L’univers des caméras de plateau UHD/4K

Lorsque l'on commence à étudier ce qui se trouve à l’intérieur des nouvelles caméras de plateau UHD/4K, on découvre une variété de solutions techniques inhabituelles. Les constructeurs ont en effet choisi des voies très différentes pour proposer des caméras UHD compatibles avec les usages en multicaméras...
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Bien sûr, il est déjà possible d’adapter des caméras de cinéma numérique – donc conçues autour d’un unique grand capteur S35 – au tournage multicaméras pour l’UHD : Sony F55 ou même F65, Arri Alexa, Ikegami HDK-97. Mais la faible profondeur de champ des capteurs S35 n’est pas un avantage sur un plateau et en direct quand il faut faire le point très vite. De plus, il est souvent nécessaire d’utiliser des zooms de longues focales et de grande amplitude. Une taille raisonnable de capteur est plutôt recherchée…

 

Une grande diversité technique

Restant strictement fidèles à l’architecture classique des trois capteurs 2/3 de pouce, Sony et Ikegami ont développé de nouveaux capteurs en définition UHD. Si cette approche est logique, elle est aussi la plus lourde en investissement, en développement et en fabrication. D’autre part, la surface des photosites est divisée par quatre par rapport à un capteur HD de même taille. Ce qui débouche sur une baisse de la sensibilité du fait de la taille relativement petite des capteurs vidéo (surface utile 9,6 x 5,4 mm). Sur un capteur UHD, le pas des photosites est de l’ordre de 2,5 µ, au lieu de 5 µ en HD. Nous parlons ici de l’espacement des photosites, pas de la surface réellement sensible, cette information n’étant malheureusement pas donnée par les constructeurs.

L’Unicam XE Ikegami UHK-430 est équipée de trois capteurs UHD spécialement étudiés pour elle, comportant chacun 3 840 x 2 160 photosites. C’est une caméra d’épaule qui peut se loger dans un berceau SE-U430 pour recevoir des zooms lourds. Particularité parmi ces nouvelles caméras UHD, la UHK-430 est conçue en deux parties détachables, le bloc capteurs et l’électronique. La tête de caméra peut être ainsi déportée en haut d’une grue avec un câble qui va jusqu’à 50 mètres. L’UHK-430 est conçue comme la base d’un système, puisque Ikegami développe d’autres têtes de caméra, l’une avec un grand capteur S35, une autre pour les grandes vitesses HFR. Le processeur interne est conçu pour traiter l’espace couleur BT.2020 en sortie UHD et BT.709 pour la sortie HD. Le CCU-430 comporte quatre sorties 3G-SDI pour l’image 4K en parallèle avec les sorties HD. Modulaire, le CCU-430 reçoit une carte en option pour fournir simultanément l’image UHD, l’image HD et une image HD découpée (crop) dans la fenêtre UHD. Ikegami prépare des interfaces 12 G et vidéo sur IP.

Pour Sony, les changements liés à l’UHD sont suffisamment importants pour justifier des caméras entièrement nouvelles. Malgré la diminution de taille des photosites, la Sony HDC-4300 revendique une sensibilité de F8 avec un rapport S/B de – 62 dB (soit un peu moins d’un diaphragme en dessous d’une tri-capteurs HD récente). Le prisme séparateur RVB est spécifique, la séparation des couleurs devant être améliorée pour respecter l’espace couleur BT.2020. Selon Sony, un prisme séparateur conçu pour la HD n’est pas suffisant pour l’espace couleur étendu de l’UHD. Du côté de la dynamique étendue, la caméra aura la capacité de traiter l’image avec une correction de gamma de type S-Log3 en UHD tout en fournissant en sortie et parallèlement une image HD en dynamique 709.

La HDC-4300 est une caméra modulaire sur le plan matériel et logiciel. En effet, elle fonctionne de base en HD. Si le client a un tournage 4K, il peut activer une licence pour la durée voulue (hebdomadaire, mensuelle ou définitive). L’investissement est ainsi évolutif, le risque pris est limité dans l’hypothèse d’un faible développement des tournages UHD.

L’interopérabilité est conservée avec les gammes précédentes (1500 et série 2000) du côté des pupitres opérateurs, sauf pour le bloc fibre optique, du fait de la bande passante nécessaire plus étendue. Ainsi la 4300 se raccorde au HDCU-2500 par le Baseband Processor Unit BPU-4000. Depuis janvier, Sony propose le nouveau BPU-4500, conçu avec des interfaces de sortie pour la vidéo sur IP, autre évolution en cours du secteur vidéo.

Grass Valley a fait un choix technique prudent avec la LDX86. La caméra conserve les trois capteurs HD habituels, les Xensium-FT en technologie Cmos. Les trois plans image 1 920 x 1 080 R, V et B sont ensuite interpolés dans les circuits électroniques de traitement d’image internes à la caméra pour délivrer un signal UHD en sortie. Grass Valley propose ainsi une caméra HD capable d’évoluer vers l’UHD. Conçue dès l’origine comme une plate-forme évolutive par mise à jour logicielle, la LDX86 est proposée en LDX86 4K (UHD/50 ou 60P, et commutable en HD 50 / 60P ou 50i/60i). La version LDX86 Universe cumule toutes les possibilités UHD ou ralentis en HD (3 x en P, 6 x en i). L’espace couleur BT.2020 est inclus. Une augmentation de la dynamique par évolution logicielle, Extended Dynamic Range (XDR), est proposée par le constructeur pour répondre aux tournages en dynamique étendue (HDR).

Premier avantage du choix technologique fait par Grass Valley, le prix du passage à l’UHD. L’autre avantage réside dans la sensibilité qui reste habituelle, F12 à 2 000 lux en 50P, du fait des capteurs inchangés, donc avec un pas de photosites de 5 µ. La démarche de GV est similaire à celle d’Arri avec l’Amira ou la récente Alexa Mini : sans changer le capteur (monocapteur Bayer, 3 200 x 1 800), c’est l’interpolation spatiale qui permet d’enregistrer une image UHD. Les constructeurs tablent sur l’homogénéité des performances de leurs capteurs, en sensibilité, en dynamique et en colorimétrie pour délivrer une image agréable à l’œil même si – sur le papier – elle n’est pas celle qui comporte le plus de pixels.

 

Quatre capteurs pour Hitachi

Hitachi a choisi une voie intermédiaire en gardant les capteurs HD existants (de 2 270 x 1 144 photosites), mais en ajoutant un quatrième capteur. Celui-ci est un deuxième capteur vert, décalé d’un demi-pas de pixel avec le premier. Bien sûr, il a fallu concevoir un prisme séparateur des couleurs comportant deux voies vertes. Ainsi, Hitachi revendique une définition UHD en sortie sur sa caméra SK-UHD4000. Certains anciens se souviendront qu’une telle architecture avait été utilisée du temps des tubes… Le décalage des capteurs, vert d’un côté, rouge et bleu de l’autre, d’un demi-pas de pixel est une technique qui, elle aussi, a été utilisée par le passé sur les premières caméras HD pour augmenter la définition sur la voie Y.

Comme pour la Grass Valley, cette approche à base de capteurs HD – donc en conservant la taille des photosites HD – a l’avantage de préserver la sensibilité. Dans le cas des quatre capteurs de l’Hitachi UHD4000, on remarque sur la fiche technique que le prisme à quatre voies est un peu moins lumineux qu’un prisme habituel à trois voies : F1,7 au lieu de F1,4. La sensibilité annoncée de l’UHD4000 est ainsi de F9 en 50 Hz, avec un rapport S/B de – 62 dB. Le constructeur revendique bien sûr l’espace couleur étendu BT.2020.

 

Un unique capteur pour Panasonic

Avec l’AK-UC3000, Panasonic est le plus inventif avec un seul capteur de taille un peu supérieure aux 2/3 de pouce, proche d’un pouce. Un bloc optique prend la place de l’habituel prisme séparateur RVB. Constitué de plusieurs lentilles, ce bloc optique maintient le bon tirage entre la baïonnette B4 et le capteur. Le tirage optique à respecter est en effet de 48 mm (entre la monture et le capteur vert) dont 33 mm pour le prisme et 13,2 mm pour les filtres. De plus, le bloc optique agrandit légèrement l’image pour la faire correspondre aux 16 mm du cercle image du capteur 1 pouce (contre 11 mm en 2/3 de pouce). En tournage, la caméra sera totalement compatible avec les optiques 2/3 de pouce, du point de vue focale et champ couvert.

L’approche de Panasonic avec l’AK-UC3000 est de viser un prix accessible et une grande modularité. L’objectif est aussi de conserver une bonne sensibilité avec un rapport signal sur bruit correct. Si le nombre exact de photosites du capteur n’est pas communiqué, la sensibilité est donnée pour F11 en mode haute sensibilité, F7 en mode normal avec un rapport S/B de 60 dB.

Caméra d’épaule en liaison fibre SMPTE, l’AK-UC3000 arrive accompagnée du CCU (camera control unit) AK-UCU500 et de plusieurs pupitres opérateurs, d’encombrement et de fonctionnalités différentes. L’UCU500 est capable de sortir à la fois les signaux UHD, HD et même SD. Ces accessoires sont aussi conçus pour l’AK-UB300, une caméra box elle aussi UHD ainsi que pour l’AK-HC5000, une caméra tri-capteurs 1 920 x 1 080p, haute vitesse jusqu’à 200 i/s, de sensibilité F12 à 2 000 lux et faible bruit (S/B > 60 dB). Pour assurer un passage en bon ordre vers l’UHD, tous les constructeurs ont prévu une sortie HD en parallèle à la sortie du signal UHD. Ces caméras sont aussi généralement compatibles 3G, ce qui signifie qu’elles délivrent un signal HD (1 920 x 1 080) en 50 ou 60 i/s en mode progressif. Rappelons au passage qu’il n’y a heureusement plus d’entrelacé en UHD !

En complément des caméras à capteurs 2/3 de pouce, on trouve sur les tournages la caméra de ralentis i-Movix X10 UHD conçue sur une base de caméra Phantom Flex4K de la société américaine Vision Research. Il s’agit d’un seul capteur 4K de grande taille (S35) à matrice de Bayer sur lequel un adaptateur optique permet de monter les zooms vidéo B4. La X10 UHD existe en version HF et I-Movix présentera au Nab Infinite, son nouveau système d’enregistrement « trigger less » en boucle continue, doté d’une capacité de plus d’une heure en ralenti, associé ou non à un serveur.

* Cet article est paru pour la première fois dans Mediakwest #16, pp 14-16. Abonnez-vous à Mediakwest (5 nos/an + 1 Hors série « Guide du tournage) pour avoir accès, dès leur sortie, à nos articles dans leur totalité.


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