direct d événements sportifs ou culturels dans les salles de cinéma. Un enjeu important soulevé par les nouvelles technologies est celui de la liberté de programmation des salles et de la maîtrise des plans de sortie des distributeurs ([13] p. 110). L auteur souligne que «les exploitants perçoivent le numérique comme un moyen accru de centralisation dans la commercialisation des films associée [... ] à l élargissement des projections à d autres spectacles». Les salles de cinéma se transforment alors en espaces de «projection». Les distributeurs craignent aussi la déprogrammation de leurs films au profit d autres spectacles en direct, durant les moments de grande fréquentation comme le samedi soir. La numérisation des salles est en constante progression en France (tableau 1.2). On note une différence entre la numérisation des salles en réseaux (Mega CGR, Gaumont,...) et celle des salles indépendantes. En mai 2011, il y a 2454 salles numérisées, dans 629 cinémas (sources cinego 1 ). Au total, il y a en France 5478 salles de cinémas pour 2050 établissements (sources [8]), ce qui fait 45 % de salles équipées pour 31 % des 1. cinego maintient une base de données des salles numérisées. basedessalles 6

8 % de salles en numérique décembre % octobre % janvier % (prévision) janvier % (prévision) Table 1.2 Évolution de l équipement des salles en numérique en France. établissements. Ceci est dû à une numérisation des exploitants en réseaux plus rapide que celle des salles indépendantes. Les grands exploitants peuvent plus facilement signer des accords avec des distributeurs ou des tiers investisseurs pour financer l équipement des salles, car ils disposent de beaucoup plus d écrans. 1.2 Les financements Le coût du passage au numérique pour les exploitants de salles a amené la filière cinématographique à réfléchir à des solutions de financement. La plus courante est le Virtual Print Fee (VPF), ou frais de copie virtuelle. «Les distributeurs qui placent une copie numérique chez un exploitant, versent à celui-ci ou à un intermédiaire - un tiers investisseur - un VPF qui correspond à une partie du gain réalisé par le distributeur sur le coût de la copie [... ] Les tiers investisseurs ont donc la mission de transférer partiellement aux exploitants les économies obtenues par les distributeurs afin de les aider à financer les investissements de la projection numérique» ([13] p. 108). En pratique, les cinémas optant pour les financements via les VPF passent par les tiers investisseurs, car ils ne peuvent pas sur leurs fonds propres réaliser les investissements en matériel numérique. Or, les tiers investisseurs sont soit des intégrateurs systèmes (proposant le déploiement de matériel numérique) soit directement des distributeurs ([17] p. 209). Il est alors possible que les films pour lesquels un accord VPF a été signé soient, pour raisons financières, majoritairement diffusés. Seul les «grands» distributeurs ont les moyens de financer les VPF. Il y a alors le risque que les petits distributeurs aient des difficultés à diffuser leurs films, même s ils sont numériques. Depuis septembre 2010, le Centre National du Cinéma et de l image animée (CNC) propose des solutions de financements complémentaires aux VPF, tout comme l Europe à travers le programme MEDIA. Le rapport [2] de la Commission Européenne relève aussi le risque de «créer un marché de l exploitation/de la distribution cinématographique à deux vitesses, où seuls les multiplexes et les films commerciaux à forte valeur marchande bénéficieraient de la révolution numérique du cinéma. Or, la diversité culturelle et le renouvellement des talents dépendent du maintien du réseau cinématographique exceptionnel dont dispose l Europe». Cette hypothèse est levée en raison des importants investissements dans l équipement numérique à la charge des exploitants, mais aussi en raison des VPF : «Il se peut que le modèle VPF constitue une source de revenus insuffisante dans le cas de petits cinémas et de salles d art et d essai proposant des films européens. Cette 7

9 situation peut avoir des répercussions sur la programmation.» Le cinéma européen est plus morcelé que le cinéma américain : 10 % des cinémas européens sont des multiplexes, contre 35 % aux États-Unis. Le rapport note que 80 % des écrans européens ont une largeur inférieure à dix mètres et qu actuellement il existe des projecteurs ayant un profil similaire à celui du 2K (1920 x 1080 au lieu de 2048 x 1080). Ces projecteurs dits «e-cinema» sont nettement moins chers que ceux qui sont conformes à la norme DCI. Sur les petits écrans, «la qualité de projection offerte par une résolution 1920 x 1080 est plus que satisfaisante, et la différence avec le format 2K est totalement acceptable pour le public et les exploitants de salle. Cette solution serait clairement une option viable pour la grande majorité des écrans européens. Elle permettrait en outre de réaliser des économies importantes sur le plan des investissements privés et publics nécessaires pour le passage à la projection numérique» [2]. 1.3 La projection en 3D La projection en numérique offre la possibilité de projeter en 3D, comme le film Avatar de James Cameron. «Les exploitants sont d autant moins incités à investir que les gains de qualité de projection numérique par rapport à une copie 35mm sont loin d être établis pour le spectateur [... ] Pour vaincre ces réticences, les majors américaines ont axé le marketing de la projection numérique autour de la 3D» ([13] p. 109.) Néanmoins, une copie numérique reste de qualité constante quelque soit le nombre de projections. Un spectateur regardant un film sur une copie 35mm ayant déjà servi plusieurs fois verra la différence de qualité. La projection en relief n est pas encore normalisée. On trouve deux procédés : à lunettes actives ou à lunettes passives 2. Pour le spectateur, la projection en 3D utilisée a encore des défauts : images plus sombres (à cause des filtres polarisés), migraines à la fin des séances de films d action 3,... De plus, on assiste à une baisse de fréquention des films 3D. Pour un même film sortant en 2D et 3D, la part de films vus en 3D est en constante régression depuis la sortie d Avatar. Des annonces actuelles comme, à nouveau, celle de James Cameron demandent une évolution des projecteurs numériques pour améliorer la 3D. Cette technologie pour l industrie du cinéma n est à ce jour pas suffisamment mature

10 Chapitre 2 La spécification DCI du cinéma numérique La Digital Cinema Initiatives, LLC (DCI) a été créée par les majors hollywoodiennes : MGM 1, Disney, Fox, Paramount, Sony Pictures Entertainment, Universal et Warner Bros. Le principal but de la DCI est : «establish and document voluntary specifications for an open architecture for digital cinema that ensures a uniform and high level of technical performance, reliability and quality control 2». Le document Digital Cinema System Specification (DCSS) [12] spécifie des exigences non couvertes par les standards (SMPTE, ISO,...), cette spécification est souvent appelée norme DCI. La dénomination de norme est abusive, elle ne fait partie d aucun organisme de normalisation comme le SMPTE ou l Organisation Internationale de Normalisation (ISO). Il est indiqué dans le document ([12] p. 2) qu «il est conçu uniquement comme un guide pour les entreprises intéressées par le développement de produits, qui peut être compatible avec d autres produits». Le DC28 du SMPTE travaille actuellement à faire passer ces recommandations en tant que norme internationale, les documents directement produits par le DC28 étant maintenant passés en norme ISO. Le document est constitué de sept parties : master numérique, compression, conditionnement (packaging), transport, équipement des salles, projection et sécurité. Ces différents points sont présentés dans les sous-chapitres ci-dessous. La Digital Cinema System Specification (DCSS) introduit la notion de composition. Elle représente toutes les données nécessaires à la réalisation d un long métrage, d une publicité ou d une bande annonce. Les données pour ces différents supports sont similaires (images, sons, sous-titres). On utilisera cette notion par la suite pour représenter tout type d œuvre. Le flux de données permettant de passer du master numérique, appelé Digital Cinema Distribution Master (DCDM) à la copie numérique appelée DCP est représenté sur la figure 2.1. Les étapes de ce flux sont présentées ci-dessous. 1. La MGM a quitté la DCI en 2005, avant la publication de la première version de la spécification DCSS

11 Figure 2.1 Du master numérique à la copie numérique. 2.1 DCDM : Le master numérique Le DCDM est un ensemble de fichiers représentant une composition. Cet ensemble comprend des fichiers d image, de son et de sous-titre. Le master est généré une fois que la phase de postproduction est terminée. C est le point d entrée du flux de données du cinéma numérique. La piste vidéo d un master numérique est définie image par image. La fréquence des images peutêtre de 24 images/s ou 48 images/s pour gérer la 3D. Deux types de définition sont spécifiés : le 2K (2048x1080 pixels) et le 4K (4096x2160 pixels). L espace colorimétrique choisi est le CIE 1931 XYZ 3. Chaque composante de cet espace est codée sur 12 bits. Le format d image utilisé est le Tagged Image File Format (TIFF), il contient aussi les méta-données permettant la synchronisation avec les autres données. Les fichiers sons sont encodés au format Waveform Audio-file Format (WAV) à une fréquence de 24 images/s ou 48 images/s. Les fichiers de sous-titre peuvent être des fichiers au format PNG ou bien sous forme de texte avec attributs (comme le XML). 2.2 Compression du master numérique Un master numérique peut avoir une taille allant de 2 Tio à 8 Tio. Ces grandes tailles de fichier sont dues aux images. Pour permettre la diffusion et le stockage de copies numériques, il a été choisi de compresser les images avec la norme de compression JPEG2000. Seules les données de type image sont compressées. La compression JPEG2000 est traitée plus en détail dans le chapitre cf. 10

12 Figure 2.2 Structure d une copie numérique de la bobine à la trame. Une copie est composée de plusieurs bobines. Ces dernières contiennent des pistes image, audio et éventuellement des sous-titres. Chaque piste a la même structure. Une piste est découpée en trames encodées individuellement. 2.3 DCP : La copie numérique La spécification du DCI utilise, tout comme dans le format 35mm,la notion de bobine. Dans ce cas, cette notion est conceptuelle et représente une durée arbitraire. Une bobine est composée d une ou de plusieurs pistes (track files). Chaque piste représente un type de média : image, son ou sous-titre. Chaque piste a la structure du container Material Exchange Format (MXF). Le MXF est un fichier container pouvant embarquer de nombreux contenus comme de la vidéo, du son ou des méta-données. Ce format est fondé sur le codage de données Key-Length- Value (KLV), standardisé par le SMPTE (ainsi que le MXF), qui utilise des triplets composés d une clef de 16 octets (qui identifie le type de données transportées), de la taille des données, et des données [19]. Une piste est découpée en trames, équivalentes à une image, et est codée au format KLV. Les pistes son et sous-titre sont codées séparément et correspondent à chaque image (voir figure 2.2). Les trames codées au format KLV peuvent être cryptées. Le cryptage utilise le standard Advanced Encryption Standard (AES) et utilise des clefs symétriques (clefs identiques pour le cryptage et pour le décryptage). La même clef est utilisée pour assurer l authenticité et l intégrité. Un DCP, la copie numérique, est composé de toutes les bobines et d une Composition Play List (CPL) qui permet d ordonnancer les bobines. La CPL est un fichier au format XML contenant les références vers les bobines et les pistes. Elle peut elle aussi être cryptée. Dans le cas d une copie cryptée, l ensemble des clefs utilisées est stocké dans un fichier appelé Key Delivery Message (KDM). Ce fichier peut être lui aussi crypté suivant le standard AES, mais avec des clefs asymétriques. Dans les salles, chaque équipement de projection a sa propre clef. Un cryptage de KDM est réalisé pour chaque équipement en fonction de sa clef. Cela permet de s assurer qu une copie ne puisse être projetée que dans une salle donnée. De plus dans un KDM, on trouve une période de validité de la 11

13 clef asymétrique, permettant ainsi de contrôler la durée de projection d un film. Si un exploitant désire projeter le film plus longtemps, il doit demander une nouvelle clef. C est le moyen mis en place par le DCI pour contrôler les droits d un film. 2.4 Transport du DCP La DCSS ne spécifie pas de stratégie de distribution à utiliser pour la distribution d une copie du distributeur à l exploitant, qui est laissée au marché : les choix adoptés peuvent être le support physique (disque dur), le satellite ou la transmission sans fil à haut débit [18]. D un point de vue économique, on retrouve ici un phénomène décrit dans [13] (p. 111) : l échec des stratégies de convergence. Les grands distributeurs comme les majors hollywoodiennes sont des groupes intégrés organisés de manière verticale, de la production à la distribution du film. Ils ont aussi leurs propres réseaux de distribution. Or ceux qui produisent du contenu souhaitent une large diffusion et pas seulement sur leur réseau. Inversement, les réseaux (au sens des sociétés fournissant des accès aux réseaux) souhaitent diffuser le plus de contenu possible tout en essayant d en obtenir l exclusivité par rapport aux réseaux concurrents. C est certainement cette raison qui a conduit le DCI à ne pas spécifier le transport de copies numériques. Dans l introduction de la DCSS il est écrit que le but du document est de proposer une architecture ouverte pour le cinéma numérique. La non spécification de l étape de transport va à l encontre de ce but. 2.5 Équipement des salles de cinéma La spécification du DCI définit les équipements et les moyens de projection pour les exploitants. À la différence de la création d une copie numérique, ici la spécification ne se limite pas aux flux de données : elle définit avec précision l architecture système des équipements. La DCSS définit de nombreux équipements : projecteurs, media blocks, bibliothèques de DCP, Screen Management System (SMS) et Theater Management System (TMS). Le SMS est une interface permettant de contrôler localement, au niveau de la salle, la projection d une séance. Il permet de démarrer et d arrêter une séance, ainsi que de créer et d éditer des shows play lists afin de combiner des bandes-annonces, des publicités avec le film projeté. Le TMS permet de superviser tous les équipements dans le cinéma. Il assure la réception des copies numériques, leur stockage dans une bibliothèque, et l envoi d un ou plusieurs DCP vers le SMS d une salle. Les TMS et SMS sont les interfaces graphiques permettant à l exploitant de salle d interagir avec les équipements. La DCSS spécifie deux types d architecture : une pour cinéma mono-écran, basée uniquement sur un SMS (voir figure 2.3), et une autre pour les cinémas possédant plusieurs écrans, où l on retrouve un SMS par salle, et un TMS pour superviser les projections dans le cinéma (voir figure 2.4). 12

14 Figure 2.3 Architecture mono-écran. Un SMS contrôle la projection dans la salle. Figure 2.4 Architecture multiplex. Le TMS supervise les SMS des salles. 13

15 Le media block est un équipement entre le SMS et le projecteur, il assure le décryptage, la décompression JPEG2000 des images, et l envoi des flux vidéo et audio vers le projecteur et les haut-parleurs. La décompression des fichiers au format JPEG2000 en temps réel demande une puissance de calcul élevée. Les media blocks sont des équipements spécifiques, basés sur plusieurs Field-Programmable Gate Array (FPGA). Ce type d architecture est présenté dans [20]. Deux réseaux de communication, chez l exploitant, sont définis : un pour la transmission de messages à travers les équipements et un autre dédié au flux des médias (films, bandes-annonces,...). 2.6 Projection Le projecteur est l élément le plus important du cinéma numérique, sa fonction consiste à transformer des images numériques en lumière. La technologie DLP de Texas Instrument est le plus utilisée. Sony propose aussi sa technologie appelée Silicon X-tal Reflective Display (SXRD) et utilisée dans ses projecteurs pour le cinéma numérique. Il est utilisé au début de la chaîne pour calibrer le master numérique et, évidemment, à la fin pour la projection en salle. La DCSS dans le 8.3 définit avec précision les caractéristiques techniques d un projecteur en matière de définition, de contraste, d uniformité de la couleur,... Le media block et le projecteur sont connectés par une liaison Dual Link HD-SDI 4. Le media block est soit intégré physiquement dans le projecteur, solution préférée par le DCI par raison de sécurité du contenu, soit séparé mais dans ce cas la liaison HD-SDI doit être cryptée. Le sous-titrage ou autres graphiques passent par une liaison Ethernet 100Base-T, ainsi que les commandes de contrôle du projecteur (marche/arrêt, choix de lentilles,...). De plus le film doit être marqué (voir paragraphe suivant) par le media block, intégré ou non au projecteur, entre le décryptage et l envoi sur la liaison HD-SDI. 2.7 La sécurité : les moyens mis en place La spécification de la sécurité correspond à la plus grande partie de la DCSS (60 pages sur 150) les 8 autres parties sont donc regroupées sur 90 pages. D un point de vue financier, le développement de la sécurité prend aussi une grande part dans le coût [2]. Dans la spécification on distingue six types de niveaux de sécurité. Ils sont répertoriés dans [6] : Cryptage de la copie numérique Chaque piste son, vidéo ou sous-titre d une œuvre numérique est cryptée séparément avec une clef de chiffrement symétrique. Le standard AES est utilisé avec une clef de 128 bits. 4. Le Dual Link HD-SDI est une interface numérique normalisée par le SMPTE (372M) à 1.5 Gb/s supportant la définition du 2K. Pour le 4K on en rajoute une autre, donc cela devient une Dual-Dual Link HD-SDI. 14

16 Transport de clef Les clefs de décryptage des pistes d une copie numérique sont fournies par le fichier KDM. Ce fichier est envoyé au cinéma séparément de la copie numérique. Le contenu de la KDM est crypté avec la clef publique du Security Manager d un projecteur. Cela permet de s assurer que seul le destinataire puisse décrypter le contenu d une copie numérique. Une clef publique de type RSA avec une clef de 2048 bits est utilisée pour protéger le KDM. Security Manager Ce composant du media block coordonne les activités liées à la sécurité dans une salle de projection. Il authentifie les autres composants liés à la sécurité, comme le SMS, ou le Media Decryptor 5 via des certificats numériques. Une partie du contenu du fichier KDM est une liste de Trusted Device List (TDL). Cette liste contient la liste des composants autorisés à jouer une œuvre numérique. La validité de cette liste est assurée par le Security Manager avant une projection. Le Security Manager est aussi chargé d établir des sessions sécurisées de type Transport Layer Security (TLS) pour assurer des communications sécurisées au travers du Réseau IP. De plus chaque entité de sécurité vérifie sa propre intégrité et réalise des activités de maintenance. Sécurité physique Chaque composant de sécurité est implémenté dans du matériel sécurisé, c est-à-dire un matériel qui protège physiquement l accès aux données sensibles, par exemple, la détection d ouverture de porte. Dans ce domaine la spécification du DCI demande que le matériel soit certifié au standard Federal Information Processing Standards (FIPS) niveau 3 6. Traces sécurisées Afin de permettre aux exploitants de la flexibilité dans leurs opérations une approche Control Lightly/Audit Tightly est adoptée ([17] p. 136). Au lieu d utiliser des Digital Rights Management (DRM) complexes contrôlant comment le contenu est utilisé, les propriétaires de droits d auteur spécifient une période pendant laquelle l œuvre peut être jouée. Les exploitants doivent fournir des traces (logs) montrant l usage du contenu. Ces traces doivent êtres sécurisées afin de garantir l intégrité et l authenticité de ces dernières. Marquage des films Appelé en anglais forensic watermarking, le marquage consiste à ajouter des messages invisibles à l œil ou à l oreille humains. Le but est d identifier quand et où un film a été enregistré par une caméra dans une salle de cinéma, afin de décourager le piratage de films. Le marquage doit être toujours présent après compression du film piraté. Comme le souligne [17] (p. 139) c est le sujet le plus flou de la spécification du DCI. À ce jour, il n existe pas de standard sur le marquage des films. L article [15] va encore plus loin dans la lutte contre le piratage, car il propose un modèle mathématique pour détecter la position de la caméra du pirate dans la salle de projection, en fonction de la distorsion des images due à l angle de la caméra par rapport à l écran. 5. Le Media Decryptor transforme des images ou des sons cryptés dans leur forme claire originale (voir [12] pour une liste exhaustive de ces entités). 6. Pour une présentation du standard de sécurité FIPS : [17] (p ) et wikipedia.org/wiki/fips_

17 Les moyens de sécurisation pour lutter contre le piratage vont de la génération de la copie numérique à la projection en salle. La spécification du DCI et les standards du SMPTE ne traitent pas de la sécurité entre la production et la distribution de la copie numérique. La DCSS considère dans le que lors de l étalonnage du master numérique, il n est pas nécessaire de crypter la liaison entre le media block et le projecteur, car c est un environnement de confiance (trusted environment). Cependant l étude menée par [7] montre que 75% des films que l on retrouve sur les réseaux peer-to-peer illégaux proviennent d industry insiders. Ces insiders copient et distribuent illégalement les films au moment de la production ou de la distribution. 16

18 Chapitre 3 Le format JPEG2000 Le DCI a choisi durant l été 2004 le JPEG2000 comme format de compression des images des copies numériques. En raison de la grande taille des masters numériques (de 2 à 8 Tio), la compression des images est indispensable pour permettre la distribution des œuvres. La DCSS spécifie que l algorithme de compression soit un standard ouvert, afin que chaque constructeur de matériel puisse construire son système de cinéma numérique. L algorithme de compression doit supporter une profondeur de bit élevée (12 bits par composante de couleur), et un espace colorimétrique XYZ sans sous-échantillonnage de la chrominance (le même nombre de bits doit être utilisé pour chaque composante, codage 4 :4 :4). Il doit aussi pouvoir gérer la définition 2K et 4K à partir du même fichier. Le JPEG2000 satisfait à ces exigences [5]. La publication [20] va plus loin dans les raisons des choix du JPEG2000. L algorithme de compression doit avoir une licence libre. La compression doit être visuellement sans perte dans des conditions de projection normale. Une qualité d image constante avec un débit (bit-rate) variable doit être utilisée au lieu d un débit constant avec une qualité d image variable. L algorithme doit gérer la détection d erreurs de transmission (Error Resilience). Le système de compression doit supporter des accès aléatoires aux images, dans une vidéo. 3.1 Caractéristiques du format JPEG2000 Le JPEG2000 correspond à la partie 1 du standard ISO-15444, publié en Ce format inclut un mode avec perte et un autre sans perte, grâce à deux filtres de transformation en ondelettes. Pour la compression sans perte une transformation en ondelette 5/3 réversible est utilisée, et pour de meilleures performances de compression, avec perte, la transformation en ondelette 9/7 a été choisie. Le JPEG2000 peut produire des flux de données compressées à différentes définitions d images. Pour produire des images de plus faible définition, une partie seulement du flux est décompressée. Ceci permet d avoir un gain de bande passante sur un réseau et de réduire le temps de décompression. Dans l article [14], la figure 1 illustre le gain de performance suivant la définition. Cette fonctionnalité est, par exemple, utilisée pour le 17

19 montage vidéo. Pour gagner en performance on ne récupère que des images en faible définition afin de faciliter le montage. Par contre pour la réalisation d un master on utilisera la définition maximale. 3.2 Fonctionnement du JPEG2000 L algorithme d encodage se déroule en plusieurs étapes (voir figure 3.1) : Figure 3.1 Étapes de l encodage JPEG2000 (source [10]). Les pixels sont d abord transformés en coefficients issus de la transformation en ondelettes. Puis les sous-bandes pour chaque niveau de définition sont divisées en codeblocks qui sont indépendamment transformés selon un codage entropique. Les données issues du codage entropique sont distribuées dans des paquets qui composent le bit-stream JPEG2000 final. Prétraitement (Preprocessing) C est la première étape. L image peut éventuellement être découpée en blocs rectangulaires appelés tuiles (tiles). Cette opération est pratique dans des environnements avec des ressources mémoires limités, la DCSS interdit cette opération. Si les pixels sont représentés par des valeurs non signées, elles sont décalées afin d obtenir les valeurs correspondantes signées. Enfin si l image source est codée en RGB une décorrélation des composantes est nécessaire afin de pouvoir obtenir un codage plus performant. Dans le cas d une compression sans perte la transformation est de type Reversible Component Transformation (RCT), et pour une compression avec perte elle est de type Irreversible Component Transformation (ICT). Transformation en ondelettes discrète, ou Discrete Wavelet Transtorm (DWT) Comme indiqué précédemment, deux types de transformation peuvent être utilisés. La propriété de «définitions multiples» du format JPEG200 provient de la DWT. À chaque transformation, on obtient une image de définition quatre fois plus faible. La spécification du DCI requiert l utilisation d une transformation irréversible (9/7), ainsi que pas plus de 5 transformations pour le format 2K, et 6 18

20 pour le 4K. Pour le 4K il faut au moins une transformation, pour permettre d extraire une image 2K ([12] 4.4). Il est important de noter que la transformation en ondelettes ne compresse pas le flux, mais le prépare en créant des sous-bandes (subbands) représentant différents niveaux de définition de l image ([10] 10.1). La transformée est appliquée indépendamment sur chaque composante de la couleur. Quantification Suite à la transformation, une quantification scalaire uniforme avec dead-zone est appliquée sur chaque sous-bande, afin de réduire la dynamique des données (voir [22], p. 43). Precincts et codeblocks Une localisation spatiale est appelée un precinct et correspond à un ensemble de codeblocks pour toutes les sous-bandes d une définition donnée et couvrant une zone spatiale donnée (fig. 3.2). Les sous-bandes pour chaque définition sont divisées en codeblocks, généralement de taille 64x64. Les coefficients de ces derniers sont organisés en plans de bits (bit plane) : pour un coefficient sur 12 bits, on a 12 plans de bits (du bit le plus significatif à celui qui l est le moins). Chaque codeblock est codé séparément (voir point suivant), et ne fait aucune référence aux autres. Ce codage de bloc indépendant apporte des avantages comme la localisation spatiale efficace, la détection d erreurs, et la possibilité de réaliser des calculs en parallèle pour l encodage et le décodage ([22], p. 44). Codage Tier 1 Ce codage se passe en deux étapes. La première étape applique l algorithme Embedded Block Coding with Optimized Truncation (EBCOT) 1. Chaque codeblock est encodé en trois passes 2. Chacune de ces passes collecte des informations contextuelles sur les données des plans de bits. Le codage entropique permettant la compression du bit-stream utilise les informations collectées durant les passes. Le codage entropique est réalisé par un codeur arithmétique basé-contexte adaptatif binaire (context-based adaptive binary arithmetic) appelé codeur MQ issu du standard ISO JBIG2. Codage Tier 2 Cette étape permet de contrôler le taux de compression et d organiser le bit-stream du format JPEG2000. Pour chaque codeblock un bit-stream est généré. Le bit-stream a la propriété de pouvoir être tronqué en différentes tailles, la distorsion induite par ce découpage en sous-éléments est calculée par erreur quadratique moyenne. C est cette opération qui permet de compresser les données en fonction d un taux. Durant l encodage la taille et la distorsion du bit-stream sont calculés et stockés temporairement avec le bit-stream. Les bit-streams du codeblock d un precinct forment le corps d un paquet. Une collection de paquets, un par precinct à chaque niveau de définition, forme une couche de qualité (quality layer). Un paquet peut être vu comme un 1. Davis Taubman, «High performance scalable image compression with EBCOT», in Proc. IEEE Int. Conf. Image Processing, vol. III. Kobe, Japan, Oct. 1999, pp Cet article ne fait pas partie de la bibliographie car il n a pas été étudié dans le cadre de ce mémoire. Il sert ici de référence pour l algorithme EBCOT. 2. Les trois passes de EBCOT sont : passe de propagation de la signifiance (Significance Propagation), passe d affinage de l amplitude (Magnitude Refinement) et passe de nettoyage (Cleanup). 19

21 incrément de qualité pour un niveau de définition donné, à une localisation spatiale donnée, un precinct correspondant à une localisation spatiale. De manière similaire, une couche de qualité peut être interprétée comme un incrément de qualité pour une définition donnée ([22], p. 45). Chaque couche améliore la qualité de l image et permet le décodage progressif, le bit-stream final est une succession de couches. Pour atteindre un taux de compression donné, on tronque un bit-stream en commençant par la couche de qualité la plus faible. Figure 3.2 Découpage en precincts et codeblocks (source [10]). Un precinct inclut tous les codeblocks appartenant à un niveau de définition donné et couvrant une zone spatiale donnée. Par exemple, au niveau de définition le plus élevé, le premier precinct est composé de douze codeblocks, quatre dans chaque sous-bande. La taille (le nombre de pixels) d une zone couverte par un precinct peut varier d un niveau de définition à un autre. C est le cas de la figure, où la taille d une zone a été adaptée pour chaque niveau de définition, afin d avoir le même nombre de precincts (six) par niveau. 3.3 Comparaison du JPEG2000 avec d autres encodeurs On compare des images ou des vidéos compressées aux originaux. Deux types de comparaison ont été réalisés : un objectif et l autre subjectif. La comparaison objective consiste à calculer un rapport signal sur bruit appelé Peak Signal to Noise Ratio (PSNR). La comparaison subjective consiste à comparer visuellement l image compressée à l image originale. Le motion JPEG2000 est un format d encodeur vidéo défini aussi par la norme ISO/IEC du JPEG2000. Le flux vidéo de cet encodeur est simplement une concaténation d images au format JPEG

22 La spécification du DCI n utilise pas le format motion JPEG2000 de la norme, mais il en est très proche, car lui aussi encode image par image. La différence est sur la manière d organiser les images dans le flux vidéo. Dans la DCSS, chaque image JPEG2000 est encodée séparément dans le conteneur MXF. Le motion JPEG2000 est un conteneur à part entière. On peut donc, pour la comparaison à d autres formats, les assimiler à un seul et même encodeur. Plusieurs publications traitant du cinéma numérique et du DCI ne font pas la différence entre ces deux formats. Le motion JPEG2000 est un codeur intra-trame, où chaque trame du flux est codée séparément. Un codeur inter-trame va utiliser un vecteur de mouvement prédisant le contenu de la trame en utilisant une ou plusieurs trames voisines. De nombreux articles comparent le motion JPEG2000 avec le H.264/AVC FRExt. Ces derniers sont les standards actuels pour le codage d images et de vidéos de définition élevée. Le H.264/AVC propose aussi un codage intra-trame. Le JPEG2000 utilise la transformation DWT alors que le H.264 utilise la transformation Discrete Cosine Transtorm (DCT). Ci-dessous, diverses publications comparant les deux formats sont listées. On s intéresse ici aux résultats et aux conclusions pour les images ayant des définitions élevées, comme celles qui sont utilisées pour le cinéma numérique. La publication [23] compare le JPEG2000 et le H.264/AVC FRExt en modes intratrame et inter-trame. Suivant le type de vidéo, provenant du scannage d une pellicule ou d images de synthèse, les résultats diffèrent. Pour une vidéo provenant d une pellicule, les trois types de codage ont un PSNR indépendant du bit-rate. Pour la vidéo provenant d images de synthèse, le codage inter-trame est meilleur que le codage intra-trame. Pour des bit-rates faibles, le codage intra-trame du JPEG2000 a de meilleurs résultats que celui du H.264/AVC FRExt, en raison de l utilisation des transformations en ondelettes pour le JPEG2000. La différence de résultats entre les deux vidéos est expliquée par le grain de la pellicule numérisée qui n est pas prédictible par le vecteur de mouvement du codage inter-trame. L article conclut que pour des images de définition élevée, à des bit-rates élevés, la différence de PSNR entre les codages inter-trame et intra-trame n est pas significative. Il conseille l utilisation du JPEG2000 pour le cinéma numérique car le codage intra-trame est plus facile à mettre en œuvre d un point de vue algorithmique. Dans cet article, la comparaison se fait uniquement sur le PSNR, il n y a pas de comparaison subjective ou visuelle. Dans [21], les auteurs comparent de manière objective et subjective la qualité d image entre le H.264/AVC FRExt intra et inter-trame, et le JPEG2000. Onze séquences ont été testées. À des définitions élevées, les tests objectifs montrent que le codage inter-trame améliore rarement le PSNR. À des bit-rates élevés le H.264/AVC FRExt (inter et intra-trame) est meilleur que le JPEG2000. À bitrate faible, le JPEG2000 a de meilleurs résultats, et le PSNR est d autant meilleur que la définition de l image augmente. Pour les tests subjectifs (observation du rendu), le JPEG2000 et le H.264/AVC FRExt inter-trame rendent mieux les dé- 21

23 tails à définition élevée. Dans le cinéma numérique, on a généralement un bitrate de 1.41 bit/pixel (soit 75 Mbps pour une image) pour le 2K et 0.47 bit/pixel (100 Mbps) pour le 4K. La publication conclut que pour ces valeurs de bit-rate faible, le JPEG2000 est le format préférable en fonction du PSNR, du rendu visuel, et des temps de calcul. Dans la publication plus récente [9], le motion JPEG2000 et le H.264/AVC FRExt en mode inter-trame sont comparés sur 3 vidéos au format 4K. Le profil pour le H.264/AVC FRExt utilisé dans cette publication est différent de celui utilisé dans [21] (profil HP au niveau 5.1 au lieu de 4.1). Les premières comparaisons montrent un léger avantage en terme de PSNR pour le H.264/AVC FRExt, sauf pour les vidéos dans lesquelles il y a beaucoup de mouvement. L article étudie ensuite de manière théorique les raisons de ces résultats pour le format H.264/AVC FRExt, et propose de l étendre à partir de l analyse théorique. Des comparaisons avec le motion JPEG2000 sont ensuite faites avec le H.264/AVC FRExt modifié. Les résultats montrent un gain de PSNR de 2.0 db à 3.5 db par rapport au H.264/AVC FRExt standard et le motion JPEG2000 sur toute la plage des bit-rates. Dans [4], les auteurs proposent d utiliser le JPEG2000 avec Motion Compensated Temporal Filtering (MCTF). Ce filtre permet d ajouter du codage intra-trame au JPEG2000 en utilisant de la compensation de mouvement (motion compensation) à travers les trames et d appliquer des transformations en ondelettes sur une base de temps puis sur les dimensions spatiales. Cette parution met en évidence les performances et les avantages du codage inter-trame pour la diffusion de copies numériques à travers les réseaux. Un taux de compression d une copie numérique à Mbps serait idéal pour la diffusion, actuellement la diffusion sur disque dur utilise un bit-rate plus élevé. Par la suite, des tests sont réalisés pour comparer les codeurs intra-trame (JPEG2000 MCTF et H.264/AVC FRExt intra), avec les codeurs inter-trame (JPEG2000 et H.264/AVC FRExt inter) sur trois séquences différentes : deux avec du mouvement et une statique avec beaucoup de détails. Les résultats objectifs (PSNR) montrent que pour un bit-rate de moins de 50 Mbps le JPEG2000 MCTF est plus performant, surtout avec les images 2K ayant une grande dynamique de mouvement. Au-dessus, le H.264/AVC FRExt inter est le plus performant. À l opposé, pour les séquences en 4K, le JPEG2000 intra est plus performant. L observation des images à un taux de 50 Mbps montre que le JPEG2000 MCTF, à un PSNR plus faible, produit une image de bonne qualité. Le JPEG2000 MCTF est annoncé comme compatible avec les architectures actuelles de décodeurs JPEG2000, avec une légère augmentation de la complexité de l algorithme. Ce format peut convenir pour la projection en salle de films avec un fort taux de compression au format 2K. Au vu des résultats obtenus dans ces articles, pour des images en 4K, la compression JPEG2000 est la plus performante, quelque soit le taux de compression. Au format 2K, la performance des encodeurs est plus liée au bit-rate et aux types de vidéos à compres- 22

24 ser. Le H.264/AVC FRExt en mode inter-trame et le JPEG2000 ont des performances proches. 3.4 Le matériel de décodage L algorithme de compression du JPEG2000 est complexe. La décompression l est donc elle aussi, et en particulier en temps réel (24 ou 48 images/s) pour les images en haute définition du cinéma numérique. Des architectures matérielles spécifiques sont utilisées, fondées sur des FPGA. Ces architectures ne doivent pas seulement assurer la décompression, elles doivent aussi gérer le décryptage. [20] présente une architecture conforme à la spécification du DCI. Elle réalise le décryptage, la décompression et aussi le marquage de films. Il existe aussi des puces spécifiques dédiées à la compression/décompression JPEG2000, comme l ADV202 d Analog Devices. Une architecture matérielle basée sur cette puce est présentée dans [24]. 23

25 Chapitre 4 Propositions d axes de recherche pour le cinéma Art et Essai L industrie du cinéma est organisée suivant une structure d oligopole à frange : domination de grandes firmes souvent intégrées verticalement, accompagnées de petites firmes indépendantes ([13] p. 7). Le modèle «d-cinema» pensé par le DCI s adapte bien aux grandes firmes. Pour les entreprises de la frange, ce modèle est plus délicat à mettre en place en raison du gap technologique entre le 35mm et le numérique, ainsi que des coûts induits par cette transition. Le passage au numérique ne doit pas se réduire à une recherche de financement. Le cinéma d Art et d Essai doit pouvoir s approprier cette technologie. Nous proposons dans ce chapitre des pistes afin de permettre aux distributeurs et exploitants indépendants de s adapter au mieux au cinéma numérique. Les types de films pensés ici pour la distribution et la projection peuvent être des films de fiction ou documentaires, produits localement, des films à l économie modeste dont la distribution se fait sur peu de copies et sur la durée, voire des films sans distributeurs. Ces films préfèrent avoir un moyen de diffusion simplifié pour la projection en salle. 4.1 De l usage du logiciel libre Le modèle de développement du logiciel libre a permis de créer de nombreux outils utilisés couramment. De nombreux projets open source sont utilisés dans le cinéma numérique : la majorité des équipements sont développés sous Linux. Par contre, les logiciels et le matériel produit par les principaux constructeurs ont des licences propriétaires, même si elles sont souvent basées sur du logiciel libre. Depuis quelques années, des projets sous licence libre commencent à apparaître. Ils sont souvent utilisés dans le cadre de la recherche ou à titre expérimental, et connaissent un développement très actif. Le tableau 4.1 présente divers projets développés avec des logiciels libres pour le «d-cinema». Ils permettent de créer des copies numériques. OpenJpeg Le développement est très actif. Le projet est cité et utilisé dans de nombreuses parutions. Dans [10], il utilise des paramètres de quantification définis dans 24

26 Projet Description Version Page web du projet Encodeur/décodeur 1.4 (janvier OpenJpeg JPEG ) Encodeur/décodeur JasPer Project JPEG Création de fichiers Mxflib (novembre MXF 2010) AS-DCP Open Cinema Tools OpenDCP Création de fichiers MXF Création de DCP Création de DCP (novembre 2010) (juillet 2009) 0.19 (avril 2011) Table 4.1 Projets de logiciels libres développés pour le cinéma numérique. OpenJpeg pour un modèle Matlab. Dans [19], il est utilisé pour la réalisation de DCP, dans [3] pour la compression d images en JPEG2000. [17] le cite dans la recommandation #6 (p. 244), qui encourage l utilisation de logiciel open source pour les distributeurs ayant des petits budgets. JasPer Project Utilisé souvent comme référence, le créateur Michael Adams est membre du groupe ISO travaillant sur le JPEG2000. Une parution [1] est dédiée au Jasper, elle est écrite par l auteur du projet. Mxflib Une bibliothèque permettant de créer et de lire des fichiers containers MXF, elle est utilisée dans [19] pour générer des DCP. AS-DCP Une autre bibliothèque pour générer des fichiers MXF. Elle est développée par la société CineCert, elle permet le cryptage des données, en utilisant OpenSSL 1. OpenCinemaTools Ce projet permet la création de DCP à partir de séquences. Ce logiciel utilise OpenJpeg et AS-DCP. OpenDCP Il permet aussi la création de copies numériques. Le développement est très actif, il utilise OpenJpeg pour la compression JPEG2000. L outil crée lui-même les MXF. Il peut générer des copies aux formats 2K et 4K. La génération de copies cryptées et de KDM est annoncée pour bientôt. Pour la compression JPEG2000, OpenJpeg et Jasper ont besoin d être optimisés en temps de compression. Les bibliothèques propriétaires sont plus rapides. Une comparaison objective et subjective des images compressées des deux projets JPEG2000, aux formats 2K et 4K, et à divers bit-rates, est nécessaire pour les évaluer. 1. OpenSSL est une boîte à outils libre de chiffrement de données : 25

27 4.2 Projecteur alternatif Les projecteurs compatibles avec le standard du DCI sont très coûteux. Pour une salle de projection, le projecteur n est pas le seul équipement nécessaire, il faut un SMS pour gérer les pistes de lecture, un media block pour gérer le déchiffrage et la décompression. Dans la grande majorité des offres commerciales, le projecteur et le média bloc sont intégrés dans le même équipement physique. Le SMS est souvent lui aussi vendu avec les équipements de projection, par des intégrateurs système. Pour le financement des salles, l exploitant passe dans la majorité des cas par un intégrateur système, qui est aussi le tiers investisseur. Il existe des projecteurs, dits «e-cinema», qui sont technologiquement très proches de ceux recommandés par la spécification du DCI. Ils utilisent aussi la technologie DLP et ont une définition de 1920x1080 pixels : pratiquement la définition des projecteurs 2K (2048x1080 pixels) du DCI. La qualité de l image, avec un projecteur «e-cinema» est très satisfaisante pour des petites salles de projection et ils sont nettement moins coûteux que ceux du DCI. En Europe, 80% des salles ont des écrans de moins de dix mètres de large. Le rapport [2] de la Commission Européenne signale que les projecteurs «e-cinema» peuvent être une alternative pour ces salles. Les cinémas Utopia ont aussi testé ces projecteurs, et s apprêtent à équiper certaines de leurs salles en «e-cinema». Ces projecteurs ont des entrées HD-SDI comme spécifié dans le document du DCI ([12] ), mais aussi des entrées Digital Visual Interface (DVI). Il faudrait développer un décodeur temps réel qui puisse avoir en entrée un DCP et en sortie la liaison DVI. Ce décodeur doit pouvoir assurer le décryptage et la décompression. La liaison DVI, en mode dual peut supporter une bande passante équivalente au 2K. Peut-on réaliser un tel décodeur sur un micro-ordinateur haut de gamme actuel (machines à 4, 8 ou 12 cœurs)? Ou bien faut-il du matériel spécifique, comme les solutions basées sur des FPGA? La solution sur micro-ordinateur serait moins coûteuse et plus souple. Elle permettrait de tester le décodage JPEG2000 ou H.264/AVC FRExt en mode inter ou intra-trame à divers taux de compression, et sur différents types de séquences vidéo (séquences avec de nombreux détails, avec un mouvement de caméra ou un mouvement interne à la séquence), afin de trouver un encodage et un taux de compression optimaux, en temps de calcul, pour la diffusion sur écrans de moins de 10 mètres. Les critères d évaluation de la qualité de l image seraient objectif (PSNR) et subjectif (visualisation du rendu sur l écran). Il existe aussi un équipement appelé scaler. Cet équipement permet de projeter des éléments issus de différents lecteurs (DVD, ordinateur via VGA) qui ne sont pas au format cinéma numérique. Le scaler convertit au format 2K et envoie les données à travers une connexion DVI. Un scaler permet de projeter pratiquement tout type de format, mais ce n est pas une copie numérique, c est uniquement un moyen de projection alternatif. Il n apporte pas tous les avantages d une copie numérique : avoir un fichier physique correspondant à une œuvre, permettre de gérer des playlists, gérer les soustitrages,... Le scaler n est pas considéré par le CNC comme un équipement du cinéma numérique : il ne rentre pas dans la liste de matériels qu il peut aider à financer. 26

28 4.3 Un TMS libre Le TMS est une application assurant le supervision d un cinéma. Il est connecté à un serveur, appelé bibliothèque, contenant les copies numériques à projeter. Il n existe pas à ce jour de TMS libre. Pour un cinéma indépendant, il serait intéressant d avoir un équipement développé en open source, afin d avoir une supervision configurable en fonction de ses besoins et à moindre coût. Dans le cadre de la projection de films en circuit court ou de films sans distributeur, le TMS devrait pouvoir encoder lui-même un film et le stocker dans la bibliothèque. La solution libre proposée par opendcp apporte une solution viable de génération de DCP à partir d un fichier vidéo. La méthode consiste à générer à partir d une vidéo toutes les images, à une fréquence de 24 images/seconde, de les convertir une à une au format JPEG2000, puis à générer le MXF (crypté ou non, suivant les desiderata de l ayant droit). Pour la piste son, il faut l extraire de la vidéo source, la convertir au format WAV, puis générer le MXF. Pour le sous-titrage, un ou plusieurs fichiers séparés dans les langues voulues sont nécessaires. Ces fichiers seront aussi convertis en MXF au format décrit par la spécification du DCI. Ces fichiers pourront être intégrés au DCP contenant le son et la vidéo, ou diffusés de manière séparée. La génération du KDM est fort utile pour vérifier l intégrité et l authenticité de l œuvre. Par contre, le cryptage du KDM ne semble pas nécessaire, car les longs métrages convertis par cette méthode ont plus besoin de diffusion que de contrôle (le cryptage de la KDM assure qu un film ne peut être diffusé sur un projecteur que sur une période donnée). Une fois le film transformé en copie numérique, il est stocké dans la bibliothèque et peut être utilisé comme un DCP classique pour la projection. Il peut-être envoyé vers un SMS ou bien vers le système de projection décrit dans le paragraphe 4.2. Donner à un TMS la possibilité d encoder une œuvre donne au réalisateur un moyen simple de convertir son film sans passer par un laboratoire (réalisant des masters et copies numériques) et/ou un distributeur. La négociation des droits de diffusion se ferait directement entre le producteur/réalisateur et l exploitant de salle. La réalisation d une copie numérique est un processus long. Ce qui prend le plus de temps est la compression JPEG2000. Pour un film d 1h30 on a 90 min x 60 secondes x 24 images = images. Sur un micro-ordinateur standard l encodage d une image au format 2K avec OpenJpeg prend 2,5 secondes en moyenne, donc 90h de compression pour 1h30 de films. Cette opération peut être réalisée en tâche de fond de la bibliothèque par exemple. Il y a rarement un besoin immédiat de projeter un film, l exploitant réalisant son programme à l avance. Néanmoins, une optimisation de l encodeur d OpenJpeg est nécessaire pour réduire ce temps. Il faut aussi vérifier que les rapports d aspect de la vidéo initiale soient respectés et ajouter des bandes noires si nécessaire. Un long métrage étant découpé en bobines, une méthode pour accélérer l encodage serait de le paralléliser sur plusieurs machines. Chaque machine étant chargé de la création de la piste vidéo d une bobine, une fois qu elle a fini elle demande si elle a une nouvelle piste à créer. Ce processus pourrait être exécuté lorsque la machine n est 27

29 pas utilisée (la nuit par exemple). Le son et les sous-titres doivent donc eux aussi être découpés en séquences correspondant à la durée d une bobine. La réalisation d un film par bobine permet donc une parallélisation simple. Les clusters Beowulf 2 avec les bibliothèques PVM ou MPI pourraient être utilisés pour cela. 4.4 Distribution Les copies numériques permettent une souplesse nouvelle pour la diffusion : la distribution dématérialisée. Une œuvre est distribuable à travers les réseaux. À ce jour, la majorité de la distribution se fait par disque dur, la distribution dématérialisée commence à se développer. Les offres actuelles proposent de créer des lignes spécialisées (satellite ou agrégation de lignes ADSL) entre distributeurs et exploitants. Les sociétés de transport dématérialisé (SmartJog, Globecast) proposent un transfert du distributeur à l exploitant. Ces derniers ont besoin de logiciel ou matériel spécifiques pour transférer les films. Ces logiciels ou matériels ne sont pas non plus définis par la DCSS. Un problème d interopérabilité se pose ici. Par exemple, si un exploitant s équipe en solution de transfert Smartjog, et qu un distributeur est équipé en Globecast, comment le transfert se fait-il? L exploitant ou le distributeur doivent-ils donc souscrire aux deux offres de transfert, et dupliquer du matériel, du logiciel, des abonnements à des FAI? Ce type de solution de transfert n est pas adapté à la distribution de films à petite échelle. La solution de distribution par disque dur reste toujours possible, mais cela limite fortement la distribution des œuvres à petit budget. Nous proposons d étudier et de définir un système de distribution ouvert et souple permettant la distribution dématérialisée d un distributeur à un cinéma mais aussi de cinéma à cinéma. Les offres actuelles ne proposent que du transfert du distributeur vers l exploitant. Une distribution de cinéma à cinéma permettrait de diffuser un film produit localement sans passer par un distributeur. Ce réseau serait basé sur le Peer to Peer (P2P) en connectant sur ce réseau des distributeurs et exploitants, et en partageant partiellement ou totalement leur bibliothèque de copies numériques (voir figure??). Chaque exploitant ou distributeur doit être équipé en ADSL ou fibre optique. En fonction de ces besoins il décidera d avoir un abonnement dédié à ce réseau. Pour les films sans distributeur, si un cinéma permet de créer une copie numérique (cf. 4.3), il pourrait ainsi permettre la diffusion de ce film dans les salles connectées au réseau. Les cinémas Utopia on commencé à explorer cette piste à travers le projet Vidéo en Poche 3. Cette initiative consiste à vendre sur clef USB des films directement dans les salles. Les salles participant à Vidéo en Poche se distribuent les films grâce au P2P. Le réseau P2P est adapté à la diffusion de fichiers volumineux, et à l interconnexion entre plusieurs sites. Un taux de compression plus élevé pourrait permettre aussi une distribution plus facile. C est le besoin également exprimé dans [4] pour la transmission sur des normes comme le WiMAX, et par fibre optique. 2. Projet Beowulf : 3. Vidéo en Poche : 28

30 Figure 4.1 Proposition de système de distribution décentralisé. Dans ce réseau P2P, il est nécessaire de bien définir le type de sécurité et de robustesse à mettre en place en fonction des demandes des distributeurs et des exploitants. La principale contrainte dans le transport est de s assurer qu il n y a pas de corruption de données. Cette intégrité est facilement vérifiable à travers le cryptage réalisé sur un DCP. Dans [11], une architecture pour la distribution de films dans les salles de cinéma est proposée. Cette publication présente un Content Delivery Network (CDN), une architecture de réseau dédié à la distribution de contenu. Un CDN est constitué d un site d origine où le contenu est créé ou stocké, de plusieurs sites miroirs qui répliquent le contenu, et d exploitants qui récupèrent le contenu en se connectant sur plusieurs sites miroirs. Il faudrait modifier l architecture proposée par [11] en remplaçant le site d origine par un exploitant ou un distributeur et les sites miroirs par d autres exploitants ayant une copie du contenu, afin de décentraliser la distribution. La sécurité des transmissions est assurée en créant des Virtual Private Network (VPN) entre les exploitants et les miroirs. Un VPN est également créé entre le site d origine et les sites miroirs. Pour le besoin de distribution exposé ci-dessus, il serait possible de créer un seul VPN entre cinémas et distributeurs, i.e. toutes les machines du réseau P2P. Les autorisations de distribution dans un cinéma pourraient être gérées par un site web autorisant le transfert d un film à un cinéma, éventuellement pour une période donnée. Il permettrait de savoir où se trouvent les copies numériques. Cela permettrait aux ayant droit de gérer leur diffusion. Des études plus approfondies doivent être réalisées pour valider ce modèle de distribution, et pour trouver le nombre minimal de cinémas connectés nécessaire pour assurer la distribution rapide d une copie numérique. Dans [11] 29

31 on trouve, aussi, un modèle mathématique pour l optimisation en temps de chargement d un contenu entre miroirs et cinémas. On pourrait étendre ce modèle mathématique au réseau cinéma à cinéma présenté ci-dessus. 30

32 Conclusion Le travail bibliographique et les propositions d axes de recherche faits dans ce document constituent l activité préliminaire d une thèse traitant du cinéma numérique et de son adéquation avec le cinéma dit d Art et d Essai. Le numérique, au sens large, devrait pouvoir apporter plus de souplesse pour la diffusion et la projection de tous types d œuvres. Pour l instant, le modèle pensé par le DCI dresse des barrières difficiles à franchir pour les distributeurs et les exploitants indépendants. Notamment, les exigences et contraintes liées à la sécurité complexifient considérablement le système «D-cinema». Un tel niveau de sécurité est, éventuellement, adapté à la sortie de films en diffusion mondiale, mais il ne l est pas pour la distribution et la projection d œuvres ayant une diffusion plus restreinte. Pour une grande majorité de films, les moyens mis en place pour éviter le piratage et un contrôle strict de la diffusion ne sont pas une priorité. Il est plutôt souhaité une simplification et une souplesse des moyens de diffusion, afin que le public puisse facilement avoir accès au film en salle de cinéma. Un des défis les plus importants de la transition vers le numérique est la préservation de la diversité culturelle. Cette diversité ne peut être réduite à la recherche de financements pour les distributeurs et pour les salles Art et Essai. Des outils, de la production à la projection, doivent aussi êtres développés pour pouvoir les aider à correctement franchir le cap du numérique. Nous avons étudié dans ce document la spécification du DCI. Elle apporte de nombreuses solutions technologiques facilitant la distribution et la projection, comme la possibilité d avoir une copie numérique d un film et, sur un autre DCP, d avoir uniquement une piste son doublée ou un sous-titrage dans une autre langue. Ce type de solution permet une diffusion internationale d un film sans avoir à retirer des copies. Elle met aussi en place une architecture ouverte pour la distribution et la projection. D un autre côté, elle complexifie la projection par rapport à la bobine 35mm, et rajoute une couche de contrôle et de sécurité. Le format JPEG2000 choisi pour le cinéma numérique est un encodeur ouvert et très performant pour des images de grande taille, mais il est complexe et nécessite du matériel dédié pour la décompression en temps réel lors de la projection. Plusieurs solutions sont proposées pour adapter la spécification du DCI au cinéma Art et Essai. Elles seraient basées sur des logiciels libres, soit en créant de nouveaux outils, soit en utilisant ceux qui existent déjà. 31

33 Les versions libres des bibliothèques JPEG2000 ont besoin d être optimisées pour réduire les temps de calcul et il faut comparer leur qualité de compression avec les codeurs H.264/AVC FRExt. La réduction du temps de calcul est nécessaire pour la création de copies numériques. À l heure actuelle, il faut pratiquement cent heures pour générer un DCP d une heure trente. La majorité du temps de création est prise par l encodeur JPEG2000. Pour les petites salles de projection (salles avec des écrans de moins de 10 m), des projecteurs ayant une définition plus faible que le 2K pourraient être utilisés. Il faut pour cela pouvoir projeter un DCP sur ces projecteurs. Il faut donc chercher et développer une architecture logicielle, et éventuellement matérielle, dédiée à ce type de projecteur. Il faut chercher un flux vidéo ayant une qualité optimale en fonction de la taille de l écran. Cet optimum permettrait d avoir une image de qualité tout en diminuant le temps de calcul lié au décodage. Nous proposons de faire évoluer les équipements de supervision (TMS) du cinéma numérique, en ajoutant une fonction permettant de créer une copie numérique DCP et un KDM associé à partir d une source numérique hétérogène. Cette copie serait conforme à la DCSS, l ayant droit pouvant décider de la génération d un KDM crypté. Ainsi une œuvre produite localement pourrait être projetée dans un cinéma sans passer par un tiers (distributeurs ou sociétés réalisant des DCP). Nous proposons aussi d interconnecter les TMS de plusieurs cinémas afin de pouvoir transmettre de manière dématérialisée un film d exploitant à exploitant, les distributeurs pouvant aussi se connecter à ce réseau pour transmettre leur contenu. Ce réseau, basé sur le P2P, éviterait de passer par des opérateurs proposant des lignes spécialisées et permettrait, alors, une distribution horizontale des films. 32

34 Annexe A Acronymes AES Advanced Encryption Standard CDN Content Delivery Network CNC Centre National du Cinéma et de l image animée CPL Composition Play List DCDM Digital Cinema Distribution Master DCI Digital Cinema Initiatives, LLC DCP Digital Cinema Package DCSS Digital Cinema System Specification DCT Discrete Cosine Transtorm DLP Digital Light Processing DVI Digital Visual Interface DWT Discrete Wavelet Transtorm DRM Digital Rights Management EBCOT Embedded Block Coding with Optimized Truncation MXF Material Exchange Formatcf FIPS Federal Information Processing Standards FPGA Field-Programmable Gate Array ICT Irreversible Component Transformation ISO Organisation Internationale de Normalisation ILA Image Light Amplifier KDM Key Delivery Message KLV Key-Length-Value MCTF Motion Compensated Temporal Filtering P2P Peer to Peer PSNR Peak Signal to Noise Ratio RCT Reversible Component Transformation

35 SMPTE Society of Motion Picture and Television Engineers SMS Screen Management System SMPTE Society of Motion Picture and Television Engineerscf. 3 SXRD Silicon X-tal Reflective Display TDL Trusted Device List TLS Transport Layer Security TMS Theater Management System TIFF Tagged Image File Format VPF Virtual Print Fee VPN Virtual Private Network WAV Waveform Audio-file Format

36 Bibliographie [1] M.D. Adams and F. Kossentini. Jasper : a software-based jpeg-2000 codec implementation. In Proceedings of the International Conference on Image Processing, volume 2, pages 53 56, September [2] Christina Angelopoulos. On opportunities and challenges for european cinema in the digital era. Technical report, European Commission, September [3] E. Baccaglini, T. Tillo, and G. Olmo. Robust distributed storage of digital cinema contents. In Information and Communication Technologies : From Theory to Applications, ICTTA rd International Conference on, volume lu :oui, pages 1 6, April [4] Giuseppe Baruffa, P. Micanti, and Fabrizio Frescura. Performance assessment of JPEG 2000 based MCTF and H.264 FRExt for Digital Cinema compression. In Proceedings of the 16th International Conference on Digital Signal Processing, pages 1 5, July [5] A. Bilgin and M.W. Marcellin. JPEG2000 for digital cinema. In Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS 2006, [6] J.A. Bloom. Digital Cinema Content Security and the DCI. In Proceedings of the 40th Annual Conference on Information Sciences and Systems, pages , March [7] Simon Byers, Lorrie Faith Cranor, Eric Cronin, Dave Korman, and Patrick McDaniel. An analysis of security vulnerabilities in the movie production and distribution process. Telecommunications Policy, 28(7-8) : , A selection of papers from the 31st Annual Telecommunications Policy Research Conference. [8] CNC. Exploitation des films. Technical report, CNC, May [9] Chenwei Deng, Weisi Lin, Bu-Sung Lee, Chiew Tong Lau, and M. Paul. Comparison between H.264/AVC and Motion jpeg2000 for super-high definition video coding. In Proceedings of the 17th IEEE International Conference on Image Processing, pages , September [10] A. Descampe, C. Vleeschouwer, L. Jacques, and Ferran Marqués. How does digital cinema compress images? In Thierry Dutoit and Ferran Marqués, editors, Applied Signal Processing, pages Springer US, / _10. 35

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