Il s'agit peut-être de considérations mûres mais, si l'on se fie aux réactions du ShoWest'06, ces questions doivent maintenant être traitées de toute urgence pour réaliser le souhait d'Hollywood d'implémenter la norme de compression JPEG 2000 cette année, avant le déploiement de quantités importantes d'écrans numériques en 2007, et pour pleinement réaliser la promesse à plus long terme de 4K, 3D et, qui sait, même d'affichage 4K 3D!
Comment les fabricants vont-ils répondre aux multiples objectifs de
- veiller à ce qu'ils soient rapidement et entièrement conformes à la norme DCI, tout en
- atteignant une véritable interopérabilité, tout en
- s'assurerant qu'ils sont suffisamment préparés pour le cocktail variable de cinéma D & E, de diffusion numérique et d'affichage publicitaire que représente l'avenir ?
Tout cela soulève des questions intrigantes concernant la technologie actuelle ...
Peut-elle fournir la puissance de traitement nécessaire pour répondre aux applications futures encore plus exigeantes... ou la flexibilité nécessaire pour offrir une voie de migration abordable et gérable ?
Dans le contexte de 153 pages de spécifications DCI couvrant des questions telles que les exigences DCDM (Digital Systems Digital Mastering), la sécurité, l'emballage, la compression, le certificat numérique, les messages extra-théâtre (ETM) et les messages de remise de clés (KDM), quelles sont les priorités. Par où commencer?
Les technologies d'aujourd'hui, derrière le débat sur la question de savoir si un "œil numérique" de Texas Instruments (résolution 2K) ou de Sony (4K) est le plus souhaitable, il y en a un autre : celui du "cerveau numérique", de sa forme, de sa fonction et, pour certains, même de l'emplacement de l'intelligence centrale qui anime l'œil D.
Trois technologies de traitement existent aujourd'hui pour fournir ce renseignement de traitement - ASIC, DSP et FPGA. Parmi celles-ci, ASIC est le mieux établie et est l'intelligence de traitement incorporée dans la majorité des serveurs de cinéma numérique actuels. [Les circuits intégrés spécifiques à une application, c'est-à-dire les circuits intégrés conçus pour une application particulière, par opposition aux circuits intégrés tels que ceux pour la mémoire vive d'un PC, sont construits en connectant ensemble des "blocs de construction" de circuit. Les blocs existent déjà dans une bibliothèque, il est donc plus facile d'en produire un nouveau ASIC que de concevoir une nouvelle puce à partir de zéro].
Cependant, un ASIC est essentiellement un appareil dédié avec une fonctionnalité fixe et une puissance de traitement inhérente insuffisante pour répondre aux besoins d'une exigence de plus en plus complexe du cinéma numérique. Aujourd'hui encore, un minimum de trois puces ASIC sont nécessaires pour traiter à une résolution de 2K et, selon l'architecture, quinze ou plus, plus un contrôleur FPGA [Field Programmable Gate Array], seront nécessaires pour une utilisation en 4K.
Deuxièmement, l'utilisation de l'architecture DSP (Digital Signal Processor) offre une possibilité intéressante compte tenu de sa reprogrammabilité logicielle et de la plus grande flexibilité qui en résulte. Mais elle a aussi ses limites, notamment dans sa capacité à répondre efficacement aux exigences précises, en temps réel, du décodage entropique - le plus critique de tous les nombreux blocs de compression d'images. [Les codeurs entropiques compriment les données en attribuant des codes aux symboles de manière à ce qu'ils correspondent
les longueurs de code avec les probabilités des symboles - les symboles les plus courants utilisent les codes les plus courts].
La troisième technologie utilise le FPGA, une matrice de portes programmables sur le terrain; un semi-conducteur contenant à la fois des composants logiques programmables à distance et des interfaces standard.
Puissance et flexibilité
À première vue, le FPGA apparait comme une option solide. Il possède la puissance de traitement nécessaire pour les futures applications d'affichage, sa reprogrammabilité contenant la promesse d'un développement rentable de nouveaux produits et sa capacité à être reprogrammé sur place, allégeant ainsi le fardeau (potentiellement considérable) de la résolution des bogues des réseaux d'affichage de première génération.
De plus le FPGA intègre également un bloc DSP pour les avantages de son calcul arithmétique et bénéficie de la souplesse du logiciel embarqué CPU. C'est donc un hôte idéal pour un bloc média complet, et plus encore, un bloc qui peut être équipé de liaisons de sortie Ethernet, SATA et HDSDI reprogrammables.
Encore plus convaincant est cependant l’intégration de processus de haut niveau du FPGA et sa taille physique compacte, qui offrent tous deux des avantages importants en termes de traitement et de sécurité physique.
Qu'est-ce qui vient en premier ?
La conformité DCI est en effet une perspective intimidante pour la plupart des fournisseurs d'équipements.
La question de savoir comment et quand les fabricants obtiendront la pleine conformité DCI alors que, par exemple, les exigences de sécurité FIPS [Federal Information Processing Standards] et Watermarking sont encore en débat, et que les procédures de conformité DCI n'ont pas encore été définies, reste une question ouverte.
Toutefois, si le secteur retient son souffle sur ces questions et sur bien d'autres questions de détail, la seule réalité certaine, immédiate et réalisable est l'adoption de l'ICD de la compression JPEG 2000
en remplacement du système MPEG actuellement intégré dans la plupart des serveurs de cinéma numérique. Depuis sa publication en l'an 2000, l'algorithme de compression JPEG 2000 basé sur Wavelet a été noté pour son extrême flexibilité - mais en ce qui concerne les applications de cinéma numérique en particulier - il offre les avantages d'un accès à plusieurs niveaux image par image (par exemple pour l'édition d'une seule image), et permet également aux utilisateurs d'adresser des «régions d'intérêt» spécifiques et de définir jusqu'à une qualité de sortie sans perte. Et donc, aidé par Hollywood Studio exige que les fournisseurs agissent rapidement, la course à la conformité JPEG 2000 est lancée!
Relever le défi
Donnez le signal à la Belgique pour qu'elle prenne à nouveau sa place à la pointe du débat sur le cinéma numérique !
Dans le cadre d'une autre succession d'innovations du pays en matière de cinéma numérique, la direction de l'une des principales universités technologiques de Belgique, l'Université catholique de Louvain (UCL), a reconnu le défi technologique en 2001 et a pris la décision visionnaire d'étudierla pertinence de la compression JPEG 2000 pour Cinéma numérique, dans le cadre de son expertise internationalement reconnue dans le domaine relativement nouveau de la technologie FPGA.
Anticipant de quatre ans la décision de la DCI sur les normes de compression, l'UCL a consolidé les programmes de JPEG développement de trois de ses laboratoires et a organisé une session pour développer des outils de manipulation sécurisés pour des flux de données de haute qualité, à haut débit et à haute valeur. Et maintenant, dans une autre décision opportune, l'UCL lance les IPs [propriétés intellectuelles] qui en résultent par le biais d'intoPIX , une société technologique belge, pour commercialiser une gamme de solutions basées FPGA qui répondent aux spécifications de la DCI mais, s'avèrent êtreégalement capables de beaucoup plus.
S'appuyant sur plus de 15 années-homme d'expérience en gestion, les associés de l'UCL et intoPIX ont en fait apporté une contribution importante aux comités de normalisation JPEG 2000 et Cinéma numérique depuis 2001 - plus récemment grâce à la participation de l'UCL en tant que référentiel du plan de test d'interopérabilité du cinéma numérique du comité JPEG.
Actuellement, les associés de l'UCL et intoPIXgèrent également le programme européen "EDCine", un projet qui débutera en juin et qui implique un consortium de 16 organisations européennes (dont l'Institut Fraunhofer nommé par la DCI pour définir ses procédures de test de conformité) qui approfondiront la réflexion sur la boule de cristal du cinéma numérique.
En allant au-delà du DCI et en repoussant les limites des spécifications SMPTE (4), le projet EDCine vise à améliorer encore l'expérience du cinéma numérique en étudiant les questions d'optimisation de la qualité, la robustesse aux erreurs de transmission, les outils de sécurité du contenu, l'imagerie stéréoscopique, l'accès interactif, le marquage médico-légal et les métadonnées pour l'indexation et la récupération.
La solution intoPIX :
C'est dans ce contexte qu' intoPIX a défini trois objectifs stratégiques en développant sa propre solution de bloc média, hautement intégrée et flexible :
- Tout d'abord, et c'est le plus important, il doit satisfaire et, si possible, dépasser les exigences de conformité du DCI.
- Deuxièmement, qu'il doit être expert en matière d'exigences de certification FIPS de niveaux 3 et 4.
- Troisièmement, elle offre une solution flexible, basée sur une famille d'IPsqui sont à la fois intrinsèquement flexibles et "mixtes" pour répondre aux différents besoins des utilisateurs individuels.
Et c'est notamment en reconnaissance de l'importance de cet objectif clé final (proposer une solution flexible et donc pérenne) que l'entreprise a finalement décidé de développer ses IP sur la plateforme FPGA.
Module décodeur IPX-JP2K
IntoPIX propose actuellement deux IP-cores basés sur FPGA, un pour le décodeur JPEG 2000 (IPX-JP2K) et un module de cryptage / décryptage AES (IPX-AES).
Le premier d'entre eux, le module décodeur IPX-JP2K JPEG 2000, est basé sur le FPGA Virtex-4 Xilinxet spécifiquement destiné à répondre aux besoins d'un système de lecture de cinéma numérique. Pour atteindre l’objectif de fournir une famille flexible d'IP cores , l' IPXJP2K est un core de compression entièrement compatible avec d’autres IP de base telles que l'IP core de sécurité IPX-AES de la société.
Cependant, tout aussi important pour l'opérateur du système de cinéma numérique est la combinaison efficace de l'IP des opérations hardware sur puce et logicielles ainsi que la répartition optimale de la co-conception des blocs de décodage (illustrés ci-dessous) qui fournissent à l'IPX-JP2K une renouvelabilité post-déploiement unique pour mise à niveau et mise à jour sur le terrain.
Le IPX-JP2K core
Analyseur JPEG 2000
L'analyseur JPEG 2000 analyse les en-têtes principaux et de tuiles du flux codé JPEG 2000, vérifie la syntaxe, rapporte les propriétés des images et envoie le flux binaire compressé au décodeur d'entropie. L'analyseur est développé dans un logiciel fonctionnant sur un microblaze.
Décodeur entropique
La reconstruction de chaque sous-bande d'ondelettes divisée en plusieurs blocs de code est réalisée par deux blocs: le Context Modeller et le Arithmetic Decoder. Le Context Modeller décode successivement chaque plan binaire du bloc de code en envoyant des informations décrivant le voisinage de chaque bit au décodeur arithmétique. Avec ces informations, le décodeur arithmétique décode chaque bit du flux binaire.
Quantificateur inverse
Les coefficients des sous-bandes d'ondelettes sont quantifiés inversement. Les étapes de quantification sont définies dans l'en-tête principal du fichier JPEG 2000 et peuvent être différentes pour chaque sous-bande. Le quantificateur inverse utilise des fonctionnalités Xilinx Virtex-4 à jour (telles que des blocs DSP).
Mémoire externe
Un tampon de mémoire à double trame est utilisé à la sortie du quantificateur inverse et permet un traitement IDWT efficace. Ce tampon, contenant deux mémoires externes DDR-SDRAM, conserve toujours au moins une trame valide qui pourrait être répétée quand cela est pratique. Le type DDR-SDRAM requis est une mémoire de 512 Mbit (32 Meg x 16; 133 MHz pour 2K et 48 fps). Le tampon de trame est capable de stocker 4 trames au maximum.
Inverse Discrete Wavelet Transform (IDWT)
Une recomposition bidimensionnelle en ondelettes des sous-bandes est réalisée. Deux bancs de filtres, avec une précision de 18 bits en point fixe, peuvent être utilisées : soit le banc de filtres Le Gall (5/3) prescrit pour un encodage sans perte, soit le banc de filtres plus complexe Daubechies (9/7) pour un encodage avec perte. Dans l'application DC, seul un filtre 9/7 est nécessaire.
Transformation à composantes multiples (TCM)
Afin d'améliorer l'efficacité de la compression JPEG 2000, des transformations à composantes multiples peuvent être utilisées. La transformation réversible (RCT) est utilisée avec le filtre 5/3, et la transformation irréversible (ICT) avec le filtre 9/7. Les deux transformations sont implémentées avec une précision de 18 bits en point fixe.
Traitement des erreurs
Le décodeur est conçu pour détecter les erreurs dans lesdonnées d'entrée. Cette détection s'effectue à deux niveaux :
- En-tête JPEG 2000
Les caractéristiques du flux codé telles que la taille de l'image et les bits par composant sont vérifiées La cohérence des en-têtes J2K avec les les spécifications données par le contrôleur du décodeur
est analysée.
- En-têtes de paquets JPEG 2000 et flux binaire compressé
Les en-têtes de paquets sont analysés pour vérifier la cohérence des arborescences d'étiquettes, le nombre de plans binaires et la longueur du flux binaire compressé par bloc de code.
Lorsqu'une erreur est détectée, des codes d'erreur spécifiques sont envoyés à l'appareil qui gère le décodeur. Dans le cas d'un flux de code de trame corrompu, le décodeur décodera latrame suivante et la répétera jusqu'à ce qu'une trame correcte soit rencontrée. Si aucune image ne peut être décodée pendant le temps écoulé déterminé par la fréquence d'images, l'image précédente correctement décodée est envoyée à la sortie pour éviter tout artefact d'affichage désagréable.
Contrôle des processus
Tirant parti du codage intra-trame du JPEG 2000, le contrôleur de décodeur peut gérer le flux avec une précision de trame. Lorsqu'il n'y a pas de données à décoder à son entrée, le décodeur peut boucler sur la dernière trame décodée, sortir une trame noire ou arrêter le traitement. Et en contrôlant le flux d'entrée et les options de sortie, le contrôleur du décodeur gère
Pause, pas à pas, ralenti, avance et retour rapide, et accès aléatoire.
Interfaces
L'entrée reçoit des données par salves de 32 bits en représentation Little-Endian. Une rafale de deux pixels (RGB, XYZ ou YUV) est sortie. L'horloge de sortie dépend de la fréquence d'images de la séquence et de la taille de l'image.
DCI plus
En tentant d'atteindre le premier de ses objectifs clés, PIX s'est, dès le début, lancé le défi de dépasser les exigences DCI actuelles dans la mesure du possible et, à cet égard, l'IPX-JP2K IP semble réussir.
Comme le montre le tableau suivant, en comparant les exigences DCI actuelles avec les performances prévues par intoPIX, une évolution technologique considérable dans les domaines clés des débits d'entrée et de sortie, des fréquences d'images et de la profondeur de couleur; tout en permettant une grande variété de tailles d'écran jusqu'à 2048 x 1080 et de types de sortie RVB, YUV ou XYZ.
Le principal avantage de l'IPX-JP2K est en effet sa capacité à gérer des débits binaires d'entrée et de sortie plus élevés. Alors que le débit binaire d'entrée DCI actuel est de 250 Mbps pour tout le contenu compressé (2K @ 24/48 et 4K @ 24 images par seconde), l'IPX-JP2K fournit des taux de sortie allant jusqu'à 500 Mbps, ce qui rend l'IP prête bien à l'avance de la possibilité de exigences 4K de fréquence d'images plus élevées. Cette future IP s'appellera IPX-JP4K et sera bientôt disponible dans la technologie Virtex-4 FX60.
Encore une fois, anticipant les exigences d'affichage 3D, le JP2K fonctionne jusqu'à 96 ips. De plus, dans un autre exemple de sa vision avant-gardiste, le décodeur intoPIX dépasse l'exigence de profondeur de couleur DCI 12 bits pour fournir 14 bits par composant. Et enfin et surtout, reconnaissant les besoins spéciaux de plusieurs autres groupes d'utilisateurs IP potentiels, le décodeur intoPIX offre la possibilité de gérer plusieurs couches de qualité permettant aux archivistes, par exemple, de créer un fichier 2K unique, 48 fps, 500 Mbps, ou, par exemple, de permettre un décodeur pour décompresser la couche de 250 Mbps uniquement, tandis qu'un deuxième décodeur décompresse toutes les autres couches représentant, au total, 500 Mbps.
La fin du jeu - Conformité
Il semble que ce ne soit qu'hier que l'industrie cinématographique s'inquiétait vivement d'être dirigée (inutilement) par des technologues. Mais aujourd'hui, il ne fait aucun doute que les forces du marché sont de retour aux commandes. Pour citer John Fithian, président de l'OTAN dans son discours d'ouverture au sommet sur le cinéma numérique au NAB cette année «2006 est la grande année pour le cinéma numérique; les normes, la qualité et les modèles commerciaux de DCI sont là. Le cinéma numérique est sur le coup… 2007 sera une année énorme »
Il n'est donc pas surprenant que, avec les installations numériques devant passer de 1 000 à plus de 2 000 d'ici la fin de l'année, Hollywood subit des pressions pour que des mesures immédiates soient prises pour répondre au plus grand nombre des exigences DCI le plus rapidement possible. Le travail des développeurs a pris un nouveau sentiment d'urgence et, obligés d'agir avant la publication des procédures de conformité, les fournisseurs d'équipements de cinéma numérique sont, une fois de plus, tenus d'appliquer la Sagesse de Salomon.
Cependant, l'examen minutieux à l'échelle de l'industrie du processus de spécification prolongé DCI fournit certains indices. Une anticipation éclairée et plus qu’une bouffée d’inspiration ont assuré une solution élégante au moins à la «quantité connue» de compression JPEG2000.
Et si cela peut être mis à disposition dans un processeur «hôte» qui facilite également la voie de développement pour les fabricants, répond aux préoccupations de sécurité d'Hollywood, offre des avantages logistiques
aux opérateurs de réseau et prend en charge l'avenir 4k et 3D des exposants, alors sûrement beaucoup mieux.
