テレビの技術

テレビの技術は、 1884年にポール ゴットリープ ニプコウが発明した機械システムを使用して、初期の頃から進化してきました。すべてのテレビ システムは、ニプコウの回転ディスク スキャナで最初に実装されたスキャン原理に基づいて動作します。これにより、2 次元画像が、画像の分解可能な各要素の明るさと色を表す時系列信号に変換されます。2 次元画像を十分速く繰り返すことで、動きの印象も伝達できます。受信装置が画像を再構成できるように、信号には同期情報が含まれ、画像内の各ラインを適切に配置し、完全な画像が送信され、新しい画像が続くタイミングを識別できるようにします。

機械的なスキャンシステムが実験的に使用されていた一方で、電子カメラ管とディスプレイの開発により、マスメディアとしてのテレビは実用化されました。21 世紀に入ると、テレビ放送のアナログ信号をデジタル信号に置き換えることが技術的に可能になりました。多くのテレビ視聴者は、地上波放送を受信するためにアンテナを使わなくなり、ケーブルテレビシステムに依存しています。これらのシステムは、電話やインターネット サービスと統合されることが多くなっています。

シンプルなテレビ放送システムの要素は次のとおりです。

• 画像ソース。これは視覚画像を表す電気信号であり、生放送のテレビの場合はプロ用ビデオカメラ、録画した画像を再生するためのビデオテープレコーダー、または動画をビデオに変換するためのフライングスポットスキャナーを備えたテレシネから生成されることがあります。
• 音源。これは、マイクからの電気信号、またはビデオテープレコーダーのオーディオ出力からの電気信号です。
• 無線信号（電波）を生成し、画像や音声情報をエンコードする送信機。
• エンコードされた信号を放送するために送信機の出力に接続されたテレビアンテナ。
• 放送信号を受信するためのテレビアンテナ。
• 受信機（チューナーとも呼ばれる）は、放送信号から画像と音声の情報をデコードし、その入力はテレビのアンテナに結合されます。
• 電気信号を視覚的な画像に変換する表示装置。
• オーディオ アンプとスピーカー。電気信号を音波（音声、音楽、その他の音）に変換して画像に添えます。

実際のテレビ システムには、さまざまな画像ソースを選択するための装置、複数のソースからの画像を同時に混合するための装置、事前に記録されたビデオ信号を挿入するための装置、多くのソースからの信号を同期させるための装置、および局の識別などの目的でコンピュータによって直接画像を生成するための装置が含まれます。このような装置を収容し、ステージ、セット、オフィスなどのためのスペースを提供する施設はテレビ スタジオと呼ばれ、送信機から何マイルも離れた場所に設置されることがあります。スタジオから送信機への通信は、専用のケーブルまたは無線システムを介して行われます。

テレビ信号は、もともと地上の送信機のみで送信されていました。受信品質は大きく異なり、受信アンテナの位置と種類に大きく依存していました。このため、1960 年代には受信品質を向上させるために屋上設置型の大型アンテナが普及し、セットトップダイポールアンテナや「ラビット イヤー」アンテナに取って代わりましたが、これらのアンテナは依然として人気がありました。アンテナ ローター(セットトップ制御のサーボ モーターで、アンテナのマストが取り付けられ、目的の送信機に向けられるようにアンテナを回転させる機能) も人気を博しました。

現在、ほとんどの都市では、ケーブルテレビのプロバイダーが同軸ケーブルまたは光ファイバーケーブルで信号を有料で配信しています。信号は静止軌道上の衛星から無線で配信され、パラボラアンテナで受信されます。パラボラアンテナはアナログ信号の場合は比較的大きいですが、デジタル信号の場合ははるかに小さいです。ケーブルプロバイダーと同様に、衛星テレビプロバイダーも料金を請求しますが、多くの場合、ケーブルシステムよりも安価です。デジタル衛星受信の手頃な価格と利便性により、多くの家やアパートの外に小さなパラボラアンテナが普及しました。

デジタルシステムは、画像伝送品質の向上、伝送帯域幅の削減、特殊効果、または非加入者による受信からの伝送のセキュリティを実現するために、チェーンのどこにでも挿入できます。今日の家庭では、アナログまたはHDTV を無線で受信するか、ケーブル テレビ会社から同軸ケーブル経由でアナログまたはデジタル ケーブルとHDTVを受信するか、電話会社から光ファイバーライン経由で受信するかを選択できます。外出先では、ポケット サイズのテレビでテレビを受信したり、テープまたはデジタル メディア プレーヤーに録画したり、高速または「ブロードバンド」インターネット接続を介してワイヤレス電話 (モバイルまたは「セル」電話)で再生したりできます。

現代のテレビでは、いくつかの種類のビデオ ディスプレイが使用されています。

• CRT (ブラウン管): 21 世紀の最初の 10 年間まで、最も一般的な画面は、最大約 100 cm (40 インチ) (4:3 の比率) および 115 cm (45 インチ) (16:9 の比率) の対角線の直視型 CRT でした。一般的なNTSC放送信号の可視部分の解像度は、449 x 483 の長方形ピクセルに相当します。
• リアプロジェクション( RPTV ) ディスプレイは、大型サイズ (254 cm (100 インチ) 以上) で製造でき、投影技術を使用します。プロジェクション TV では、CRT ベース、 LCDベース、 DLP (反射型マイクロミラー チップ) ベース、 D-ILAベース、 LCOSベースの 3 種類の投影システムが使用されています。プロジェクション テレビは 1970 年代から市販されていますが、当時は CRT の画像鮮明度に匹敵するものはありませんでした。
  • バリエーションとして、同様の技術を使用してスクリーンに投影するビデオプロジェクターがあります。これは「フロントプロジェクション」と呼ばれることがよくあります。
• フラットパネル ディスプレイ( LCDまたはプラズマ): フラットパネル テレビ セットは、アクティブ マトリックスLCD またはプラズマ ディスプレイ技術を使用します。フラットパネル LCD およびプラズマ ディスプレイは厚さが 25.4 mm と薄く、絵画のように壁に掛けたり、台座の上に置いたりできます。一部のモデルは、コンピューター モニターとしても使用できます。
• LED (発光ダイオード) アレイ (一部の LCD パネルの背後で使用されている LED バックライト (結果的に「LED」として宣伝されている) と混同しないでください) は、非常に明るい LED とそのマトリックス ドライバー エレクトロニクスの登場以降、屋外の大型ビデオ スクリーンやスタジアム スクリーンで好まれる技術になりました。LED アレイにより、他の技術では現在パフォーマンスの点で匹敵できない超大型のフラット パネル ビデオ ディスプレイが可能になります。
• OLED（有機発光ダイオード）技術は現在（2019年）、高級スマートフォンの画面やテレビに使用されています。LCDパネルとは異なり、OLED画面は極端な角度からでも見ることができ、ピクセルラグがなく、CRTディスプレイに匹敵する非常に高いコントラスト比と非常に深い黒を提供します。非常に薄く軽量で、少なくともプロトタイプでは、使用しないときは巻き取ることができるほど柔軟にすることができます。

それぞれに長所と短所があります。フロント プロジェクション ディスプレイとプラズマ ディスプレイは視野角が広い (約 180 度) ため、座席配置が広いホーム シアターに最適です。リア プロジェクション スクリーンは日光や明るい部屋ではうまく機能しないため、暗い視聴エリアにのみ適しています。

ディスプレイ解像度とは、特定の画面の 1 行のピクセル数です。2000 年以前は、水平解像度のラインがアナログ ビデオの標準的な測定方法でした。たとえば、VHS VCR は、画面の中央に外接する円に沿って測定すると 250 ラインの解像度 (端から端まで約 440 ピクセル) を持つと説明できます。アナログ信号では、垂直ラインの数とフレーム レートは、送信される信号の帯域幅に正比例します。

一般的な解像度 720×480 または 720x576 は、テレビ ディスプレイの横軸に 720 ピクセル、縦軸に 480 または 576 ピクセルがあることを意味します。指定されたディスプレイの解像度が高いほど、画像が鮮明になります。コントラスト比は、画面上の最も明るい点と最も暗い点の間の範囲を測定したものです。

コントラスト比が高いほど、豊かさ、深み、影のディテールの点で画像の見栄えが良くなります。画像の明るさは、色の鮮やかさとインパクトの強さを表します。これは、カンデラ/平方メートル(cd/m ² )で測定されます。

一方、テレビやモニターのいわゆる明るさとコントラストの調整コントロールは、画像表示のさまざまな側面を制御するために伝統的に使用されています。明るさコントロールは黒レベルをシフトして画像の強度または明るさに影響を与え、コントラストコントロールは画像のコントラスト範囲を調整します。^[1]

テレビが動作する周波数帯は国によって異なります。一般的には、帯域 III から V のVHFおよびUHF信号が使用されます。これより低い周波数では、テレビに使用できる帯域幅が十分ではありません。

電力線周波数が 60 Hz の国では、1 秒あたり 30 フレームに非常に近いフレーム レートが使用され、50 Hz の地域では 1 秒あたり 25 フレームが使用されます。これらのレートは、アナログ受信機で生成される画像の歪みを最小限に抑えるために選択されました。特定のフレーム レートでは、1 フレームあたり 400 ラインのアナログ信号は、1 フレームあたり 600 または 800 ラインのアナログ信号よりも帯域幅が少なくなります。帯域幅が広くなると、受信機の設計がより複雑になり、使用する無線周波数が高くなるため、特定のエリアに割り当てることができるチャネル数が制限される可能性があります。テレビに便利な同じ無線周波数は、航空、陸上移動無線、携帯電話などの他のサービスでも需要が高いです。

BBC は当初 45 MHz のバンド I VHF を使用していましたが、この周波数は (英国では) この目的にはもう使用されていません。バンド II は FM ラジオ送信に使用されます。周波数が高いほど光に似た動作をするため、従来のテレビ放送システムで使用するには建物を貫通したり障害物を迂回したりすることが困難です。そのため、通常は2 ～ 12 GHz の周波数を使用するMMDSおよび衛星テレビにのみ使用されます。ほとんどの国のテレビ システムでは、ビデオを AM (振幅変調) 信号として、サウンドを FM (周波数変調) 信号として中継します。例外はフランスで、音声は AM です。

アスペクト比とは、テレビ画像の水平寸法と垂直寸法の比率を指します。1926年にジョン ロジー ベアードが初めて実証した機械スキャン テレビでは、クローズアップされた 1 人の人物の頭と肩に合わせて 7:3 の垂直アスペクト比が使用されました。

1930年代半ば以降の初期の電子テレビシステムのほとんどは、当時の映画で使用されていたアカデミー比と一致するように選択された4:3の同じアスペクト比を共有していました。この比率は、当時の製造技術では生産可能だった丸いブラウン管（CRT）で便利に視聴できるほど正方形でもありました。（今日のCRT技術では、はるかに幅の広い管を製造でき、着実に普及しつつあるフラットスクリーン技術には技術的なアスペクト比の制限がまったくありません。）BBCのテレビサービスは、1936年から1950年4月3日まで、より正方形に近い5:4の比率を使用し、その後4:3の比率に切り替えました。これは大きな問題にはなりませんでした。当時のほとんどのセットは丸い管を使用しており、送信が変更されても4:3の比率に簡単に調整できたからです。

1950 年代初頭、映画スタジオは自社製品をテレビから遠ざけるために、シネマスコープなどのワイドスクリーン アスペクト比に移行しました。これは当初は単なる仕掛けでしたが、ワイドスクリーンは今でも好まれる形式であり、4:3 アスペクト比の映画はまれです。

しかし、さまざまなテレビ システムは、もともと映画と互換性があるようには設計されていませんでした。従来の狭い画面の映画は、画面の上部が顔の特徴を映し出すように、または字幕付きの映画の場合は下部が一列になるようにテレビ カメラに投影されます。つまり、説明のために画面を埋め尽くすフィルムの新聞や長いキャプションは、両端がカットされます。同様に、サウンド フィルムのフレーム レートは 1 秒あたり 24 ですが、NTSC の画面スキャン レートは 1 秒あたり 29.97 Hzであり、複雑なスキャン スケジュールが必要です。PAL と SECAM のフレーム レートは 50 Hz であり、1 秒あたり 25 で各フレームを 2 回スキャンするため、映画は短くなります (サウンドは音程がずれます)。

デジタルテレビシステムへの移行は、テレビの標準画像フォーマットを、従来の 4:3 (1.33:1) のアスペクト比から 16:9 (約 1.78:1) のアスペクト比に変更する機会として利用されました。これにより、テレビは1.66:1 から 1.85:1、2.35:1 の範囲の現代のワイドスクリーン映画のアスペクト比に近づくことができます。ワイドスクリーンコンテンツを転送する方法は 2 つあり、最も一般的な方法は、アナモルフィックワイドスクリーンフォーマットと呼ばれるものを使用するものです。このフォーマットは、ワイドスクリーン映画のフレームを 1.33:1 の 35 mm フィルムフレーム内に収めるために使用される技術と非常によく似ています。画像は記録時に水平方向に圧縮され、再生時に再び拡大されます。アナモルフィックワイドスクリーン 16:9 フォーマットは、最初にヨーロッパのPALplusテレビ放送で導入され、その後「ワイドスクリーン」レーザーディスクとDVDで導入されました。ATSC HDTV システムでは、水平方向の圧縮や拡大は使用されないストレートワイドスクリーンフォーマットが使用されます。

最近、「ワイドスクリーン」はテレビからコンピューターにまで広がり、デスクトップ コンピューターとラップトップコンピューターの両方にワイドスクリーン ディスプレイが装備されるようになりました。一部の DVD 再生ソフトウェアがアスペクト比を考慮していないために、映画の画像比率が歪むという苦情が寄せられていますが、DVD 再生ソフトウェアが成熟するにつれて、この問題は解消されるかもしれません。さらに、コンピューターとラップトップのワイドスクリーン ディスプレイは、物理的なサイズとピクセル数の両方で 16:10 のアスペクト比であり、一般向けテレビの 16:9 ではないため、さらに複雑になっています。これは、ワイドスクリーン コンピューター ディスプレイのエンジニアが、コンピューターで 16:9 のコンテンツを見る人は、コンテンツを全画面で見るよりも、画面の一部を再生コントロール、字幕、またはタスクバー用に確保することを好むだろうと想定した結果です。

テレビ業界におけるアスペクト比の変更には困難が伴い、大きな問題を引き起こす可能性があります。

ワイドスクリーン アスペクト比 (長方形) の画像を従来のアスペクト比 (正方形または 4:3) のディスプレイに表示すると、次のようになります。

• 上部と下部に黒い水平バーがある「レターボックス」形式
• 画像の一部が切り取られ、通常は画像の左端と右端が切り取られます（または「パンアンドスキャン」では、オペレーターまたは視聴者によって選択された部分）。
• 画像を水平方向に圧縮した

従来のアスペクト比 (正方形または 4:3) の画像をワイドスクリーン アスペクト比 (横長の長方形) のディスプレイに表示できます。

• 「ピラーボックス」形式で、左右に黒い縦線がある
• 画像の上部と下部が切り取られている（または「傾斜スキャン」では、オペレータによって選択された部分）
• 画像を縦方向に圧縮した

一般的な妥協策は、アスペクト比 14:9 で素材を撮影または作成し、4:3 で表示するには両側で画像の一部が失われ、16:9 で表示するには上部と下部で画像の一部が失われるというものです。近年では、スーパー 35 (ジェームズ キャメロンが推進) と呼ばれる映画撮影方法が、タイタニック、キューティ ブロンド、オースティン パワーズ、グリーン デスティニーなど、数多くの大作映画の撮影に使用されています。この方法では、カメラ ネガが作成され、これを使用してワイド スクリーンの劇場用プリントと、テレビ/VHS/DVD 用の標準の「フル スクリーン」リリースの両方を作成できます。これにより、「レターボックス」や従来のパン アンド スキャンクロッピングによる重大な情報損失を回避できます。

北米では、1941年以来の基本信号規格は2007年時点で十分に互換性があり、最も古いモノクロテレビでもカラー放送を受信できました。しかし、米国議会は、2009年2月までに従来のテレビ放送信号をすべて停止することを要求する法律を可決しました。その日以降、アナログ専用チューナーを備えたすべてのNTSC規格テレビは、デジタルATSCチューナーを取り付けない限り、映らなくなりました。デジタルチャンネルは、アナログチャンネルと同じスペクトルを占有します。以前は最も大きい番号のチャンネルが占有していたスペクトルの一部は、米国連邦通信委員会によって他の用途にオークションにかけられました。

PALとSECAM は、2020 年代半ばまでにヨーロッパとユーラシアで放送されなくなると予想されています。PAL-M も同様の廃止スケジュールになる可能性があります。

EUは加盟国に対し、2012年1月1日までにアナログからデジタルに切り替えることを推奨した。^[2]ルクセンブルクとオランダはすでに2006年に廃止を完了しており、フィンランドとスウェーデンは2007年にアナログ放送を廃止した。

英国は2007年10月にデジタル化を開始した。 2007年10月17日水曜日午前2時、ホワイトヘブンとコープランド地域（イングランド北西部）をカバーするBBC2送信機が停止された。残りの4つのアナログチャンネルはその後すぐに放送を停止した。元の5つのチャンネルは現在、他の無料放送チャンネルとともにデジタル形式でのみ視聴可能となっている。

テレビの初期の頃、キャビネットは木目調で作られていましたが (特に後年は木目を模倣したものが多くありました)、1980 年代には廃れてしまいました。1970 年代後半までは、コンソール TV/Hi Fi が一般的でした。これらは、テレビ、スピーカー、ラジオ、ターンテーブルを収納した大型の (幅約 6 フィート、高さ約 4 フィート) 木製キャビネットでした。

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