Vidéo embarquée : H.264, bande passante et synchronisation

À quoi sert vraiment la vidéo

Une caméra est l'instrument le moins cher de l'appareil et souvent le plus convaincant. Elle montre la charge qui se sépare, le volet qui bouge, le cône de fil de laine, le panneau qui a fléchi, la main qui a actionné l'interrupteur une seconde avant que le paramètre ne change. Rien de tout cela ne demande de capteur, d'étalonnage ni de schéma de câblage.

C'est aussi la seule voie dont l'utilité s'effondre sans bruit. Un flux enregistré à la mauvaise exposition, hors mise au point, ou avec un décalage temporel que personne n'a mesuré se relit parfaitement. Il n'est simplement pas utilisable comme preuve. La vidéo est facile à acquérir et difficile à bien acquérir, ce qui est l'inverse de la plupart des problèmes d'instrumentation.

Le débit est tout le problème

La vidéo brute est hors de question. Une seule voie 1080p25 non compressée représente environ 1 Gbit/s, soit tout le budget d'un enregistreur rapide pour une caméra. Tout, en vidéo embarquée, est donc une négociation sur la dose de compression acceptable.

Deux observations découlent de ce tableau. D'abord, la vidéo domine le budget de stockage : quatre caméras 1080p sur une sortie de trois heures, c'est plus de données que tous les bus et toutes les voies analogiques de l'appareil réunis. Ensuite, le stockage n'est pas la contrainte qu'on imagine — une cartouche moderne avale tout cela, et les vraies contraintes sont la liaison de télémesure et le temps de dépouillement de celui qui devra tout regarder.

Ce que fait le H.264, et ce qu'il vous coûte

Le H.264 obtient sa compression en décrivant la plupart des images comme des différences par rapport à d'autres images. Une image I est codée seule. Une image P dit ce qui a bougé depuis la précédente. Une image B interpole entre une image passée et une image future, ce qui explique qu'elle compresse si bien — et que l'encodeur doive retenir des images puis les émettre dans le désordre.

Un groupe d'images (GOP) est le motif répété de ces images. À l'intérieur d'un GOP, seule l'image I se suffit à elle-même ; tout le reste dépend de ses voisines. Ce seul fait entraîne toutes les conséquences qui comptent sur un avion d'essais.

• Le positionnement n'est précis qu'au GOP, sauf si le décodeur rejoue depuis l'image I précédente. Avec un GOP de deux secondes, « aller au moment de l'événement » tombe jusqu'à deux secondes à côté.
• Une image I corrompue endommage toutes celles qui en dépendent : un seul bloc erroné sur une liaison ou un support coûte un GOP entier, pas une image.
• Les images B ajoutent de la latence, puisque l'encodeur ne peut pas émettre une image dont il n'a pas encore vu l'avenir. Pour une liaison en direct, configurez sans elles.
• Le débit variable est juste pour le stockage et faux pour une liaison de télémesure, où le budget est fixe et où une pointe ne rentre tout simplement pas.

L'intra : quand chaque image doit se suffire

L'alternative consiste à compresser chaque image indépendamment — JPEG 2000, ou H.264 configuré tout-intra. Vous payez cinq à dix fois le débit et vous obtenez des propriétés difficiles à atteindre autrement : chaque image est une photo à part entière, le positionnement est précis à l'image, une erreur abîme une image et s'arrête là, et la qualité ne respire pas au rythme du mouvement dans la scène.

C'est le bon choix chaque fois qu'une image est une preuve et non une illustration : séparations, ruptures de structure, tout ce que vous allez parcourir image par image, et tout ce qu'un tiers va réanalyser. C'est aussi le choix naturel pour l'enregistrement d'images en installation protégée au crash, où un enregistrement tronqué doit rester lisible jusqu'à sa dernière image complète.

Pour une vue de poste sur une sortie de trois heures, la compression inter-images est évidemment la bonne. Pour les quatre secondes autour d'un largage, elle est évidemment mauvaise. La plupart des campagnes ont besoin des deux, et la bonne question se pose par caméra, pas par avion.

Garder la vidéo et les données sur la même chronologie

Une image à 25 im/s, c'est 40 millisecondes. Une demi-image d'erreur, c'est 20 millisecondes — invisible quand on regarde la vidéo, criant quand on la place à côté d'un paramètre échantillonné à 1 kHz. Réussir cet alignement fait la différence entre une vidéo qui appuie une analyse et une vidéo qui la fragilise.

La règle est simple et souvent enfreinte : l'horodatage appartient à l'instant de la capture, pas à l'instant où l'image compressée sort de l'encodeur. Les encodeurs tamponnent, réordonnent et font varier leur délai selon le contenu de la scène ; un horodatage pris en sortie hérite de tout cela.

Le conteneur doit ensuite le préserver. Dans un enregistrement Chapter 10, la vidéo part dans ses propres paquets porteurs de la datation des images ; le format D.T.MUX marque la frontière et la longueur de chaque image à l'intérieur du bloc, si bien qu'un lecteur peut se resynchroniser sur l'image suivante au lieu de perdre le reste de la voie — et un champ d'en-tête porte l'offset de la première image du bloc, ce qui autorise un alignement plus fin que le bloc.

À plusieurs caméras s'ajoute la question de leur alignement mutuel. Deux caméras cadencées indépendamment dérivent, et une analyse stéréo ou multi-vues exige qu'elles soient asservies à une référence commune — synchronisées entre elles, ou au minimum datées par la même unité d'acquisition plutôt que par elles-mêmes.

Enregistrer, diffuser, ou les deux

Une liaison de télémesure qui porte confortablement quelques mégabits par seconde de PCM ne peut pas porter en plus quatre caméras 1080p. L'architecture habituelle est donc asymétrique : vidéo à plein débit enregistrée à bord, et un flux réduit — résolution plus basse, cadence plus faible, une caméra à la fois, commutable depuis le sol — descendu pour que les ingénieurs d'essais voient de quoi ils parlent.

Sur banc ou en hall d'intégration, le calcul change : l'Ethernet ne coûte rien, et diffuser le plein débit vers une station sol donne une vue en direct sans le moindre compromis. L'enregistreur devient alors un filet de sécurité plutôt que le chemin principal.

Caméras et installation

• Verrouillez l'exposition, le gain et la balance des blancs. Une exposition automatique qui cherche à travers un nuage rend deux images du même événement incomparables, et un gain automatique ajoute discrètement un bruit que vous prendrez ensuite pour du détail.
• Figez la mise au point. Rien, sur un avion d'essais, n'est à une distance qui change, et un autofocus est un mécanisme qui attend d'être secoué.
• Soignez la fixation. Une caméra est un bras de levier sur un support : elle voit la vibration de la structure sur laquelle elle est boulonnée, et une résonance du support ruine l'image sans que rien ne tombe en panne.
• Longueur de câble, blindage et connecteurs sont la cause habituelle d'une caméra intermittente — et d'un constat CEM en chambre.
• Le froid et la condensation en altitude, puis une descente vers l'air chaud, voilà ce qui embue un objectif. Un boîtier étanche avec un hublot maîtrisé est la réponse.
• Qualifiez la caméra comme tout équipement embarqué. Un module du commerce dans un boîtier usiné est une approche courante et légitime, mais les preuves d'environnement restent à votre charge.

Au sol

La vidéo gagne sa place à la relecture, à côté des paramètres. Un curseur qui avance dans les deux à la fois, une incrustation d'heure et de position GPS pour un rapport, un extrait autour d'un événement avec la même référence de temps que les données : voilà ce qui transforme un enregistrement en argument dans une revue.

C'est la même exigence que partout ailleurs dans une chaîne d'instrumentation : une horloge, honnêtement enregistrée. La vidéo rend simplement les erreurs visibles, parce que l'œil humain remarque très bien que l'interrupteur a bougé après le paramètre qu'il commandait.