テレビ規格変換

テレビ規格変換と は、テレビ放送または録画をあるビデオシステムから別のシステムに変換するプロセスです。ビデオ画像の異なるライン数、フレームレート、カラーモデル間でビデオを変換することは、複雑な技術的問題です。しかし、テレビ番組の国際交換には、異なる規格を持つ他の国でビデオを視聴できるように規格変換が必要です。通常、ビデオはビデオ規格コンバーターに送られ、異なるビデオ規格に従ってコピーが作成されます。最も一般的な変換の 1 つは、NTSC 規格とPAL規格間の変換です。^[1]

テレビシステムの変換に関する最初の事例は、第二次世界大戦の数年後のヨーロッパで、主にRTF (フランス) とBBC (イギリス) が白黒441 ラインと405 ラインの番組を交換しようとしたことでした。問題は、カラー標準PAL、SECAM (どちらも 625 ライン)、およびフランスの白黒819 ラインサービスの導入によってさらに悪化しました。1980 年代まで、標準変換は非常に困難であったため、24 フレーム/秒の16 mmまたは35 mm フィルムが番組交換の好ましい媒体でした。^{[引用が必要]}

おそらく、技術的に最も難しい変換は、PAL および SÉCAM から NTSC への変換です。

• PALとSÉCAMは50フィールド/秒または25フレーム/秒で625ラインを使用します。
• NTSCは525ラインを59.94フィールド/秒（60000/1001）または30フレーム/秒で使用します。

NTSC 規格は、PAL および SÉCAM と時間的にも空間的にも互換性がありません。ライン数が異なることに加え、50 フィールドしかないフォーマットから 1 秒あたり 60 フィールドを必要とするフォーマットに変換するのは困難です。1 秒あたり、追加の 10 フィールドを生成する必要があり、コンバータは (既存の入力から) 新しいフレームをリアルタイムで作成する必要があります。

PAL と SÉCAM 間の変換では同様のタイミングの変更は必要ありませんが、カラー エンコーディングとサウンドの変換は必要です。

テレビには多くの隠された信号が含まれています。一部の非常に高価なコンバータを除いて転送されない信号タイプの 1 つが、クローズド キャプション信号です。テレテキスト信号を転送する必要はありませんが、技術的に可能である場合はキャプション データ ストリームを転送する必要があります。

HDTV 放送では、これはそれほど問題にはなりません。ほとんどの場合、キャプション データ ストリームを新しいソース マテリアルに渡すだけです。ただし、DVBとATSC では、キャプション データ ストリームの種類が大きく異なります。

情報理論とナイキスト・シャノン標本化定理によれば、あるテレビ規格から別のテレビ規格への変換は、変換が簡単であれば容易になる。

• 高いフレームレートから低いフレームレートへ（たとえば、NTSC からPALまたはSECAMへ）
• 高解像度から低解像度へ（HDTVからNTSCへ）
• あるプログレッシブスキャンソースから別のプログレッシブスキャンソースへの変換です（インターレースPALとNTSCは時間的にも空間的にも互換性がありません）
• フレーム間の動きが比較的少なく、時間的または空間的なジャダーが軽減される
• 信号対雑音比が有害なほど高くない[低くない?]ソースからのものである
• 翻訳を妨げるような連続的な（または周期的な）信号欠陥のないソースからのものであること。

ビデオ システムにおけるサブサンプリングは、通常、3 つの部分の比率として表現されます。比率の 3 つの項は、各完全なサンプル領域における明るさ (「輝度」、「輝度」、「Y」)サンプルの数と、2 つの色 (「彩度」) コンポーネント ( U/Cb、次にV/Cr ) のサンプルの数です。

品質の比較では、これらの値の比率のみが重要なので、4:4:4 は簡単に 1:1:1 と呼ぶことができますが、伝統的に明るさの値は常に 4 であり、残りの値はそれに応じて調整されます。

上記のサンプリング原則は、デジタルテレビとアナログテレビの両方に適用されます。

24 フレーム/秒のフィルムをテレビ (テレシネ) に変換する「3:2 プルダウン」処理では、元のフィルム フレームと比較してビデオ信号にわずかな誤差が生じます。これが、一般的な NTSC 家庭用機器で視聴する 24 fps のフィルムの動きが、映画館で視聴するときほどスムーズに見えない理由の 1 つです。この現象は、ゆっくりとした安定したカメラの動きで特に顕著で、テレシネするとややぎくしゃくして見えます。この処理は一般にテレシネ ジャダーと呼ばれます。

2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:3 プルダウンが適用された PAL 素材は、同様に滑らかさが欠けますが、この効果は通常テレシネ ジャダーとは呼ばれません。フィルム フレームの 12 フレームごとに 3 PAL フィールド (60 ミリ秒) の間表示されますが、その他の 11 フレームはそれぞれ 2 PAL フィールド (40 ミリ秒) の間表示されます。これにより、ビデオに 1 秒あたり約 2 回のわずかな「ヒック」が発生します。

テレビ システム コンバーターは、変換プロセス中にテレシネ ジャダー効果が発生しないようにする必要があります。このジャダーを回避することは経済的に重要です。なぜなら、フィルムから生成された多くの NTSC (60 Hz、技術的には 29.97 フレーム/秒) 解像度の素材は、PAL または SECAM (どちらも 50 Hz、25 フレーム/秒) に変換するとこの問題が発生するからです。

この方法は、アイルランドで 625 回線サービスを 405 回線サービスに変換するために使用されました。これはおそらく最も基本的なテレビ標準変換技術です。RTÉ は、405 回線システムを使用していた後期にこの方法を使用しました。

405 ライン サービスの提供には標準コンバータが使用されていましたが、複数の元 RTÉ エンジニアリング ソースによると、コンバータが故障し、その後 405 ライン サービスはモニターに向けられた 405 ライン カメラによって提供されました。これは最適な変換手法ではありませんが、同じフレーム レートで高解像度から低解像度に移行する場合は機能します。両方のオルシコンに低速リン光体が必要です。

最初のビデオ規格コンバータはアナログでした。つまり、ビデオカメラ管を使用した特別なプロ用ビデオカメラをブラウン管ビデオモニターに向けます。カメラとモニターの両方をNTSCまたはPALに切り替えて、双方向に変換できます。Robert Bosch GmbHのFernseh部門は、大型の3ラックアナログビデオ規格コンバータを製造しました。これらは1960年代と1970年代のハイエンドコンバータでした。カリフォルニア州ユニバーサルシティのImage TransformはFernsehコンバータを使用し、1980年代には独自のカスタムデジタルコンバータを製造しました。これも大型の3ラックデバイスでした。デジタルメモリのサイズが小型パッケージで大きくなるにつれて、コンバータは電子レンジほどの大きさになりました。今日では、家庭用の非常に小型のコンシューマーコンバータを購入できます。^[2]

アポロ月面ミッション (1960 年代後半から 1970 年代前半)では、通常の帯域幅のテレビではなく、低速スキャン テレビ(SSTV) が使用されました。これは主に、バッテリー電力 (および送信帯域幅。アポロ ミッションの SSTV ビデオは、宇宙船からの他のすべての音声およびテレメトリ通信と多重化されていたため) を節約するために行われました。カメラの電力はわずか 7 ワットでした。

SSTV は、アポロ 7 号、アポロ 8 号、アポロ 9 号の内部からの画像、および月からのアポロ 11 号月着陸船のテレビの画像を送信するために使用されました。アポロ TV カメラを参照してください。NASA の初期のアポロ計画で使用された SSTV システムは、通常のテレビ送信よりも少ない帯域幅を使用して、320 フレーム ラインの解像度で 10 フレーム/秒を転送しました。NASA が使用した初期の SSTV システムは、現在アマチュア無線愛好家が使用している SSTV システムとは大きく異なります。ミッションを世界中の視聴者が PAL/SECAM (625 ライン、50 Hz) と NTSC (525 ライン、60 Hz) の両方の解像度で視聴できるように、標準変換が必要でした。

その後のアポロ計画では、 60 フレーム/秒のビデオを出力するカラー フィールド シーケンシャルカメラが採用されました。各フレームは RGB 原色の 1 つに対応していました。この方法は白黒 NTSC とは互換性がありますが、カラー NTSC とは互換性がありません。実際、NTSC モノクロ TV との互換性も限界です。モノクロ セットでも画像を再現できたかもしれませんが、画像がひどくちらついていたでしょう。カメラのカラー ビデオは 10 フレーム/秒でしか動作しませんでした。また、月信号のドップラー シフトにより、画像が乱れたり反転したりしていました。これらの理由から、アポロの月の写真には特別な変換技術が必要でした。

変換手順は完全に電気機械的で、ほぼリアルタイムで実行されました。まず、ダウンリンク ステーションが画像のドップラー シフトを補正しました。次に、ダウンリンク ステーションはアナログ ディスク レコーダーで、すべてのビデオ フィールドを 6 回記録して再生しました。6 トラック レコーダーでは、記録と再生が同時に行われました。レコーダーの後、アナログ ビデオ プロセッサが NTSC カラー信号の不足しているコンポーネントを追加しました。これらのコンポーネントには、3.58 MHz カラー バースト、高解像度のモノクロ信号、サウンド、I および Q カラー信号が含まれていました。

変換の遅延はわずか 10 秒ほどでした。その後、カラーの月の写真がダウンリンク ステーションから世界中に配信されました。

この変換技術は、現在進行中の HDTV への世界的な変換のために、HDTV --> NTSC および HDTV --> PAL コンバータ ボックスの製造業者の間で普及する可能性があります。多重ナイキスト サブサンプリングは、日本で使用されていた廃止された MUSE HDTV システムで使用されていました。システム変換に使用できる MUSE チップセットは存在しており、HDTV --> アナログ TV コンバータ ボックスのニーズに合わせて改訂することもできます。

一般的な画像伝送設定では、静止画像はすべてフル解像度で伝送されます。動画は、フレーム間の画像コンテンツの複雑さに基づいて、視覚的に解像度が低くなります。

ナイキスト サブサンプリングを標準変換技術として使用すると、素材の水平解像度と垂直解像度が低下します。これは HDTV を標準解像度テレビに変換する優れた方法ですが、逆変換にはあまり適していません。水平および垂直コンテンツがフレームごとに変化するため、動画はぼやけます (HDTV 投影に 16 mm 映画フィルムを使用するのと同様)。実際、カメラ全体をパンすると、水平解像度が 50% 低下します。

システム変換のナイキスト サブサンプリング方式は、HDTV から標準解像度テレビへの変換にのみ機能するため、標準変換テクノロジとしての使用は非常に限られています。通常、HDTV から標準解像度への変換には位相相関が好まれます。

フィルム (24.0 フレーム/秒) と NTSC (約 29.97 フレーム/秒) のフレーム レートには大きな違いがあります。他の 2 つの最も一般的なビデオ形式であるPALとSECAMとは異なり、この違いは単純な速度向上では克服できません。必要な 25% の速度向上は明らかに目立つためです。

24 フレーム/秒のフィルムを 29.97 フレーム/秒 (1 秒あたり 59.94 インターレース フィールドとして表示) の NTSC に変換するには、「3:2 プルダウン」と呼ばれるプロセスが使用されます。このプロセスでは、1 つおきのフィルム フレームが追加のインターレース フィールドにわたって複製され、23.976 のフレーム レートが実現されます (オーディオは、24 フレーム/秒のソースからわずかに遅くされて一致します)。これにより、画像のシーケンスに不規則性が生じ、ソース マテリアルでカメラがゆっくりと一定の速度でパンしているときに、一部の人がこれを途切れとして認識することがあります。詳細については、テレシネを参照してください。

ネイティブの PAL または SECAM 素材 (ヨーロッパのテレビ シリーズや一部のヨーロッパの映画など) を NTSC 機器で視聴するには、規格変換を行う必要があります。これを実現するには、基本的に 2 つの方法があります。フレーム レートを 25 フレーム/秒から 23.976 フレーム/秒に下げ (約 4% の減速)、その後3:2 プルダウンを適用します。 隣接するフレームの内容を補間して新しい中間フレームを作成します。これによりアーティファクトが発生し、最も訓練された目でも、フォーマットが変換されたビデオをすぐに見分けることができます。

PAL (625 ライン @ 25 フレーム/秒) をNTSC (525 ライン @ 30 フレーム/秒) に変換する場合、コンバーターはフレームごとに 100 ラインを削除する必要があります。コンバーターは 1 秒あたり 5 フレームも作成する必要があります。

625 ラインの信号を 525 に減らすために、安価なコンバーターは 100 ラインを削除します。これらのコンバーターは、削除されたラインを均等に配置することで画像の忠実度を維持します。(たとえば、システムは各 PAL フィールドから 6 ラインごとに削除する場合があります。50 ライン削除した後、このプロセスは停止します。その時点で、システムはフィールドの表示可能領域を通過しています。次のフィールドでは、このプロセスが繰り返され、1 つのフレームが完成します。) 5 つの追加フレームを作成するために、コンバーターは 5 フレームごとに繰り返します。

フレーム間の動きがほとんどない場合、この変換アルゴリズムは高速で、安価で、効果的です。多くの安価な消費者向けテレビ システム コンバーターはこの技術を採用しています。しかし、実際には、ほとんどのビデオには大きなフレーム間の動きがあります。変換アーティファクトを減らすために、より最新または高価な機器では洗練された技術が使用される場合があります。

線を 2 倍にする最も基本的で文字どおりの方法は、各スキャンラインを繰り返すことですが、その結果は通常非常に粗くなります。線形補間では、デジタル補間を使用してインターレース信号内の失われた線を再現します。結果の品質は、使用する手法によって異なります。通常、線形デインターレーサーのボブ バージョンは、動きの滑らかさを維持するために、隣接するフィールドからの情報をマージするのではなく、1 つのフィールド内でのみ補間し、フレーム レートはフィールド レートと同じになります (つまり、60i 信号は 60p に変換されます)。前者の手法は動きのある領域で、後者の手法は静止した領域で使用され、全体的な鮮明度が向上します。

フィールド間補間は、1 つのフレームを繰り返すのではなく、隣接するフレームをブレンドして新しいフレームを作成する手法です。この手法は、中間ブレンド フレームを生成するために補間装置が前後のフレームの情報を必要とするため、線形補間よりも複雑で計算コストがかかります。 スムーズに補間できる画像を生成するために、デインターレースも必要になる場合があります。補間は、隣接するラインのピクセルの色と強度を平均化することで画像内の走査線の数を減らすためにも使用できます。これは、バイリニア フィルタリングに似ていますが、1 つの軸にのみ適用される 手法です。

単純な 2 ライン コンバータと 4 ライン コンバータがあります。2 ライン コンバータは、隣接する 2 つのラインを比較して新しいラインを作成しますが、4 ライン モデルは 4 つのラインを比較して 5 番目のラインを平均します。フィールド間補間によりジャダーは軽減されますが、画像のスミアリングが発生します。ジャダーを滑らかにするために適用されるブレンディングが大きくなるほど、ブレンディングによって生じるスミアリングも大きくなります。

より高度な技術では、ソース内のフレーム間の動きの性質と程度を測定し、その結果に基づいて適応アルゴリズムを使用して画像をブレンドします。このような技術の一部は動き補正アルゴリズムと呼ばれ、単純な技術よりも計算コストがはるかに高くなるため、リアルタイム変換を効果的に行うにはより強力なハードウェアが必要になります。

アダプティブ モーション アルゴリズムは、人間の目と脳が動く画像を処理する方法、特に動く物体の詳細ははっきりと認識されないという方法を活用します。

適応補間では、コンバーターが複数の連続フィールドを分析し、画像のさまざまな領域の動きの量と種類を検出する必要があります。

• 動きがほとんど検出されない場合、コンバーターは線形補間を使用できます。
• より大きな動きが検出されると、コンバーターはフィールド間技術に切り替えて、より滑らかな動きのために詳細を犠牲にすることができます。

適応モーション補間には多くのバリエーションがあり、ミッドレンジ コンバーターでよく使用されます。品質とコストは、モーションの種類と量の分析の精度と、モーションの種類を処理するための最適なアルゴリズムの選択によって決まります。

ブロック マッチングでは、画像をモザイク ブロックに分割します。説明のために、8x8 ピクセルとします。ブロックはメモリに保存されます。次に読み出されるフィールドも、同じ数とサイズのモザイク ブロックに分割されます。次に、コンバータのコンピューターが動作を開始し、ブロックのマッチングを開始します。同じ相対位置に留まったブロック (つまり、画像のこの部分に動きがなかったブロック) は、比較的処理が少なくなります。

• 変更されたブロックごとに、コンバーターはメモリをあらゆる方向に検索し、一致するものを探して「ブロック」がどこに移動したかを調べます (動きがあれば、ブロックは明らかにどこかに移動しているはずです)。
• 検索は、すぐ周囲のブロックから始まります (動きがほとんどないと想定)。
• 一致するものが見つからない場合は、一致するものが見つかるまでさらに遠くまで検索を続けます。
• 一致するブロックが見つかると、コンバーターはブロックがどの方向にどれだけ移動したかを認識します。
• このデータは、このブロックの動きベクトルとして保存されます。
• 現実世界ではニュートンの運動の法則によりフレーム間の動きが予測できることが多いため、動きベクトルを使用して、ブロックが次のフィールドのどこにあるかを計算することができます。
• ニュートン法は、検索と処理にかかる時間を大幅に節約します。

左から右へのパンニングが行われているとき（たとえば 10 フィールドにわたって）、11 番目のフィールドは同様または非常に近いものになると想定しても問題ありません。

• ブロック マッチングは、画像ブロックの「切り取りと貼り付け」と考えることができます。

この技術は非常に効果的ですが、膨大な計算能力を必要とします。8x8 ピクセルのブロックを考えてみましょう。各ブロックに対して、コンピューターは 64 の方向と、次のフィールドのブロックに一致させる 64 ピクセルを持っています。また、動きが大きいほど、より遠くまで検索を行う必要があることも考慮してください。次のフィールドの隣接ブロックを見つけるだけでも、9 ブロックの検索が必要になります。2 ブロック離れると、25 ブロックの検索と一致が必要になります。3 ブロック離れると、49 ブロックに増えます。

動きの種類によって、必要な計算能力は指数関数的に増大します。回転する物体を考えてみましょう。単純な直線の動きベクトルでは、次のブロックが一致する場所を予測するのにほとんど役立ちません。フレーム間の動きが増えるほど、必要な処理能力がはるかに高くなることがすぐにわかります。これがブロック マッチングの一般的な概念です。ブロック マッチ コンバーターは、細部への配慮と複雑さに応じて、価格とパフォーマンスが大きく異なります。

ブロック マッチングの奇妙なアーティファクトは、ブロック自体のサイズに起因します。移動するオブジェクトがモザイク ブロックよりも小さい場合、ブロック全体が移動すると考えてください。ほとんどの場合、これは問題にはなりませんが、投げられた野球ボールを考えてみましょう。ボール自体には高いモーション ベクトルがありますが、ブロックの残りの部分を構成する背景には動きがない可能性があります。背景も、野球ボールのモーション ベクトルに基づいて、移動したブロック内で転送されます。表示されるのは、ボールと、それに伴うわずかな外野などです。ブロックは動いているため、使用された追加テクニックによっては「ソフト」になり、探さない限りほとんど目立ちません。

ブロック マッチングには膨大な処理能力が必要ですが、今日のマイクロプロセッサにより、これは実行可能なソリューションになっています。

位相相関は、おそらく一般的なアルゴリズムの中で最も計算が複雑なものです。

位相相関の成功は、急速な動きやランダムな動きに効果的であるという事実にあります。位相相関は、他のほとんどの種類のシステム コンバーターを混乱させる回転または回転するオブジェクトによって簡単に混乱することはありません。位相相関は、技術的および概念的に複雑であるだけでなく、エレガントです。その正常な動作は、ビデオの各フィールドにフーリエ変換を実行することによって得られます。

高速フーリエ変換(FFT) は、離散値 (この場合は画像ピクセル) の変換を処理するアルゴリズムです。有限値のサンプルに適用すると、高速フーリエ変換は周波数成分に関するあらゆる変化 (動き) を表現します。

FFT の結果は周波数分布の観点からフレーム間の変化のみを表すため、動きベクトルを計算するために処理する必要があるデータははるかに少なくなります。

デジタルテレビアダプタ（DTA）は、コンバータボックスまたはデコーダボックスとも呼ばれ、アンテナを介してデジタルテレビ（DTV）送信を受信し、その信号をアナログテレビで受信して表示できるアナログ信号に変換するデバイスです。

これらのボックスは、HDTV (720 または 1080 の 16:9) を (4:3 の NTSC または PAL) に安価に変換します。PAL および NTSC 地域でこれらのコンバータ ボックスで使用される特定の変換テクノロジについては、ほとんど知られていません。

通常はダウンコンバージョンが必要なため、ほとんどのテレビでは推奨視聴距離では視聴者が感じる画質の低下はほとんどありません。

クロスフォーマットのテレビ変換の多くはオフラインで行われます。オフラインのPAL ↔ NTSC変換を提供する DVD パッケージがいくつかあります。これには、無数のMPEGベースの Web ビデオ形式からのクロス変換 (技術的にはMPEG ↔ DTV ) が含まれます。

クロス変換では、テレビ システムのフォーマット変換に一般的に使用されている任意の方法を使用できますが、通常は (複雑さとメモリ使用量を減らすため) コーデックで変換が行われます。最近の DVD のほとんどは、この方法で 525 <--> 625 ラインから変換されています。これは、EDTV解像度で作成されたほとんどのプログラミングにとって非常に経済的であるためです。

• スリーツープルダウン
• 逆標準変換
• システム変換に関するIEEE論文
• システム変換に関する AES/EBU 論文
• ATSCチューナー
• デジタルテレビ
• デジタルテレビアダプタ
• 米国におけるDTV移行
• セットトップボックス

• http://www.hawestv.com/moon_cam/moonctel.htm