ピクセルアスペクト比

ピクセルアスペクト比( PARと略されることが多い) は、デジタル画像内のピクセルの幅とそのピクセルの高さの比を 表す数学的比率です。

ほとんどのデジタル画像処理システムでは、画像を小さな正方形のピクセルのグリッドとして表示します。ただし、一部の画像処理システム、特に標準解像度のテレビ映画と互換性が必要な画像処理システムでは、画像をピクセルの幅と高さが異なる長方形のピクセルのグリッドとして表示します。ピクセル アスペクト比はこの違いを表します。

ピクセル アスペクト比の使用は、主に標準解像度テレビの画像やその他の例外的なケースに関係します。SMPTE 標準および慣行に準拠するものを含む、その他のほとんどの画像システムでは、正方形のピクセルが使用されます。

PAR はサンプル アスペクト比とも呼ばれ、略してSARと表記されますが、ストレージ アスペクト比と混同されることがあります。

画像の幅と高さの比率はアスペクト比、より正確にはディスプレイ アスペクト比(DAR) と呼ばれます。これは表示される画像のアスペクト比です。テレビの場合、DAR は伝統的に 4:3 (フルスクリーン) でしたが、現在では 16:9 (ワイドスクリーン) が HDTV の標準となっています。デジタル画像では、ピクセル寸法の比率であるストレージ アスペクト比(SAR)が異なります。画像が正方形のピクセルで表示される場合、これらの比率は一致します。そうでない場合は、正方形ではない「長方形」のピクセルが使用され、これらの比率は一致しません。ピクセル自体のアスペクト比はピクセル アスペクト比(PAR) と呼ばれ、正方形のピクセルの場合は 1:1 です。これらは次の恒等式で関連しています。

整理すると（PAR を解くと）、次のようになります。

例えば：

• 640 × 480 VGA画像の SAR は 640/480 = 4:3 であり、4:3 ディスプレイ (DAR = 4:3) に表示される場合は正方形のピクセルになるため、PAR は 1:1 になります。
• 対照的に、720 × 576 D-1 PAL 画像の SAR は 720/576 = 5:4 ですが、4:3 ディスプレイ (DAR = 4:3) に表示される場合は、PAR は 4/3 : 5/4 = 16:15 ≈ 1.066 になります。つまり、PAL 画像のピクセルは、4:3 ディスプレイに収まるようにこの量だけ「引き伸ばされる」必要があります。

フィルムなどのアナログ画像にはピクセルの概念も、SAR や PAR の概念もありませんが、アナログ画像をデジタル化すると、結果として得られるデジタル画像にはピクセルがあるため、SAR があります (元の画像と同じアスペクト比で表示される場合は、それに応じて PAR もあります)。

非正方形ピクセルは、垂直解像度と「実効」水平解像度が異なるため非正方形ピクセルで表現するのが最も適切であるアナログ TV 信号のデジタル化に関連する初期のデジタル TV 規格でよく見られます。また、一部のデジタル ビデオ カメラやコンピューターの表示モード(カラー グラフィックス アダプター(CGA)など) でも見られます。今日では、異なる SAR を持つ解像度間の トランスコーディングでも非正方形ピクセルが見られます。

実際のディスプレイには通常、非正方形のピクセルはありませんが、デジタル センサーには非正方形のピクセルがある場合があります。非正方形のピクセルは、解像度を変換するために画像を再サンプリングする際に使用される数学的な抽象化です。

PAR を理解するには、特にアナログ ビデオのデジタル化に関連するいくつかの複雑な要素があります。

• まず、アナログ ビデオにはピクセルはなく、ラスター スキャンであるため、垂直解像度 (ラスターの行) は明確に定義されていますが、各行がアナログ信号であるため、水平解像度は明確に定義されていません。ただし、標準化されたサンプリング レートにより、有効な水平解像度は、以下に示すように、サンプリング定理によって決定できます。
• 2 番目に、オーバースキャンにより、ラスターの上部と下部の一部の線が表示されず、左側と右側の一部の画像も見えなくなります。オーバースキャン: アナログからデジタルへの解像度の問題を参照してください。また、解像度が丸められる場合もあります (DV NTSC では、可能な 486 線ではなく 480 線が使用されます)。
• 3 番目に、アナログ ビデオ信号はインターレースされます。つまり、各画像 (フレーム) は、それぞれ半分のラインを持つ 2 つの「フィールド」として送信されます。したがって、ピクセルの高さはインターレースなしの 2 倍になるか、画像がインターレース解除されます。

ビデオは、ビデオ フレームと呼ばれる連続した一連の画像として表示されます。歴史的に、ビデオ フレームはアナログ形式で作成および記録されていました。デジタル表示技術、デジタル放送技術、デジタルビデオ圧縮が別々に進化したため、ピクセル アスペクト比を使用して対処する必要があるビデオ フレームの違いが生じました。デジタル ビデオ フレームは、通常、連続する各画像を表示するために使用されるピクセルのグリッドとして定義されます。水平コンポーネントはピクセル (またはサンプル) によって定義され、ビデオ ラインと呼ばれます。垂直コンポーネントは、480 ラインなどのライン数によって定義されます。

標準精細テレビの規格と実践は、放送技術として開発され、地上波放送を目的としていたため、デジタル ビデオのプレゼンテーション用に設計されていません。このような規格では、画像を明確に定義された水平「ライン」、明確に定義された垂直「ライン期間」、および明確に定義された画像の中心の配列として定義しています。ただし、画像のエッジを適切に定義したり、ラインごとに特定の数の画素を明示的に要求したりする標準精細テレビの規格はありません。さらに、NTSC 480iやPAL 576iなどのアナログ ビデオ システムでは、段階的に表示されるフレームを使用する代わりに、フィールドまたはインターレースされたハーフ フレームを織り交ぜて表示することで、ちらつきを減らし、画像レートを 2 倍にして動きをスムーズにしています。

コンピュータがビデオ編集ツールとして十分に強力になった結果、この非互換性を克服するためにビデオデジタル-アナログコンバータとアナログ-デジタルコンバータが作られました。アナログビデオラインを一連の正方形ピクセルに変換するために、業界では輝度値がピクセルに抽出されるデフォルトのサンプリングレートを採用しました。480i画像の輝度サンプリングレートは12でした。+3 ⁄ 11  MHz、576i画像では14+3 ⁄ 4  MHz。

ピクセルアスペクト比という用語は、 ITU-R BT.601 （一般にRec. 601として知られる）で、標準精細テレビ画像は720の非正方形ピクセルのラインで構成されていると規定されたときに初めて造られました。ITU-R BT.601は正確なピクセルアスペクト比を定義しませんでしたが、業界の慣行に基づいて正確なピクセルアスペクト比を計算するのに十分な情報を提供しました。標準の輝度サンプリングレートは正確に13です。+1 ⁄ 2  MHz。この情報に基づいて:

• 480iのピクセル アスペクト比は10:11 になります。

  ${\displaystyle 12{\tfrac {3}{11}}\div 13{\tfrac {1}{2}}={\tfrac {10}{11}}}$

• 576iのピクセル アスペクト比は59:54 になります。

  ${\displaystyle 14{\tfrac {3}{4}}\div 13{\tfrac {1}{2}}={\tfrac {59}{54}}}$

SMPTE RP 187 では、さらに480iと576iのピクセル アスペクト比の値を標準化しようとしました。480i の場合は 177:160、576i の場合は 1035:1132 と指定されました。しかし、業界で実施されている慣行との大きな相違と、関連するハードウェアにかかる計算負荷のため、SMPTE RP 187 は単に無視されました。SMPTE RP 187 情報付録 A.4 では、さらに480iの場合は 10:11 の使用が提案されました。

本稿執筆時点では、ITU-R BT.601 の最新版である ITU-R BT.601-6 でも、上記のピクセル アスペクト比が正しいことが示されています。

前述のように、ITU-R BT.601 では、標準解像度のテレビ画像は、正確に指定されたサンプリング レートでサンプリングされた 720 個の非正方形ピクセルのラインで構成されていると規定されています。簡単な数学的計算により、480iまたは576i の標準 4:3 画像を 格納するには 704 ピクセルの幅で十分であることがわかります。

• Rec. 601 推奨のサンプリング レートでデジタル化された 4:3 480 ラインの画像は、704 の非正方形ピクセルの幅になります。

  ${\displaystyle {\frac {x}{480}}\times {\frac {10}{11}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {480\times 11\times 4}{10\times 3}}=704}$

• Rec. 601 推奨のサンプリング レートでデジタル化された 4:3 576 ラインの画像は、702.915254 の非正方形ピクセルの幅になります。

  ${\displaystyle {\frac {x}{576}}\times {\frac {59}{54}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {576\times 54\times 4}{59\times 3}}\approx 702.915254}$

残念ながら、すべての標準テレビ画像が正確に 4:3 であるわけではありません。前述のように、アナログ ビデオでは、画像の中心は明確に定義されていますが、画像の端は標準化されていません。その結果、一部のアナログ デバイス (主に PAL デバイスですが、一部の NTSC デバイスも) は、水平方向に (わずかに) 広い動画を生成しました。これは、アナモルフィック ワイドスクリーン(16:9) 画像にも比例して当てはまります。したがって、安全なエラー マージンを維持するために、ITU-R BT.601 では、すべてのビデオ データを端の近くで確実に保存できるように、1 行あたり 16 個多い非正方形ピクセル (各端で 8 個多い) をサンプリングする必要がありました。

しかし、この要件は PAL 映画に影響を及ぼしました。標準 (4:3) およびアナモルフィック ワイド スクリーン (16:9) の PAL ピクセル アスペクト比はそれぞれ 59:54 および 118:81 であり、デジタル画像処理、特に PAL と NTSC のビデオ クリップの混合には不向きでした。そのため、ビデオ編集製品では、ほぼ同等の値であるそれぞれ 12:11 および 16:11 を選択しました。この値はより洗練されており、図に示すように、正確に 704 ピクセル幅の PAL デジタル画像を作成できます。

• PAL 4:3の場合:

  ${\displaystyle {\frac {4}{3}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {12}{11}}}$

• PAL 16:9の場合:

  ${\displaystyle {\frac {16}{9}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {16}{11}}}$

インターネットやさまざまな他の公開メディアには、さまざまなビデオ画像やビデオ システムのピクセル アスペクト比として、異なる非常に互換性のない値を紹介するソースが多数あります。(補足ソースのセクションを参照してください。)

これらの情報源の正確性や実現可能性を中立的に判断するために、デジタル映画は従来の映画の何年も後に発明されたため、標準精細度テレビやデジタルであろうとなかろうと互換メディアを対象とするすべてのビデオ画像は、標準精細度テレビと互換性のある仕様を持っている（持っていなければならない）ことに注意してください。したがって、デジタル ビデオのピクセル アスペクト比は、デジタル ビデオの仕様ではなく、一般的な従来機器の仕様から計算する必要があります。そうしないと、デジタル ビデオ ソースから計算されたピクセル アスペクト比は、同じ種類のビデオ ソースの特定の場合にのみ使用でき、標準精細度テレビ システムの一般的なピクセル アスペクト比として考慮/使用することはできません。

さらに、画像のエッジが明確に定義されているデジタル ビデオとは異なり、従来のビデオ システムでは画像のエッジが明確に定義されていることはありません。そのため、一般的な標準テレビ システムのピクセル アスペクト比は、画像のエッジに基づいて計算することはできません。このように計算されたアスペクト比の値はまったく間違っているわけではありませんが、特定のビデオ システムの一般的なピクセル アスペクト比と見なすことはできません。このような値の使用は、特定のケースに限定されます。

現代のデジタル画像システムや高精細テレビ、特に SMPTE 規格と実践に準拠しているシステムでは、放送や表示に正方形ピクセルのみが使用されます。ただし、一部の形式 ( HDV、DVCPRO HDなど) では、処理する必要があるデータ量を削減する方法として、画像ストレージの内部で非正方形ピクセルが使用され、必要な転送速度が制限され、既存のインターフェイスとの互換性が維持されます。

特定のピクセル アスペクト比を持つ画像を、ピクセル アスペクト比が異なるデバイスに直接マッピングすると、画像が水平方向または垂直方向に不自然に引き伸ばされたり縮んだりして見えます。たとえば、正方形のピクセルを持つコンピューター ディスプレイ用に生成された円は、垂直方向の長方形のピクセルを使用する標準解像度の NTSC テレビでは垂直方向の楕円のように見えます。この問題は、ワイド スクリーン テレビでより顕著になります。

非正方形ピクセルのビデオ ファイルを編集するビデオ編集ソフトウェア製品では、ピクセル アスペクト比を考慮する必要があります。特に、ピクセル アスペクト比が異なるビデオ クリップを混合する場合は注意が必要です。これは、さまざまなビデオ標準を採用しているさまざまなカメラからビデオ モンタージュを作成する場合に当てはまります (比較的まれな状況です)。特殊効果ソフトウェア製品でも、ピクセル アスペクト比を考慮する必要があります。これは、一部の特殊効果では、視覚的に正しく見えるように特定のポイントからの距離を計算する必要があるためです。このような効果の例としては、放射状のぼかし、モーション ブラー、または単純な画像の回転などがあります。

ピクセル アスペクト比の値は、主にデジタル ビデオ ソフトウェアで使用されます。デジタル ビデオ ソフトウェアでは、元のビデオ システム以外のビデオ システムを使用するために、動画を変換または再調整する必要があります。ビデオ プレーヤーソフトウェアは、ピクセル アスペクト比を使用して、デジタル ビデオを画面に適切にレンダリングする場合があります。ビデオ編集ソフトウェアは、ピクセル アスペクト比を使用して、ビデオを適切にスケーリングし、新しい形式にレンダリングします。

ピクセルアスペクト比のサポートは、80年代に存在したコンピュータ標準やビデオゲームのレガシーデジタル画像を歪みなく表示するためにも必要です。その世代では、正方形ピクセルは製造コストが高すぎたため、SNES、CGA、EGA、Hercules、C64、MSX、PC-88、X68000などのマシンやビデオカードには非正方形ピクセルが採用されていました。^[1]

ピクセルアスペクト比は、画像の幅と高さの比であるさまざまな種類の画像アスペクト比と混同されることがよくあります。標準精細度テレビのピクセルは正方形ではないため、このようなアスペクト比には、ストレージアスペクト比( SAR ) とディスプレイアスペクト比(略称DAR、画像アスペクト比やピクチャアスペクト比とも呼ばれます) の 2 種類があります。また、ピクセルアスペクト比( PAR ) は、一部の業界標準 ( H.264 ^[2]など) やプログラムの出力 ( ffmpeg ^[3]など) ではサンプルアスペクト比(略称SAR ) とも呼ばれます。略語PARとSAR が再利用されていることに注意してください。この記事では、あいまいさを避けるために、ピクセルアスペクト比、ディスプレイアスペクト比、ストレージアスペクト比という用語のみを使用します。

ストレージ アスペクト比は、画像の幅と高さのピクセル単位の比率で、ビデオ ファイルから簡単に計算できます。表示アスペクト比は、画面に表示される画像の幅と高さ (センチメートルやインチなどの長さの単位) の比率で、ピクセル アスペクト比とストレージ アスペクト比の組み合わせから計算されます。

ただし、これらの概念の定義を知っているユーザーも混乱する可能性があります。ユーザー インターフェイスが適切に作成されていなかったり、ドキュメントが適切に作成されていなかったりすると、このような混乱が簡単に発生します。一部のビデオ編集ソフトウェア アプリケーションでは、ビデオ ファイルの「アスペクト比」を指定するようユーザーに求め、選択肢として「4:3」と「16:9」が提示されることがよくあります。これらの選択肢は、「PAL 4:3」、「NTSC 4:3」、「PAL 16:9」、「NTSC 16:9」である場合もあります。このような状況では、ビデオ編集プログラムは、ビデオ ファイルの元のビデオ システムに関する情報を尋ねることで、暗黙的にビデオ ファイルのピクセル アスペクト比を尋ねています。次に、プログラムは (以下の表に類似した) 表を使用して、正しいピクセル アスペクト比の値を決定します。

一般的に言えば、混乱を避けるために、ビデオ編集製品ではストレージ アスペクト比を直接取得または計算できるため、ストレージ アスペクト比を要求することはないと想定できます。非正方形ピクセル対応アプリケーションでも、ピクセル アスペクト比またはディスプレイ アスペクト比のいずれかを要求するだけで、どちらかからもう一方を計算できます。

一般的な標準解像度のビデオ形式のピクセル アスペクト比の値は、以下のとおりです。PAL ビデオ形式の場合、2 種類の異なるピクセル アスペクト比の値がリストされていることに注意してください。

1. Rec.601 は、Rec.601 準拠の値であり、そのタイプの標準解像度ビデオの実際のピクセル アスペクト比と見なされます。
2. Digital は、Rec.601 とほぼ同等であり、デジタルビデオ編集ソフトウェアでの使用に適しています。

共通フォーマットの PAR はソースによって異なることに注意してください。たとえば、4:3 (DAR) で表示される 576 ライン (PAL) は、PAR 12:11 (704×576 の場合、SAR = 11:9)、または PAR 16:15 (720×576 の場合、SAR = 5:4) のいずれかに相当します。両方を示すソースについては参考文献を参照してください。また、ストレージ、ディスプレイ、ピクセル アスペクト比の表については、SDTV: 解像度を参照してください。また、CRT テレビにはピクセルではなく、走査線があることにも注意してください。

• 国際電気通信連合 - 無線通信部門 (ITU-R) (2007 年 1 月)。「勧告 BT.601-6: 標準 4:3 およびワイド スクリーン 16:9 アスペクト比のデジタル テレビのスタジオ エンコーディング パラメータ」。ITUオンライン ブックストア。2008 年10 月 1 日閲覧。
  取得日現在、ITU オンライン ブックストアの無料会員になると、最大 3 つの ITU-R 勧告を無料でダウンロードできます。
• Consumer Electronics Association (2008 年 3 月)。「CEA 標準 CEA-861-E: 非圧縮高速デジタル インターフェイスの DTV プロファイル」。2011 年 11 月 7 日時点のオリジナルからアーカイブ。2009 年9 月 1 日閲覧。
  • HDMIの基礎となるこの規格では、4:3 576i/p のピクセルアスペクト比として 16:15 (1.0666)、4:3 480i/p のピクセルアスペクト比として 8:9 (0.888) が規定されています。
• Pirazzi, Chris. 「正方形ピクセルと非正方形ピクセル」 。2008年10 月 1 日閲覧。
• Pirazzi, Chris. 「ビデオ システムのプログラマー ガイド」 。2008年10 月 1 日閲覧。
• ポイントン、チャールズ (2002)。『デジタルビデオと HDTV :アルゴリズムとインターフェース』サンフランシスコ: Morgan Kaufmann Publishers。ISBN 1-55860-792-7。
• 欧州放送連合 (1999)。「EBU 技術勧告 R92-1999: アナログおよびデジタル 625/50 テレビ システムにおけるアクティブ画像領域と画像センタリング」(PDF) 。2011年6 月 12 日閲覧。

• Adobe Systems Incorporated. 「アスペクト比 (-> 一般的なピクセル アスペクト比)」。Adobe Premiere Pro CS4 ドキュメント。2009年1 月 25 日閲覧。
  • Adobe Premiere Pro CS4 ドキュメントの PDF バージョンもAdob​​e Web サイトから入手できます。
  • このソースでは、576i のピクセル アスペクト比として 12:11 (1.09) が指定されています。
• Adobe Systems Incorporated. 「ピクセル アスペクト比とフレーム アスペクト比 (-> 一般的なピクセル アスペクト比)」。Adobe After Effect CS4 ドキュメント。2009年1 月 25 日取得。
  • Adobe After Effects CS4 ドキュメントの PDF バージョンもAdob​​e Web サイトから入手できます。
  • このソースでは、576i のピクセル アスペクト比として 12:11 (1.09) が指定されています。
• Jukka Aho. 「デジタルビデオ解像度とアスペクト比変換のクイックガイド」。2014年8月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月25日閲覧。
  • このソースは、480i および 576i 画像の異なるピクセル アスペクト比値を計算します。
• ブラザー・ジョン。「PAR にとっての ITU-R BT.601 の重要性 (ドイツ語からの翻訳)」。2010 年11 月 26 日閲覧。
  • さまざまな仕様で提供されているピクセルアスペクト比の相違点に関する詳細な分析。
  • クリエイティブ・コモンズ 表示、非営利-継承 3.0 ドイツ (CC by-sa)
  • 英語訳: [1]

• ピクセルアスペクト比の徹底検証